軌道車輛車鉤多元載荷識別與測量方法探討

摘要：隨著重載貨車運行速度和載重的提升，對車鉤性能要求更高，需要獲取車鉤在縱向、橫向、垂向的實際載荷譜。然而，傳統監測技術無法滿足需求，因此，提出一種多元載荷解耦的溫度自補償全橋測量技術，通過建立理論模型、布置應變陣列和組橋設計，實現各鉤面應變的精確測量與零漂補償，最后通過試驗驗證技術的有效性。此種該測量這技術為軌道車輛車鉤載荷監測提供了科學手段。

關鍵詞：軌道車輛車鉤多元荷載識別測量零漂補償

中圖分類號：U279.3

ADiscussionontheMulti-ElementLoadIdentificationandMeasurementMethodofRailVehicleCoupler

ZHANGHang1WANGZhibo2

1.HeilongjiangUniversityofCommerce，Harbin，HeilongjiangProvince，150000China;

2.ChinaHeavyDutyTruckGroupCo.，Ltd.，Jinan，ShandongProvince，250002China

Abstract：Withtheincreaseofthespeedandloadofheavydutytruck，theperformanceofcouplerismoredemanding，andtheactualloadspectrumofcouplerinlongitudinal，transverseandverticalmustbeobtained.However，thetraditionalmonitoringtechnologycannotmeettherequirements，sothispaperproposesamulti-loaddecouplingtemperatureself-compensationfullbridgemeasurementtechnology，throughtheestablishmentoftheoreticalmodels，strainarrayarrangementandbridgegroupdesign，toachievetheprecisemeasurementofeachhooksurfacestrainandzerodriftcompensation，andfinallythroughthetesttoverifytheeffectivenessofthetechnology.Thistechnologyprovidesascientificmeansformonitoringthecouplerloadofrailvehicles.

KeyWords：Railvehicles;Carcoupler;Multipleloads;Zerodriftcompensationorbit;Vehiclecoupler;Multipleloads;ZerodriftcompensationRailvehicle;Coupler;Multipleloads;Identify;Measure

研究需要在各個鉤面上布置正交組合的應變陣列，并進行精細的組橋設計。通過對各鉤面的應變進行精確的四則運算，并對由日照溫差引起的零漂進行有效補償。為了驗證理論模型和測量技術的準確性，還需要利用多向加載試驗裝置對車鉤載荷識別系數進行標定，并對理論模型進行耦合隨機加載驗證。這一系列嚴謹的實驗過程，充分證明多元載荷解耦技術在車鉤載荷監測領域的有效性和先進性。

1理論模型構建

為了精確識別和測量軌道車輛車鉤在多元載荷作用下的應變響應，需要構建一個合理的理論模型。這個模型將基于一定的基本假設，并通過分析車鉤在不同方向載荷作用下的應變響應，來實現載荷的解耦識別。

1.1基本假設

在構建理論模型之前，做出以下基本假設：。

（1）車鉤材料是線彈性和各向同性的，這意味著在彈性范圍內，車鉤的應力與應變成正比，且材料在各個方向上的物理性質是相同的。

（2）車鉤結構在設計和制造上是均勻的，沒有明顯的缺陷或應力集中區域，這樣可以保證應變響應的均勻性和可預測性。

（3）在測量過程中，車鉤所處的環境溫度變化不大，或者溫度變化對應變測量的影響可以通過適當的溫度補償技術來消除。

（4）車鉤受到的載荷主要是沿著縱向、橫向和垂向的，其他方向的載荷和扭矩影響可以忽略不計。

基于以上假設，研究可以開始構建載荷與應變響應之間的關系模型。

1.2載荷/應變響應

當車鉤受到不同方向的載荷作用時，其結構會產生相應的應變響應。下面研究將分別分析縱向、橫向和垂向加載時的應變響應。

1.2.1縱向加載

在縱向拉伸或壓縮載荷作用下，車鉤會產生沿著載荷方向的應變。由于車鉤結構的對稱性，這種應變通常會在車鉤的對稱面上產生相同的應變值，而在垂直于載荷方向的截面上則產生相反的應變值。通過測量這些對稱面和垂直截面上的應變，研究可以計算出縱向載荷的大小。

為了準確測量縱向載荷導致的應變，研究在車鉤的適當位置布置應變計，這些位置應選擇在應變響應明顯且易于測量的地方。通過應變計的讀數，研究可以得到縱向載荷與應變之間的定量關系。

1.2.2橫向加載

當車鉤受到橫向載荷作用時，它會在水平方向上產生彎曲變形。這種變形會導致車鉤上下表面的應變分布發生變化。與縱向加載類似，研究可以通過在車鉤的上下表面布置應變計來測量這種應變分布的變化。

由于橫向載荷產生的彎曲變形相對于縱向加載更為復雜，因此在選擇應變計的位置時需要更加謹慎。通常，研究會選擇在車鉤的彎曲變形最大的位置布置應變計，以獲得最敏感的應變響應。

1.2.3垂向加載

垂向載荷作用下，車鉤會產生點頭彎曲變形，即車鉤的兩端會相對于中間部分上下彎曲。這種變形會導致車鉤的前后表面產生不同的應變分布。為了測量這種應變分布，可以在車鉤的前后表面布置應變計。

與橫向加載類似，垂向加載產生的應變響應也相對復雜。因此，在選擇應變計的位置時，需要研究車鉤的具體結構和預期的變形模式，以確保能夠準確地測量出垂向載荷導致的應變。

1.3載荷解耦識別

在實際應用中，車鉤可能同時受到縱向、橫向和垂向的復合載荷作用。為了準確識別和測量這些復合載荷中的各個分量，研究需要進行載荷解耦識別。

載荷解耦識別的基本思路是利用車鉤在不同方向載荷作用下的應變響應特性，通過測量和分析車鉤上的應變分布來反推出各個方向的載荷分量。具體來說，研究可以利用之前建立的載荷/應變響應關系模型，結合實際測量的應變數據，通過數學方法（如線性代數方程組求解等）來計算出各個方向的載荷分量[1]。

為了實現載荷解耦識別，研究需要在車鉤上布置足夠數量的應變計，以捕獲各個方向載荷導致的應變響應。同時，研究還需要對測量數據進行適當的處理和分析，以消除噪聲和干擾因素的影響，提高載荷識別的準確性。

2組橋設計

在完成載荷解耦識別的理論構建后，接下來的關鍵步驟是進行組橋設計，以實現多元載荷的精確測量。組橋設計是電阻應變測量技術中的關鍵環節，它涉及如何合理地布置和連接應變片，從而有效地將機械應變轉換為電阻變化，進而通過測量電路轉換為電壓或電流信號進行處理。

2.1應變片的選擇與布置

在進行組橋設計之前，首先要根據車鉤的結構特點和預期的應變分布選擇合適的應變片。應變片的布置應遵循以下原則：。

（1）應變片應粘貼在車鉤上應變敏感的區域，以捕獲各個方向載荷導致的應變響應。

（2）為了避免溫度對應變測量的影響，應選擇具有溫度自補償功能的應變片，或者在橋路中設置溫度補償片[2]。

（3）為了提高測量的靈敏度，可以采用多片應變片組成測量電橋的方式，以增大輸出電壓。

2.2橋路設計

在完成應變片的選擇與布置后，接下來是橋路設計的關鍵環節。橋路設計的主要目的是將應變片的電阻變化轉換為可測量的電壓信號。根據電阻應變測量原理，可以采用惠斯通電橋作為測量電路。

惠斯通電橋的基本結構是由4個電阻（R_1，R_2，R_3，R_4）組成的四邊形，其中R_1和R_2為工作電阻（即應變片），R_3和R_4通常為固定電阻。當（R_1=R_2=R_3=R_4）時，電橋處于平衡狀態，此時輸出電壓U_0為0。但當工作電阻因機械應變而發生電阻變化時，電橋會失去平衡，從而產生輸出電壓。

輸出電壓U_0可以由以下公式計算：

U0=（R2/R1+R2-R4/R3+R4）Ui（1）

式（1）中，Ui是電橋的供電電壓。

為了提高測量的靈敏度，通常會選擇適當的橋臂電阻比值。例如：當R_1發生應變而R_2保持不變時，為了最大化輸出電壓的變化，可以使R_3等于R_2且遠大于R_1和R_4。

2.2.1橋臂電阻的選擇

橋臂電阻的阻值R應根據應變片的阻值R_s來選擇。通常，為了獲得最佳的信噪比，會選擇與應變片阻值相匹配的電阻作為橋臂電阻。

2.2.2電橋供電電壓的選擇

供電電壓：U_i的大小應根據應變片的最大允許功耗和電橋的最大輸出電壓來選擇。太高的供電電壓可能會導致應變片過熱而損壞[3]。

2.2.3溫度補償的設計

為了消除溫度對應變測量的影響，可以采用串聯溫度補償電阻R_c的方法。補償電阻的選擇應滿足以下條件：

[dRc/dT=dRs/dT]（2）

式（2）中：T表示溫度；dRc/dT和dRs/dT分別是應變片和補償電阻的溫度系數。通過選擇具有相同或相近溫度系數的補償電阻，可以實現溫度補償。

此外，為了進一步提高測量的精度和穩定性，還可以采用差分電橋、全橋等更復雜的橋路設計。這些設計可以有效地減小非線性誤差、溫度誤差等不利因素的影響。

2.3信號調理與數據采集

在完成橋路設計后，需要對輸出電壓進行信號調理和數據采集。信號調理主要包括放大、濾波和線性化等處理，以提高信號的信噪比和抗干擾能力。數據采集則是將模擬信號轉換為數字信號，以便于后續的數據處理和分析。

為了實現高精度的信號調理和數據采集，可以采用專業的信號調理器和數據采集卡。信號調理器可以對輸出電壓進行放大、濾波和線性化處理，以提高信號的準確性和穩定性。數據采集卡則可以將調理后的模擬信號轉換為數字信號，并傳輸到計算機中進行進一步的處理和分析[4]。

2.4誤差分析與校準

在組橋設計過程中，誤差分析是一個重要的環節。誤差主要來源于應變片的粘貼質量、橋路電阻的匹配精度、溫度補償的效果以及信號調理和數據采集的精度等方面。為了減小誤差，需要在設計過程中對這些因素進行嚴格地的控制和校準。

校準是確保測量準確性的關鍵步驟。可以采用標準應變源對測量系統進行校準，通過比較測量值與標準值的差異來評估測量的準確性。如果發現誤差較大，則需要對測量系統進行調整和優化，以提高測量的精度和可靠性[5]。

3實驗驗證

準備實驗材料：選擇適當阻值的應變片、橋臂電阻、溫度補償電阻等，并準備好數據采集設備和分析軟件。

應變片布置與橋路設計：根據車鉤的結構特點和載荷作用方式，在關鍵位置布置應變片，并按照之前的設計構建惠斯通電橋。

系統校準：使用標準應變源對測量系統進行校準，確保測量的準確性。

實驗加載：在車鉤上分別施加縱向拉伸、橫向彎曲和垂向點頭等不同方向的載荷。

數據采集與處理：記錄不同載荷下的輸出電壓，并使用分析軟件對數據進行處理和分析。

由此可見，輸出電壓與載荷大小之間存在線性關系，且不同方向的載荷在輸出電壓上有所區分。這表明該組橋設計和測量方法能夠有效地識別和測量車鉤受到的多元載荷。

4結語

本研究從材料力學的經典理論出發，提出了一種創新性的組合式電橋多元載荷解耦方法。該方法專為連掛車鉤設計，旨在精確識別車鉤所受的縱向、橫向以及垂向載荷。為了驗證該方法的準確性和可靠性，進行一系列嚴謹的試驗研究。通過這些試驗，成功獲取多元載荷與車鉤表面應變輸出之間的精確關系系數。試驗結果顯示，使用本方法識別的載荷與實際載荷之間的最大絕對誤差不超過2kN。考慮到各個方向載荷的量程范圍，這一識別精度完全符合甚至超越了工程應用的要求。

參考文獻

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[5]周偉，劉楊，白付維，等.軌道車輛車鉤多元載荷識別與測量方法研究[J].中南大學學報（自然科學版），2022，53（5）：1679-1688.