CN108645635A - 基于光纤光栅的轮轨试验台及其接触力测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅的轮轨试验台及其接触力测量方法，试验台包括大轮轴两端可旋转的支撑在两个平行的弹簧钢片上的大轮、与大轮顶端相切接触且小轮轴两端可旋转的支撑在另外两个平行的弹簧钢片上的小轮、对称设在每个弹簧钢片左右两侧上下两面且与弹簧钢片同向的光纤光栅、与光纤光栅连接的解调仪、用于驱动大轮的电机、分别与解调仪和电机连接的工控机、用于调节小轮冲角的冲角调节机构，光纤光栅中心波长各不相同。本发明消除了温度带来的测量影响，突显了应变测量值，能有效测量接触力。
Description
技术领域
本发明属于轮轨试验领域，具体涉及一种基于光纤光栅的轮轨试验台及其接触力测量方法。
背景技术
机车车辆在铁路线路上运行时，受线路不平顺的影响产生振动，机车车辆的重力和运行中产生的其他载荷通过车轮作用在钢轨上，又引起钢轨弹性变形和轨道下沉，从而使线路的不平顺加剧。机车车辆车轮和线路钢轨间的这种相互作用，对于机车车辆的运行平稳性、车轮和钢轨的磨耗、机车车辆和线路维修费用，以及列车运行安全等有直接的影响。随着机车车辆重量的增大以及列车运行速度的提高，这种影响越发显著。研究机车车辆在线路上的运动和运动中轮轨间的相互作用力，以及消除它们的有害影响也就更加重要。因此，人们设计了轮轨试验台，用来检测轮轨间的相互作用力，但是现有的轮轨试验台检测不能检测接触力或者检测的接触力不精确。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的轮轨试验台及其接触力测量方法，本发明消除了温度带来的测量影响，突显了应变测量值，能有效测量接触力。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于光纤光栅的轮轨试验台，包括大轮轴两端可旋转的支撑在两个平行的弹簧钢片上的大轮、与大轮顶端相切接触且小轮轴两端可旋转的支撑在另外两个平行的弹簧钢片上的小轮、对称设在每个弹簧钢片左右两侧上下两面且与弹簧钢片同向的光纤光栅、与光纤光栅连接的解调仪、用于驱动大轮的电机、分别与解调仪和电机连接的工控机、用于调节小轮冲角的冲角调节机构，光纤光栅中心波长各不相同；小轮随大轮旋转时，大轮与小轮间的接触力变化带动弹簧钢片应变变化使光纤光栅产生应变信号并发送至解调仪，解调仪将应变信号转变为解调信号后发送至工控机，工控机用于控制电机转速以及分析解调信号后计算出接触力。
进一步地，光纤光栅通过跳线直接连接至解调仪。
进一步地，工控机通过变频器控制电机的转速。
进一步地，光纤光栅采用密封胶封装。
进一步地，密封胶为环氧树脂AB胶。
一种基于光纤光栅的轮轨试验台中接触力测量方法，将接触力分解为三个方向的分力，分别是指向大轮圆心的法向力、垂直于大轮的横向力、与小轮半径垂直的纵向力，包括步骤：
S1、进行应变灵敏系数标定实验，测量光纤光栅的应变灵敏系数；
S2、使小轮对大轮施加预紧力，即法向力，与小轮配合的弹簧钢片在法向力的作用下受力弯曲，使一面的光纤光栅产生拉应变、另一面的光纤光栅产生压应变，与大轮配合的弹簧钢片在法向力的反作用力下受力弯曲，使一面的光纤光栅产生拉应变、另一面的光纤光栅产生压应变，测量相应的应变即可得到相应的法向力；
S3、使大轮与小轮之间形成一定的冲角，大轮与小轮间的横向蠕变产生横向蠕变力，即横向力，与小轮配合的弹簧钢片在横向力的作用下受力弯曲，使左右两侧产生不同程度的横向形变，与大轮配合的弹簧钢片在横向力的反作用下受力弯曲，使左右两侧产生不同程度的横向形变，通过对小轮和大轮左右两侧的光纤光栅波长对比得到相应的横向力；
S4、电机驱动大轮带动小轮旋转，大轮与小轮摩擦产生摩擦力，小轮受到相应的反作用力，即纵向力，弹簧钢板在纵向力的作用下前后两端产生不同程度的形变，通过对前后两端的光纤光栅波长对比得到相应的纵向力。
本发明的有益效果是：
光纤光栅对应变和温度都具有敏感性，故存在应变、温度交叉敏感的问题，当光纤光栅用于接触力传感测量时，单个光纤光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变，进而无法实现精确的测量。本发明使光纤光栅对称设在每个弹簧钢片左右两侧上下两面，由于光纤光栅处于一个相同温度的环境下，随温度的变化是相同的，所以消除了温度带来的影响，而当元件受力时，由于光纤光栅在正反两面上，所以一个光纤光栅受拉，中心波长增大，另一个光纤光栅受压，中心波长减小，故而他们的应变测量值得到突显。本发明使光纤光栅对称设在每个弹簧钢片左右两侧上下两面，能将接触力在三个方向上的分解力同时测量，有效解决了实际工程运用中接触力不便直接测量的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中基于光纤光栅的轮轨试验台的示意图(省去电机、工控机、解调仪和冲角调节机构)。
图2是图1中小轮接触力及冲角的示意图。
图3是本发明实施例中小轮光纤光栅粘贴位置的正面示图(正反面相同)。
图4是本发明实施例中大轮光纤光栅粘贴位置的正面示图(正反面相同)。
图中：1-大轮；2-小轮；3-小轮轴；4-大轮轴；5-与大轮配合的弹簧钢片；6-与小轮配合的弹簧钢片；7-光纤光栅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、3和4所示，一种基于光纤光栅的轮轨试验台，包括大轮轴4两端可旋转的支撑在两个平行的弹簧钢片5上的大轮1、与大轮1顶端相切接触且小轮轴3两端可旋转的支撑在另外两个平行的弹簧钢片6上的小轮2、对称设在每个弹簧钢片(5和6)左右两侧上下两面且与弹簧钢片(5和6)同向的光纤光栅7(总共四个弹簧钢片，每个弹簧钢片上设置4个光纤光栅7，总共16个光纤光栅7)、与光纤光栅7连接的解调仪、用于驱动大轮1的电机、分别与解调仪和电机连接的工控机、用于调节小轮2冲角的冲角调节机构，光纤光栅7中心波长各不相同；小轮2随大轮1旋转时，大轮1与小轮2间的接触力变化带动弹簧钢片(5和6)应变变化使光纤光栅7产生应变信号并发送至解调仪，解调仪将应变信号转变为解调信号后发送至工控机，工控机用于控制电机转速以及分析解调信号后计算出接触力。
光纤光栅7对应变和温度都具有敏感性，故存在应变、温度交叉敏感的问题，当光纤光栅7用于接触力传感测量时，单个光纤光栅7本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变，进而无法实现精确的测量。本发明使光纤光栅7对称设在每个弹簧钢片(5和6)左右两侧上下两面，由于光纤光栅7处于一个相同温度的环境下，随温度的变化是相同的，所以消除了温度带来的影响，而当元件受力时，由于光纤光栅7在正反两面上，所以一个光纤光栅7受拉，中心波长增大，另一个光纤光栅7受压，中心波长减小，故而他们的应变测量值得到突显。本发明使光纤光栅对称设在每个弹簧钢片(5和6)左右两侧上下两面，能将接触力在三个方向上的分解力同时测量，有效解决了实际工程运用中接触力不便直接测量的问题。
在本实施例中，光纤光栅7通过跳线直接连接至解调仪。工控机通过变频器控制电机的转速。光纤光栅7采用密封胶封装，此处密封胶为环氧树脂AB胶。
上述基于光纤光栅的轮轨试验台中接触力测量方法，如图2所示，将接触力分解为三个方向的分力，分别是指向大轮1圆心的法向力、垂直于大轮1的横向力、与小轮2半径垂直的纵向力，接触力的分解满足列车在轨道上行驶时的受力状态一一法向力模拟列车在轨道上行驶时，列车因自身的重力压紧轮轨，故而法向力是指向大轮1圆心施加的，用小轮2模拟轨道，于是法向力可以通过旋紧螺栓，对小轮2施加预紧力压紧大轮来实现(本试验将大轮1上的法向力设置为1000N，也可根据实际改变)；横向力模拟列车在转弯时，因为摩擦因数的存在，于是列车受到一个摩擦力，我们把这个力称为横向力，方向是垂直于大轮1表面，可以通过改变两轮的冲角来产生横向力(横向力是在不断变化，数值一般不超过250N，本试验将大轮1上的横向力设置为200N，也可根据实际改变)；纵向力模拟列车在轨道上行驶时，轮轨与车轮的转动产生的转动力，大轮1在电机的驱动下，会产生一个转动的力，于是大轮1和小轮2相互摩擦，小轮2会受到一个纵向力，其方向与小轮2的半径垂直。
根据光纤光栅7的波长漂移计算出小轮的瞬态横向力、纵向力、法向力，即可间接获得瞬态接触力，具体为步骤：
S1、进行应变灵敏系数标定实验，测量光纤光栅的7应变灵敏系数；
采用测力计完成应变灵敏系数标定以及校核实验，实验采用控制变量法，先使温度一定，以应变为自变量，测量出中心波长飘移的数据，从而算出应变灵敏度系数。
S2、使小轮2对大轮1施加预紧力，即法向力，与小轮配合的弹簧钢片6在法向力的作用下受力弯曲，使一面的光纤光栅7产生拉应变、另一面的光纤光栅7产生压应变，与大轮配合的弹簧钢片5在法向力的反作用力下受力弯曲，使一面的光纤光栅7产生拉应变、另一面的光纤光栅7产生压应变，测量相应的应变即可得到相应的法向力。
S3、使大轮1与小轮2之间形成一定的冲角，大轮1与小轮2间的横向蠕变产生横向蠕变力，即横向力，与小轮配合的弹簧钢片6在横向力的作用下受力弯曲，使左右两侧产生不同程度的横向形变，与大轮配合的弹簧钢片5在横向力的反作用下受力弯曲，使左右两侧产生不同程度的横向形变，通过对小轮和大轮左右两侧的光纤光栅7波长对比得到相应的横向力。
S4、电机驱动大轮1带动小轮2旋转，大轮1与小轮2摩擦产生摩擦力，小轮2受到相应的反作用力，即纵向力，弹簧钢板(5和6)在纵向力的作用下前后两端产生不同程度的形变，通过对前后两端的光纤光栅7波长对比得到相应的纵向力。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于光纤光栅的轮轨试验台，其特征在于：包括大轮轴两端可旋转的支撑在两个平行的弹簧钢片上的大轮、与大轮顶端相切接触且小轮轴两端可旋转的支撑在另外两个平行的弹簧钢片上的小轮、对称设在每个弹簧钢片左右两侧上下两面且与弹簧钢片同向的光纤光栅、与光纤光栅连接的解调仪、用于驱动大轮的电机、分别与解调仪和电机连接的工控机、用于调节小轮冲角的冲角调节机构，光纤光栅中心波长各不相同；小轮随大轮旋转时，大轮与小轮间的接触力变化带动弹簧钢片应变变化使光纤光栅产生应变信号并发送至解调仪，解调仪将应变信号转变为解调信号后发送至工控机，工控机用于控制电机转速以及分析解调信号后计算出接触力。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的轮轨试验台，其特征在于：光纤光栅通过跳线直接连接至解调仪。
3.如权利要求1所述的基于光纤光栅的轮轨试验台，其特征在于：工控机通过变频器控制电机的转速。
4.如权利要求1所述的基于光纤光栅的轮轨试验台，其特征在于：光纤光栅采用密封胶封装。
5.如权利要求4所述的基于光纤光栅的轮轨试验台，其特征在于：密封胶为环氧树脂AB胶。
6.一种如权利要求1至5任一所述的基于光纤光栅的轮轨试验台中接触力测量方法，其特征在于：将接触力分解为三个方向的分力，分别是指向大轮圆心的法向力、垂直于大轮的横向力、与小轮半径垂直的纵向力，包括步骤：
S1、进行应变灵敏系数标定实验，测量光纤光栅的应变灵敏系数；
S2、使小轮对大轮施加预紧力，即法向力，与小轮配合的弹簧钢片在法向力的作用下受力弯曲，使一面的光纤光栅产生拉应变、另一面的光纤光栅产生压应变，与大轮配合的弹簧钢片在法向力的反作用力下受力弯曲，使一面的光纤光栅产生拉应变、另一面的光纤光栅产生压应变，测量相应的应变得到相应的法向力；
S3、使大轮与小轮之间形成一定的冲角，大轮与小轮间的横向蠕变产生横向蠕变力，即横向力，与小轮配合的弹簧钢片在横向力的作用下受力弯曲，使左右两侧产生不同程度的横向形变，与大轮配合的弹簧钢片在横向力的反作用下受力弯曲，使左右两侧产生不同程度的横向形变，通过对小轮和大轮左右两侧的光纤光栅波长对比得到相应的横向力；
S4、电机驱动大轮带动小轮旋转，大轮与小轮摩擦产生摩擦力，小轮受到相应的反作用力，即纵向力，弹簧钢板在纵向力的作用下前后两端产生不同程度的形变，通过对前后两端的光纤光栅波长对比得到相应的纵向力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181012 |