CN112945436A - 一种列车横向轮轨力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及列车的安全监测技术领域，公开了一种列车横向轮轨力测量装置及测量方法，该测量装置包括：供电模块、测量模块和处理单元，供电模块分别与测量模块和处理单元连接以对测量模块和处理单元供电，测量模块和处理单元连接；其中，测量模块包括全桥应变电路、角位移传感器、模数转换器、以及控制器，全桥应变电路设置于待测列车的空心车轴内。这样，可以解决现有的无法实现实时连续测量列车的轮轨力的问题。

Description

一种列车横向轮轨力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及列车的安全监测技术领域，尤其涉及一种列车横向轮轨力测量装置及测量方法。

背景技术

铁路运输不断向高速、重载、大运量、高密度的方向发展，在实际情况中，列车的安全事故不断发生。而横向轮轨力是衡量车辆运行品质和车辆运行安全性的重要依据。现有的横向轮轨力测量方式主要是地面测试方式，该测试方式一部分采用在定制轮对上安装应变片的方法测量列车轮轨力，这样，使得对应的装置的使用寿命深受轮对磨耗的影响，无法实现实时连续测量列车的轮轨力。

发明内容

本发明提供了一种列车横向轮轨力测量装置及测量方法，以解决现有的无法实现实时连续测量列车的轮轨力的问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种列车横向轮轨力测量装置，应用于包括空心车轴的列车，包括：供电模块、测量模块和处理单元，所述供电模块与所述测量模块连接以对所述测量模块供电，所述测量模块和所述处理单元连接；

其中，所述测量模块包括全桥应变电路、角位移传感器、模数转换器、以及控制器，所述全桥应变电路设置于待测列车的空心车轴内，所述全桥应变电路用于获取所述待测列车的应变值，所述角位移传感器的一端设置于所述空心车轴内，所述角位移传感器的另一端设置于所述空心车轴的轴箱盖上，所述角位移传感器用于获取所述待测列车的车轴相位，所述全桥应变电路的输出端和所述角位移传感器的输出端均与模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述控制器连接，所述控制器用于将所述应变值和所述车轴相位发送至所述处理单元，所述处理单元用于根据所述应变值和所述车轴相位确定所述待测列车的轨力值。

可选地，所述全桥应变电路和所述模数转换器之间还设有信号放大器，所述信号放大器的输入端分别与所述全桥应变电路的输出端和所述角位移传感器的输出端连接，所述信号放大器的输出端与模数转换器的输入端连接。

可选地，所述供电模块包括发电机、稳压器以及全桥整流器，所述发电机的输出端与所述稳压器的输入端连接，所述稳压器的输出端与所述全桥整流器的输入端连接，所述全桥整流器的输出端与所述供电模块连接。

可选地，所述供电模块还包括蓄电池，所述蓄电池的输入端与所述全桥整流器的输出端连接，所述蓄电池的输出端与所述测量模块连接。

可选地，还包括蓝牙通讯器和接收天线，所述蓝牙通讯器与所述控制器连接，所述接收天线与所述处理单元连接，所述蓝牙通讯器和所述接收天线无线连接。

可选地，还包括第一固定装置、第二固定装置以及第三固定装置，所述第一固定装置与所述发电机连接用于固定所述发电机，所述第二固定装置与所述角位移传感器连接用于固定所述角位移传感器，所述第三固定装置设置于所述待测列车的空心车轴内，且与所述蓝牙通讯器连接，用于固定所述蓝牙通讯器。

第二方面，本发明还提供一种列车横向轮轨力测量方法，应用于上述第一方面所述的列车横向轮轨力测量装置，包括：

获取待测列车的空心车轴内的应变值和车轴相位；

根据所述应变值和车轴相位确定所述待测列车的轨力值。

可选地，所述确定所述待测列车的轨力值的计算公式为：

式中，ε₀为应变幅值、k_a为斜率值、k_d为斜率值、b_a为截距值、b_d为截距值、b₀和c₀均为常数，K₀为系数，U₀为全桥应变电路的输出电压，θ为车轴相位。

有益效果：

本发明提供了一种列车横向轮轨力测量装置及测量方法，包括：供电模块、测量模块和处理单元，供电模块分别与测量模块和处理单元连接以对测量模块和处理单元供电，测量模块和处理单元连接；其中，测量模块包括全桥应变电路、角位移传感器、模数转换器、以及控制器，全桥应变电路设置于待测列车的空心车轴内，全桥应变电路用于获取待测列车的应变值，角位移传感器的一端设置于空心车轴内，角位移传感器的另一端设置于空心车轴的轴箱盖上，角位移传感器用于获取待测列车的车轴相位，所述全桥应变电路的输出端和所述角位移传感器的输出端均与模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述控制器连接，所述控制器用于将所述应变值和所述车轴相位发送至所述处理单元，所述处理单元用于根据所述应变值和所述车轴相位确定所述待测列车的轨力值。这样，可以解决现有的无法实现实时连续测量列车的轮轨力的问题。

附图说明

图1为本发明优选实施例的列车横向轮轨力测量装置的结构示意图；

图2为本发明优选实施例的全桥应变电路的电路图；

图3为本发明优选实施例的应变片的安装情况示意图；

图4为本发明优选实施例的某截面在某载荷下的横向应变与车轴相位之间的关系的拟合函数图；

图5为本发明优选实施例的应变与相位的拟合函数的参数与横向力的关系示意图；

其中：(a)为参数a_ε与横向力的关系变化图；

(b)为参数b_ε与横向力的关系变化图；

(c)为参数c_ε与横向力的关系变化图；

(d)为参数d_ε与横向力的关系变化图。

附图标记：

1、空心车轴，2、全桥应变电路，3、圆筒体，4、蓄电池，5、磁感应发电机转子，6、磁感应发电机定子，7、磁感应发电机支座，8、全桥整流器，9、稳压器，10、轴箱，11、空心轴箱端盖，12、角位移传感器支座，13、角位移传感器，14、接收天线，15、蓝牙通讯器，16、控制器，17、信号放大器，18、模数转换器，19、USB数据接口，20、处理单元。

具体实施方式

下面对本发明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作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。

如图1所示，本发明提供了一种列车横向轮轨力测量装置，应用于包括空心车轴1的列车，包括：供电模块、测量模块和处理单元20，供电模块与测量模块连接以对测量模块供电，测量模块和处理单元20连接；

其中，测量模块包括全桥应变电路2、角位移传感器13、模数转换器18、以及控制器16，全桥应变电路2设置于待测列车的空心车轴1内，全桥应变电路2用于获取待测列车的应变值，角位移传感器13的一端设置于空心车轴1内，角位移传感器13的另一端设置于空心车轴1的轴箱10盖上，角位移传感器13用于获取待测列车的车轴相位，全桥应变电路2的输出端和角位移传感器13的输出端均与模数转换器18的输入端连接，模数转换器18的输出端与控制器16连接，控制器16用于将应变值和车轴相位发送至处理单元20，处理单元20用于根据应变值和车轴相位确定待测列车的轨力值。

需要说明的是，在实际中，全桥应变电路获取的应变值实际上是模拟量的应变信息，全桥应变电路将该应变信息经过模数转换器转换后发送至处理单元，由处理单元确定具体的应变值，同理，角位移传感器获取的待测列车的车轴相位实际为模拟量的车轴相位信息，角位移传感器将该模拟量的车轴相位信息经过模数转换器转换后发送至处理单元，由处理单元确定具体的相位的值。此处，涉及信息的模拟量和数字量，其转换过程为现有技术，不做赘述。

在该实施方式中，如图2-图3所示，全桥应变电路2包括4个应变片，分别为应变片1、应变片2、应变片3、应变片4，在一个可行的实施方式中，将4个应变片粘贴设置在空心车轴1内的应变片的位置以及组桥方案可以是，应变片1粘贴在空心车轴1垂向正方向内径壁，测量车轴横向方向上的应变；应变片3粘贴在空心车轴1垂向负方向内径壁，测量车轴横向方向上的应变；应变片2粘贴在空心车轴1纵向正方向内径壁，测量车轴横向方向上的应变；应变片4粘贴在空心车轴1纵向负方向内径壁，测量车轴横向方向上的应变。这样，应变片1与应变片3或者应变片2与应变片4抵消了垂向载荷导致的弯矩产生的应变，提高了横向力测量的精度。可以将全桥应变电路2输出的电压进行数据处理，以获取待测列车的应变值。

上述的列车横向轮轨力测量装置，通过将应变片粘贴设置在待测列车的空心车轴1内，以此获取待测列车的应变值，可以实时监测列车的应变值，实现实时测量。此外，将角位移传感器13的一端设置于所述空心车轴1内，角位移传感器13的另一端设置于空心车轴1的轴箱10盖上，可以更准确地获取待测列车的车轴相位。

可选地，全桥应变电路2和模数转换器18之间还设有信号放大器17，所述信号放大器17的输入端分别与所述全桥应变电路2的输出端和所述角位移传感器13的输出端连接，所述信号放大器17的输出端与模数转换器18的输入端连接。

可选地，供电模块包括发电机、稳压器9以及全桥整流器8，发电机的输出端与稳压器9的输入端连接，稳压器9的输出端与全桥整流器8的输入端连接，全桥整流器8的输出端与供电模块连接。

在该实施方式中，发电机可以是磁感应发电机，此处仅作示例，不做限定，可变换地，在其他可行的实施方式中，还可以采用其他类型的发电机，但不论其作何变换，都在本申请实施方式保护的范围之内。

具体而言，磁感应发电机输出端经过车轴的钻孔与稳压器9连接，稳压器9与全桥整流器8连接，需要说明是，磁感应发电机的输出电是交流电，因此，设置稳压器9和全桥整流器8将交流电转换为稳定的直流电，可以保证整个测量装置的供电的稳定性和鲁棒性。

可选地，供电模块还包括蓄电池4，蓄电池4的输入端与所述全桥整流器8的输出端连接，蓄电池4的输出端与测量模块连接。

在该实施方式中，由蓄电池4恒压输出提供电能输入，可以在发电机不能正常发电的情况下对整个装置进行正常供电，进一步保证了装置的供电稳定性，此外，解决了测力轮对采用外部电源时需设计特殊供电线装置，降低了测量装置的制作成本。

可选地，还包括蓝牙通讯器15和接收天线14，蓝牙通讯器15与所述控制器16连接，接收天线14与处理单元20连接，蓝牙通讯器15和接收天线14无线连接。

在该实施方式中，控制器16与蓝牙通讯器15连接，蓝牙通讯器15与接收天线14连接。接收天线14通过空心轴箱10盖伸出，可以保障信号稳定。此外，蓝牙通讯器15与接收天线14具有待机功能，在中断使用时，可以在不拆卸的情况下使控制器16处于休眠状态，最大限量的节省电量。解决了采用有线测量过程中，车轴工作状态下处于高速运动中，必须设计特殊连接线装置将信号线导出，导线容易折损，进而使得测量失效的问题。

可变换地，在其他可行的实施方式中，还可以通过USB数据接口19连接蓝牙通讯器15和处理单元20。此处仅做示例，不做限定。

可选地，还包括第一固定装置、第二固定装置以及第三固定装置，第一固定装置与发电机连接用于固定发电机，第二固定装置与角位移传感器13连接用于固定角位移传感器13，第三固定装置设置于待测列车的空心车轴1内，且与蓝牙通讯器15连接，用于固定蓝牙通讯器15。

在一个可行的实施方式中，第一固定装置可以是磁感应发电机支座7，第二固定装置可以是角位移传感器支座12，第三固定装置可以是圆筒体3。具体地，将磁感应发电机定子6与列车转向架或车体底部用磁感应发电机支座7固定连接，将磁感应发电机转子5固定在车轴上，角位移传感器13一端通过角位移传感器支座12固定在空心车轴1内，一端固定在空心轴箱10盖上，圆筒体3固定在空心车轴1内，并且将圆筒体3及各用电部件进行短路保护与接地处理，这样，可以使得测量装置的各器件更加稳定。此外，通过第一固定装置、第二固定装置以及第三固定装置将各器件放置于列车的内部，拥有防水防溅石防风防光氧化等问题，降低了设备的故障率。

可变换地，在其他可行的实施方式中，还可以设置螺栓螺钉和设置于轴箱10的之上的空心轴箱端盖11。

需要说明的是，处理单元20还可以根据列车当前的工作频率，产生相应的指令，将该指令发送至控制器16，由控制器16调整蓝牙通讯器15的波特率等通讯参数，以适应列车在不同的工况下测量要求。

本申请实施方式还提供一种列车横向轮轨力测量方法，应用于上述实施方式所述的列车横向轮轨力测量装置，包括：

获取待测列车的空心车轴1内的应变值和车轴相位；

根据所述应变值和车轴相位确定所述待测列车的轨力值。

具体地，轮轨横向力作用在车轮上传递到车轴上，粘贴在车轴内径壁上的应变片会产生应变，应变片产生应变后会改变电阻值，进而改变输出电压U_o。

公式(1)中，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别为应变片1、应变片2、应变片3、应变片4的应变值,v为材料泊松比，K表示比例系数，可以根据标定实验确定，E_I表示全桥应变电路的输入电压。需要说明的是，本实施方式中，标定实验是指给定一定的应变值进行实验，从而获取对应的比例系数或者计算轨力值需要的其他常数。具体实验可由工作人员根据工作经验确定，此处，不做赘述。

所以，桥路输出电压满足公式(2)的形式。

因此，测量输出电压即可得到某应变片处的应变值，公式如下：

ε＝K₀U₀； (3)

式中，K₀表示应变值与输出电压的关系式系数,ε为全桥应变电路2中其中一个应变片输出得到的应变。

如图4所示，为经过有限元仿真的空心车轴1某截面在某载荷下的横向应变与车轴相位之间的关系的拟合函数图，可表达为下式形式：

ε＝[a_ε·cos(b_ε·θ+c_ε)+d_ε]·ε₀； (4)

公式(4)中ε为全桥应变电路2中其中一个应变片输出得到的应变，a_ε、b_ε、c_ε、d_ε均为拟合函数系数，ε₀为应变幅值，θ为车轴相位，由角位移传感器13采集。

如图5所示，为应变与相位的拟合函数的参数与横向力的关系示意图，其中，(a)是参数a_ε与横向力的关系变化图，(b)是参数b_ε与横向力的关系变化图，(c)是参数c_ε与横向力的关系变化图，(d)是参数d_ε与横向力的关系变化图，可知，参数a_ε、b_ε、c_ε、d_ε随着横向力的变化满足以下关系：

式中，F为轮轨横向力，k_a为斜率值,b_a为截距值,b₀、c₀均为常数,k_d为斜率值,b_d为截距值。

联立式(4)与式(5)得：

ε＝[(k_a*F+b_a)·cos(b₀·θ+c₀)+(k_d*F+b_d)]·ε₀； (6)

由式(3)与式得到横向力与应变的关系式如下

式中，ε₀为应变幅值、k_a为斜率值、k_d为斜率值、b_a为截距值、b_d为截距值、b₀和c₀均为常数，K₀为系数，U₀为全桥应变电路的输出电压，θ为车轴相位。

通过标定实验即可确定公式(4)中参数ε₀、k_a、k_d、b_a、b_d、b₀、c₀。采用本实施方式的方法将桥路采集的输出电压信号处理后代入公式(7)即可获取列车行驶过程中轮轨横向力。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种列车横向轮轨力测量装置，应用于包括空心车轴的列车，其特征在于，包括：供电模块、测量模块和处理单元，所述供电模块与所述测量模块连接以对所述测量模块供电，所述测量模块和所述处理单元连接；

其中，所述测量模块包括全桥应变电路、角位移传感器、模数转换器、以及控制器，所述全桥应变电路设置于待测列车的空心车轴内，所述全桥应变电路用于获取所述待测列车的应变值，所述角位移传感器的一端设置于所述空心车轴内，所述角位移传感器的另一端设置于所述空心车轴的轴箱盖上，所述角位移传感器用于获取所述待测列车的车轴相位，所述全桥应变电路的输出端和所述角位移传感器的输出端均与模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述控制器连接，所述控制器用于将所述应变值和所述车轴相位发送至所述处理单元，所述处理单元用于根据所述应变值和所述车轴相位确定所述待测列车的轨力值。

2.根据权利要求1所述的列车横向轮轨力测量装置，其特征在于，所述全桥应变电路和所述模数转换器之间还设有信号放大器，所述信号放大器的输入端分别与所述全桥应变电路的输出端和所述角位移传感器的输出端连接，所述信号放大器的输出端与模数转换器的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的列车横向轮轨力测量装置，其特征在于，所述供电模块包括发电机、稳压器以及全桥整流器，所述发电机的输出端与所述稳压器的输入端连接，所述稳压器的输出端与所述全桥整流器的输入端连接，所述全桥整流器的输出端与所述供电模块连接。

4.根据权利要求3所述的列车横向轮轨力测量装置，其特征在于，所述供电模块还包括蓄电池，所述蓄电池的输入端与所述全桥整流器的输出端连接，所述蓄电池的输出端与所述测量模块连接。

5.根据权利要求3所述的列车横向轮轨力测量装置，其特征在于，还包括蓝牙通讯器和接收天线，所述蓝牙通讯器与所述控制器连接，所述接收天线与所述处理单元连接，所述蓝牙通讯器和所述接收天线无线连接。

6.根据权利要求5所述的列车横向轮轨力测量装置，其特征在于，还包括第一固定装置、第二固定装置以及第三固定装置，所述第一固定装置与所述发电机连接用于固定所述发电机，所述第二固定装置与所述角位移传感器连接用于固定所述角位移传感器，所述第三固定装置设置于所述待测列车的空心车轴内，且与所述蓝牙通讯器连接，用于固定所述蓝牙通讯器。

7.一种列车横向轮轨力测量方法，应用于上述权利要求1-6中任一项所述的列车横向轮轨力测量装置，其特征在于，包括：

获取待测列车的空心车轴内的应变值和车轴相位；

根据所述应变值和车轴相位确定所述待测列车的轨力值。

8.根据权利要求7所述的列车横向轮轨力测量方法，其特征在于，所述确定所述待测列车的轨力值的计算公式为：

式中，ε₀为应变幅值、k_a为斜率值、k_d为斜率值、b_a为截距值、b_d为截距值、b₀和c₀均为常数，K₀为系数，U₀为全桥应变电路的输出电压，θ为车轴相位。

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