一種鐵道車輛輪軌之間作用力的間接測量方法技術

一種鐵道車輛輪軌之間作用力的間接測量方法，包括：A.振動信號測試：由三向加速度傳感器、橫向位移傳感器、左側和右側垂向位移傳感器，分別在線測量一系彈簧的橫向位移、左側和右側垂向位移；內、外側應變片分別測量軸箱轉臂的內、外側應變；B.振動信號的數字化：將速度、位移、應變通過信號調理器放大、濾波，轉換為數字；C.輪軸橫向力的計算：根據橫向加速度ay、橫向位移dy、外側應變ε1和內側應變ε2，計算出輪軸橫向力H；D.輪軌垂向力的計算：根據垂向加速度az、左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2和輪軸橫向力H，計算出左、右側輪軌垂向力P1和P2。該方法能夠實現輪軌作用力的間接測量，其結果更真實、可靠，能為鐵道車輛安全評判和健康監測提供更可靠的依據。

【技術實現步驟摘要】
一種鐵道車輛輪軌之間作用力的間接測量方法
本專利技術是涉及一種鐵道車輛輪軌力間接測量方法。
技術介紹
輪軌關系是車輛、軌道系統中基本而復雜的一個問題，輪軌間作用力是分析輪軌關系的基礎，它是進一步評估車輪在軌道上的運行性能及輪軌表面損傷等問題的依據。在現行機車車輛動力學國家標準中，輪軌力的獲得十分重要，能否精確地獲得輪軌間作用力直接影響著波磨、磨耗及脫軌等問題，是鐵道車輛安全評判和健康監測的重要依據。現有輪軌力測量方法主要分為兩類：1、輪軌力直接測量方法通常采用測力輪對，即在輪對上粘貼幾十個應變片，建立了關聯橋路輸出與輪軌作用力之間關系的橋路，以此來實現動態輪軌力的測定。但測力輪對需要提前標定橋路和輪軌力之間的對應關系，標定工藝相當復雜；另外測力輪對成本較高，并且需要對原有車輪結構進行改造，生產周期長；一旦車輪踏面出現磨耗，需要重復標定，其可靠性低。2、輪軌力間接測量方法，基于線性車輛系統模型，采用脈沖響應方法，獲得輪軌作用力和軸箱加速度之間的傳遞函數，測試時，通過測量軸箱加速度，反推出輪軌間作用力。但輪軌之間接觸關系復雜，具有強的非線性特性，由其測算出的輪軌間作用力誤差大，可靠性低。以其作為鐵道車輛安全評判和健康監測的依據，不能可靠保證車輛的安全運行。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種鐵道車輛輪軌力間接測量方法，該方法能夠實現輪軌作用力的間接測量，其結果更真實、可靠，能為鐵道車輛安全評判和健康監測提供更可靠的依據。本專利技術實現其專利技術目的所采用的技術方案是：一種鐵道車輛輪軌之間作用力的間接測量方法，包括以下步驟：A、振動信號測試：由安裝在輪對軸箱上的三向加速度傳感器，在線測量輪對的橫向加速度、垂向加速度和縱向加速度；安裝在軸箱和車體之間左側或右側的橫向位移傳感器、左側的左側垂向位移傳感器、右側的右側垂向位移傳感器，分別在線測量一系彈簧的橫向位移、左側垂向位移、右側垂向位移；安裝在軸箱轉臂外側的外側應變片、內側的內側應變片分別在線測量軸箱轉臂的外側應變和內側應變；B、振動信號的數字化：將A步測得的輪對的橫向加速度、垂向加速度，一系彈簧的橫向位移、左側垂向位移、右側垂向位移，軸箱轉臂的外側應變和內側應變均通過信號調理器放大、濾波后，再由數據采集卡分別轉換為數字化的：輪對的橫向加速度ay、垂向加速度az，一系彈簧的橫向位移dy、左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2，軸箱轉臂的外側應變ε1和內側應變ε2；C、輪軸橫向力的計算：數據處理器根據B步測得的數字化的軸箱的橫向加速度ay、一系彈簧的橫向位移dy、軸箱轉臂的外側應變ε1和內側應變ε2，計算出輪軸橫向力H：H＝mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)其中，mw為輪對質量，ky為一系彈簧橫向剛度，kε為軸箱轉臂橫向力和軸箱應變關系的標定系數，由試驗獲得；D、輪軌垂向力的計算：數據處理器根據B步測得的數字化的軸箱垂向加速度az、一系彈簧的左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2和C步算出的輪軸橫向力H，分別計算出輪對的左側輪軌垂向力P1和右側輪軌垂向力P2：P1＝mwaz/2+(kzdz1+czdz′1)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz2+czdz′2)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2-H·r0/lcP2＝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為一系彈簧的垂向剛度，cz為一系垂向減振器的阻尼，dz′1、dz′2分別為輪對與車體在左側、右側的垂向相對速度，為測得的一系彈簧的左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2的一階微分，ls為輪對左側一系彈簧與輪對右側一系彈簧的橫向距離，lc為輪對左側輪軌接觸點和右側輪軌接觸點間的橫向距離，g為重力加速度，r0為輪對的車輪半徑。本專利技術方法的原理是：對輪對的橫向受力而言，輪對和軸箱連為一體，根據牛頓力學定律可得出輪對的橫向力平衡方程：mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)-H＝0即：H＝mway+2kydy+kε·(ε1-ε2)從而可以通過測試軸箱的橫向加速度ay、軸箱與車體之間的橫向位移dy、軸箱轉臂的外側應變ε1和內側應變ε2，及已知的輪對質量mw、一系彈簧橫向剛度ky、試驗獲得的軸箱轉臂橫向力和軸箱應變關系的標定系數kε；即可準確測出輪軸橫向力H。關于輪對左側和右側的輪軌接觸點分別建立力矩平衡方程，由于接觸點變化相比橫向跨距影響很小，忽略不計，可得:mwaz·lc/2+(kzdz1+czdz′1)·l1-(kzdz2+czdz′2)·l2+G·lc/2-P1·lc-H·r0＝0mwaz·lc/2+(kzdz2+czdz′2)·l1-(kzdz1+czdz′)·l2+G·lc/2-P2·lc+H·r0＝0對以上兩式變換可得：P1＝mwaz/2+(kzdz1+czdz′1)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz2+czdz′2)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2-H·r0/lcP2＝mwaz/2+(kzdz2+czdz′2)·(ls/2+lc/2)/lc-(kzdz1+czdz′1)·(ls/2-lc/2)/lc+mwg/2+H·r0/lc從而可以通過測試軸箱的垂向加速度az、一系彈簧的左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2，及上步算出的輪軸橫向力H，并算出輪對與車體在左側、右側的垂向相對速度dz′1、dz′2(為測得的一系彈簧的左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2的一階微分)，及已知的一系彈簧的垂向剛度kz，一系垂向減振器的阻尼cz，輪對左側一系彈簧與輪對右側一系彈簧的橫向距離ls，輪對左側輪軌接觸點和右側輪軌接觸點間的橫向距離lc，重力加速度g，輪對的車輪半徑r0；即可準確測出輪對左側輪軌垂向力P1和右側輪軌垂向力P2。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：一、本專利技術的輪軌力間接測量方法避免了傳統測力輪對復雜的標定工藝，即使車輪出現磨耗，無需重復標定；也不用對原有車輪結構進行改造，只需在軸箱、軸箱與車體之間和軸箱轉臂上等非旋轉件上安裝相應的傳感器，實施方便，測試成本低。二、本專利技術的輪軌力間接測量方法，通過軸箱的橫向和垂向加速度、一系彈簧的橫向和垂向位移、軸箱轉臂的應變等多種振動信號及其有關已知參數，根據受力平衡方程和力矩平衡方程，間接測量出輪軌間作用力，其原理明確，測試結果準確可靠。避免了采用單一的加速度信號通過線性模型計算非線性的輪軌接觸力的不足。試驗驗證證明本專利技術的間接測量方法與直接測量方法(測力輪對)測出的輪軸橫向力和輪軌垂向力波形接近，峰值誤差不超過15％。下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術做進一步的詳細說明。附圖說明圖1是本專利技術方法的速度傳感器、位移傳感器及應變片安裝在輪對上的主視結構示意圖(包括車體)。圖2是圖1的俯視結構示意圖(去掉車體)。圖3是用本例方法測出的輪對的左側輪軌垂向力曲線。圖4是用直接測量方法(測力輪對法)測出的輪對的左側輪軌垂向力曲線。圖5是用本例方法測出的輪對的右側輪軌垂向力曲線。圖6是用直接測量方法(測力輪對法)測出的輪對的右側輪軌垂向力曲線。圖7是用本例方法測出的輪對的輪軸橫向力曲線。圖8是用直接測量方法(測力輪對本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鐵道車輛輪軌之間作用力的間接測量方法，包括以下步驟：A、振動信號測試：由安裝在輪對(1)軸箱(2)上的三向加速度傳感器(3)，在線測量輪對(1)的橫向加速度、垂向加速度和縱向加速度；安裝在軸箱(2)和車體(4)之間左側或右側的橫向位移傳感器(5)、左側的左側垂向位移傳感器(6)、右側的右側垂向位移傳感器(7)，分別在線測量一系彈簧(8)的橫向位移、左側垂向位移、右側垂向位移；安裝在軸箱(2)轉臂(9)外側的外側應變片(10)、內側的內側應變片(11)分別在線測量軸箱轉臂(9)的外側應變和內側應變；B、振動信號的數字化：將A步測得的輪對(1)的橫向加速度、垂向加速度，一系彈簧(8)的橫向位移、左側垂向位移、右側垂向位移，軸箱轉臂(9)的外側應變和內側應變均通過信號調理器放大、濾波后，再由數據采集卡分別轉換為數字化的：輪對的橫向加速度ay、垂向加速度az，一系彈簧(8)的橫向位移dy、左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2，軸箱轉臂(9)的外側應變ε1和內側應變ε2；C、輪軸橫向力的計算：數據處理器根據B步測得的數字化的軸箱(2)的橫向加速度ay、一系彈簧(8)的橫向位移dy、軸箱轉臂(9)的外側應變ε1和內側應變ε2，計算出輪軸橫向力H：H＝mway+2kydy+kε·(ε1?ε2)其中，mw為輪對質量，ky為一系彈簧橫向剛度，kε為軸箱轉臂橫向力和軸箱應變關系的標定系數，由試驗獲得；D、輪軌垂向力的計算：數據處理器根據B步測得的數字化的軸箱垂向加速度az、一系彈簧(8)的左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2和C步算出的輪軸橫向力H，分別計算出輪對的左側輪軌垂向力P1和右側輪軌垂向力P2：P1＝mwaz/2+(kzdz1+czdz′1)·(ls/2+lc/2)/lc?(kzdz2+czdz′2)·(ls/2?lc/2)/lc+mwg/2?H·r0/lcP2＝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為一系彈簧的垂向剛度，cz為一系垂向減振器的阻尼，dz′1、dz′2分別為輪對與車體(4)在左側、右側的垂向相對速度，為測得的一系彈簧(8)的左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2的一階微分，ls為輪對左側一系彈簧與輪對右側一系彈簧的橫向距離，lc為輪對左側輪軌接觸點和右側輪軌接觸點間的橫向距離，g為重力加速度，r0為輪對的車輪半徑。...

【技術特征摘要】
1.一種鐵道車輛輪軌之間作用力的間接測量方法，包括以下步驟：A、振動信號測試：由安裝在輪對(1)的軸箱(2)上的三向加速度傳感器(3)，在線測量軸箱(2)的橫向加速度、垂向加速度和縱向加速度；安裝在軸箱(2)和車體(4)之間左側或右側的橫向位移傳感器(5)、左側的左側垂向位移傳感器(6)、右側的右側垂向位移傳感器(7)，分別在線測量一系彈簧(8)的橫向位移、左側垂向位移、右側垂向位移；安裝在軸箱(2)轉臂(9)外側的外側應變片(10)、內側的內側應變片(11)分別在線測量軸箱轉臂(9)的外側應變和內側應變；B、振動信號的數字化：將A步測得的軸箱(2)的橫向加速度、垂向加速度，一系彈簧(8)的橫向位移、左側垂向位移、右側垂向位移，軸箱轉臂(9)的外側應變和內側應變均通過信號調理器放大、濾波后，再由數據采集卡分別轉換為數字化的：軸箱的橫向加速度ay、垂向加速度az，一系彈簧(8)的橫向位移dy、左側垂向位移dz1、右側垂向位移dz2，軸箱轉臂(9)的外側應變ε1和內側應變ε2；C、輪軸橫向力的計算：數據處理器根據B步測得的數字化的軸箱(2)的橫向加速度ay、一系彈簧(8)的橫向位移dy、軸箱轉臂(9)的外側應變ε1和內側應變ε2，對輪對的橫向受力而言，輪對和軸箱連為一體，根據牛頓力學定律可得出輪對的橫向力...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄔平波，曾京，常振臣，魏來，戴煥云，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：發明
國別省市：四川;51