动态疲劳试验台
（主要零、部件）
计算说明书
二○一二年
第 1 页 共 9页
1 试验台总体参数
——制动器最大制动力：6T ，(60KN)
——轨道轮：轮直径840mm
——制动器制动摩擦系数：0.25
——轨道轮质量： 52（kg ）
——制动试验轮周功率：
P =ηNT 9550
2 试验台运动系统模型建立
试验台运动系统原理图
1、安装支座 2、导轨 3、导轨油缸 4、车轮油缸 5、模拟车轮 6、制动器 7、顶升油缸
由上图可知试验台运动系统由模拟车轮的摆动，导轨的横向移动，顶升油缸的垂向运动三个运动单元组成
3 各运动机构受力分析计算
在实际模拟过程中三个运动单元是联合运动的，即当模拟车轮开始摆动后，制动器开始制动，制动开始后，导轨的横向移动和顶升油缸的垂向运动同时进行；制动器完成一个制动
第 2 页 共 9页
缓解工作，导轨的横向移动和顶升油缸的垂向运动也已完成一个来回，根据运动的合成与分解，以下将进行三个运动单元进行独立分析。
3．1 模拟车轮的摆动计算
我们选取模拟车轮为研究对象，并把制动器作为一个单元体，其它各部分为模拟车轮的一个单元体，它的受力如上图所示；其中有以下定义
Fa ：制动器提供的制动力， G ：模拟车轮的重力，
b ：重心点到转动中心的距离 a ：车轮油缸作用点到转动中心的距离
F ：车轮油缸作用力 R ：模拟车轮半径
根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷P4-250表4.12-7力平衡公式计算，有以下公式：
Fa ∙R +G ∙b =F ∙a （力矩平衡）
F =Fa ∙R +G ∙b （KN ） a
NT = 2.8KW (输出功率) 9550P =η
其中：η ——功率因数（根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷机构安全系数，此处为1.8）、
第 3 页 共 9页
N ——模拟车轮的转速（r/min）、
T ——作用在模拟车轮的最大转距（N/m2）
3．2 导轨的横向移动计算
我们选取导轨为研究对象，并把导轨上部分作为一个单元体，导轨下部分为另一个单元
体，它的受力如上图所示；其中有以下定义
Fa ：制动器提供的制动力， G ：导轨上部分的重力，
F ：导轨油缸作用力 Fb ：导轨间摩擦力
根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷P4-250表4.12-7力平衡公式计算，有以下公式：
F =Fb （力平衡）
Fb =f (Fa +G ) （KN ）
f ；导轨摩擦系数
F ⨯V ⨯COS β
1000 其中：COS β ——力与位移的夹角（此处为0）、 P =
V ——顶升油缸上下运行速度（rad/s）
3．2 顶升油缸的垂向运动计算
第 4 页 共 9页
我们选取制动装置为研究对象，并把制动装置及安装座作为一个单元体，油缸及固定支座作为另一个单元体，它的受力如上图所示；其中有以下定义
Fa ：制动器提供的制动力， G ：制动装置及安装座的重力，
F 1，F2 ：顶升油缸作用力
根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷P4-250表4.12-7力平衡公式计算，有以下公式：
F 1+F 2=G +Fa （力平衡）
F ⨯V ⨯COS β (输出功率) 1000
=1.2KW P =
其中：COS β ——力与位移的夹角（此处为0）、
V ——顶升油缸上下运行速度（rad/s）、
计算表明，Fa 与制动装置及安装座的重力G 的作用点必须在两油缸的作用力F1、F2中间，只有这样才能形成平衡。假如是一个顶升油缸，那么这个油缸无法找到两个力（Fa 与制动装置及安装座的重力G ）的中心点，这是因为制动装置及安装座的重力在实际中会有所偏离。考虑的装置的对称性，油缸的布置应为对中，且需要采用四油缸布置方式。
通过上面计算，总系统的驱动力为：
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F 总=f（ F 车轮+ F导轨+ F顶升）
其中：f ——安全系数（根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷机构安全系数，此处为1.8）、
F 车轮=Fa ∙R +G ∙b = a
F 导轨=f (Fa +G ) =
F 顶升=ηF a +G = 2
F 总=
4 固定支座受力分析计算
固定支座主要承担各运动机构的反作用力，在疲劳试验台是有一个次数试验，故需进行强度分析和寿命校核。
4．1 固定支座强度计算
整个固定支座需采用材质为Q235-A 的型材焊接而成，其型材为：
模拟车轮部分的重力，模拟车轮制动反力
根据能量相等的原则：
112J ωf =mv 2 22
其中：J ——飞轮等效转动惯量（kg.m 2）、 ωf ——飞轮角速度（rad/s）、
m ——模拟质量（kg ）、v ——模拟速度（m/S）
J =m v 2
ωf 2=m ωg 2r 2ωf 2=m i 2r 2 (1)
第 6 页 共 9页
4．2 模拟车轮轴载荷分析及轴设计
由结构设计及受载工况知，模拟车轮轴受弯、扭组合载荷。中间轴处设有一平键联接，用于传递扭矩；当导轨作横向移动时此时力作用不在中心线上，模拟车轮轴受到弯矩的作用。故按组合载荷进行设计。以下分别对模拟车轮轴和轴承进行校核、计算。见下图(图中未表示转矩) 。
第 7 页 共 9页
d ≥5T τ5T 式中：T=4818N . m ；取[τ]=52N /mm 2（模拟车轮轴材料为45）。 d ≥ τ=5⨯4818⨯1000=77. 4(m m ) 52
4．3 模拟车轮轴承计算
由最大制动力1.25吨知，轴承径向载荷Q ≈7000N ；由结构设计知轴径d =200mm ，模拟运行转速范围为n =2~4r /min 。预定寿命10000小时(一般轴承的预定寿命为5000~20000小时，通常大部分轴承达到预定寿命后，仍未失效) 。
4．3．1 寿命计算
轴承型号 单列圆锥滚子轴承 22310E （SKF 公司）
基本额定动负荷 C =22000 0N
基本额定静负荷 C O =224000 N
疲劳负荷极限 P u =2400 N 0
额定转速（滑脂） n 脂=4800 r/min
额定转速（机油） n 油=6300 r/min
最大转速 n m a x =f n ⋅n (f n =2)
e =0. 43
Y =1. 4
当量动负荷 P =0. 4F r +YF a =0. 4X 7000+1. 4⨯7000=12600N
由ISO 基本额定寿命公式，即
⎛C ⎫L 10= ⎪ 106转 ⎝P ⎭
式中 ε---寿命指数，滚子轴承ε=10，则 3ε
第 8 页 共 9页
⎛220000⎫L 10= ⎪⎝12600⎭
ε103=1. 745=1. 21 106转 103轴承寿命以小时表示，其式为 106⎛C ⎫L h = ⎪ h 60n ⎝P ⎭
式中 n ---轴承转速 r/min，以n =4r /min 代入，则
L h =10⎛220000⎫ ⎪60⨯4⎝25200⎭6103=14856 h
由以上计算结果知，所选轴承的寿命满足要求。
4．3．2 关于模拟车轮轴承的润滑
飞轮轴承采用脂润滑，滑脂牌号为合成锂基润滑脂ZL-1H ，或合成复合铝基润滑 ZFU-1H ，基础油粘度ν=30~50mm 2/s 。
轴承腔内要填满滑脂；轴承盖和轴承座腔内的填脂量为腔体容积的30~50%。
正常运行状况，轴承添加滑脂的间隔时间为5天，加脂量约46克，并注意轴承盖和 轴承座腔内的滑脂不得超过腔体容积的30~50%。
换脂周期为100天，此时需将轴承内及轴承座腔内的残留的旧脂全部清除，经过清洗 全部更新换入原牌号的新润滑脂。
5 液压部件选择
反力架用于被试车辆（或转向架）的纵向定位，可提供540kN 的水平牵引反力。机架安装在轨道轮组中轴线两端地面T 型导轨上，反力架与车钩之间通过长度可调的拉杆连接。反力架拉杆轴线中心高在630~1130mm之间可调，横向调节范围为350mm(即左右各175mm) 。
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动态疲劳试验台
（主要零、部件）
计算说明书
二○一二年
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1 试验台总体参数
——制动器最大制动力：6T ，(60KN)
——轨道轮：轮直径840mm
——制动器制动摩擦系数：0.25
——轨道轮质量： 52（kg ）
——制动试验轮周功率：
P =ηNT 9550
2 试验台运动系统模型建立
试验台运动系统原理图
1、安装支座 2、导轨 3、导轨油缸 4、车轮油缸 5、模拟车轮 6、制动器 7、顶升油缸
由上图可知试验台运动系统由模拟车轮的摆动，导轨的横向移动，顶升油缸的垂向运动三个运动单元组成
3 各运动机构受力分析计算
在实际模拟过程中三个运动单元是联合运动的，即当模拟车轮开始摆动后，制动器开始制动，制动开始后，导轨的横向移动和顶升油缸的垂向运动同时进行；制动器完成一个制动
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缓解工作，导轨的横向移动和顶升油缸的垂向运动也已完成一个来回，根据运动的合成与分解，以下将进行三个运动单元进行独立分析。
3．1 模拟车轮的摆动计算
我们选取模拟车轮为研究对象，并把制动器作为一个单元体，其它各部分为模拟车轮的一个单元体，它的受力如上图所示；其中有以下定义
Fa ：制动器提供的制动力， G ：模拟车轮的重力，
b ：重心点到转动中心的距离 a ：车轮油缸作用点到转动中心的距离
F ：车轮油缸作用力 R ：模拟车轮半径
根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷P4-250表4.12-7力平衡公式计算，有以下公式：
Fa ∙R +G ∙b =F ∙a （力矩平衡）
F =Fa ∙R +G ∙b （KN ） a
NT = 2.8KW (输出功率) 9550P =η
其中：η ——功率因数（根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷机构安全系数，此处为1.8）、
第 3 页 共 9页
N ——模拟车轮的转速（r/min）、
T ——作用在模拟车轮的最大转距（N/m2）
3．2 导轨的横向移动计算
我们选取导轨为研究对象，并把导轨上部分作为一个单元体，导轨下部分为另一个单元
体，它的受力如上图所示；其中有以下定义
Fa ：制动器提供的制动力， G ：导轨上部分的重力，
F ：导轨油缸作用力 Fb ：导轨间摩擦力
根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷P4-250表4.12-7力平衡公式计算，有以下公式：
F =Fb （力平衡）
Fb =f (Fa +G ) （KN ）
f ；导轨摩擦系数
F ⨯V ⨯COS β
1000 其中：COS β ——力与位移的夹角（此处为0）、 P =
V ——顶升油缸上下运行速度（rad/s）
3．2 顶升油缸的垂向运动计算
第 4 页 共 9页
我们选取制动装置为研究对象，并把制动装置及安装座作为一个单元体，油缸及固定支座作为另一个单元体，它的受力如上图所示；其中有以下定义
Fa ：制动器提供的制动力， G ：制动装置及安装座的重力，
F 1，F2 ：顶升油缸作用力
根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷P4-250表4.12-7力平衡公式计算，有以下公式：
F 1+F 2=G +Fa （力平衡）
F ⨯V ⨯COS β (输出功率) 1000
=1.2KW P =
其中：COS β ——力与位移的夹角（此处为0）、
V ——顶升油缸上下运行速度（rad/s）、
计算表明，Fa 与制动装置及安装座的重力G 的作用点必须在两油缸的作用力F1、F2中间，只有这样才能形成平衡。假如是一个顶升油缸，那么这个油缸无法找到两个力（Fa 与制动装置及安装座的重力G ）的中心点，这是因为制动装置及安装座的重力在实际中会有所偏离。考虑的装置的对称性，油缸的布置应为对中，且需要采用四油缸布置方式。
通过上面计算，总系统的驱动力为：
第 5 页 共 9页
F 总=f（ F 车轮+ F导轨+ F顶升）
其中：f ——安全系数（根据《机械设计手册》（机械工业出版社）第一卷机构安全系数，此处为1.8）、
F 车轮=Fa ∙R +G ∙b = a
F 导轨=f (Fa +G ) =
F 顶升=ηF a +G = 2
F 总=
4 固定支座受力分析计算
固定支座主要承担各运动机构的反作用力，在疲劳试验台是有一个次数试验，故需进行强度分析和寿命校核。
4．1 固定支座强度计算
整个固定支座需采用材质为Q235-A 的型材焊接而成，其型材为：
模拟车轮部分的重力，模拟车轮制动反力
根据能量相等的原则：
112J ωf =mv 2 22
其中：J ——飞轮等效转动惯量（kg.m 2）、 ωf ——飞轮角速度（rad/s）、
m ——模拟质量（kg ）、v ——模拟速度（m/S）
J =m v 2
ωf 2=m ωg 2r 2ωf 2=m i 2r 2 (1)
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4．2 模拟车轮轴载荷分析及轴设计
由结构设计及受载工况知，模拟车轮轴受弯、扭组合载荷。中间轴处设有一平键联接，用于传递扭矩；当导轨作横向移动时此时力作用不在中心线上，模拟车轮轴受到弯矩的作用。故按组合载荷进行设计。以下分别对模拟车轮轴和轴承进行校核、计算。见下图(图中未表示转矩) 。
第 7 页 共 9页
d ≥5T τ5T 式中：T=4818N . m ；取[τ]=52N /mm 2（模拟车轮轴材料为45）。 d ≥ τ=5⨯4818⨯1000=77. 4(m m ) 52
4．3 模拟车轮轴承计算
由最大制动力1.25吨知，轴承径向载荷Q ≈7000N ；由结构设计知轴径d =200mm ，模拟运行转速范围为n =2~4r /min 。预定寿命10000小时(一般轴承的预定寿命为5000~20000小时，通常大部分轴承达到预定寿命后，仍未失效) 。
4．3．1 寿命计算
轴承型号 单列圆锥滚子轴承 22310E （SKF 公司）
基本额定动负荷 C =22000 0N
基本额定静负荷 C O =224000 N
疲劳负荷极限 P u =2400 N 0
额定转速（滑脂） n 脂=4800 r/min
额定转速（机油） n 油=6300 r/min
最大转速 n m a x =f n ⋅n (f n =2)
e =0. 43
Y =1. 4
当量动负荷 P =0. 4F r +YF a =0. 4X 7000+1. 4⨯7000=12600N
由ISO 基本额定寿命公式，即
⎛C ⎫L 10= ⎪ 106转 ⎝P ⎭
式中 ε---寿命指数，滚子轴承ε=10，则 3ε
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⎛220000⎫L 10= ⎪⎝12600⎭
ε103=1. 745=1. 21 106转 103轴承寿命以小时表示，其式为 106⎛C ⎫L h = ⎪ h 60n ⎝P ⎭
式中 n ---轴承转速 r/min，以n =4r /min 代入，则
L h =10⎛220000⎫ ⎪60⨯4⎝25200⎭6103=14856 h
由以上计算结果知，所选轴承的寿命满足要求。
4．3．2 关于模拟车轮轴承的润滑
飞轮轴承采用脂润滑，滑脂牌号为合成锂基润滑脂ZL-1H ，或合成复合铝基润滑 ZFU-1H ，基础油粘度ν=30~50mm 2/s 。
轴承腔内要填满滑脂；轴承盖和轴承座腔内的填脂量为腔体容积的30~50%。
正常运行状况，轴承添加滑脂的间隔时间为5天，加脂量约46克，并注意轴承盖和 轴承座腔内的滑脂不得超过腔体容积的30~50%。
换脂周期为100天，此时需将轴承内及轴承座腔内的残留的旧脂全部清除，经过清洗 全部更新换入原牌号的新润滑脂。
5 液压部件选择
反力架用于被试车辆（或转向架）的纵向定位，可提供540kN 的水平牵引反力。机架安装在轨道轮组中轴线两端地面T 型导轨上，反力架与车钩之间通过长度可调的拉杆连接。反力架拉杆轴线中心高在630~1130mm之间可调，横向调节范围为350mm(即左右各175mm) 。
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