輪軌作用力和接觸點位置在線測量理論研究.pdf

1、輪軌作用力的測量對于車輛動力學(xué)、脫軌機(jī)理、輪軌接觸理論研究和列車的安全檢測都具有十分重要的意義。鐵路運(yùn)輸不斷向高速、重載、大運(yùn)量和高密度方向發(fā)展，對輪軌作用力測量的精度和速度提出了更高的要求。測力輪對方法是目前最直接、最準(zhǔn)確的輪軌力測量技術(shù)，它以車輪作為輪軌力的檢測傳感器，通過測量車輪輻板有限點處的應(yīng)變實現(xiàn)輪軌接觸力的連續(xù)檢測。車輛運(yùn)行過程中，車輪受到軌道不平順作用，輪軌作用力是時變、非平穩(wěn)的，輪軌力引起的輻板應(yīng)變又被車輪轉(zhuǎn)角所調(diào)制。測

2、力輪對測量精度受到車輪均勻性、貼片工藝、車輪轉(zhuǎn)速、輪軌力作用點位置變化和外界干擾的影響，測力輪對技術(shù)在測量理論和數(shù)據(jù)處理方法上都需要進(jìn)一步研究。 論文在回顧了測力輪對的發(fā)展歷程和國內(nèi)外測力輪對的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了輪軌載荷作用下輪對輻板的應(yīng)力分布，提出了消除車輪旋轉(zhuǎn)影響的測力輪對測量方法，研究了輪軌力作用點位置對測量精度的影響和測力輪對數(shù)據(jù)處理方法，其內(nèi)容與成果如下： 1、提出輪軌力測量模型測力輪對技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)

3、展，在車輛動力學(xué)試驗中得到廣泛使用，但在輪軌力連續(xù)測量中仍存在很多問題。目前的連續(xù)測力輪對技術(shù)要求輪軌橫向力、垂向力產(chǎn)生的輻板應(yīng)變組橋后沿圓周方向按正、余弦分布，這不僅對輪對的均勻性和貼片工藝提出了很高的要求，實際上在輪對輻板大部分區(qū)域是根本做不到，電橋輸出中包含的高次諧波可能帶來很大的測量誤差。測力輪對存在的另一個問題是沒有考慮輪軌作用點位置變化對測量精度的影響。車輛在運(yùn)行過程中，輪對與軌道的接觸點在滾動圓附近不停變化，尤其是在過曲線

4、、道岔和蛇形運(yùn)動時，接觸點位置遠(yuǎn)離滾動圓。國內(nèi)現(xiàn)有的測力輪對都沒有考慮接觸點位置變化，標(biāo)定實驗、數(shù)據(jù)處理都假設(shè)接觸點在滾動圓上，測量結(jié)果誤差較大。 論文在有限元分析和實驗基礎(chǔ)上，分析了輪對輻板應(yīng)變在橫向力、垂向力和作用點位置變化產(chǎn)生的彎矩作用下的分布規(guī)律，采用同一半徑上多個應(yīng)變片組合消除高次諧波，研究了需要消除的諧波分量階次與電橋的數(shù)量、各電橋相位差之間的關(guān)系，為提高測力輪對測量精度提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，建立輪對輻板應(yīng)變與

5、輪軌作用力、作用點位置的非線性方程組。 論文研究了測量模型非線性方程組的直接求解方法。非線性方程組一般沒有解析解，通常采用迭代數(shù)值方法求解。迭代解法需要選擇初值，初值不僅影響計算速度，同時影響計算精度，甚至導(dǎo)致計算不收斂，誤差分析也比較困難。論文對非線性方程組進(jìn)行合理簡化，推導(dǎo)出方程組的解析解。 論文還研究了將非線性方程組簡化為線性方程組的方法。使用主分量分析，得到各載荷單獨(dú)作用時輻板應(yīng)變信號的子空間，將測量信號投影到各

6、個子空間從而建立線性方程組。可以利用線性方程組解的穩(wěn)定性理論選擇合理的貼片位置，減少應(yīng)變測量誤差對輪軌力計算值的影響。 針對實際輪對均勻性和貼片位置達(dá)不到測力輪對要求的情況，論文提出了新的解決方法。通過標(biāo)定試驗得到轉(zhuǎn)角、作用點位置與對應(yīng)的橫向力、垂向力作用系數(shù)的數(shù)表，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合輻板應(yīng)變和車輪轉(zhuǎn)角間的非線性關(guān)系，采用遺傳算法獲得最佳的作用點位置和電橋直流偏置，對每個電橋建立輻板應(yīng)變與輪軌力間的線性方程組。這種方法可以有效地降

7、低測力輪對的開發(fā)成本和研制時間。 2、提出輪軌作用點位置在線測量方法輪軌作用點位置發(fā)生變化時，垂向力會產(chǎn)生一個附加彎矩，在輪對輻板產(chǎn)生附加應(yīng)變，這一直被作為測力輪對的一個誤差源對待。與橫向力、垂向力在輻板上產(chǎn)生的應(yīng)變相比，附加彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變比較微弱，論文提出的輪軌力測量方案，不僅提高了橫向力和垂向力的測量精度，而且可以檢測輪軌作用點位置。 3、分析車輪輻板應(yīng)變的時頻特性輪軌力雖然是非平穩(wěn)信號，但在很短的時間內(nèi)可以看成平穩(wěn)