CN104006978B - 一种铁道车辆轮轨之间作用力的间接测量方法 - Google Patents
一种铁道车辆轮轨之间作用力的间接测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种铁道车辆轮轨之间作用力的间接测量方法，包括：A、振动信号测试：由三向加速度传感器、横向位移传感器、左侧和右侧垂向位移传感器，分别在线测量一系弹簧的横向位移、左侧和右侧垂向位移；内、外侧应变片分别测量轴箱转臂的内、外侧应变；B、振动信号的数字化：将速度、位移、应变通过信号调理器放大、滤波，转换为数字；C、轮轴横向力的计算：根据横向加速度ay、横向位移dy、外侧应变ε1和内侧应变ε2，计算出轮轴横向力H；D、轮轨垂向力的计算：根据垂向加速度az、左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2和轮轴横向力H，计算出左、右侧轮轨垂向力P1和P2。该方法能够实现轮轨作用力的间接测量，其结果更真实、可靠，能为铁道车辆安全评判和健康监测提供更可靠的依据。
Description
技术领域
本发明是涉及一种铁道车辆轮轨力间接测量方法。
背景技术
轮轨关系是车辆、轨道系统中基本而复杂的一个问题，轮轨间作用力是分析轮轨关系的基础，它是进一步评估车轮在轨道上的运行性能及轮轨表面损伤等问题的依据。在现行机车车辆动力学国家标准中，轮轨力的获得十分重要，能否精确地获得轮轨间作用力直接影响着波磨、磨耗及脱轨等问题，是铁道车辆安全评判和健康监测的重要依据。
现有轮轨力测量方法主要分为两类：1、轮轨力直接测量方法通常采用测力轮对，即在轮对上粘贴几十个应变片，建立了关联桥路输出与轮轨作用力之间关系的桥路，以此来实现动态轮轨力的测定。但测力轮对需要提前标定桥路和轮轨力之间的对应关系，标定工艺相当复杂；另外测力轮对成本较高，并且需要对原有车轮结构进行改造，生产周期长；一旦车轮踏面出现磨耗，需要重复标定，其可靠性低。2、轮轨力间接测量方法，基于线性车辆系统模型，采用脉冲响应方法，获得轮轨作用力和轴箱加速度之间的传递函数，测试时，通过测量轴箱加速度，反推出轮轨间作用力。但轮轨之间接触关系复杂，具有强的非线性特性，由其测算出的轮轨间作用力误差大，可靠性低。以其作为铁道车辆安全评判和健康监测的依据，不能可靠保证车辆的安全运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁道车辆轮轨力间接测量方法，该方法能够实现轮轨作用力的间接测量，其结果更真实、可靠，能为铁道车辆安全评判和健康监测提供更可靠的依据。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种铁道车辆轮轨之间作用力的间接测量方法，包括以下步骤：
A、振动信号测试：由安装在轮对轴箱上的三向加速度传感器，在线测量轮对的横向加速度、垂向加速度和纵向加速度；安装在轴箱和车体之间左侧或右侧的横向位移传感器、左侧的左侧垂向位移传感器、右侧的右侧垂向位移传感器，分别在线测量一系弹簧的横向位移、左侧垂向位移、右侧垂向位移；安装在轴箱转臂外侧的外侧应变片、内侧的内侧应变片分别在线测量轴箱转臂的外侧应变和内侧应变；
B、振动信号的数字化：将A步测得的轮对的横向加速度、垂向加速度，一系弹簧的横向位移、左侧垂向位移、右侧垂向位移，轴箱转臂的外侧应变和内侧应变均通过信号调理器放大、滤波后，再由数据采集卡分别转换为数字化的：轮对的横向加速度ay、垂向加速度az，一系弹簧的横向位移dy、左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2，轴箱转臂的外侧应变ε1和内侧应变ε2；
C、轮轴横向力的计算：数据处理器根据B步测得的数字化的轴箱的横向加速度ay、一系弹簧的横向位移dy、轴箱转臂的外侧应变ε1和内侧应变ε2，计算出轮轴横向力H：
H＝mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)
其中，mw为轮对质量，ky为一系弹簧横向刚度，kε为轴箱转臂横向力和轴箱应变关系的标定系数，由试验获得；
D、轮轨垂向力的计算：数据处理器根据B步测得的数字化的轴箱垂向加速度az、一系弹簧的左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2和C步算出的轮轴横向力H，分别计算出轮对的左侧轮轨垂向力P1和右侧轮轨垂向力P2：
P1＝mwaz/2+(kzdz1+czdz′1)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz2+czdz′2)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2-H·r0/lc
P2＝mwaz/2+(kzdz2+czdz′2)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz1+czdz′1)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2+H·r0/lc
其中：kz为一系弹簧的垂向刚度，cz为一系垂向减振器的阻尼，dz′1、dz′2分别为轮对与车体在左侧、右侧的垂向相对速度，为测得的一系弹簧的左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2的一阶微分，ls为轮对左侧一系弹簧与轮对右侧一系弹簧的横向距离，lc为轮对左侧轮轨接触点和右侧轮轨接触点间的横向距离，g为重力加速度，r0为轮对的车轮半径。
本发明方法的原理是：
对轮对的横向受力而言，轮对和轴箱连为一体，根据牛顿力学定律可得出轮对的横向力平衡方程：
mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)-H＝0
即：
H＝mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)
从而可以通过测试轴箱的横向加速度ay、轴箱与车体之间的横向位移dy、轴箱转臂的外侧应变ε1和内侧应变ε2，及已知的轮对质量mw、一系弹簧横向刚度ky、试验获得的轴箱转臂横向力和轴箱应变关系的标定系数kε；即可准确测出轮轴横向力H。
关于轮对左侧和右侧的轮轨接触点分别建立力矩平衡方程，由于接触点变化相比横向跨距影响很小，忽略不计，可得:
mwaz·lc/2+(kzdz1+czdz′1)·l1-(kzdz2+czdz′2)·l2+G·lc/2-P1·lc-H·r0＝0
mwaz·lc/2+(kzdz2+czdz′2)·l1-(kzdz1+czdz′)·l2+G·lc/2-P2·lc+H·r0＝0
对以上两式变换可得：
P1＝mwaz/2+(kzdz1+czdz′1)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz2+czdz′2)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2-H·r0/lc
P2＝mwaz/2+(kzdz2+czdz′2)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz1+czdz′1)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2+H·r0/lc
从而可以通过测试轴箱的垂向加速度az、一系弹簧的左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2，及上步算出的轮轴横向力H，并算出轮对与车体在左侧、右侧的垂向相对速度dz′1、dz′2(为测得的一系弹簧的左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2的一阶微分)，及已知的一系弹簧的垂向刚度kz，一系垂向减振器的阻尼cz，轮对左侧一系弹簧与轮对右侧一系弹簧的横向距离ls，轮对左侧轮轨接触点和右侧轮轨接触点间的横向距离lc，重力加速度g，轮对的车轮半径r0；即可准确测出轮对左侧轮轨垂向力P1和右侧轮轨垂向力P2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明的轮轨力间接测量方法避免了传统测力轮对复杂的标定工艺，即使车轮出现磨耗，无需重复标定；也不用对原有车轮结构进行改造，只需在轴箱、轴箱与车体之间和轴箱转臂上等非旋转件上安装相应的传感器，实施方便，测试成本低。
二、本发明的轮轨力间接测量方法，通过轴箱的横向和垂向加速度、一系弹簧的横向和垂向位移、轴箱转臂的应变等多种振动信号及其有关已知参数，根据受力平衡方程和力矩平衡方程，间接测量出轮轨间作用力，其原理明确，测试结果准确可靠。避免了采用单一的加速度信号通过线性模型计算非线性的轮轨接触力的不足。试验验证证明本发明的间接测量方法与直接测量方法(测力轮对)测出的轮轴横向力和轮轨垂向力波形接近，峰值误差不超过15％。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明方法的速度传感器、位移传感器及应变片安装在轮对上的主视结构示意图(包括车体)。
图2是图1的俯视结构示意图(去掉车体)。
图3是用本例方法测出的轮对的左侧轮轨垂向力曲线。
图4是用直接测量方法(测力轮对法)测出的轮对的左侧轮轨垂向力曲线。
图5是用本例方法测出的轮对的右侧轮轨垂向力曲线。
图6是用直接测量方法(测力轮对法)测出的轮对的右侧轮轨垂向力曲线。
图7是用本例方法测出的轮对的轮轴横向力曲线。
图8是用直接测量方法(测力轮对法)测出的轮对的轮轴横向力曲线。
图3-8中的被测轮对为同一轮对。
具体实施方式
实施例
图1-2示出，本发明的一种具体实施方式是，一种铁道车辆轮轨之间作用力的间接测量技术方法，包括以下步骤：
A、振动信号测试：由安装在轮对1轴箱2上的三向加速度传感器3，在线测量轮对1的横向加速度、垂向加速度和纵向加速度；安装在轴箱2和车体4之间左侧或右侧的横向位移传感器5、左侧的左侧垂向位移传感器6、右侧的右侧垂向位移传感器7，分别在线测量一系弹簧8的横向位移、左侧垂向位移、右侧垂向位移；安装在轴箱2转臂9外侧的外侧应变片10、内侧的内侧应变片11分别在线测量轴箱转臂9的外侧应变和内侧应变；
B、振动信号的数字化：将A步测得的轮对1的横向加速度、垂向加速度，一系弹簧8的横向位移、左侧垂向位移、右侧垂向位移，轴箱转臂9的外侧应变和内侧应变均通过信号调理器放大、滤波后，再由数据采集卡分别转换为数字化的：轮对的横向加速度ay、垂向加速度az，一系弹簧8的横向位移dy、左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2，轴箱转臂9的外侧应变ε1和内侧应变ε2；
C、轮轴横向力的计算：数据处理器根据B步测得的数字化的轴箱2的横向加速度ay、一系弹簧8的横向位移dy、轴箱转臂9的外侧应变ε1和内侧应变ε2，计算出轮轴横向力H：
H＝mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)
其中，mw为轮对质量，ky为一系弹簧横向刚度，kε为轴箱转臂横向力和轴箱应变关系的标定系数，由试验获得；
D、轮轨垂向力的计算：数据处理器根据B步测得的数字化的轴箱垂向加速度az、一系弹簧8的左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2和C步算出的轮轴横向力H，分别计算出轮对的左侧轮轨垂向力P1和右侧轮轨垂向力P2：
P1＝mwaz/2+(kzdz1+czdz′1)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz2+czdz′2)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2-H·r0/lc
P2＝mwaz/2+(kzdz2+czdz′2)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz1+czdz′1)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2+H·r0/lc
其中：kz为一系弹簧的垂向刚度，cz为一系垂向减振器的阻尼，dz′1、dz′2分别为轮对与车体在左侧、右侧的垂向相对速度，为测得的一系弹簧8的左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2的一阶微分，ls为轮对左侧一系弹簧与轮对右侧一系弹簧的横向距离，lc为轮对左侧轮轨接触点和右侧轮轨接触点间的横向距离，g为重力加速度，r0为轮对的车轮半径。
试验验证：
分别采用本发明的间接测量方法和直接测量方法，分别测量同一车辆的同一轮对的轮轨间作用力；被试车辆为国内某高速动车组，轴重14t，试验速度60km/h，试验线路为环线铁道试验线(包含一段直线和一段半径1300m的曲线)。
图3是用本例方法测出被试轮对的左侧轮轨垂向力曲线。图4是用直接测量方法(测力轮对法)测出被试轮对的左侧轮轨垂向力曲线。试验验证证明本发明的间接测量方法与直接测量方法(测力轮对)测出的轮对的左侧轮轨垂向力波形接近，峰值分别为74.67kN、74.19kN，相对误差为0.65％。
图5是用本例方法测出的被试轮对的右侧轮轨垂向力曲线。图6是用直接测量方法(测力轮对法)测出的被试轮对右侧轮轨垂向力曲线。试验验证证明本发明的间接测量方法与直接测量方法(测力轮对)测出的轮对的右侧轮轨垂向力波形接近，峰值分别为99.84kN、98.16kN，相对误差为1.71％。
图7是用本例方法测出的轮对的轮轴横向力曲线。图8是用直接测量方法(测力轮对法)测出的被试轮对的轮轴横向力曲线。试验验证证明本发明的间接测量方法与直接测量方法(测力轮对)测出的轮对的轮轴横向力波形接近，峰值分别为18.52kN、21.01kN，相对误差为11.85％。
Claims (1)
1.一种铁道车辆轮轨之间作用力的间接测量方法，包括以下步骤：
A、振动信号测试：由安装在轮对(1)的轴箱(2)上的三向加速度传感器(3)，在线测量轴箱(2)的横向加速度、垂向加速度和纵向加速度；安装在轴箱(2)和车体(4)之间左侧或右侧的横向位移传感器(5)、左侧的左侧垂向位移传感器(6)、右侧的右侧垂向位移传感器(7)，分别在线测量一系弹簧(8)的横向位移、左侧垂向位移、右侧垂向位移；安装在轴箱(2)转臂(9)外侧的外侧应变片(10)、内侧的内侧应变片(11)分别在线测量轴箱转臂(9)的外侧应变和内侧应变；
B、振动信号的数字化：将A步测得的轴箱(2)的横向加速度、垂向加速度，一系弹簧(8)的横向位移、左侧垂向位移、右侧垂向位移，轴箱转臂(9)的外侧应变和内侧应变均通过信号调理器放大、滤波后，再由数据采集卡分别转换为数字化的：轴箱的横向加速度ay、垂向加速度az，一系弹簧(8)的横向位移dy、左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2，轴箱转臂(9)的外侧应变ε1和内侧应变ε2；
C、轮轴横向力的计算：数据处理器根据B步测得的数字化的轴箱(2)的横向加速度ay、一系弹簧(8)的横向位移dy、轴箱转臂(9)的外侧应变ε1和内侧应变ε2，对轮对的横向受力而言，轮对和轴箱连为一体，根据牛顿力学定律可得出轮对的横向力平衡方程：
mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)-H＝0
即：H＝mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)
其中，H为轮轴横向力，mw为轮对质量，ky为一系弹簧横向刚度，kε为轴箱转臂横向力和轴箱应变关系的标定系数，由试验获得；
D、轮轨垂向力的计算：数据处理器根据B步测得的数字化的轴箱垂向加速度az、一系弹簧(8)的左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2和C步算出的轮轴横向力H，分别计算出轮对的左侧轮轨垂向力P1和右侧轮轨垂向力P2：P1＝mwaz/2+(kzdz1+czd′z1)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz2+czd′z2)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2-H·r0/lcP2＝mwaz/2+(kzdz2+czd′z2)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz1+czd′z1)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2+H·r0/lc
其中：kz为一系弹簧的垂向刚度，cz为一系垂向减振器的阻尼，d′z1、d′z2分别为轮对与车体(4)在左侧、右侧的垂向相对速度，为测得的一系弹簧(8)的左侧垂向位移dz1、右侧垂向位移dz2的一阶微分，ls为轮对左侧一系弹簧与轮对右侧一系弹簧的横向距离，lc为轮对左侧轮轨接触点和右侧轮轨接触点间的横向距离，g为重力加速度，r0为轮对的车轮半径。
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