基于輪軸應變的輪軌力測量方法

楊瀟　陳建政

摘 要：以高速動車車輪輪軸作為有限元建模的模型，在一定的條件下進行測量。以有限元分析作為基礎通過數據分析與處理，以車輛輪軸垂向力作為離散變量分析得到其與橫向力及應變的關系；再通過橫向應變測算橫向力和垂向力。通過基于STM32和PS081芯片的數據采集板得到應變數據，得到實際輪對輪軌接觸力。

關鍵詞：測力輪對；輪軌力；軸應力；STM32；PS081；

中圖分類號：U201 文獻標識碼：A

1 概述

輪軌作用力影響著車輛的運行的品質、曲線的通過能力、踏面的磨耗，輪軌力還可能會引起車輛脫軌，發生翻車事故；也可能會加劇車輪磨損，降低車輪壽命；引起車輛振動并且影響乘坐舒適性，因此，輪軌作用力數值的測量對于正確了解車輛和軌道的性能是非常必要的。而基于輪軸動應力的輪軌力測量方法因為無需特殊的測力輪對并且成本低，適應范圍較輪測法要廣的多，在一定誤差之內具有獨到的優勢，因此基于輪軸動應力的輪軌力的測量方法研究是很有必要的。

2 輪對有限元模型的建立和相關計算

首先以普通高速列車的動力輪對作為有限元分析的建模模型。該模型包含輪軸和齒輪箱兩個部分，其中齒輪箱材料為鋁，輪軸材料為鋼，在軸承的中心線加上三個方向x，y，z自由度的約束，輪對的離散模型如圖2-3所示，其中輪軸采用Solid45六面體單元，齒輪箱采用Solid45四面體單元建模，模型總共28034個體單元，32679個節點。

3 輪軌接觸力的測量理論

3.1橫向力垂向力測量貼片方法

綜合考慮橫向應變誤差，由于有可能橫向應變實際測量中可能會受到橫向力，垂向力和縱向力耦合的影響，因此在實際測量中需要對實際測量值進行相應耦合的分析，測量選取兩個個點位在其上下表面最大處粘貼應變片圖3，圖2所示，并對應變片進行補償貼片，與補償片R組全橋貼片，，即可得到相應橫向應變。

3.2彎曲應變測量耦合分析

對有限元模型進行應變模擬分析仿真分析，得到相應應變對應的相應加載模擬垂向力載荷表示成圖形函數如圖3所示：

由圖可看出垂向力與彎曲應變成線性關系，得到橫向力垂向力測量數據會有耦合影響，因此實際測量出數據應當進行相應的解耦分析才能提取出橫向垂向力單獨的彎曲應變。不難看出，縱向力對于彎曲應變測量的兩個點位幾乎沒有影響，因此在彎曲應變解耦中可以不用考慮縱向力的耦合情況。

3.3 彎曲應變的解耦算法

輪軌接觸橫向力和垂向力共同作用并影響著所測出輪軌力信號，而橫向力載荷與垂向力載荷是相對獨立的，因此本文的解耦符合快速獨立分量分析盲源分離的基本數學模型。FastICA首先將觀測信號中心化和白化，然后選取初值單位范數向量和非二次函數G，歸一化直到結果收斂提取出一個獨立分量然后重復上述步驟即可。

3.4 橫向力力測量方法

對實際兩個測量點位的應變進行解耦之后得到相應的橫向力引起的彎曲應變則有應力

則橫向力為，其中：S為截面面積；E為彈性模量；D為應變貼片處車軸的外徑；d為應變貼片處車軸的內徑。

3.6 垂向力測量標定方法

由仿真可知，彎曲應變在垂向載荷單獨作用時成線性關系令，其中為軸頸處應變，為軸中心處應變，因此有垂向力彎曲應變均值對應關系表示成為函數形如圖所示，由圖可知函數幾乎呈直線，因此對相應彎曲應變關系為：Fy=αεu，其中α為對應系數，則有：α=4.997×103因此對于實際測量解耦所得應變εy則有Fy=αεy。

4 實際測量分析

測量使用西南交通大學軌道交通實驗室的脫軌試驗臺上進行采集測量，將測量模塊安裝在測量輪對上，并在車軸上按照上述給出的貼片方案進行貼片進行實際的靜態測量。

在輪對車軸上按上述方法貼片，并使用基于STM32和PS081芯片的數據采集板采集應變片數據.將數據十六進制結果，最終對解包后的數據進行解耦，通過上述公式計算得到得到輪軌接觸橫向力，垂向力以及縱向力如表1，從試驗臺的數據手冊上得知試驗臺的標稱重量在2.2噸左右，在靜態載荷下該方法基本符合原數據，由于是靜態測量，理論的縱向力應當基本趨于零，在測量結果看來6.3N左右的力基本能夠忽略，而橫向力在理論上也應當趨于零，而此處有著545N左右的力，主要是因為實際情況不可能達到理論上的垂直給力，垂直力必然會有一定的偏差造成相應橫向力的數據如上述情況所示。從靜態試驗結果看來，本次方案基本符合要求。

5. 結束語

通過基于輪軌力在相應貼片選取下的耦合分析得出相應的貼片耦合影響；其次通過數據采集板采集相應應變貼片的數據包得到應變數據；然后通過FastICA算法對數據進行解耦得到橫向力和垂向力；最后通過試驗臺測量分析證明該方法比較可靠。

參考文獻

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