輪軌接觸力無線遙測系統的研究與開發

中圖分類號：TB9；U270.7；TP368.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2025）06-0123-09

引用格式：唐家明，方聰聰.輪軌接觸力無線遙測系統的研究與開發[J].中國測試，2025，51（6）：123-131.TANGJiaming，FANG Congcong.Researchanddevelopmentofwirelesstelemetrysystemforwhel-railcontactfore[J].China Measurementamp;Test，025，

Research and development of wireless telemetry system for wheel-rail contact force

TANG Jiaming1 23，， FANG Congcong1 1，2，3

（1. Key Laboratory of Traffc Safety on Track，School of Traffic amp; Transportation Engineering， Central South

University， Changsha 410075，China; 2.Joint International Research Laboratory ofKeyTechnology for RailTraffic

Safety，Central SouthUniversityChangsha41O75，China;3.Nationalamp;LocalJointEngineering Research Centerof Safety Technology for Rail Vehicle， Central South University， Changsha 41o075， China）

Abstract： The continuous，real-timeand accurate measurement of wheel-rail contact force is an important means to realize the monitoring and evaluation of vehicle running safety，stability and comfort. In this paper， basedon the finite element method，the whel-rail contact modelisestablished，and the mathematical relationship between the rim strain and the wheel-rail contact force is obtained. Based on the strain gauge Wheatstone bridge and Bluetooth wireless communication technology， a wireless telemetry system for wheelrail force is designedand developed.The system includes the hardware and software ofthe lowercomputerand the data acquisition and analysis software of the upper computer. The feasibility and accuracy of the telemetry system are verified by the whel-rail force measurement of the wheel hub strain measurement and the collision sled rim strain measurement. Compared with the commonly used force measuring whelset method， it does not need to process a special wheelset，and can realize the in-situ measurement of whee-rail force， which has the advantages of low cost and convenient implementation.

Keywords： wheel-rail contact; strain; finite element analysis; wireless communication

0 引言

輪軌接觸力是影響列車動力學性能、安全與平穩性的關鍵因素。輪軌力的測量技術與方法一直以來是鐵路管理部門與相關從業人員關注的重點。一方面，軌道車輛制造商利用輪軌力測量技術對列車運行時的動態行為進行實時的監測[1，以評估列車運行時的脫軌系數、平穩性、輪重減載率等動力學性能指標[2-3]，并用于新車型設計的改進與認證，及數值仿真模型的標定。另一方面，軌道交通運營商利用輪軌力測量技術評估輪軌系統的運行狀態與劣化趨勢，尤其是惡劣的運行環境及工況下，以保證列車的安全行駛，并實現車輛與軌道系統的高效運維[4]。

在目前的研究中，對于列車運行時的輪軌力測量主要有兩種方法：第一種是軌旁測量法[5-7]，即在軌道上安裝測試裝置，通過應變片檢測鋼軌上的應變情況從而確定輪軌間的作用力。該方法可以測量任意經過該段軌道的輪對的接觸力[8]，通常被集成在一些軌道重要位置的檢測站中。另一種是車載測量法[9-11]，即在輪對輪輻上安裝傳感器與采集裝置，通過輪輻應變反演輪軌力。該方法的優點是可以對列車輪軌力實現長時間長距離的實時監測。該方法的難點在于準確獲得輪軌力與輪輻應變間的關系及輪輻應變信號的實時可靠采集。

針對車載輪軌力測量技術的難點，本文首先根據惠斯通電橋原理，設計了輪輻應變測試的組橋方案。其次，建立了輪軌接觸有限元模型，通過大量分析獲得了輪輻應變與輪軌力的關系。然后，基于藍牙無線通訊技術，開發了輪軌力無線遙測系統，包括采集模塊，接收模塊及上位機數據分析軟件。最后，通過汽車輪轂應變與碰撞臺車輪軌力的測試驗證了本方法與系統的可行性。

1輪軌接觸力的測量原理

在輪軌力的作用下，輪輻表面產生應變，需通過惠斯通電橋與應變傳感器，準確測得該應變，換算得到輪軌作用力。

1.1 輪軌力測量原理

如圖1（a）所示，輪軌接觸力包括橫向力、縱向力和垂向力。橫向力能防止列車發生出軌同時也能確保列車能通過彎道，縱向力可以為列車前進或制動提供動力，垂向力支撐著整輛列車的重量[12]。列車運行的安全性與平穩性主要由橫向力 F_L 與垂向力 F_V 決定。因此在本文中，針對輪軌力中的橫向力與垂向力進行討論。

如圖1（b）所示，在橫向力 F_L 與垂向力 F_V 的共同作用下，車輪會產生壓縮應力同時也會產生剪切應力。所以車輪的表面應變情況為上述兩種情況的疊加，即：

式中： ε_D1?ε_D2 車輪內外側表面產生的應變;εV、εL -在垂向力、橫向力作用下車輪產生的應變。

車輪由于垂向力產生的應變為：

車輪由于橫向力產生的應變為：

式中 ε_M1，ε_M2 表示車輪偏移力矩在車輪表面產生的應變。

通過公式（2）、（3）可以看出，在車輪承受疊加載荷時，偏移力矩的產生并不會對輪軌接觸力的垂向分量的測量造成影響，但是會影響橫向力的測量。該偏移力矩的大小是與車輪的垂向載荷以及輪軌接觸點的偏移程度決定的。雖然在列車行駛過程中，輪軌的接觸點是在不斷變化的，而且輪軌接觸點的偏離產生的偏移彎矩是難以確定的，但偏移彎矩的大小與橫向力所產生的彎矩相比很小，所以在本論文中簡化了偏移彎矩的影響。即式（3）可表示為：

1.2 應變測量組橋

常用的應變片都為金屬式的電阻應變片，其靈敏度都比較低，利用橋式電路可以成倍提高其靈敏度，還具有通過的電流極低，降低應變片自身發熱的優點。因此，本文使用橋式電路進行應變的測量，下述將介紹兩種車輪應變組橋方法。

1.2.1 兩側組橋法

兩側組橋法，該方法比較簡單，能減少測量的誤差并對應變橋的電壓輸出也具有放大的效果，能夠減少噪聲的影響。但該方法的缺點是要把車輪的兩側連通起來才能完成橋路的連接。布片方式與組橋如圖2所示，在車輪兩側半徑為 R 的位置間隔180^° 分別布置2組應變片 ABCD 與 A₁B₁C₁D₁ 。在每一側的相同位置取一組應變片連成橋路，共連成2組應變橋，分別進行垂向力與側向力的測量[13]。

由于垂向力與橫向力都會使車輪兩側產生不同的變形，根據惠斯通電橋原理及材料力學可知：

F_V=EAε_ZV=K_Vε_ZV

式中： E -車輪的楊氏模量；A 截面面積；I_Z -慣性矩；F_V ！ F_L 一 一 垂向力與橫向力；ε_ZV，εL 一 -垂向力、橫向力引起的應變；ΔU_V 卜 ΔU_L —垂向電橋與橫向電橋輸出電壓;E₁ 一 電源輸入電壓；K —傳感器靈敏度;μ -車輪的泊松比。

由公式（5）、（7），可以發現垂向力 F_V 、橫向力F_L 與應變片產生的應變為線性關系，其線性系數為K_V，K_L 。因為車輪的截面面積與慣性矩難以獲得，所以在實際應用中可以通過的有限元分析或實車標定的方法計算出系數。而公式（6）、（8）也表示了應變片上產生的應變與應變橋路輸出電壓的線性關系，所以通過（5）、（6）、（7）、（8）四個公式可知，利用應變橋的電壓輸出可以換算出垂向力 F_V 、橫向力 F_L 。

1.2.2 分別測量法

分別測量法的橋路搭建比較簡單，在車輪的兩側分別進行測量，優點是車輪兩側的橋路都是獨立的，不需要連通，但缺點是兩側的橋路輸出信號的測量較難同步，測量會有較大的誤差。如圖3所示，該方法是在車輪的兩側相隔 180^° 各布置一組應變片，并分別與補償電阻連成橋路[14-15]。在分別測量出兩橋路的輸出電壓后，將其傳輸到上位機中，通過上位機的后處理計算出垂向力與橫向力。

車輪兩側的應變橋的連接如圖3（a）所示， E₁ 為電源激勵電壓、 ΔU₁ 為儀器測量車輪內側的應變橋的輸出電壓、 ΔU₂ 為儀器測量車輪外側的應變橋的輸出電壓由惠斯通電橋原理與材料力學易得：

垂向力 F_V 為：

F_V=K_Vε_V

橫向力 F_L 為：

F_L=Kε_L

由公式（9）、（11），可以發現，使用分別測量法時，橫向力 F_L 產生的應變與兩側應變橋的電壓輸出的差值成線性關系，垂向力 F_V 產生的應變與兩側應變橋的電壓輸出的和值成線性關系。通過有限元仿真分析或實車標定計算出線性系數Kv、 K_L 后，可以通過測量車輪兩側的應變橋輸出來換算出垂向力F_V 、橫向力 F_L 。

綜合上述分析，與兩側組橋法相比，分別測量法只需在車輪的兩側分別進行測量，車輪兩側的橋路都是獨立的，不需要連通，適用于本身沒有連接孔或者不適宜在輪輻上開連接孔的車輪。因此，本文采用的是分別測量法來進行輪輻應變的檢測。

2輪軌力-輪輻應變關系有限元分析

從輪輻應變獲取輪軌接觸力最重要的一步是通過在車輪的某一特定位置上測量應變值推算出輪軌力。通過上一節的分析可知應變與輪軌力之間存在著線性關系，而本節的主要內容是建立車輪的三維模型，然后利用ABAQUS軟件對車輪進行有限元分析，分析車輪輪輻表面的應變情況確定車輪上粘貼應變片的位置，證明該設計的可行性，并得到輪軌力與輪輻應變關系[16]。

采用ABAQUS建立了輪軌接觸模型，車輪為CRH380B型高速列車的1：1模型，鋼軌選用60kg/m 的鋼軌，對其進行網格劃分，車輪模型共劃分了101376個節點與87168個單元；軌道模型共劃分了12798個節點與9040個單元，將建立好的有限元模型零件進行裝配，并定義接觸[17]。

在輪軌接觸模型中，共模擬以下五個工況，在車輪輪轂的軸孔表面同時施加垂向載荷與橫向載荷，對軌道底座施加全約束。

觀察圖4的有限元分析結果可以發現：當施加疊加載荷時，車輪兩側半徑為 204mm 處的應變發生最為明顯。在該位置選取5個節點的應變數據如表1所示，將各工況的節點應變結果繪圖如圖5所示，可以發現疊加載荷工況的計算結果與單獨施加垂向載荷、橫向載荷計算結果并沒有完全重合。

通過分析后，認為該差異是由于在橫向力的作用下車輪在橫向位置有滑移，導致輪軌接觸點偏移中心程度加劇、偏移彎矩變大而造成的。

3輪軌接觸力無線遙測系統設計與實現

結合上述得到的CRH380B輪輻應變與輪軌力的關系，本文設計并開發了一個輪軌力無線遙測系統。該系統包括硬件采集系統與上位機軟件兩部分，通過實時采集列車車輪應變可推算出車輪受力情況。

3.1 硬件部分

整個硬件部分的結構如圖6所示，系統的硬件設計主要包括數據采集部分、控制部分、無線通訊部分。

數據采集部分是整個輪軌力檢測裝置的核心，數據采集部分包括惠斯通電橋模塊、ADC芯片及信號放大器，如圖7所示。數據采集部分的工作過程為：在列車的行駛過程中，車輪在輪軌接觸力的作用下使車輪產生應變，車輪表面的應變使粘貼在車輪表面的應變片阻值發生變化，惠斯通電橋上就會有微弱信號的輸出，然后再經過信號放大器的合理放大由ADC采集芯片將模擬信號轉化為數字信號傳到主控MCU中[18-21]

控制模塊如圖8所示，控制部分的主要作用是接收上位機的控制信號，能進行整個裝置的待機與激活，發送指令來驅動ADC模塊將惠斯通電橋輸出的模擬信號轉換為數字信號，再將數據通過無線通訊模塊傳輸到上位機中。

本測量系統安裝在高速旋轉的車輪上，該工作環境顯然不宜用IrDA紅外光進行通訊，而NRF的近距離傳輸也顯然不適用。同時，該裝置是由鋰電池獨立供電的，使用WiFi傳輸的功率太高不利于裝置的續航。而藍牙無線通訊與其他無線通訊方式相比，具有功耗低、傳輸距離適中、傳輸速度較快、容易開發的優點。最后出于傳輸速率與編程難易程度來考慮，選擇了功耗較低傳輸距離中等的藍牙無線傳輸[22]。

3.2 軟件設計

下位機程序包括無線通訊模塊，信號采集模塊。程序流程如圖9（a所示，下位機使用串口中斷與計時中斷來模擬多線程[23]。當下位機啟動并初始化后，MCU會處于待機狀態，在無線通訊模塊接收到上位機的控制信號后，會激活串口中斷，單片機執行通訊程序，接收該控制命令并由主程序進行解析與執行。在下位機接到采集指令后，程序會啟動計時器，當計時器計滿后會觸發計時中斷執行采集程序采集電壓并把數據打包同時激活串口中斷將數據發出[24]。

信號采集模塊的功能主要是對AD芯片定時發送采集指令并同時讀取采集的數據。無線通訊模塊的主要功能是接收上位機發送的控制命令或將ADC芯片采集的數據發送到上位機中。無線通訊模塊由兩部分構成，一部分與主控MCU連接，能完成上位機的命令并將采集的數據實時發送至上位機顯示與計算；另外一部分與電腦的USB相連，用于向下位機發送控制命令及接收下位機采集的數據。本裝置中使用的無線通訊設備是藍牙通訊，而且使用的是已經封裝完成的匯承HC-04藍牙芯片，所以在進行無線通信時只需要先使用電腦串口助手設置兩個藍牙的通訊波特率并讓他們成功配對后，將藍牙模塊通過串口與主控MCU連接起來就能直接使用串口完成無線通訊，使下位機的編程更加簡單。

要完成輪軌力的無線測量，不僅需要使用下位機來采集出相應的數據，更需要一套上位機程序來實時檢測輪軌力的測量情況并且進行下位機的控制，因此本論文還編寫的一套人機交互比較友好的上位機軟件。該上位機是使用C#語言完成設計的。整個上位機界面主要分為三個區域，繪圖區、控制區與數據接收區。在軟件啟動后，先在控制區選擇好連接的串口與波特率，然后再點擊打開串口與下位機連接。點擊開始采集，向下位機發送采集命令，程序會讀取采集的數據在數據接收區顯示，并在繪圖區繪制成折線圖。軟件工作流程如圖9（b）所示，軟件工作界面如圖10所示。

4系統安裝與實驗驗證

為了驗證所開發的輪軌接觸力無線遙測系統的可行性，本節將對所開發的輪軌力無線遙測系統進行實車試驗。實車試驗包括汽車輪轂測量試驗與碰撞臺車輪軌力測量試驗，通過汽車輪轂測量試驗驗證本系統的功能可行性，通過碰撞臺車的輪軌力測量試驗初步驗證本系統的測量準確性。

4.1汽車輪轂測量試驗

將系統調試完成后安裝到汽車車輪上進行實車實驗，實驗裝機和結果如圖11所示。通過觀察汽車實驗結果，可以發現車輪輻條上的應變橋路具有良好的輸出特性。當車輛在行駛時，該檢測裝置可以跟隨車輛的轉動測出一個比較規律的電壓變化曲線，并且該曲線的變化趨勢與車輪的位置變化相關，即該裝置可以捕獲到車輛行駛過程中車輪的應變變化并同時傳輸到上位機中進行實時顯示與數據分析。因此，該實驗驗證了輪軌接觸力無線測量方案的可行性。

4.2碰撞臺車輪軌力測量試驗

如圖12所示，當轉向架被推動時，該檢測裝置可以跟隨車輪的轉動測出一個數據的波型，并且該波的形狀變化與車輪上測量應變片的位置變化相關，即該裝置可以捕獲到轉向架移動過程中車輪的應變變化。通過標定試驗可以將該信號換算為輪軌接觸力。本碰撞臺車總重為 24t， 可以看到測到的單個輪子的垂向力峰值在 60kN 波動，表明開發的輪軌力無線遙測系統具有一定的準確性。

5 結束語

本文通過對輪軌進行受力分析，同時重點分析了應變橋的測量原理，從而推導出輪軌接觸力的測量原理。并以此為依據確定了車輪表面應變片布置以及組橋方案。建立了輪軌接觸有限元模型，分析得到了輪輻應變與輪軌力的關系，設計了無線輪軌接觸力監測系統。最后通過汽車輪轂實驗和臺車實驗驗證了本文所設計的輪軌接觸力無線測量方案的可行性，同時臺車實驗也驗證了該測量方案對于垂向力的測量具有一定的準確性，為以后進行列車運行時垂向、橫向輪軌接觸力的在線測量奠定了基礎。

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（編輯：劉楊）