高速鐵路輪軌垂橫縱向力耦合加載模擬裝置

高速列車輪軌耦合動力學分析車輛軌道耦合加載裝置

模擬高鐵荷載的單樁豎向循環加載試驗裝置

一、裝置介紹

輪軌垂橫縱向力耦合加載模擬裝置，包括反力架以及位于反力架下方的高速鐵路軌道模擬結構。可以同時模擬列車實際運行時作用于軌道結構的垂向力、橫向力和縱向力，并且橫向力、垂向力和縱向力結合模擬其他方向的作用力，使得試驗結果更加貼合實際。

轉向架模擬機構模擬高速列車轉向架，垂向力和橫向力傳遞至轉向架模擬機構，可以模擬列車實際運行中垂向力和橫向力對軌道結構的作用。

而縱向力則通過鎖扣直接傳遞到鋼軌上，可以模擬列車實際運行中縱向力對軌道結構的作用。

二、設備組成

1、加載臺架

采用框架式結構或者龍門結構；工作臺帶T型槽，方便試驗件或工裝安裝；反力支座，放置水平作動器，高度可調節。

2、加載模塊系統

垂橫縱向力加載系統：

垂向加載：采用液壓伺服作動器，Z大加載力可達500kN，通過高精度壓力傳感器實時監測載荷，控制精度達±0.5% FS，實現垂向力的精確加載與動態調節，模擬列車軸重及簧下質量對輪軌的作用。

橫向加載：配備電動伺服推桿，Z大推力200kN，位移分辨率 0.01mm，可實現橫向力的精準控制，模擬列車通過曲線時的離心力、橫向振動等工況下的輪軌橫向作用力。

縱向加載：利用電液伺服系統，Z大牽引力/制動力300kN，加載速率可在0 - 10kN/s 范圍內調節，模擬列車啟動、制動、牽引過程中輪軌間的縱向力變化，以及車輪空轉、滑行等特殊工況。

油源：

油源總流量2000L/min；系統壓力21Mpa；系統總功率100kW；水冷卻系統。

3、數據監測與采集系統：

力傳感器：在車輪與軌道接觸部位安裝多軸力傳感器，可同步測量垂橫縱向力，測量精度±1%；在鋼軌、軌枕關鍵部位粘貼應變片，監測結構應力變化。

位移與速度監測：使用位移傳感器測量車輪與軌道間的相對位移，精度0.01mm；通過編碼器與測速電機實時獲取車輪轉速與運行速度。

數據采集與處理：采用高速數據采集卡，采樣頻率≥10kHz，將傳感器數據傳輸至工控機，利用專業數據處理軟件進行實時顯示、存儲與分析，繪制力-時間、位移-時間等曲線，自動生成實驗報告。

4、伺服控制系統、多通道協調加載軟件

硬件組成：以PLC 控制器為核心，搭配伺服驅動器、變頻器、觸摸屏等設備，實現對加載系統、運動模擬系統的精準控制與協調運行。

軟件設計：采用開發PC端控制軟件，操作人員可通過觸摸屏設置實驗參數（如車速、軸重、軌道不平順類型等），軟件根據預設參數自動控制各系統運行，并實時反饋設備狀態與實驗數據。

三、技術指標

垂向加載力范圍：0-500kN，控制精度±0.5% FS

橫向加載力范圍：0-200kN，控制精度±1% FS

縱向加載力范圍：0-300kN，控制精度±1% FS

車輪轉速范圍：0-600r/min（對應車速0-350km/h）

軌道不平順模擬類型：高低、軌向、水平、扭曲等

數據采集頻率：≥10kHz

四、應用場景

輪軌系統設計優化：通過模擬不同工況下的輪軌垂橫縱向力耦合作用，評估車輪踏面外形、軌道結構參數等設計方案的合理性，優化輪軌匹配關系，降低輪軌磨耗與噪聲，提高列車運行安全性與舒適性。

材料研發與性能評估：測試車輪、鋼軌新材料在復雜受力狀態下的力學性能、耐磨性能及疲勞壽命，為新材料的研發與應用提供實驗依據。

軌道維護與病害分析：模擬軌道不平順、鋼軌磨耗等病害對輪軌力的影響，研究病害發展規律，為軌道維護策略制定、檢測設備研發提供技術支持。