[发明专利]铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置

说明书

本发明涉及微动摩擦损耗试验技术领域。本发明公开了一种铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置，包括微动动力装置、平面试样夹持装置、温控装置、恒定流速水浴循环装置、球形试样夹持装置和数据采集系统；所述微动动力装置与平面试样夹持装置连接，用于提供模拟列车载荷的作用，所述平面试样夹持装置夹持的平面试样，与所述球形试样夹持装置夹持的球形试样接触；所述温控装置安装在平面试样夹持装置内部，用于设定试验温度；所述恒定流速水浴循环装置安装于所述平面试样夹持装置上，用于提供模拟道砟试样受到的恒定流速的水浴作用；所述数据采集系统，用于采集道砟试样受力和位移。本发明能够真实模拟列车对道砟颗粒的动荷载作用。

技术领域

本发明涉及微动摩擦损耗试验技术领域，特别涉及在水流-温度-载荷耦合作用下铁路道砟颗粒高频微动摩擦磨损试验测试装置。

背景技术

微动是两接触表面极小振幅的相对运动，可造成接触表面摩擦磨损及疲劳裂纹的产生和扩展。

1924年Gillet首次发现了因微动导致机器紧固件疲劳寿命明显降低的现象，但由于当时试验设备及测试技术的限制，微动摩擦磨损研究进展相对缓慢。直至上世纪70年代以后，随着微观分析测试技术的发展，微动摩擦学也得到了迅猛发展，新的学术思想不断被引入到微动摩擦学研究中，丰富和发展了微动摩擦学理论，如大位移滑动磨损剥层理论的引入及微动三体摩擦磨损理论的提出等。

道砟颗粒通常是由石材加工而成的，是铺设有砟轨道道床的重要材料。工程上根据碎石道砟的材料性能及参数指标，将其分为特级道砟、一级道砟和二级道砟等。高速铁路为了增加道砟的稳定性，减小振动造成的磨损和粉化，防止高速行车时的道砟飞溅，通常采用特级道砟。特级道砟在反映道砟材质参数(抗磨耗、抗冲击、抗压碎、渗水、抗风化、抗大气腐蚀等材料指标)及反映道砟工作性能的质量参数(道砟粒径、级配、颗粒形状、表面状态、清洁度等加工指标)方面，均远高于其他等级道砟。也就是说，高速铁路道砟对于其颗粒间的磨损要求非常严格。

为了满足高速行车的动力学需求，对列车动力荷载循环作用下道床稳定性要求极其严苛。列车动力荷载作用下，道砟颗粒间相互作用属于高频微动摩擦磨损范畴。随着道砟颗粒间微动运行发展，道砟颗粒微观面理构造水平及分布特性发生改变，相邻颗粒间出现微动滑移区。在微动滑移区，当道砟颗粒表面微接触峰间的接触剪应力超过材料抗剪强度时，接触峰处产生断裂，相邻道砟颗粒接触面间形成磨粒；且道砟表面粗糙度和波纹度的存在，导致相邻颗粒间表面不连续接触，在重复高速的列车荷载作用下，道砟颗粒表面受到周期性微动荷载作用，其表面微接触峰产生疲劳断裂，也会在相邻道砟颗粒接触面间形成磨粒。

磨粒持续发展，形成和排除相邻道砟颗粒接触面间的磨粒达到动态平衡，道砟颗粒间微动摩擦磨损进入稳定阶段。在渗入道床水的作用下，极大程度上削弱了道砟颗粒接触面间微观接触作用，为道床累积变形的产生提供了必要条件。同时温度会一定程度影响道砟颗粒间结合水膜的润滑粘性。因此，为了提高有砟轨道道床服役过程中的变形稳定性，极有必要开展水流-温度-载荷耦合作用下的道砟颗粒间高频微动摩擦磨损试验研究。

目前在机械工程领域已有关于微动摩擦磨损方面的研究试验设备，机械领域的微动摩擦磨损，主要针对的是金属材料和有机物，针对铁路道砟颗粒间的微动摩擦磨损具有的高频及水流-温度-载荷耦合作用的特点，目前还没有相关试验测试设备。对于铁道工程用道砟颗粒这种石质无机物，至今还没见到相关研究。石材相对于金属和有机物来说，最大的特性就是脆性。材料的脆性导致道砟颗粒在微动摩擦磨损的过程中，表面容易掉落磨粒，而磨粒在水的作用下，易形成“流体包裹磨粒三体润滑效应”(轴承中的滚子润滑作用原理)，导致道砟颗粒间易产生相对位移，过大的颗粒间位移，进一步会引起道砟道床过大的宏观累积变形，对高速行车舒适性和行车安全造成危害。

因此，考虑水流-温度-载荷耦合作用的道砟颗粒间微动摩擦磨损，对于铁路道砟稳定性的保持，起到非常关键的作用。目前现有技术还没有关于铁路道砟颗粒间微动摩擦磨损方面试验研究的试验装置。

发明内容