基于激光位移測量技術的輪軌作用力研究

黃丹丹

（成都軌道交通產業技術研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

城軌線路站間距短、車站多、制動頻繁，城軌車輛運營環境相對復雜，輪對長期服役后，車輪會產生不圓、擦傷、剝離、碾堆、局部凹陷等損傷。車輛關鍵部件的損壞，如軸箱彈簧斷裂、軸承保持架裂損、轉向架側梁開裂等均與輪軌異常沖擊力有密切關系。

傳統輪軌關系評估方法主要是通過觀測車輪踏面狀態，檢查表面是否存在如多邊形、扁疤、剝離等踏面損傷，進而對輪軌關系進行安全性卡控。然而，軌道車輛的載重、運行速度對輪軌作用力有較大影響，僅對車輪表面進行靜態觀測，難以實現軌道車輛動力學性能、載荷分布等安全指標的測量。另外，踏面損傷的危害程度與其形狀、位置、性狀關系密切。

目前在鐵路系統中運用的貨車運行品質軌旁動態監測系統（TPDS 系統），即是基于車輛的輪軌作用力來識別車輛超偏載等異常運行狀態。同時，通過對輪軌作用力的進一步分析，還可識別車輪踏面損傷。王興華、曾宇清通過分析TPDS 在武漢鐵路局客車踏面損傷檢測方面的應用，討論了TPDS 客車運用的可行性，并總結了TPDS 客車運用存在的問題。李旭偉、秦菊等分析了城市軌道交通車輛存在的輪軌磨耗問題，提出將TPDS 輪軌力測試技術及裝備應用于城市軌道交通。

為準確測量輪軌作用力，本文采用激光位移測量技術，測量車輛運行過程中鋼軌形變量，進而獲得輪軌作用力及車輛的動態力學性能。

1 輪軌作用力測量方法

現有的輪軌作用力測量方法主要包括：應變片測量法、光纖光柵測量法、“剪力+支撐力”測量法。

應變片測量法是通過在鋼軌的軌腰處粘貼金屬應變片來測量輪軌力的方法。通常軌腰處表面較為粗糙，需要將粘貼面打磨光滑后再粘貼應變片，施工工藝較為復雜，且由于難以實現輪軌力的連續測量，無法完整反映車輛動力學性能，逐漸被新的測量方法取代。

光纖光柵測量法通過軌卡夾持光纖光柵傳感器單元，當車輪通過檢測區時，鋼軌產生的形變同時帶動軌卡和光纖光柵檢測單元產生形變，使光纖光柵感器反射波的波長發生偏移。通過對波長漂移量的度量，實現對應力、應變的測量，進而得到鋼軌相應位置的受力。

“剪力+支撐力”測量方法是通過剪力傳感器配合板式傳感器測量輪軌力的方法，該測量技術被廣泛應用在TPDS 系統中。測量原理如圖1 所示。

圖1 “剪力+支撐力”測量原理

其中，F，F通過剪力傳感器或粘貼應變片等方式測取，由力的平衡條件可得：

由式（1）可獲得車輪作用在鋼軌上連續的輪軌垂向力。

2 激光位移測量方法

2.1 測量原理

區別于輪軌力測量方法，本文采用激光位移測量技術，測量輪壓過鋼軌時的位移偏移量，進而獲得輪軌作用力。測量原理如圖2 所示。

圖2 激光位移測量示意圖

激光位移測量的最小檢測單元是由一個激光器和一個PSD 位移傳感器構成的檢測模組。模組左邊是一個激光器（紅色部分），正常狀態下，激光器發射一束激光（黃色部分），打到PSD 靶面上（綠色部分）。當車輪通過時使鐵軌發生彎曲，激光射線從PSD 靶面的零位移開，這個位移可通過PSD 輸出的兩個電壓值計算獲得，通過位移偏移量可計算輪軌作用力，進一步分析可得到輪對缺陷狀態。

2.2 激光-PSD 模組

激光-PSD 模組結構及實物如圖3 所示，激光器和PSD 均使用相同結構的軌卡固定在鋼軌上，軌卡通過壓緊螺栓和底板夾持在軌底。

圖3 激光-PSD 實物圖

2.3 PSD 位移檢測原理

PSD 位移檢測原理如圖4（a）所示，當光照射到硅光電二極管的某一位置時，N 區（結區）產生的空穴向P 層流動（電子被N 極吸走），到達P 層照射位置的空穴分成兩部分：一部分通過表面電阻R流向1 端形成電流I；另一部分沿表面電阻R流向2 端形成電流I，則輸入電流：

而且，表面電阻R 與激光照射點到該輸出端的距離∣x1∣呈反比。

設PSD 感應板的中點位置為0 點，入射激光偏移量為x1，感應板的長度為，則：

圖4 PSD 位移檢測原理

2.4 PSD 偏移量波形及輪軌作用力波形

當車輪通過模組時，車輪碾壓使鋼軌產生微小形變，激光在PSD 靶面上發生偏移，此時PSD 輸出電壓值發生變化，通過測量PSD 兩個輸出電壓和，如圖5（a），將兩個電壓代入公式（6)，可獲得偏移量波形，如圖5（b）所示。

圖5 偏移量波形

2.5 模組標定

通過標定可建立輪軌作用力與偏移量之間的關系。標定裝置主要由橫梁、軌夾和液壓千斤頂構成，如圖6 所示。

圖6 模組標定裝置

標定時，將標定裝置安裝在鋼軌上，采用液壓千斤頂對鋼軌的軌頭加載，獲得不同載荷對鋼軌縱向形變量的變化曲線。同時采集PSD 的輸出電壓和，并通過公式（6）計算偏移量，從而得到偏移量到輪軌力的轉換系數k。

3 輪軌力測量精度驗證

為驗證激光-PSD 模組測量輪軌的準確性，用一對已知重量的樣板輪對通過激光-PSD 模組，對比模組的測量值和樣板論對重量值的偏差。樣板輪對的重量用地磅電子秤稱量，如圖7 所示。該樣板輪對的重量為970kg。圖8 為激光-PSD 獲得的輪軌作用力波形，對波形求均值得到樣板輪對一側的重量為476.3kg。假設樣板輪對兩側輪餅作用在鋼軌上的作用力大小相等，則可計算激光-PSD 模組測量誤差值δ=1.79%。可見，激光-PSD 模組可連續測量輪軌力。

圖7 樣板輪稱重試驗

圖8 輪軌作用力波形

4 結語

本文首先介紹了輪軌作用力對評估車輛運行品質以及測量車輛的動態力學性能的重要性。其次綜述了目前常用的輪軌力測量方法，并采用激光-PSD 模組結合標定裝置實現了輪軌力的連續測量。最后通過稱重試驗，驗證了激光-PSD 模組測量輪軌力的準確性。試驗結果顯示，激光-PSD 模組的輪軌力測量誤差δ小于2%。車輛的動力學性能、踏面狀態以及載荷分布對列車運行安全至關重要。輪軌作用力的測量不僅是對傳統檢查手段的必要補充，而且在輪軌關系評估方面更為科學合理。激光位移測量技術在輪軌力測量方面具有響應速度快、無磨耗、安全可靠等優點，是輪軌力測量和車輛運行品質監測重要研究方向。