高速铁路轮轨垂横纵向力耦合加载模拟装置

高速列车轮轨耦合动力学分析 车辆轨道耦合加载装置

模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置 

一、装置介绍

轮轨垂横纵向力耦合加载模拟装置，包括反力架以及位于反力架下方的高速铁路轨道模拟结构。可以同时模拟列车实际运行时作用于轨道结构的垂向力、横向力和纵向力，并且横向力、垂向力和纵向力结合模拟其他方向的作用力，使得试验结果更加贴合实际。

转向架模拟机构模拟高速列车转向架，垂向力和横向力传递至转向架模拟机构，可以模拟列车实际运行中垂向力和横向力对轨道结构的作用。

而纵向力则通过锁扣直接传递到钢轨上，可以模拟列车实际运行中纵向力对轨道结构的作用。

二、设备组成

1、加载台架

采用框架式结构或者龙门结构；工作台带T型槽，方便试验件或工装安装；反力支座，放置水平作动器，高度可调节。

2、加载模块系统

垂横纵向力加载系统：

垂向加载：采用液压伺服作动器，Z大加载力可达500kN，通过高精度压力传感器实时监测载荷，控制精度达±0.5% FS，实现垂向力的精确加载与动态调节，模拟列车轴重及簧下质量对轮轨的作用。

横向加载：配备电动伺服推杆，Z大推力200kN，位移分辨率 0.01mm，可实现横向力的精准控制，模拟列车通过曲线时的离心力、横向振动等工况下的轮轨横向作用力。

纵向加载：利用电液伺服系统，Z大牵引力/制动力300kN，加载速率可在0 - 10kN/s 范围内调节，模拟列车启动、制动、牵引过程中轮轨间的纵向力变化，以及车轮空转、滑行等特殊工况。

油源：

油源总流量2000L/min；系统压力21Mpa；系统总功率100kW；水冷却系统。

3、数据监测与采集系统：

力传感器：在车轮与轨道接触部位安装多轴力传感器，可同步测量垂横纵向力，测量精度±1%；在钢轨、轨枕关键部位粘贴应变片，监测结构应力变化。

位移与速度监测：使用位移传感器测量车轮与轨道间的相对位移，精度0.01mm；通过编码器与测速电机实时获取车轮转速与运行速度。

数据采集与处理：采用高速数据采集卡，采样频率≥10kHz，将传感器数据传输至工控机，利用专业数据处理软件进行实时显示、存储与分析，绘制力-时间、位移-时间等曲线，自动生成实验报告。

4、伺服控制系统、多通道协调加载软件

硬件组成：以 PLC 控制器为核心，搭配伺服驱动器、变频器、触摸屏等设备，实现对加载系统、运动模拟系统的精准控制与协调运行。

软件设计：采用开发PC端控制软件，操作人员可通过触摸屏设置实验参数（如车速、轴重、轨道不平顺类型等），软件根据预设参数自动控制各系统运行，并实时反馈设备状态与实验数据。

三、技术指标

垂向加载力范围：0-500kN，控制精度±0.5% FS

横向加载力范围：0-200kN，控制精度±1% FS

纵向加载力范围：0-300kN，控制精度±1% FS

车轮转速范围：0-600r/min（对应车速0-350km/h）

轨道不平顺模拟类型：高低、轨向、水平、扭曲等

数据采集频率：≥10kHz

四、应用场景

轮轨系统设计优化：通过模拟不同工况下的轮轨垂横纵向力耦合作用，评估车轮踏面外形、轨道结构参数等设计方案的合理性，优化轮轨匹配关系，降低轮轨磨耗与噪声，提高列车运行安全性与舒适性。

材料研发与性能评估：测试车轮、钢轨新材料在复杂受力状态下的力学性能、耐磨性能及疲劳寿命，为新材料的研发与应用提供实验依据。

轨道维护与病害分析：模拟轨道不平顺、钢轨磨耗等病害对轮轨力的影响，研究病害发展规律，为轨道维护策略制定、检测设备研发提供技术支持。