基于輪軸應(yīng)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(chǔ)通過數(shù)據(jù)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(yīng)變的關(guān)系；再通過橫向應(yīng)變測算橫向力和垂向力。通過基于STM32和PS081芯片的數(shù)據(jù)采集板得到應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到實際輪對輪軌接觸力。

關(guān)鍵詞：測力輪對；輪軌力；軸應(yīng)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(zhì)、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(fā)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(shù)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(yīng)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(yīng)范圍較輪測法要廣的多，在一定誤差之內(nèi)具有獨到的優(yōu)勢，因此基于輪軸動應(yīng)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(guān)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(jié)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(yīng)變誤差，由于有可能橫向應(yīng)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(yīng)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(yīng)變片圖3，圖2所示，并對應(yīng)變片進行補償貼片，與補償片R組全橋貼片，，即可得到相應(yīng)橫向應(yīng)變。

3.2彎曲應(yīng)變測量耦合分析

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

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

3.3 彎曲應(yīng)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(shù)學(xué)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(shù)向量和非二次函數(shù)G，歸一化直到結(jié)果收斂提取出一個獨立分量然后重復(fù)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(yīng)變進行解耦之后得到相應(yīng)的橫向力引起的彎曲應(yīng)變則有應(yīng)力

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

3.6 垂向力測量標定方法

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

4 實際測量分析

測量使用西南交通大學(xué)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(tài)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(shù)據(jù)采集板采集應(yīng)變片數(shù)據(jù).將數(shù)據(jù)十六進制結(jié)果，最終對解包后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)手冊上得知試驗臺的標稱重量在2.2噸左右，在靜態(tài)載荷下該方法基本符合原數(shù)據(jù)，由于是靜態(tài)測量，理論的縱向力應(yīng)當基本趨于零，在測量結(jié)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(yīng)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(yīng)橫向力的數(shù)據(jù)如上述情況所示。從靜態(tài)試驗結(jié)果看來，本次方案基本符合要求。

5. 結(jié)束語

通過基于輪軌力在相應(yīng)貼片選取下的耦合分析得出相應(yīng)的貼片耦合影響；其次通過數(shù)據(jù)采集板采集相應(yīng)應(yīng)變貼片的數(shù)據(jù)包得到應(yīng)變數(shù)據(jù)；然后通過FastICA算法對數(shù)據(jù)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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