一种可调角度扣件疲劳试验的研究方法

技术领域

本发明涉及铁路工程技术领域，具体地，涉及一种可调角度扣件疲劳试验的研究方法。

背景技术

扣件系统，通过运用弹条弹性变形过程中所储存的能量，可以较好地缓解铁路运行过程中对钢轨的机械冲击力及振动，对保持轨道结构的稳定性具有重要作用，是组成铁路轨道系统的关键部件。

由于在服役过程中，弹条要承受较多的周期性弯曲与扭转交变压力等作用，因此有必要对长期荷载作用力时的弹条性能加大关注度。随着近年来对高速铁路扣件系统弹条疲劳性能研究的逐渐延展，开展对扣件系统的疲劳实验，提出对疲劳过程识别时的关键阶段参数模型，对评判扣件长期使用性能具有重要意义。

我国关于扣件系统疲劳试验的研究方法主要是通过对加力架进行加载，从而对钢轨进行单向加载来进行疲劳实验的研究。

由于一种型号的加力架只能适用于一种扣件，因此需要研究出一种能够满足大多数型号扣件进行疲劳试验的研究方法，从而弥补我国在轨道扣件疲劳试验领域的技术储备空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调角度扣件疲劳试验的研究方法，该研究方法适用于进行大部分型号扣件的疲劳试验。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可调角度扣件疲劳试验的研究方法，该研究方法基于一种可调角度扣件疲劳试验平台进行，所述可调角度扣件疲劳试验平台包括对称设置的两个能够沿着弧形梁上滑动调整的且朝向所述弧形梁的圆心方向延伸并作用于钢轨轨头两侧的作动器，还包括设置于所述弧形梁的下方用于固定钢轨的可升降的工作平台；

所述研究方法包括以下步骤：

S1，调节可调角度扣件疲劳试验平台至能开启正常工作；

S2，计算工作平台的升高或降低调整量；

S3，获取已知参数，所述已知参数包括：

作动器加载点横向位置a；

作动器初始加载高度h；

平台升降后作动器加载高度h

作动器初始角度α；

根据所获取的所述已知参数计算出工作平台升高或降低|h-h

S4，根据计算值调整作动器到指定位置然后进行扣件疲劳试验；

S5，扣件疲劳试验结束，关闭设备。

优选地，所述工作平台升高或降低|h-h

将上述两式相减得到：a×tanβ-a×tanα＝h-h

即

优选地，所述工作平台升高或降低|h-h

优选地，所述弧形梁的上表面设置有弧形辊道，所述作动器上的用于卡合所述弧形梁的结构件上设置有与所述弧形辊道相对应的行走轮；

所述弧形梁上位于所述弧形辊道的外侧位置设置有固定链条，所述结构件上上设置有电机，所述电机的轴体上设置有能够位于所述固定链条上配合滚动的链轮。

优选地，每个所述作动器沿平行于所述弧形梁的轴向方向上的两侧均对称设置有两个所述结构件，所述弧形梁与所述结构件对应的设置有两个。

优选地，所述工装平台的下方设置有地板，所述工装平台设置于所述地板上并能够沿平行于所述弧形梁的轴向方向调节横向位移。

优选地，所述地板上设置能够驱动所述工装平台移动的水平移动驱动机构，所述地板上还设置有水平滑轨，所述工装平台的底面设置有与所述水平滑轨配套的导轨块。

优选地，所述地板上位于所述工装平台的两侧设置有用于夹紧或松开所述工装平台的水平锁紧机构。

优选地，所述地板的下方设置有升降机构；

所述地板的两侧设置有倒滑模块，所述反力架面向所述地板的侧面设置为垂立面，且所述垂立面上设置有与所述倒滑模块对应的升降滑轨。

优选地，所述升降机构支撑设置于T型底梁上，所述反力架设置于与所述T型底梁上沿横向延伸的位置，所述升降机构设置于所述T型底梁上沿纵向延伸的位置。

根据上述技术方案，本发明中的研究方法基于可调角度扣件疲劳试验平台适用于进行大部分型号扣件的疲劳试验。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明中研究方法的流程图；

图2是加载系统的简图；

图3是可调角度扣件疲劳试验平台的一种优选实施方式的正面视图；

图4是可调角度扣件疲劳试验平台的一种优选实施方式的整体视图。

附图标记说明

1-T型底梁；2-转向器；3-伺服电机；4-螺旋升降机；5-升降滑轨；6-水平锁紧机构；7-工装平台；8-吊装环；9-行走轮；10-双伺服电机；11-弧形辊道；12-作动器；13-传感器；14-加载工装头；15-试验件；16-弧形梁；17-步进电机；18-水平滑轨；19-地板；20-反力架；21-结构件；22-固定链条；23-链轮；24-轨枕。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1-4所示，本发明的研究方法基于一种可调角度扣件疲劳试验平台进行，所述可调角度扣件疲劳试验平台包括对称设置的两个能够沿着弧形梁16上滑动调整的且朝向所述弧形梁16的圆心方向延伸并作用于钢轨15轨头两侧的作动器12，还包括设置于所述弧形梁16的下方用于固定钢轨15的可升降的工作平台；

所述研究方法包括以下步骤：

S1，调节可调角度扣件疲劳试验平台至能开启正常工作；

S2，计算工作平台的升高或降低调整量；

S3，获取已知参数，所述已知参数包括：

作动器12加载点横向位置a；

作动器12初始加载高度h；

平台升降后作动器12加载高度h

作动器12初始角度α；

根据所获取的所述已知参数计算出工作平台升高或降低|h-h

S4，根据计算值调整作动器12到指定位置然后进行扣件疲劳试验；

S5，扣件疲劳试验结束，关闭设备。

通过上述技术方案的实施，该研究方法基于可调角度扣件疲劳试验平台适用于进行大部分型号扣件的疲劳试验。

如图1、图2所示，本发明将可调角度扣件疲劳试验平台的加载系统进行等效简化，简化后的加载系统以弧形梁16的圆心为直角坐标系的原点O，弧形梁16简化为大半圆，作动器12在圆上运动，将作动器12加载点等效为点A、B，图2中所示是以右侧作动器12为例，右侧作动器12过轨头右侧圆心，即加载点A(a，h

依据简化模型可对工作台升高后作动器12的角度以及作动器12的伸长量或收缩量进行计算：

如在一种实施方式中，已知初始状态时，作动器12的角度α、工作平台升高高度h-h

将上述两式相减得到：a×tanβ-a×tanα＝h-h

即

在该实施方式中，所述工作平台升高或降低|h-h

通过上述计算公式并结合已知参数对作动器12进行调整，从而简洁高效的对扣件疲劳性能进行试验。

该研究方法利用两个作动器12在预先确定的加载线和位置对轨头同时施加两个不同方向上等幅的循环荷载。试验所用荷载的大小、作用位置和作用线由扣件组装的垂向刚度、轴重和被试扣件使用区段的曲线条件确定。曲线条件包括曲线半径和欠超高。通过试验过程中扣压力、钢轨15纵向阻力、垂向刚度和钢轨15位置的变化，以及扣件部件的埋设检查来确定扣件的性能。

在本发明中，作动器12面向钢轨15轨头的端部依次设置有传感器13和加载工装头14，加载工装头14的作用是直接加载在工件上，即加载在钢轨15轨头上，具体加载位置参见图3所示，另外，通过传感器13可以采集到试验数据，用于后期分析。

例如，在一种实施方式中，通过两台150kN且加载频率在3Hz-5Hz的低频范围内的作动器12协同试验，两台作动器12按照相同或不同的波形对受试件进行动态力值输出，在加载试验的过程中可以改变两台作动器12处于不同的位置，改变施加力的角度，从而得出更多的试验数据，区别于传统的固定式的加载架，操作简便，成本更低，不需要频繁更换不同型号的加载架。

在该实施方式中，所述弧形梁16的上表面设置有弧形辊道11，所述作动器12上的用于卡合所述弧形梁16的结构件21上设置有与所述弧形辊道11相对应的行走轮9；所述弧形梁16上位于所述弧形辊道11的外侧位置设置有固定链条22，所述结构件21上上设置有电机，所述电机的轴体上设置有能够位于所述固定链条22上配合滚动的链轮23。弧形梁16采用环型承载框架，其上安装有电机单独驱动链轮23，链轮23位于固定链条22上滚动从而调节位置，可滑动的加载架固定器即上述结构件21，而在加载架固定器上安装行走轮9的作用是配合在弧形辊道11的上表面滑动，起到导向的作用，一般的，行走轮9位于前进方向上的两端分别设置有一个，可以提高滚动运行的稳定性。

在该实施方式中，每个所述作动器12沿平行于所述弧形梁16的轴向方向上的两侧均对称设置有两个所述结构件21，所述弧形梁16与所述结构件21对应的设置有两个。即弧形梁16沿前后方向设置有平行的两个，两个弧形梁16之间形成有提供作动器12穿过的间隙，而作动器12的前后侧分别安装在两个结构件21上，两个相邻的结构件21结构相同，均设置有行走轮9，两个弧形梁16的结构相同，均具有弧形辊道11和固定链条22结构，并且两个弧形梁16的外侧均设置有电机，两个电机分别驱动对应的链轮23位于各自的链轮23上同步行走。

此外，为了增加整体的运行稳定性，在两个结构件21之间设置有连接结构，即将两个结构件21的上端通过连接结构固定连接，使得两个结构件21形成为整体的结构，此外，两个结构件21与连接结构之间可以采用螺栓可拆卸连接，方便日后的拆卸检修。作动器12安装在该连接结构上，当然，也可以将作动器12底座直接用作为该连接结构。

弧形梁16外侧的电机采用双伺服电机10，运动时采用双伺服电机10与链轮23带动整体加载部装弧形运动；运动时可以用万向球与弧形梁16侧面贴合限位、保证运动平行，防止偏转卡滞，从而保证作动器12在弧形辊道11上自由行走；两个作动器12加载最小角度45°，且两作动器12都可进行水平加载。可通过触摸屏或显示屏进行实时控制，保证实验过程的便捷性。

此外，还可以包括安装在结构件21上的弧形锁紧机构，弧形锁紧机构加载时带动加载部整体移动，使得加载部上的承载块与弧形梁16内圈贴合压紧以锁定，弧形锁紧机构的驱动机构可以为油缸。

当然，两个弧形梁16的底部也可以通过钢板焊接为整体结构，而钢板和反力架20之间可以通过若干螺栓可拆卸安装，使得整体更加稳定且易于拆卸。

在该实施方式中，为了便于吊装转运，所述工装平台7上设置有多个吊装环8。吊装环8的数量和安装位置可以根据需要选择，例如：设置4个吊装环8，分别位于工装平台7的4个拐角的附近位置。

在该实施方式中，所述工装平台7的下方设置有地板19，所述工装平台7设置于所述地板19上并能够沿平行于所述弧形梁16的轴向方向调节横向位移。通过地板19的设置，使得工装平台7可以横向移动，以将钢轨15的不同位置移动至加载工装头14的位置进行试验。在地板19的两端还可以设置止挡件，避免工装平台7滑脱，止挡件可以使用距离传感器13代替，当工装平台7的端部靠近距离传感器13达一定距离的时候，反馈给系统，并指导工装平台7停止继续运行。

在该实施方式中，工装平台7上可以设置多个平行的燕尾槽，用于将轨枕24安装在工装平台7，其中轨枕24的底部可以设置有与燕尾槽相匹配的导轨块，轨枕24与工装平台7之间通过螺旋固定。钢轨15则通过弹条安装在轨枕24上。

在该实施方式中，所述地板19上设置能够驱动所述工装平台7移动的水平移动驱动机构，所述地板19上还设置有水平滑轨18，所述工装平台7的底面设置有与所述水平滑轨18配套的导轨块。通过水平移动驱动机构可以进一步提升工装平台7的移动准确性。工装平台7在步进电机17以及齿轮齿条的带动下，可随着试验平台纵向移动至弧形加载框架外，从而方便进行试样的安装及更换。

水平移动驱动机构由步进电机17、减速机、齿轮、齿条、导轨及限位块等组成。选用高精度的导轨，保证行走顺畅和重复精度。通过直线导轨与下方平台进行定位，共计8个导轨块，且单独导轨块承载不小于150kN，从而达到承载要求。通过步进电机17、减速机、驱动齿轮、齿条从而实现水平移动。工装平台7的水平移动功能可通过触摸屏或显示屏进行实时控制，保证实验过程的便捷性。

在该实施方式中，所述地板19上位于所述工装平台7的两侧设置有用于夹紧或松开所述工装平台7的水平锁紧机构6。为防止传感器13中的油缸做角度加载时，导轨承受较大载荷，设计了水平锁紧机构6。当工装平台7水平移动到达试验位置时拧紧水平锁紧机构6上的横向延伸的螺母，把工装平台7和侧支座之间撑紧，以承受水平载荷。

工装平台7以及地板19采用灰铸铁一体铸造而成，铸造后进行加工，保证表面精度及强度要求。工装平台7通过升降滑轨5与反力架20相连，随平台升降抵抗试验过程中侧向力对升降机影响。

在该实施方式中，所述地板19的下方设置有升降机构；所述地板19的两侧设置有倒滑模块，所述反力架20面向所述地板19的侧面设置为垂立面，且所述垂立面上设置有与所述倒滑模块对应的升降滑轨5。

例如在一种实施方式中，升降机构由伺服电机3、涡轮蜗杆减速机、转向器2及螺旋升降机4组成，升降行程为400mm左右。六个螺旋升降机4同时工作，采用刚性联轴节以保证六台升降机安装在同一水平面可同步运动；安装前统一调校，保证初始角度状态相同；上安装法兰可以调节高度；升降平台的抗侧向力能力通过水平锁紧机构6补偿。通过这种方式，升降机多台联动运动不同步弊端可以最大程度规避以保证试验结果的精度，从而可以在保证系统稳定性的条件下针对不同的轨枕24高度进行调整。伺服电机3负责驱动整个系统带动移动平台系统进行高度调整，同时通过伺服电机3驱动器以及PLC进行闭环控制，配合触摸屏或显示屏进行实时控制，从而实现工装平台7高度位置的定位，保证实验过程的便捷性。

螺旋升降机4带动平台升降至指定位置，锁紧油缸带动锁紧支架箍紧升降螺杆防止窜动，提高升降平台的稳定性和可靠性，随后进行加载疲劳试验。

在该实施方式中，所述升降机构支撑设置于T型底梁1上，所述反力架20设置于与所述T型底梁1上沿横向延伸的位置，所述升降机构设置于所述T型底梁1上沿纵向延伸的位置。通过这样的设置，可以最大程度上节约整个设备的占地面积。弧形梁16、T型底梁1和反力架20共同组成了环形承载框架，主体材料采用Q345B焊后时效处理再进行加工。

环形承载框架能承担部分承载，需要保证最大垂向承载不低于300kN；最大水平承载不低于±200kN。两侧弧形梁16一次加工成型，保证其一致性，且配合行走轮9能保证两个作动器12在环形辊道上进行圆周运动，并保证两个作动器12加载头延长线的交点在环形承载框架的圆心上。加工过程中需保证反力架20垂直。在保证整体强度的情况下，保证安装精度要求。连接处有定位止口和定位销，保证整体装配精度、强度以及抗剪切能力。

随着近年来对高速铁路扣件系统弹条疲劳性能研究的逐渐延展，需要展开对扣件系统的疲劳实验，提出对疲劳过程识别时的关键阶段参数模型。因此，该可调角度疲劳试验机的研发对扣件及轨道结构系统的研究具有重大意义，弥补目前在轨道扣件可调角度双向加载领域的技术储备空白。

此外，本发明还可以配备一套集成控制系统，可更加准确高效的对多种型号扣件进行疲劳试验，例如可以将对应型号扣件及钢轨15的需要的位置信息录入至系统中，当下次进行试验的时候可以直接选择对应的型号钢轨15进行机位的自动调整，以及自动进行疲劳试验。

当然，在本发明中还可以在弧形梁16的内圈的靠外的侧面设置角度刻度，在作动器12的侧面设置刻度指针，该刻度指针与角度刻度配合使用，以便快速的了解加载角度。

在本发明中，作动器12可以使用MTS作动器，传感器13可以使用MTS传感器。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。