機車車輛輪軌作用力測試系統研究

周 揚，張勝濤，管益輝，李 芾，丁軍君

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東 青島 266100；2.西南交通大學 機械工程學院， 四川 成都 610031)

0 引言

輪軌作用力是判斷機車車輛系統動力學性能的基本要素，輪軌作用力的大小可反映列車運行的安全性與平穩性。輪軌垂向力的大小可用于評估鋼軌的使用壽命，輪軌垂向力影響車輛的動力學性能，輪軌垂向力突然增大一般是由于車輪多邊形造成的。輪軌橫向力是車輪踏面與鋼軌的頂部之間產生的摩擦、蠕滑或者是車輪輪緣外側與軌頭側面的接觸所造成的，輪軌橫向力的異常大多數是由于機車車輛的蛇行運動失穩所造成的。

列車運行過程中，由于軌道振動、線路不平順、軌距誤差與接觸非線性等外界因素的作用，輪軌作用力具有明顯的隨機性，因此理論方法難以準確地確定輪軌作用力，只有通過實驗的方法才能準確地獲取輪軌作用力的數值[1]。

1 輪軌作用力測試原理

由于理論方法難以準確地確定輪軌作用力，因此需通過實驗的方法來準確地獲取輪軌作用力的數值。輪軌作用力測試系統采用單點測試的方法測試輪軌垂向力與輪軌橫向力，系統的設計思路如圖1所示。輪軌作用力測試系統設計主要包括軌軌作用力組橋方案設計、標定裝置設計、標定加壓系統設計、測試系統搭建與系統可行性驗證。

2 輪軌作用力組橋方案設計

輪軌作用力測試系統采用輪軌作用力的地面測試方法，通過在鋼軌上安裝應變片，檢測鋼軌的變形來獲得輪軌作用力。

2.1 輪軌垂向力組橋方案

輪軌垂向力的組橋方案如圖2所示[2]，應變片A1和A2、A3和A4、B1和B2、B3和B4分別組成4個應變花，將應變花以鋼軌的中心軸為對稱軸粘貼在鋼軌軌腰，距離為220 mm，粘貼方向為縱向45°，AC端對應電壓輸入，BD端對應信號輸出，R1～R4為導線電阻。通過應變花測得鋼軌的應變，根據標定得出鋼軌應力—應變關系，從而得到輪軌作用力。

圖1 輪軌作用力測試系統設計思路圖

2.2 輪軌橫向力組橋方案

橫向力的組橋方案如圖3所示，應變花以距離軌底邊緣25 mm處為中心成對粘貼在軌道底部，相距220 mm，AC端對應電壓輸入，BD端對應信號輸出。

3 輪軌作用力標定裝置設計

輪軌力的標定系統主要分為標定裝置與加壓系統,標定裝置由橫梁、外側夾具與內側夾具三大主要部分組成，加壓系統包括液壓缸、千斤頂、壓力傳感器與A/D轉換卡等。

3.1 總體方案設計

輪軌作用力標定裝置的設計主要考慮使用的便攜性與安全性，該標定裝置工作時，液壓缸對該裝置施加作用力，鋼軌承受該裝置的反力。由于標定裝置會對鋼軌同時產生支撐反力，該支撐反力會對標定結果產生影響，因此標定裝置的兩側夾具應盡可能遠離應變片的貼片位置，但這樣會造成中間橫梁變長加重，所以需要選擇一個合適的距離，本方案將標定裝置的兩側夾具布置在相鄰的軌枕處。

圖2 剪力法測量垂向力組橋示意圖

圖3 剪力法測量橫向力組橋示意圖

標定裝置主要分為三大部分：橫梁、外側夾具與內側夾具。標定裝置將垂向加載與橫向加載兩種加載方式集中在一個裝置上面，從而很大程度上減輕了工裝的質量[3]。

3.2 標定裝置強度校核

采用標定裝置進行工作時，垂向與橫向最大加載為32.3 kN，因此需要考慮標定裝置在加載狀態的安全性。由于實際最大加載為32.3 kN，本實驗規定最大設計載荷為50 kN。使用ANSYS進行靜強度分析，垂向加載狀態下，橫梁的應力云圖如圖4所示，鋼軌兩側夾具的應力云圖如圖5所示。由圖4、圖5可知：此時橫梁的最大應力為221.26 MPa，兩側夾具的最大應力值分別為65.36 MPa與65.47 MPa，沒有超過材料的屈服極限，因此垂向加載狀態下標定裝置滿足靜強度要求。

圖4 垂向加載狀態橫梁應力云圖

橫向加載狀態下，最大設計載荷同樣為50 kN。橫梁的應力云圖如圖6所示，鋼軌兩側夾具的應力云圖如圖7所示。由圖6、圖7可知：此時橫梁的最大應力為219.83 MPa，兩側夾具的最大應力值分別為239.4 MPa與48.3 MPa，沒有超過材料的屈服極限，因此橫向加載狀態下標定裝置滿足靜強度要求。

4 輪軌作用力標定加壓系統設計

輪軌作用力標定加壓系統的主要目的是準確獲取液壓缸產生的壓強信號，從而實現標定系統對鋼軌的均勻加壓。該系統的主要設計思路如圖8所示。

4.1 加壓系統總體搭建

標定加壓系統由液壓千斤頂、壓力傳感器與A/D轉換卡組成，控制部分采用LabVIEW編寫數據采集系統，標定加壓系統總體結構搭建如圖9所示。壓力傳感器的紅線為電源輸入線，黃線為公共地線，藍線為輸出線，將壓力傳感器的電源輸入線與24 V電源的正極相連，公共地線與24 V電源的負極、USB6003上AI引腳相連，輸出線與USB6003上0+引腳相連。

圖5 垂向加載狀態鋼軌兩側夾具應力云圖

圖6 橫向加載狀態橫梁應力云圖

圖7 橫向加載狀態鋼軌兩側夾具應力云圖

圖8 標定加壓系統設計思路

4.2 加壓系統軟件設計

本文采用LabVIEW軟件設計加壓系統的數據采集程序。LabVIEW軟件由NI公司開發，與C語言、BASIC等其他語言相比，它采用圖形化編輯語言G編寫程序[4]。它提供了圖形化的編程方法，可應用于各個方面，包括硬件配置、測量數據和調試等，具有集成測量硬件、在程序框圖上展示復雜的邏輯、開發數據分析算法以及設計自定義工程用戶界面的功能[5]。

圖9 標定加壓系統總體結構搭建圖

本程序采用生產者/消費者結構，生產者/消費者系統為LabVIEW的多循環程序框架，它將采集數據與處理數據的過程分開，并將采集到的數據放入隊列中，然后對隊列中的數據進行處理，生產者/消費者結構可以節約系統的內存。

經A/D轉換卡USB6003得到的電壓信號經過DAQ助手進行轉換，再經過濾波器2到達隊列，此時采集的實時數據顯示在主界面的儀表盤上。數據采集程序主界面如圖10所示。

圖10 數據采集程序主界面

5 實驗測試系統搭建與驗證

5.1 實驗系統搭建

該測試系統采用數據采集儀DH5922D，實驗測試包括測試和標定兩個部分。實驗標定系統由標定裝置和加壓系統組成，測試部分包括應變花、絕緣四芯導線與DH5922D動態信號測試分析系統。

5.2 測試系統可行性驗證

輪軌作用力測試系統中存在以下問題：①應變花的防潮、防干擾等防護問題；②信號的傳輸和準確提取；③現場實際條件的可操作性；④實驗操作步驟的優

化和人員的培訓。因此，需要對該測試系統的可行性進行驗證。測試系統可行性驗證分為兩個步驟：實驗室驗證與現場試驗驗證。

西南交通大學機車車輛系實驗室于2018年5月～7月對系統的可行性進行驗證，驗證實驗如圖11所示。實驗室驗證結果表明:測試系統在實驗室中運行良好，具備現場試驗驗證條件。

圖11 測試系統實驗室驗證圖

2018年9月13日在成都青白江地區成汶線對輪軌作用力測試系統進行現場可行性驗證，測試半徑為600 m的曲線，現場驗證結果表明：測試系統現場運行良好，該測試系統可以投入現場使用。

6 結語

本文主要搭建了一種基于單點測試方法的輪軌作用力測試系統。該輪軌作用力測試系統的最大優點是對標定過程進行了提升，不僅設計了專門的標定裝置，而且設計了標定加壓系統，能夠自動化處理標定過程，較以前的人工標定方法有一定優勢。未來輪軌作用力測試系統會向著智能化、高效化與自動化的方向發展。