CN111964927B - 轮轨力轨旁监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道交通技术领域，公开了一种轮轨力轨旁监测方法及系统，以识别轮轨力与作用位置之间的对应关系。本发明方法包括：建立不同偏移位置下纯横向载荷、纯垂向载荷的钢轨轨腰两侧应变矢量运算响应；构建基于三点轨腰断面、四组应变矢量解算的轮轨载荷作用力大小与空间作用位置关系的方程组；在轨旁两侧确定三点轨腰断面并分别部署相应的四组应变片组，将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入上述方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系；其中，至少一组应变片组采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差。

Description

轮轨力轨旁监测方法及系统
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种轮轨力轨旁监测方法及系统。
背景技术
对铁道车辆的脱轨安全性进行有效的监测和评价是确保车辆安全运行的关键所在，轮轨力作为计算脱轨安全性指标的参数，准确、便捷的测量显得尤为重要。随着测试方法、手段的不断进步，轮轨力的测量经历了由间接至直接、由相对至绝对的变化。轮轨力测量已在货运列车驼峰作业中的动力学试验、风区旅客列车脱轨系数试验等工程领域得到应用。
通过文献调研，表明目前的研究只涉及轮轨间横向力和垂向力的大小。然而，作用在铁轨不同位置上的接触力对铁轨的疲劳行为有很大的影响和不同的贡献。测力轮对方法无法识别轨道多应变时的轮轨接触力，无法更准确、便捷的检测与预判车辆的故障情况。
发明内容
本发明目的在于公开一种轮轨力轨旁监测方法及系统，以识别轮轨力与作用位置之间的对应关系。
为实现上述目的，本发明公开了一种轮轨力轨旁监测方法，包括：
步骤S1、建立不同偏移位置下纯横向载荷、纯垂向载荷的钢轨轨腰两侧应变矢量运算响应；具体包括：
S11、相同的垂向载荷作用在轨顶不同位置时，轨腰两侧应变矢量和相同，轨腰两侧应变矢量差则与垂向载荷作用在轨顶的位置有关且呈线性关系；
S12、在轨顶作用横向载荷时，轨腰两侧应变矢量和始终为0，轨腰两侧应变矢量差与横向载荷呈线性关系；
步骤S2、基于实际轨道产生应变由横向和垂向载荷共同叠加引起，构建基于三点轨腰断面、四组应变矢量解算的轮轨载荷作用力大小与空间作用位置关系的方程组；
步骤S3、在轨旁两侧确定三点轨腰断面并分别部署相应的四组应变片组，将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入上述步骤S2的方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系；其中，至少一组应变片组采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差。
与上述方法相对应的，本发明还公开一种轮轨力轨旁监测系统，包括：
数值仿真子系统，用于建立不同偏移位置下纯横向载荷、纯垂向载荷的钢轨轨腰两侧应变矢量运算响应；具体包括：相同的垂向载荷作用在轨顶不同位置时，轨腰两侧应变矢量和相同，轨腰两侧应变矢量差则与垂向载荷作用在轨顶的位置有关且呈线性关系；在轨顶作用横向载荷时，轨腰两侧应变矢量和始终为0，轨腰两侧应变矢量差与横向载荷呈线性关系；
测量子系统，用于在轨旁两侧确定三点轨腰断面并分别部署相应的四组应变片组以通过仿真模拟加载不同偏移下不同大小的纯横向载荷、纯垂向载荷，观察四组应变仪矢量读数，计算出四组应变矢量和差对应关系，其中，至少一组应变片组采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差；
计算子系统，用于基于实际轨道产生应变由横向和垂向载荷共同叠加引起，构建基于三点轨腰断面、四组应变矢量解算的轮轨载荷作用力大小与空间作用位置关系的方程组，将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入该方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系。
本发明具有以下有益效果：
利用握轨加载试验机等设备随机在轨顶施加横向载荷与垂向载荷，记录横向载荷大小、位置及垂向载荷大小、位置，与本发明所得结果十分吻合，从而验证了本发明方法的有效性。而且，本发明首创性的采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差，通过布置应变片去间接测量并解耦出轮轨力空间作用位置，极大提高了数据处理的精度。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的轮轨力轨旁监测方法流程图；
图2为本发明实施例公开的铁轨模型示意图；
图3是本发明实施例公开的应变矢量和的电路图；
图4是本发明实施例公开的应变矢量差的电路图；
图5为本发明实施例公开的应变片组的部署位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种轮轨力轨旁监测方法，如图1所示，包括：
步骤S1、建立不同偏移位置下纯横向载荷、纯垂向载荷的钢轨轨腰两侧应变矢量运算响应。该步骤包括：
1、根据典型的CHN60轨道几何参数与材料参数建立其有限元模型，在模型中，如图2所示，进行加载横向力FL、垂向力FV，建立不同偏移位置下纯横向载荷、纯垂向载荷的钢轨轨腰两侧应变矢量运算响应，根据相应的仿真结果，相同的垂向载荷作用在轨顶不同位置时，轨腰两侧应变和相同，轨腰两侧应变差则与垂向载荷作用在轨顶的位置有关且呈线性关系，构建如下表达式：
Figure BDA0002653603180000031
Figure BDA0002653603180000032
式中aV1为轨腰两侧应变和与垂向载荷间拟合系数，aV2为轨腰两侧应变差与垂向载荷间拟合系数，DV为垂向载荷作用位置距离轨顶中心线的距离，上标(ver)表示垂向载荷，L表示轨腰左边方向，R表示轨腰右边方向。
2、在轨顶作用横向载荷时，根据弯曲效应及相应的仿真结果，轨腰两侧应变和始终为0，轨腰两侧应变差与横向载荷呈线性关系，构建如下表达式：
Figure BDA0002653603180000033
Figure BDA0002653603180000034
式中aL、bL为轨腰两侧应变差与横向载荷间拟合系数，DL表示横向载荷作用位置距轨顶距离，上标(lat)表示横向载荷。
步骤S2、基于实际轨道产生应变由横向和垂向载荷共同叠加引起，构建基于三点轨腰断面、四组应变矢量解算的轮轨载荷作用力大小与空间作用位置关系的方程组。
在该步骤中，根据叠加原理，耦合载荷作用下的应变矢量和差(即应变矢量和及应变矢量差的简称)可以用如下公式计算，其中上标(m)表示测量应变：
Figure BDA0002653603180000035
Figure BDA0002653603180000036
为了获得包括横向荷载大小(FL)和位置(DL)，垂直荷载大小(FV)和位置(DV)四个未知量，因此需要另外选取获得两个方程进行求解，根据仿真结果选取三处灵敏度与线性度最佳的位置，构建如下方程：
Figure BDA0002653603180000041
Figure BDA0002653603180000042
Figure BDA0002653603180000043
Figure BDA0002653603180000044
通过耦合计算，得到关于横向荷载大小(FL)和位置(DL)，垂直荷载大小(FV)和位置(DV)的方程如下：
Figure BDA0002653603180000045
其中：
Figure BDA0002653603180000046
步骤S3、在轨旁两侧确定三点轨腰断面并分别部署相应的四组应变片组，将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入上述步骤S2的方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系；其中，至少一组应变片组采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差。
在该步骤中，应变片组采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差的组网关系详见图3和图4；图中,ε1L(X)表示为第X应变片组位于左边的第一片应变片，同理，ε2R(X)则表示为第X应变片组位于右边的第二片应变片；其原理为：环境温度及轮轨荷载作用力的共同作用会引起应变片变形及电阻变化，从而通过检测端电压的变化即可计算得到当前环境所处的应变矢量和及应变矢量差。优选的，如图5所示，所确定的三点轨腰断面及相应的四组应变片组的部署位置具体为：第一应变片组与第二应变片组被水平对称布置于轨腰横截面中心点上方；第三应变片组安装于轨腰横截面中心点两侧；第四应变片组安装于轨腰横截面中心点下方两侧；所述第一、第二应变片组到第三应变片组的距离与第四应变片组到第三应变片组的距离相等。如图5中，包括1个应变矢量和与3个应变矢量差用于求解步骤S2中的方程组，在采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差的应变片组中，每个全桥电路均由四个应变片组成并对称分布于轨腰横截面中心点两侧，各应变片互成90°粘贴于轨腰表面处。
在该步骤S3中，所述将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入上述步骤S2的方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系具体包括：
S31、通过组装高精度轮辐式负荷传感器，利用握轨加载试验机对轨道施加横向作用力与垂向作用力，根据B19S称重显示器分别施加至不同规定数值；通过仿真模拟加载不同偏移下不同大小的纯横向载荷、纯垂向载荷，观察四组应变仪矢量读数，计算出四组应变矢量和差对应关系。
S32、通过四组应变矢量和差对应关系，计算应变矢量和差与轮轨横向作用力、垂直作用力之间的对应关系。
S33、通过应变矢量和差与轮轨横向作用力、垂直作用力之间的对应关系，计算轮轨力与作用位置对应关系。
进一步的，本实施例方法还包括：
步骤S4、将所述步骤S3计算得出的轮轨力与作用位置之间的对应关系与实际测量关系进行比较，根据比较结果对所计算出的轮轨力与作用位置之间的对应关系进行修正。
实施例2
与上述实施例1相对应的，本实施例公开一种轮轨力轨旁监测系统，包括：
数值仿真子系统，用于建立不同偏移位置下纯横向载荷、纯垂向载荷的钢轨轨腰两侧应变矢量运算响应；具体包括：相同的垂向载荷作用在轨顶不同位置时，轨腰两侧应变矢量和相同，轨腰两侧应变矢量差则与垂向载荷作用在轨顶的位置有关且呈线性关系；在轨顶作用横向载荷时，轨腰两侧应变矢量和始终为0，轨腰两侧应变矢量差与横向载荷呈线性关系。
测量子系统，用于在轨旁两侧确定三点轨腰断面并分别部署相应的四组应变片组以通过仿真模拟加载不同偏移下不同大小的纯横向载荷、纯垂向载荷，观察四组应变仪矢量读数，计算出四组应变矢量和差对应关系，其中，至少一组应变片组采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差。
计算子系统，用于基于实际轨道产生应变由横向和垂向载荷共同叠加引起，构建基于三点轨腰断面、四组应变矢量解算的轮轨载荷作用力大小与空间作用位置关系的方程组，将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入该方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系。
优选地，本实施例所确定的三点轨腰断面及相应的四组应变片组的部署位置具体为：第一应变片组与第二应变片组被水平对称布置于轨腰横截面中心点上方；第三应变片组安装于轨腰横截面中心点两侧；第四应变片组安装于轨腰横截面中心点下方两侧；所述第一、第二应变片组到第三应变片组的距离与第四应变片组到第三应变片组的距离相等。其中，在采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差的应变片组中，每个全桥电路均由四个应变片组成并对称分布于轨腰横截面中心点两侧，各应变片互成90°粘贴于轨腰表面处。
进一步的，本实施例所述计算子系统还用于将计算得出的轮轨力与作用位置之间的对应关系与实际测量关系进行比较，根据比较结果对所计算出的轮轨力与作用位置之间的对应关系进行修正。
综上，本实施例公开的轮轨力轨旁监测方法及系统，至少具有以下有益效果：
利用握轨加载试验机等设备随机在轨顶施加横向载荷与垂向载荷，记录横向载荷大小、位置及垂向载荷大小、位置，与本发明所得结果十分吻合，从而验证了本发明方法的有效性。而且，本发明首创性的采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差，通过布置应变片去间接测量并解耦出轮轨力空间作用位置，极大提高了数据处理的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轮轨力轨旁监测方法，其特征在于，包括：
步骤S1、建立不同偏移位置下纯横向载荷、纯垂向载荷的钢轨轨腰两侧应变矢量运算响应；具体包括：
S11、相同的垂向载荷作用在轨顶不同位置时，轨腰两侧应变矢量和相同，轨腰两侧应变矢量差则与垂向载荷作用在轨顶的位置有关且呈线性关系；
S12、在轨顶作用横向载荷时，轨腰两侧应变矢量和始终为0，轨腰两侧应变矢量差与横向载荷呈线性关系；
步骤S2、基于实际轨道产生应变由横向和垂向载荷共同叠加引起，构建基于三点轨腰断面、四组应变矢量解算的轮轨载荷作用力大小与空间作用位置关系的方程组；
步骤S3、在轨旁两侧确定三点轨腰断面并分别部署相应的四组应变片组，将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入上述步骤S2的方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系；其中，至少一组应变片组采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差。
2.根据权利要求1所述的轮轨力轨旁监测方法，其特征在于，所确定的三点轨腰断面及相应的四组应变片组的部署位置具体为：
第一应变片组与第二应变片组被水平对称布置于轨腰横截面中心点上方；
第三应变片组安装于轨腰横截面中心点两侧；
第四应变片组安装于轨腰横截面中心点下方两侧；
所述第一、第二应变片组到第三应变片组的距离与第四应变片组到第三应变片组的距离相等。
3.根据权利要求1或2所述的轮轨力轨旁监测方法，其特征在于，所述将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入上述步骤S2的方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系具体包括：
通过组装高精度轮辐式负荷传感器，利用握轨加载试验机对轨道施加横向作用力与垂向作用力，根据B19S称重显示器分别施加至不同规定数值；通过仿真模拟加载不同偏移下不同大小的纯横向载荷、纯垂向载荷，观察四组应变仪矢量读数，计算出四组应变矢量和差对应关系；
通过四组应变矢量和差对应关系，计算应变矢量和差与轮轨横向作用力、垂直作用力之间的对应关系；
通过应变矢量和差与轮轨横向作用力、垂直作用力之间的对应关系，计算轮轨力与作用位置对应关系。
4.根据权利要求1或2所述的轮轨力轨旁监测方法，其特征在于，在采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差的应变片组中，每个全桥电路均由四个应变片组成并对称分布于轨腰横截面中心点两侧，各应变片互成90°粘贴于轨腰表面处。
5.根据权利要求3所述的轮轨力轨旁监测方法，其特征在于，在采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差的应变片组中，每个全桥电路均由四个应变片组成并对称分布于轨腰横截面中心点两侧，各应变片互成90°粘贴于轨腰表面处。
6.根据权利要求5所述的轮轨力轨旁监测方法，其特征在于，还包括：
步骤S4、将所述步骤S3计算得出的轮轨力与作用位置之间的对应关系与实际测量关系进行比较，根据比较结果对所计算出的轮轨力与作用位置之间的对应关系进行修正。
7.一种轮轨力轨旁监测系统，其特征在于，包括：
数值仿真子系统，用于建立不同偏移位置下纯横向载荷、纯垂向载荷的钢轨轨腰两侧应变矢量运算响应；具体包括：相同的垂向载荷作用在轨顶不同位置时，轨腰两侧应变矢量和相同，轨腰两侧应变矢量差则与垂向载荷作用在轨顶的位置有关且呈线性关系；在轨顶作用横向载荷时，轨腰两侧应变矢量和始终为0，轨腰两侧应变矢量差与横向载荷呈线性关系；
测量子系统，用于在轨旁两侧确定三点轨腰断面并分别部署相应的四组应变片组以通过仿真模拟加载不同偏移下不同大小的纯横向载荷、纯垂向载荷，观察四组应变仪矢量读数，计算出四组应变矢量和差对应关系，其中，至少一组应变片组采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差；
计算子系统，用于基于实际轨道产生应变由横向和垂向载荷共同叠加引起，构建基于三点轨腰断面、四组应变矢量解算的轮轨载荷作用力大小与空间作用位置关系的方程组，将四组应变片组已知的位置参数、所施加的轮轨载荷作用力参数、以及根据相对应测量值所得出的各组应变片组所得出的应变矢量和差代入该方程组中求解轮轨力与作用位置之间的对应关系。
8.根据权利要求7所述的轮轨力轨旁监测系统，其特征在于，所确定的三点轨腰断面及相应的四组应变片组的部署位置具体为：
第一应变片组与第二应变片组被水平对称布置于轨腰横截面中心点上方；
第三应变片组安装于轨腰横截面中心点两侧；
第四应变片组安装于轨腰横截面中心点下方两侧；
所述第一、第二应变片组到第三应变片组的距离与第四应变片组到第三应变片组的距离相等。
9.根据权利要求8所述的轮轨力轨旁监测系统，其特征在于，在采用全桥惠斯通电路求解应变矢量和或应变矢量差的应变片组中，每个全桥电路均由四个应变片组成并对称分布于轨腰横截面中心点两侧，各应变片互成90°粘贴于轨腰表面处。
10.根据权利要求7至9任一所述的轮轨力轨旁监测系统，其特征在于，所述计算子系统还用于将计算得出的轮轨力与作用位置之间的对应关系与实际测量关系进行比较，根据比较结果对所计算出的轮轨力与作用位置之间的对应关系进行修正。
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