一种高速滚动接触刚度和阻尼系数测试的新方法技术领域
本发明属于滚动接触刚度和阻尼系数试验技术领域，具体涉及一种高速滚动接触
刚度和阻尼系数测试的新方法。
背景技术
随着铁路列车不断提速及向高速化方向发展，列车在运行过程中的振动将不可避
免地增大，与此同时，人们对列车乘坐的舒适性的要求也越来越高。如何化解或缓和这一矛
盾，已成为当今铁路研究人员的一项课题。铁路运输向科学研究提出一系列挑战，许多关键
科学技术问题急需解决，其中轮轨滚动接触刚度和阻尼的研究就是最复杂问题之一，它的
解决对列车安全运营和降低振动以及发展高速列车具有重要的意义。众所周知，轨道几何
不平顺是导致机车车辆振动的直接根源，国内外均对此进行了大量卓有成效的研究。然而
轮轨滚动接触刚度和阻尼对列车运行的影响尚未得到深入研究，其影响规律还未被认识清
楚，由于缺少理想的实验设备，故没有得到系统性的研究。本发明在现有的测试刚度和阻尼
系数试验方法上进行改进，提供出一种高速滚动接触刚度和阻尼系数测试的新方法，以实
时模拟检测出高速列车轮轨滚动接触刚度和阻尼系数特性。
该方法解决以下几个问题：
（1）工作原理简单、可靠性高，可实时检测试件高速滚动接触刚度和阻尼系数；
（2）操纵方便，避免传感器长电缆绕线问题；
（3）维修保养费用低，采用高速伺服电机，可以模拟高速列车轮轨滚动接触。
发明内容
为了克服现有的技术不足，本发明提供了一种高速滚动接触刚度和阻尼系数测试
的新方法，该方法主要由高速滚动接触刚度和阻尼系数试验机实现，该试验机能实时检测
高速滚动接触刚度和阻尼系数特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：为了克服现有的刚度和阻尼系数测
试设备不能实时检测高速滚动接触工况下的滚动接触刚度和阻尼系数，并为研究轮轨滚动
接触刚度和阻尼特性提供实验依据。本发明依据的原理是主动轴运动部分卧式安装于主机
工作台[7]之上，主动轴[15]通过弹性联轴器[20]与无线加速度传感器[25]串联，由交流伺
服电机1[5]驱动，下试环[19]装于主动轴[15]前端，并由固定螺母[17]和挡圈[18]紧固，可
随主动轴[15]以一定的转速旋转，主动带轮[24]通过同步圆弧齿型带和从动带轮[23]传递
带动传动轴[22]旋转，同时通过带轮[21]传递带动陪试主轴[12]同步旋转，传动轴组件通
过左、右轴支撑座[2]固定于工作台[7]上，陪试主轴[12]安装于杠杆保持架[26]一端，杠杆
保持架[26]可以传动轴[22]为支点做杠杆运动以传递试验力，以车轮材料为主试件[14]，
钢轨材料为陪试件[13]，使得主试件[14]与陪试件[13]可以实现高速滚动接触。无线涡流
传感器[16]获取扫频和同步两种信号，测试扫频信号就是根据要求测量的频率点周期性给
出各频率点的正弦信号，此信号由LabVIEW 产生，通过采集卡模拟输出通道输出，加载在功
率放大器[10]的输入端，功率放大器[10]的输入接口与信号发生器[11]连接，将其扫频信
号放大，输出端口与非接触激振器[27]连接，由固定在激振盒[8]中的非接触激振器[27]持
续给激励式样的受迫振动作为主要激励，同步信号是产生与扫频信号同步的方波信号，用
于位移响应信号的同步采集，无线涡流传感器[16]的输出电压信号作为系统的响应信号再
由NI DAQ数据采集卡的一路模拟输入通道采集到计算机[9]，由系统应用程序进行数据的
存储和数据分析，模拟检测出高速列车滚动接触刚度和阻尼特性。
该高速滚动接触刚度和阻尼系数测试试验机主要由五部分构成：机架、主动运动
机构、陪试运动机构、自动测试装置和微机控制装置，其中机架主要由工作台[7]、支架[3]、
底板[4]组成；主动运动机构主要由主动运动部分高速伺服电机1 [1]、支撑座[2]、主动轴
[15]、主试件[14]、弹性联轴器[20]、下试环[19]组成；陪试运动机构主要由陪试运动部分
高速伺服电机2 [5]、陪试主轴[12]、陪试件[13]、试验力加载器[6]、主动带轮[24]、从动带
轮[23]、传动轴[22]组成；自动测试装置主要由功率放大器[10]、非接触式激振器[27]、无
线涡流传感器[16]、信号接收器[11]组成；微机控制机构主要由电器测控系统、软件部分、
计算机[9]及辅助件组成。
现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明与现有测试刚度和阻尼系数的设备最大不同之处在于可以实现避免长电缆
绕线，实时检测出高速滚动接触刚度和阻尼系数特性，为研究轮轨滚动接触刚度和阻尼模
型的科研工作提供依据。
（2）改进了现有测试刚度和阻尼的设备不能进行高速工况下的滚动接触，主动运
动机构、陪试运动机构均运用了高速伺服电机，可仿真高速滚动接触工况下试件滚动接触
现象。
（3）自动测试装置能够通过无线涡流传感器获取的信号自动得到试样的刚度和阻
尼系数。
（4）工作原理简单、检测精度高、易于安装、维修费用低，界面直观易用。
附图说明
图1为高速滚动接触刚度和阻尼系数测试试验机外观示意图。
图2为高速滚动接触刚度和阻尼系数测试试验机零件示意图。
图3为主动运动机构示意图。
图4为陪试运动机构示意图。
附图标记：主动运动部分高速伺服电机1[1]、支撑座[2]、支架[3]、底板[4]、陪试
运动部分高速伺服电机2[5]、试验力加载器[6]、工作台[7]、激振盒[8]、计算机[9]、功率放
大器[10]、信号接收器[11]、陪试主轴[12]、陪试件[13]、主试件[14]、主动轴[15]、无线涡
流传感器[16]、螺母[17]、挡圈[18]、下试环[19]、弹性联轴器[20]、带轮[21]、传动轴[22]、
从动带轮[23]、带轮[24]、无线加速度传感器[25]、杠杆保持架[26]、非接触激振器[27]。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
如附图1、附图2所示，本发明的组成包括机架、主动运动机构、陪试运动机构、自动测试
装置和微机控制机构。
实施例1、一种高速滚动接触刚度和阻尼系数测试的新方法，其中：主动运动机构
主要由主动动运动部分高速伺服电机1[1]、支撑座[2]、主动轴[15]、主试件[14]、弹性联轴
器[20]、下试环[19]组成。主动轴运动部分卧式安装于主机工作台[7]之上，下试环[19]安
装于主动轴[15]前端，并由固定螺母[17]和挡圈[18]紧固，可随主动轴[15]以一定的转速
旋转，主动轴[15]通过弹性联轴器[20]与无线加速度传感器[25]串联，主动运动部分高速
伺服电机1[1]通过主动轴[15]与主试件[14]连接，可实现主动运动部分高速伺服电机1[1]
带动主试件[14]的自由滚动。
实施例2、一种高速滚动接触刚度和阻尼测试系数的新方法，其中：陪试运动机构
主要由陪试运动部分高速伺服电机2[5]、试验力加载器[6]、陪试主轴[12]、陪试件[13]、主
动带轮[24]、从动带轮[23]、传动轴[22]、带轮[21]组成。高速伺服电机1[5]驱动主动带轮
[24]通过同步圆弧齿型带和从动带轮[23]传递带动传动轴[22]旋转，同时通过带轮[21]传
递带动陪试主轴[12]同步旋转，上试环通过固定螺母[17]和挡圈[18]紧固于陪试主轴[12]
端部，高速伺服电机2[5]通过陪试主轴[12]与陪试件[13]连接形成转动副，可实现陪试运
动部分高速伺服电机2[5]带动陪试件[13]的自由滚动。验力加载器[6]通过螺钉拧紧固定
在工作台上，采用液压作动器加载机构，使得主、陪试件之间可产生最大试验力30KN。
实施例3、一种高速滚动接触刚度和阻尼测试的新方法，其中：自动测试装置主要
由功率放大器[10]、非接触式激振器[27]、无线涡流传感器[16]、信号接收器[11]组成。无
线涡流传感器[16]获取扫频和同步两种信号，测试扫频信号就是根据要求测量的频率点周
期性给出各频率点的正弦信号，此信号由LabVIEW 产生，同步信号是产生与扫频信号同步
的方波信号，用于位移响应信号的同步采集(为位移刚度系数)。
实施例4、一种高速滚动接触刚度和阻尼测试的新方法，其中：无线涡流传感器
[16]获取扫频信号通过采集卡模拟输出通道输出，加载在功率放大器[10]( 为功
率放大电路传递函数)的输入端，功率放大器[10]的输入接口与信号发生器[11]连接，将其
扫频信号放大，输出端口与非接触激振器[27]连接，由固定在激振盒[8]中的非接触激振器
[27]持续给激励式样的受迫振动作为主要激励。
实施例5、一种高速滚动接触刚度和阻尼测试的新方法，其中：无线涡流传感器[16]
(传感器电路的传递函数)的输出电压信号作为系统的响应信号再由NI DAQ数据采
集卡的一路模拟输入通道采集到计算机[9]，通过对各种信号的处理可以得到刚度和阻尼
系数分别为：和,其中，
和 分别表示的实部和虚部，为电流刚度系数。由系统应用程
序进行数据的存储和数据分析，即可完成高速滚动接触刚度和阻尼系数的测试。
本发明的工作方法如下：
本发明设计意在研究高速列车轮轨滚动接触刚度和阻尼系数特性，在实验前，实验人
员先检查主动运动部分高速伺服电机1[1]、陪试运动部分高速伺服电机2[5]是否能正常工
作，然后打开伺服电机开关，以车轮材料为主试件[14]、钢轨材料为陪试件[13]，调试好主
试件[14]和陪试件[13]的相对位置，调整转速，主、陪试件均以25000转/分转速转动，实现
主试件[14]和陪试件[13]高速滚动接触。通过微机控制机构把需要施加的应力输入试验力
加载器[6]，给主试件[14]和陪试件[13]之间输入15KN的应力，模拟高速列车轮轨滚动接触
间应力状态。无线涡流传感器[16]获取扫频和同步两种信号，测试扫频信号就是根据要求
测量的频率点周期性给出各频率点的正弦信号，此信号由LabVIEW 产生，通过采集卡模拟
输出通道输出，加载在功率放大器[10]的输入端，功率放大器[10]的输入接口与信号发生
器[11]连接，将其扫频信号放大，输出端口与非接触激振器[27]连接，由固定在激振盒[8]
中的非接触激振器[27]持续给激励式样的受迫振动作为主要激励，同步信号是产生与扫频
信号同步的方波信号，用于位移响应信号的同步采集，无线涡流传感器[16]的输出电压信
号作为系统的响应信号再由NI DAQ数据采集卡的一路模拟输入通道采集到计算机[9]，由
系统应用程序进行数据的存储和数据分析，计算机界面能够进行控制、实时动态监视、测
量、记录试验过程中的试验力、阻尼和刚度系数等，通过得出的数据分析得出高速列车轮轨
滚动接触刚度和阻尼系数特性。
本高速滚动接触刚度和阻尼系数测试试验方法在三相四线制380V电压、室温10-
35℃范围内下正常工作，适宜安装在地面平整的一楼，工作原理简单，检测过程快速精确，
工作安全可靠，可实时检测高速滚动接触刚度和阻尼系数特性。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式
的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改造，或未经改进直接应用
于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。