中国城市轨道交通轮轨力检测技术研究综述_张胜龙.pdf
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1、第 卷第期 年月 科技和产业 ,中国城市轨道交通轮轨力检测技术研究综述张胜龙,王文斌,沈凯明,戴源廷,周亚鹏,王云龙(中国铁道科学研究院集团有限公司 城市轨道交通中心,北京 ;北京市轨道交通运营管理有限公司,北京 )摘要:对中国城市轨道交通轮轨力的检测技术进行了系统性的介绍。地面测试方法包括连续测试法和非连续测试法,连续测试法能够对车辆运行状态、车轮多边形等病害进行检测。车载测试方法包括直接测量法和间接测量法,其中连续测力轮对法是目前最常用的测试方法。轮轨力采集系统具有快速、高效、稳定等优势,在地铁动态验收及运维过程中的轮轨力检测中发挥了重要作用。关键词:轮轨力;地面测试法;直接测试法;测力轮
2、对;轮轨力检测系统中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司基金项目(,);铁科院(北京)工程咨询有限公司科研项目()。作者简介:张胜龙(),男,河北衡水人,中国铁道科学研究院集团有限公司,助理研究员,博士,研究方向为基础设施检测、轨道工程、振动噪声、隧道工程。中国城市轨道交通除了少数城市采用单轨、磁悬浮等新型制式外,钢轮钢轨仍然是最常用的城轨制式。轮轨滚动接触是轮轨交通方式所特有的相互作用关系,具有时变性和动态性,是城市轨道交通系统中最重要的研究对象之一。轮轨力是轮轨动态接触产生的综合结果,轮轨力是否正常直接影响到车辆运行的安全性和稳定性。准确地
3、检测轮轨力对于地铁安全运营至关重要,因此如何准确、高效、安全地检测轮轨力一直是铁路科研工作者重要的研究方向。目前轮轨力检测方法按照检测位置可以分为地面测试法和车载测试法。地面测试法是通过测力钢轨和其他传感元件来测量轮轨力。地面测试法中的非连续法由于只能测试有限离散点的轮轨力,具有一定的局限性;而连续法能够测量连续的轮轨力,从而可以对车辆的运行状态进行评价分析。赵国堂等以钢轨作为传感元件,提出了轮轨力连续测试的原理及方法,并通过有限元分析、室内试验和线上试验验证了其可行性与准确性。李彬等通过线上试验和双桥正弦组桥模式的仿真计算,验证了在轨道上实现轮轨力连续测量的可行性。宋颖等提出了基于压电传感技
4、术的轮轨力实时监测方法,并通过有限元仿真计算验证了方法的正确性。车载测试法能够随车对线路轨道状态进行全线测量,具有独特的技术优势。车载测试法可分为直接测量法和间接测量法,直接测量法目前常用的是测力轮对,最早的测力轮对是间断测量的,轮对旋转一周只能得到一个峰值,需要依靠波形的包络线近似确定,因此精度不高 。连续法测力轮对起源于 世纪 年代,研制了辐条式测力轮对,并对轮轨力进行了连续测量。在此基础上进行了改进,使得辐条式测力轮对趋于完善。但是由于辐条式测力轮对造价高,在实际中很少应用。辐板式测力轮对是目前最常用的测力轮对形式,其中具有代表性的是美国 等研制的 第四代测力轮对,这种测力轮对的电桥输出
5、两个相位差为 的正弦波,通过平方和开根求得结果。除此之外,美国学者还提出一种测力轮对方法,在辐板上布置两个相位差 的横向桥,输出正弦波信号,布置两个相位差 的垂向桥,输出三角波信号,。如今使用的连续测力轮对技术大多都参考这一思路。中国现用的测力轮对国标法是 机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范()提出的方法。该方法横向力桥采用正余弦波,垂向力桥采用三角波的组桥方式。除此之外,中国现用的连续测力轮对技术还有打孔法。该方法横向力桥和垂向力桥均采用正余弦波。间接测量法虽然精度没有测力轮对高,但是造价便宜,操作简单。中国目前常用的间接测量法是 铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范()提出的构架力法,这
6、种方法测量精度不高。等采用非接触式间隙传感器来测试车轮变形量,通过车轮变形直接获得轮轨力,这 种 方 法 容 易 损 坏 传 感 器,不 便 于 实 际应用。因此,目前测量轮轨力最精确的方法是连续法测力轮对。国内学者在此基础上研发了轮轨力检测系统,进一步提高了检测效率。本文对中国城轨目前常用的轮轨力检测技术进行介绍。地面测试法轮轨力地面测试法是指在钢轨上粘贴应变片或者传感器(图、图),通过钢轨的变形来计算轮轨力,现有测试方法可以分为非连续法和连续法。非连续法是在单个断面上布置应变片,反映的是某一时刻作用在钢轨测量断面上的轮轨力,无法对车辆状态进行评价。该方法布置相对简单,操作简便,测试成本较低
7、,适用于频率范围较低、在轨道中传递、分布的规律可按静力考虑的轮轨力测量。图轮轨垂向力贴片示意图轮轨横向力贴片示意非连续法主要采用剪力法进行测量,通过在钢轨上粘贴应变片,组成惠更斯电桥来获取钢轨的应变(图、图),然后对特定的点进行标定获得力与钢轨应变之间的关系,从而通过测量车辆通过时钢轨应变桥路的输出来求出轮轨力(图、图)。目前,这种方法只能测试到有限离散点的轮轨力,无法对车辆状态进行评价。地面连续轮轨力测试法是在一段钢轨和轨枕图轮轨垂向力组桥示意图轮轨横向力组桥示意图轮轨力垂向标定图轮轨力横向标定上布置连续的力传感器,通过计算得出该段范围内的轮轨力值,由于测试数据的连续性该方法能够对车辆运行状
8、态进行评价。是一种基于轮轨力连续测量技术的轮轨力实时监测系统,该系统在科技和产业 第 卷第期范围内布置连续的剪力和压力传感器,如图所示,从而实现连续轮对力的测量。通过连续的轮轨力可以对车辆运行状态、车轮多边形、车轮踏面损伤、车辆超偏载等问题进行分析。该系统在大铁已经投入千余套在应用,目前正在向城轨领域的应用进行探索。图 连续测试区布置直接测量法直接测量法是将轮对打孔贴片制作成力传感器对替换掉原来的普通轮对,可实现对轮轨垂向力和横向力的采集,测力轮对搭配采集系统及专业软件形成轮轨力采集系统,能够对全线轨道轮轨力进行准确、快速检测。测力轮对测力轮对是将应变片安装在普通轮对辐板上,通过采集车轮特定部
9、位的应变来测量轮轨力,按照轮对腹板类型可分为辐条式测力轮对、直辐板测力轮对和曲辐板测力轮对,按照贴片组桥方式可以分为间断测量法和连续测量法。间断测量法是在车轮特定的几个角度位置上粘贴应变片来进行轮轨力测量,按照标准组桥,实现车轮旋转一周范围内有限几个峰谷位置上轮轨力的测量(图图)。这种方法只能在波形峰谷位置才能获取有效测量数据,采集结果是离散的数值,不具有沿轨道走向持续检测能力,对于轨道上短波至长波的病害如焊缝、波磨、侧磨、轨面擦伤等无法检测,所以该方法仅适用于进行车辆动力学性能检测与评价。在辐板贴片采集到的应变均是周期为 的周期函数,不同的组桥方案会产生不同阶次的谐波。连续测量法是通过不同的
10、组桥方式尽量减少和消除高次谐波,然后使桥路形成三角波、正弦波等波形的应变输出,然后再通过数学计算得到连续的轮轨力。一般是在轮对一圈选取个贴片点,相邻贴片点之间间隔。常用的贴片方案有国标法和打孔法(图 图)。连续测量法能够获取连续的轮轨力,除了能分析脱轨系数、轮重减载率、轮轴横图间断法垂向力贴片图间断法垂向力组桥图 间断法横向力贴片向力等安全性指标外,还能对轨道短波不平顺病害张胜龙等:中国城市轨道交通轮轨力检测技术研究综述图 间断法横向力组桥图 国标连续法垂向力贴片图 国标连续法垂向力组桥进行测量的识别,对于轨道日常运维具有重要的指导价值。轮测法需要对在轮对贴完应变片之后在专用标定台上进行标定(
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