弹性车轮滚动疲劳综合性能试验机的研制

侯传伦 戚 援 王 慎 宁 烨

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

1 车轮疲劳试验方法介绍

弹性车轮是在车轮的轮箍与轮心之间嵌装减振橡胶，依靠橡胶的减振阻尼作用，降低轮轨噪声，缓和轮轨冲击振动[1]的轨道车辆走行部件，能够提高车辆运行平稳性和乘客乘坐舒适性，在城市轨道交通车辆上得到了广泛应用。弹性车轮作为一种分体式车轮(见图1)，组成零件较多，结构复杂，同时作为车辆的关键走行部件，其安全可靠性直接关系到车辆的运行安全，因此需要对弹性车轮的疲劳性能进行全面的验证考核。

图1 一种典型的弹性车轮结构

一般来说，传统车轮的疲劳试验方法主要有静态定点加载和轮对滚动加载两种。

车轮的静态定点加载试验是将车轮固定安装在试验机架上，通过液压作动器对车轮踏面的固定位置进行循环加载(见图2)，考核车轮在规定载荷下的疲劳可靠性。这种试验方式只能对车轮在静止状态的性能进行考核，无法模拟车轮在实际运行过程中的轮轨滚动接触状态。

图2 车轮静态定点加载试验

轮对滚动加载试验是将轮对放置在模拟轨道的两个轨道轮上，通过在一系悬挂座施加规定的载荷，考核轮对的强度及疲劳性能(见图3)。该方法能够较真实地模拟车轮滚动状态和轮轨接触关系，但试验机结构复杂，造价昂贵，同时也无法实现单个弹性车轮的刚度性能测试和单个车轮载荷的精确加载。

图3 轮对滚动加载试验

为了能够更准确全面地模拟考核弹性车轮的受力受载状态，确保产品运行的安全可靠性，研制一种能够适应产品结构特点和试验需求的试验设备成为迫切需要解决的问题。

2 试验机主要技术参数

根据弹性车轮的结构特点、试验需求和运用工况，试验机的主要技术参数为：工作环境温度为-10 ℃～45 ℃；安装条件为室内；最高运行速度为120 km/h；试验轮直径为480 mm～900 mm；驱动轮直径：1 260 mm；径向载荷为静态160 kN，动态120 kN；轴向载荷为静态100 kN，动态80 kN；作动器最大行程为100 mm；控制波形为正弦波、三角波、方波、梯形波、保持波、斜波、周期波和随机波等；液压油源流量为125 L/min；液压油源压力为28 MPa。

3 试验机原理及主要结构

弹性车轮滚动疲劳综合试验机主要由台架系统、轨道轮及驱动系统、试验轮系统、伺服作动器系统和测量及控制系统等组成(见图4)。

1—台架系统；2—伺服作动器系统；3—试验轮系统；4—测量及控制系统；5—轨道轮及驱动系统。图4 弹性车轮滚动疲劳综合试验机

轨道轮和试验轮安装在台架工作台上，试验轮相对于工作台架能够沿径向力和轴向力的加载方向自由移动，轨道轮由驱动电机驱动并带动试验轮按照一定的速度旋转，同时在试验过程中通过伺服作动系统对被试车轮进行加载，模拟车轮在实际运行条件下的受载状态，并通过测量及控制系统完成对规定试验条件的加载和试验数据的采集处理。

3.1 台架系统

台架系统为整个试验机的基础支撑部件，用于安装轨道轮及驱动系统、试验轮系统、伺服作动器系统等，能够承受试验过程中施加的载荷，是整个试验机的基础部件。台架基础平板为铸铁平台，平台上部设置燕尾槽结构，用来安装试验机其他部分结构。台架底部采用阻尼弹簧支撑(见图5)，固有频率为3 Hz，以隔离缓和试验过程中的振动冲击，确保试验过程平稳可靠。

图5 阻尼支撑弹簧

3.2 轨道轮及驱动系统

轨道轮及驱动系统主要包括轨道轮、支撑座及驱动电机等部件。轨道轮是用有限半径的滚轮代替钢轨线路，轨道轮直径为1 260 mm，轮廓型面与真实钢轨型面相同，用以模拟真实轨道。轨道轮动不平衡量符合ISO 1940标准G6.3等级的要求。轨道轮通过法兰螺栓安装在支撑座上，在轨道轮磨耗到限或需要镟修时可以进行快速拆卸更换。驱动电机为交流伺服电机，最大功率80 kW，通过带传动与轨道轮系统连接，驱动轨道轮旋转。

3.3 试验轮系统

试验轮系统主要由试验轮、滑动平台和制动装置组成。试验轮通过法兰螺栓固定安装在滑动平台的旋转轴上，且能够满足不同轮轴接口尺寸的试验车轮的安装需求，实现被试样机的快速更换。滑动平台由低摩擦力的线性导轨支撑(见图6)，使试验轮能够沿工作台平面自由移动，同时由双向作动器控制平台移动位置，完成轮轨激扰力的加载。旋转轴另一侧末端安装制动装置，模拟车轮在启动制动工况下的扭矩负载。

图6 滑动平台

3.4 伺服作动器系统

伺服作动器系统由径向加载作动器和轴向加载作动器组成(见图7)，端部通过球铰方式与滑动平台连接，模拟施加车轮承受的径向力和轴向力载荷。伺服作动器采用液体静压导向支撑，可承受较高的侧向载荷，达到低磨损、低摩擦阻力和免维护的效果。作动器配置蓄能器，起到稳定液压油路的压力和流量，实现高频动态响应的功能，同时采用高精度力传感器和位移传感器，精确控制加载载荷。

图7 伺服作动器

3.5 测量及控制系统

数据测量与控制系统实现试验输入和结果数据的控制、采集、处理和存储。控制系统采用全数字式控制系统EU3000RTC，可实现力、位移两种控制方式，可控制产生正弦波、三角波、齿形波、矩形波、随机波等多种波形，并可完成信号输入/输出设置、数据采集设置，同时进行各种组合循环试验命令信号的设置。试验控制软件在标准的Windows操作系统环境下运行，不需要特殊的硬件配置。试验控制软件可以满足绝大多数日常试验的需求，具有时间历程信号重放、高级峰值控制、试验运行的动作判定和触发等功能。该控制系统具有高精度控制及控制补偿功能，技术成熟、性能稳定，在动态试验机行业中应用广泛，是保证试验机性能与精度的重要组成部分之一。

由于弹性车轮的刚度大，变形较小，同时车轮大多处于滚动状态，因此试验机配置了高精度非接触式激光位移传感器、转速传感器等，对试验过程中车轮的各项性能状态进行监测测量。

4 主要功能及试验方法

试验机(见图8)主要用于单个弹性车轮的性能试验、可靠性试验以及相关的研究性试验。主要进行静、动态刚度性能试验及滚动疲劳试验。

图8 弹性车轮滚动疲劳综合性能试验机

4.1 静态刚度试验

在车轮静止(不旋转)状态下，对弹性车轮缓慢施加相应的径向和轴向静态载荷，由激光传感器测量轮箍与轮心之间产生的相对位移值，进而测试车轮的静态刚度性能。

4.2 动态刚度试验

在车轮静止(不旋转)状态下，对弹性车轮施加一定频率的径向及轴向动态载荷，测量轮箍与轮心间产生一定的相对位移值，进而测试车轮在规定频率载荷下的动态刚度特性。

4.3 滚动疲劳试验

由轨道轮驱动试验车轮按照规定速度滚动，同时在车轮上施加规定的动态径向载荷、轴向载荷及负载扭矩(见图9)，考核弹性车轮在规定的运行里程后其整体状态及性能是否满足技术要求。根据EN 13979及UIC 510-5等标准的规定，在该试验机完成弹性车轮直线运行、曲线通过、道岔通过等工况下的滚动疲劳试验，对弹性车轮的综合疲劳性能进行考核。

图9 弹性车轮滚动疲劳试验加载示意图

5 结论

本文介绍了一种可以完成弹性车轮刚度性能和滚动疲劳性能试验的综合性能试验机，该试验机结构合理，操作方便，测量及控制精度高，能够模拟弹性车轮的实际运行状态和载荷工况，并可完成多项试验内容的测试，为我国弹性车轮技术水平的提升和运用安全性提供了可靠有效的试验验证手段。