CN108458821A - 一种轮座轴向应力的测量方法与标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮座轴向应力的测量方法，包括以下步骤：制作标定装置；标定光纤传感器及其测量系统；建立显示值与理论应力值的对应关系；在轮座上安装光纤传感器；压装轮座并测量轮座的轴向应力。本发明通过光纤测量的方法，实现了轮对压装后的轮座表面的轴向应力及应力梯度变化情况的直接测量，避免盲目选用过盈量，为选择合理的过盈量、指定合理的压装工艺提供科学依据。本发明结束了轮轴压装工艺只能做后期评判，不能做先期预测的问题，本发明的使用可以提高轮轴产品的设计和制造水平，增加轮轴可靠性。本发明还公开了一种轮座轴向应力的标定装置。

Description

一种轮座轴向应力的测量方法与标定装置

技术领域

本发明涉及轮座应力测量技术领域，尤其涉及一种轮座轴向应力的测量方法与标定装置。

背景技术

铁道车辆的车轮与车轴之间的连接，是通过过盈配合压装而成的，轮对压装后，轮座表面的应力状态如何、轴向应力梯度呈现怎样的变化，是技术人员迫切想知道的，但由于测量手段的限制，这些问题至今仍无答案。

现有的研究中存在如下缺陷：

1)轮轴压装过盈量的选取是经验数值，虽然这些数值是经过大量试验取得的相对合理数据，但其是否为最佳值，没有得到验证。

2)轮对压装工艺的优劣只能做后期评判，不能做先期预测。

3)轮对压装工艺所要求的压装吨位范围过宽，多数情况下，为保证轮轴连接牢固，制作人员都选择较大的过盈量和较大的压装吨位，结果反而造成轮座承受的初始压应力过大，在一定程度上降低了疲劳寿命。

4)因为没有直接测量数据，所以，轮座的轴向应力和应力梯度没有定论，与轮座相关的计算结果普遍受到质疑。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种轮座轴向应力的测量方法，该方法实现了轮对压装后的轮座表面的轴向应力及应力梯度变化情况的直接测量，为选择合理的过盈量、指定合理的压装工艺提供科学依据。本发明的另一个目的在于提供一种轮座轴向应力的标定装置。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种轮座轴向应力的测量方法，包括以下步骤：

制作标定装置，标定装置包括上压模、光纤传感器、假轴和下压模，所述假轴为与轮座材质相同的圆轴结构，所述上压模的材质与被测车轮的材质相同，在所述假轴的表面沿轴向开设多条轴向贯穿的凹槽，将一条所述光纤传感器往复弯折并依次粘贴固定在多条所述凹槽底部，所述光纤传感器的直径小于所述凹槽的深度，将所述假轴横置固定于所述下压模上方，再将所述上压模贴合固定于所述假轴上方并使所述上压模覆盖多条所述凹槽，所述上压模与所述假轴为弧面贴合接触，将所述光纤传感器的引出端连接于光纤测量仪器，所述上压模覆盖的所述光纤传感器部分为有效测量段；

标定光纤传感器及其测量系统，所述上压模未施加载荷时，所述光纤传感器的所述有效测量段不受力，所述光纤测量仪器清零后输入所述有效测量段的标定位置参数；在所述上压模施加多个不同的载荷，记录所述光纤测量仪器的与多个不同载荷对应的多个显示值；根据载荷和所述上压模与所述假轴的接触面积，计算所述上压模与所述假轴接触面上的与多个不同载荷对应的多个理论应力值；建立显示值与理论应力值的对应关系，标定结束；

在轮座上安装光纤传感器，在所述轮座的表面沿轴向开设多条轴向贯穿的测量凹槽，将一条所述光纤传感器往复弯折并依次粘贴固定在多条所述测量凹槽的底部，所述光纤传感器的直径小于所述测量凹槽的深度，将所述光纤传感器的引出端连接于所述光纤测量仪器，压装前设定所述光纤传感器的测量点，所述光纤测量仪器清零后输入所述光纤传感器的测量点的标定位置参数；

压装轮座并测量轮座的轴向应力，将所述轮座与所述车轮压装配合，压装结束后，所述光纤测量仪器显示出显示值，根据上述显示值与理论应力值的对应关系，推知出轮座表面在测量点位置的轴向应力。

优选地，在上述测量方法中，压装前在所述轮座上沿轴向依次设定多个并排布置的测量点，在压装轮座并测量轮座的轴向应力中，将多个测量点的轴向应力值相连，得到多个测量点所在区域的轴向应力梯度。

优选地，在上述测量方法中，压装轮座并测量轮座的轴向应力中，利用插值法推知出轮座表面在测量点位置的轴向应力。

优选地，在上述测量方法中，所述假轴的直径与所述轮座的直径相等。

优选地，在上述测量方法中，所述测量凹槽的数量大于等于3个。

本发明通过光纤测量的方法，实现了轮对压装后的轮座表面的轴向应力及应力梯度变化情况的直接测量，避免盲目选用过盈量，为选择合理的过盈量、指定合理的压装工艺提供科学依据。本发明结束了轮轴压装工艺只能做后期评判，不能做先期预测的问题，本发明的使用可以提高轮轴产品的设计和制造水平，增加轮轴可靠性。本发明利用光纤测量精度高、可以连续测量、光纤分段标定、能够连续记录应力变化的特性，从而精确测量轮座的轴向应力。

本发明还提供了一种轮座轴向应力的标定装置，包括上压模、光纤传感器、假轴和下压模，所述假轴为与轮座材质相同的圆轴结构，所述上压模的材质与被测车轮的材质相同，所述假轴的表面沿轴向开设有多条轴向贯穿的凹槽，一条所述光纤传感器往复弯折并依次粘贴固定在多条所述凹槽底部，所述光纤传感器的直径小于所述凹槽的深度，所述假轴横置固定于所述下压模上方，所述上压模贴合固定于所述假轴上方并覆盖多条所述凹槽，所述上压模与所述假轴为弧面贴合接触，所述光纤传感器的引出端连接于光纤测量仪器，所述上压模覆盖的所述光纤传感器部分为有效测量段，所述标定装置还包括用于对所述上压模施加载荷的载荷施加装置。

优选地，在上述标定装置中，所述假轴的直径与所述轮座的直径相等。

优选地，在上述标定装置中，所述凹槽的数量大于等于3个。

优选地，在上述标定装置中，所述下压模的上表面设有用于与所述假轴弧面贴合接触的弧形承托面。

本发明提供的轮座轴向应力的标定装置，可以通过上述测量方法标定光纤传感器，建立显示值与理论应力值的对应关系，从而使利用光纤传感器对压装后的轮座的轴向应力及应力梯度变化的测量得以实现，并且，该标定装置可以反复使用，通过设置不同的标定位置参数，可以提高测量灵活度和测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中的标定装置的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明具体实施例中的轮座与车轮在压装前的光纤布置示意图。

图1至图4中：

1-上压模、2-光纤传感器、3-假轴、4-下压模、5-光纤引出线、6-车轮、7-轮座、8-车轴、9-测量点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图4，图1为本发明具体实施例中的标定装置的结构示意图；图2为图1的侧视图；图3为图1的俯视图；图4为本发明具体实施例中的轮座与车轮在压装前的光纤布置示意图。

在一种具体实施例方案中，本发明提供了一种轮座轴向应力的测量方法，包括以下步骤：

S1：制作标定装置，标定装置包括上压模1、光纤传感器2、假轴3和下压模4，如图1至图3所示，假轴3为与轮座7材质相同的圆轴结构，上压模1的材质与被测车轮6的材质相同，在假轴3的表面沿轴向开设多条轴向贯穿的凹槽，将一条光纤传感器2往复弯折并依次粘贴固定在多条凹槽底部，如图3所示，本实施例中的假轴3上开设了三条平行布置的凹槽，光纤传感器2从图3中最上侧的凹槽的一端开始粘贴在凹槽中，然后弯折并粘贴在中间的凹槽，再继续弯折粘贴在最下侧的凹槽中，最后，光纤引出线5从最下侧的凹槽的另一端引出后连接于光纤测量仪器。光纤传感器3的直径小于凹槽的深度，上压模1在加载时不接触光纤，而光纤却能随着假轴3的变形同步伸缩，从而实现应力测量。光纤传感器2在假轴3上的布置见图3。将假轴3横置固定于下压模4上方，再将上压模1贴合固定于假轴3上方并使上压模1覆盖多条凹槽，上压模1与假轴3为弧面贴合接触，将光纤传感器2的引出端(即光纤引出线5)连接于光纤测量仪器，上压模1覆盖的光纤传感器2的部分为有效测量段A，如图3所示。

S2：标定光纤传感器及其测量系统，具体包括：

S201：上压模1未施加载荷时，光纤传感器2的有效测量段A不受力，光纤测量仪器清零后输入有效测量段A的标定位置参数，其中，标定位置参数是指有效测量段A上的测量点的位置参数，包括测量点的长度和分布情况等；

S202：在上压模1施加多个不同的载荷F1、F2、……Fn，记录光纤测量仪器的与多个不同载荷对应的多个显示值Q1、Q2、……Qn；需要说明的是，此处所述的显示值可以根据光纤测量仪器的不同测量方式而呈现不同的信号值，例如电压、电流或频率等，本具体实施例方案中的显示值为电压值；

S203：根据载荷和上压模1与假轴3的接触面积，计算上压模1与假轴3接触面上的与多个不同载荷F1、F2、……Fn对应的多个理论应力值P1、P2、……Pn；

S204：标定结束，建立显示值Qn与理论应力值Pn的对应关系，即，当光纤测量仪器的显示值为Qn时，假轴3的表面测量点位置的轴向应力的理论应力值为Pn。

需要说明的是，本方案还可以通过设置光纤测量仪器的颜色显示功能，使之显示出与不同显示值对应的不同颜色的云图色标，如表1举例所示。

表1 显示值与理论应力值以及云图色标的对应关系举例

载荷

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

显示值

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

理论应力值

P1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

云图色标

红

棕

黄

绿

浅蓝

深蓝

紫

需要说明的是，云图色标的具体颜色与显示值的对应关系可以人为设定，本文不做具体限定。

S3：在轮座上安装光纤传感器，在轮座7的表面沿轴向开设多条轴向贯穿的测量凹槽，如图4所示，本方案在轮座7的表面加工出了三条平行布置的测量凹槽，将一条光纤传感器2往复弯折并依次粘贴固定在多条测量凹槽的底部，如图4所示，光纤传感器按S形弯折并铺设在三条测量凹槽中，形成三段有效测量段，光纤传感器2的直径小于测量凹槽的深度，将光纤传感器2的引出端(即光纤引出线5)连接于光纤测量仪器，压装前设定光纤传感器2的测量点9，光纤测量仪器清零后输入光纤传感器2的测量点9的标定位置参数；轮座7与车轮6压装之前的结构如图4所示。

S4：压装轮座并测量轮座的轴向应力，将车轴8的轮座7与车轮6压装配合，压装结束后，光纤测量仪器显示出显示值Q’，根据上述显示值Qn与理论应力值Pn的对应关系，推知出轮座7表面在测量点9位置的轴向应力P’。优选地，本方案利用插值法推知出轮座7表面在测量点9位置的轴向应力P’。

优选地，本方案提供的测量方法还可以测量轮座7的表面应力梯度的变化情况，具体如下：压装前在轮座7上沿轴向依次设定多个并排布置的测量点9，在压装轮座7并测量轮座7的轴向应力中，将多个测量点9的轴向应力值依次相连，得到多个测量点9所在区域的轴向应力梯度。

需要说明的是，显示值Qn与理论应力值Pn的对应关系呈非线性，为了进一步精确测量轮座表面轴向应力，可以进一步增大光纤标定载荷的密集程度，并且在有效测量段A内设定更多的测量凹槽，优选地，测量凹槽的数量大于等于3个。

为了提高光纤标定的准确度，优选地，本方案中的假轴3的直径与被测的轮座7的直径相等。

下面通过试验数据来介绍某一组轮轴过盈配合的轮座7表面轴向应力的测量。

1)在光纤传感器2上选取测量点9，如图4所示，在标定装置上进行光纤标定，标定结果如下，其中，光纤测量仪器的显示值的计量单位以V表示：

上压模1上加载F1，理论应力值P1为40MPa，显示值Q1为32V；

上压模1上加载F2，理论应力值P2为50MPa，显示值Q2为38V；

上压模1上加载F3，理论应力值P3为60MPa，显示值Q3为45V；

上压模1上加载F4，理论应力值P4为70MPa，显示值Q4为61V；

上压模1上加载F5，理论应力值P5为80MPa，显示值Q1为85V；

……

记录标定数据。

2)压装后的轮座轴向应力测量：

压装后，光纤测量仪器的显示值为72V，相当于加载在上压模1上的载荷在F4～F5之间，轮座7表面轴向应力在70MPa～80MPa之间，用插值法推算出轮座7表面轴向应力为74.6MPa。

上述为测量点9的轴向应力值，如果在测量点9的前后各选取3个测量点，当把这7个测量点的轴向应力值依次相连，即可测量这一区域的轴向应力梯度变化情况。应力梯度测量结果如表2举例所示。

表2 应力梯度测量结果举例

光纤上的测量点	A	B	C	D	E	F	G
								显示值(V)	60	63	66	69	72	71	70
云图色标显示	浅蓝	浅绿	绿	浅黄	亮黄	棕	红
								理论应力值(MPa)	53.8	59	64.2	69.4	74.6	76.9	79.2

本发明通过光纤测量的方法，实现了轮对压装后的轮座表面的轴向应力及应力梯度变化情况的直接测量，避免盲目选用过盈量，为选择合理的过盈量、指定合理的压装工艺提供科学依据。本发明结束了轮轴压装工艺只能做后期评判，不能做先期预测的问题，本发明的使用可以提高轮轴产品的设计和制造水平，增加轮轴可靠性。本发明利用光纤测量精度高、可以连续测量、光纤分段标定、能够连续记录应力变化的特性，从而精确测量轮座的轴向应力。对光纤分段设置固定光谱后，当光纤随物体的变化而伸缩时，光谱发生变化，微米级的变形量也能够感知到。

采用光纤测量微小变形的原理具体如下：

1)光纤由核心、包裹层和外涂层组成，光纤的核心直径Φ＝6.5μm，由弹性、韧性、透光性良好的二氧化硅材料制作，它能感知力、温度、振动等变化，承担物体形状变化的测量。包裹层和外涂层对光纤起保护作用。光纤在出厂前已经刻录好各自的光谱信息，根据需要，以1mm—5mm为区段刻录光谱信息，当力、温度、振动使这一段光纤产生变形时，光谱随之变化，光纤测量仪器就能精确地检测出来。

2)光纤测量系统组成由测量主机、电脑显示器、光纤及附属件、被测试件等组成。

3)光纤测量原理：对光纤进行光谱刻录，刻录后的光纤实质就变成了拉压传感器。当光纤被拉伸或被压缩时，其光谱就发生变化，从仪器发出的光信号再返回到仪器时，该段光纤光谱发生了变化，仪器就能够检测到被测试材料的微小变形。

4)光纤测量原理举例：选取长度为1m的光纤，用光纤长度上第800mm——第805mm处的测量段，测量工件上某处5mm范围内的拉压应变，用以说明光纤工作原理，具体过程如下A、B、C三个步骤所述。

A.把光纤粘贴到需要测量的工件上，测量段(800mm——805mm)对应工件上需要测量的5mm部位。

B.对工件进行加载，光纤随着工件的变形而伸缩，光纤上这一段的光谱发生变化。

C.此时，光纤测量仪器可检测出该段的光谱变化，进而得到应变变化量，计算出该处的应力值。此时，其它非测量段的光纤也变形，因为光纤测量仪器未设置非测量段的光谱参数，所以，仪器也不显示非测量段的应力状况。

光纤测量的优势有：1)大幅缩减传感器的成本；2)设置容易，缩短操作时间；3)可自由设定测量点和分辨率，精度高；4)可进行静应变、载荷、温度等多种测定；5)能够在狭小空间布置光纤；6)重量轻，适合于巨多测点测量。

本发明还提供了一种轮座轴向应力的标定装置，包括上压模1、光纤传感器2、假轴3和下压模4，假轴3为与轮座7材质相同的圆轴结构，上压模1的材质与被测车轮6的材质相同，假轴3的表面沿轴向开设有多条轴向贯穿的凹槽，一条光纤传感器2往复弯折并依次粘贴固定在多条凹槽底部，光纤传感器2的直径小于凹槽的深度，假轴3横置固定于下压模4上方，上压模1贴合固定于假轴3上方并覆盖多条凹槽，上压模1与假轴3为弧面贴合接触，光纤传感器2的引出端连接于光纤测量仪器，上压模1覆盖的光纤传感器2的部分为有效测量段，标定装置还包括用于对上压模1施加载荷的载荷施加装置。

优选地，假轴3的直径与轮座7的直径相等。

优选地，凹槽的数量大于等于3个。

优选地，下压模4的上表面设有用于与假轴3弧面贴合接触的弧形承托面。如此设置，就可以更好地承托假轴3，并且使假轴3能够均匀承受上压模1施加的载荷。

本发明提供的轮座轴向应力的标定装置，可以通过上述测量方法标定光纤传感器，建立显示值与理论应力值的对应关系，从而使利用光纤传感器对压装后的轮座的轴向应力及应力梯度变化的测量得以实现，具体测量方法如上文所述，本文不再赘述。并且，该标定装置可以反复使用，通过设置不同的标定位置参数，可以提高测量灵活度和测量精度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种轮座轴向应力的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

制作标定装置，标定装置包括上压模(1)、光纤传感器(2)、假轴(3)和下压模(4)，所述假轴(3)为与轮座(7)材质相同的圆轴结构，所述上压模(1)的材质与被测车轮(6)的材质相同，在所述假轴(3)的表面沿轴向开设多条轴向贯穿的凹槽，将一条所述光纤传感器(2)往复弯折并依次粘贴固定在多条所述凹槽底部，所述光纤传感器(2)的直径小于所述凹槽的深度，将所述假轴(3)横置固定于所述下压模(4)上方，再将所述上压模(1)贴合固定于所述假轴(3)上方并使所述上压模(1)覆盖多条所述凹槽，所述上压模(1)与所述假轴(3)为弧面贴合接触，将所述光纤传感器(2)的引出端连接于光纤测量仪器，所述上压模(1)覆盖的所述光纤传感器(2)部分为有效测量段；

标定光纤传感器(2)及其测量系统，所述上压模(1)未施加载荷时，所述光纤传感器(2)的所述有效测量段不受力，所述光纤测量仪器清零后输入所述有效测量段的标定位置参数；在所述上压模(1)施加多个不同的载荷，记录所述光纤测量仪器的与多个不同载荷对应的多个显示值；根据载荷和所述上压模(1)与所述假轴(3)的接触面积，计算所述上压模(1)与所述假轴(3)接触面上的与多个不同载荷对应的多个理论应力值；建立显示值与理论应力值的对应关系，标定结束；

在轮座上安装光纤传感器(2)，在所述轮座(7)的表面沿轴向开设多条轴向贯穿的测量凹槽，将一条所述光纤传感器(2)往复弯折并依次粘贴固定在多条所述测量凹槽的底部，所述光纤传感器(2)的直径小于所述测量凹槽的深度，将所述光纤传感器(2)的引出端连接于所述光纤测量仪器，压装前设定所述光纤传感器(2)的测量点(9)，所述光纤测量仪器清零后输入所述光纤传感器(2)的测量点(9)的标定位置参数；

压装轮座并测量轮座的轴向应力，将所述轮座(7)与所述车轮(6)压装配合，压装结束后，所述光纤测量仪器显示出显示值，根据上述显示值与理论应力值的对应关系，推知出轮座表面在测量点(9)位置的轴向应力。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，压装前在所述轮座(7)上沿轴向依次设定多个并排布置的测量点(9)，在压装轮座并测量轮座的轴向应力中，将多个测量点(9)的轴向应力值相连，得到多个测量点(9)所在区域的轴向应力梯度。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，压装轮座并测量轮座的轴向应力中，利用插值法推知出轮座表面在测量点(9)位置的轴向应力。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述假轴(3)的直径与所述轮座(7)的直径相等。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量凹槽的数量大于等于3个。

6.一种轮座轴向应力的标定装置，其特征在于，包括上压模(1)、光纤传感器(2)、假轴(3)和下压模(4)，所述假轴(3)为与轮座(7)材质相同的圆轴结构，所述上压模(1)的材质与被测车轮(6)的材质相同，所述假轴(3)的表面沿轴向开设有多条轴向贯穿的凹槽，一条所述光纤传感器(2)往复弯折并依次粘贴固定在多条所述凹槽底部，所述光纤传感器(2)的直径小于所述凹槽的深度，所述假轴(3)横置固定于所述下压模(4)上方，所述上压模(1)贴合固定于所述假轴(3)上方并覆盖多条所述凹槽，所述上压模(1)与所述假轴(3)为弧面贴合接触，所述光纤传感器(2)的引出端连接于光纤测量仪器，所述上压模(1)覆盖的所述光纤传感器(2)部分为有效测量段，所述标定装置还包括用于对所述上压模(1)施加载荷的载荷施加装置。

7.根据权利要求6所述的标定装置，其特征在于，所述假轴(3)的直径与所述轮座(7)的直径相等。

8.根据权利要求6所述的标定装置，其特征在于，所述凹槽的数量大于等于3个。

9.根据权利要求6所述的标定装置，其特征在于，所述下压模(4)的上表面设有用于与所述假轴(3)弧面贴合接触的弧形承托面。