CN113532891A - 轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法 - Google Patents

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杜运和
徐劲力
黄丰云
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Abstract

本发明公开了一种轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，包括以下步骤：将两个列车车轮通过胀紧套装在列车轮轴上；将两个全空心轴增量式编码器安装固定在列车轮轴两端，并且把编码器连接到DSP采集板上；启动开关，轮轴转动，通过DSP采集板采集两个编码器输出的脉冲信号；DSP采集板从两个编码器测得的脉冲信号中取Δn个信号变化次数的脉冲信号，并统计两个编码器的脉冲信号经过Δn次变化所经历的时间，计算两个车轮的转速、角位移、扭转角速度和扭矩。本发明可以同时测量列车轮轴两端的转速、扭振和扭矩数据。

Description

轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法
技术领域
本发明涉及轮轴检测领域，尤其涉及一种轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法。
背景技术
现阶段，我国及世界的轨道交通发展迅速，就铁路轨道交通而言，自2008年以来，政府加大了对铁路建设的投资，促进了铁路制造业的蓬勃发展。然而，列车在以一定的转速运行时轮轴会产生一定的扭矩和扭转振动。扭转振动是列车轮轴常见的振动形式之一。当作用在轮轴上的扭矩发生变化时，将使轮轴发生扭振，产生一定的角位移。扭振发生时，轮轴的应力状态周期性地变化，这将引起轮轴本身及轮轴上零件的疲劳，严重时将发生轮轴的断裂，造成重大的、甚至是灾难性的事故。此外，轮轴的扭振和扭矩还使列车的运行平稳性受到破坏，甚至会造成车轮磨损、钢轨波磨等一系列负面问题。
由于列车在以一定的转速运行时，轮轴中普遍存在扭振和扭矩问题，而对扭振和扭矩同步测试和分析又有很大难度，可见准确地测量列车轮轴的转速、扭振和扭矩数据，以便减小这些负面影响显得尤为重要。
发明内容
本发明主要目的在于同时测量列车轮轴两端的转速、扭振和扭矩数据，以便处理和分析轮轴转速、扭振和扭矩对列车轮对的影响。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，包括以下步骤：
将两个列车车轮通过胀紧套装在列车轮轴上；
将两个全空心轴增量式编码器安装固定在列车轮轴两端，并且把编码器连接到DSP采集板上；
启动开关，轮轴转动，通过DSP采集板采集两个编码器输出的脉冲信号；
DSP采集板从两个编码器测得的脉冲信号中取Δn个信号变化次数的脉冲信号，并统计两个编码器的脉冲信号经过Δn次变化所经历的时间，计算两个车轮的转速；
DSP采集板根据两个编码器各自脉冲信号的总个数以及相应编码器的角度测量精度计算两个编码器的角位移；
DSP采集板根据两个角位移计算得到轮轴的扭转角，根据扭转角计算轮轴两端的扭转角速度和扭矩；
在一定时间内，根据轮轴两端的转速数据绘制转速-时间的时域图；根据轮轴两端的扭转角数据绘制扭转角-时间的时域图，再通过傅里叶变换绘制出对应的频谱图，得到轮轴两端扭振的信息；根据轮轴两端扭矩绘制出扭矩-时间的时域图，得到轮轴两端扭矩的信息。
接上述技术方案，调节两车轮之间距离L，多次测量，完成轮轴在不同扭转刚度下的转速、扭振和扭矩测量。
接上述技术方案，若两个编码器所测轮轴的转速为v1、v2，则有：
Figure BDA0003117301630000021
式中，Δn为确定的编码器信号变化次数；Δt1和Δt2分别为两个编码器的信号Δn次变化所经历的时间。
接上述技术方案，已知两个编码器的线数分别为P1、P2，则两个编码器的角度测量精度δθ1、δθ2分别为，
Figure BDA0003117301630000031
结合两个编码器当前各自输出的脉冲信号的总个数n1、n2，则编码器所测的角位移θ1(t)，θ2(t)：
Figure BDA0003117301630000032
接上述技术方案，根据角位移θ1(t)，θ2(t)计算得轮轴的扭转角
Figure BDA0003117301630000033
对轮轴的扭转角
Figure BDA0003117301630000034
进行数值微分得到轮轴两端的扭转角速度
Figure BDA0003117301630000035
Figure BDA0003117301630000036
公式中，Ti和Ti+1分别为编码器采集两个相邻脉冲信号触发的时间。
接上述技术方案，由轮轴的扭转角
Figure BDA0003117301630000037
计算得到轮轴两端的扭矩：
Figure BDA0003117301630000038
公式中，切变模量
Figure BDA0003117301630000039
轮轴横截面的极惯性矩
Figure BDA00031173016300000310
d为轮轴的直径；L为两车轮间轮轴的轴长；由轮对材料得轮对弹性模量E＝206GPa；泊松比ν＝0.3。
接上述技术方案，通过与DSP连接的上位机同步显示采集的数据以及转速-时间的时域图、扭转角-时间的时域图、扭矩-时间的时域图。
本发明还提供了一种轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量装置，包括：
车轮机构，包括轮轴，该轮轴上固定有两个车轮；轮轴两端各固定一个全空心轴增量式编码器；
DSP采集板，与两个编码器连接，用于采集两个编码器输出的脉冲信号；并从两个编码器测得的脉冲信号中取Δn个信号变化次数的脉冲信号，并统计两个编码器的脉冲信号经过Δn次变化所经历的时间，计算两个车轮的转速；根据两个编码器各自脉冲信号的总个数以及相应编码器的角度测量精度计算两个编码器的角位移；并根据两个角位移计算得到轮轴的扭转角，根据扭转角计算轮轴两端的扭转角速度和扭矩。
接上述技术方案，车轮通过胀紧套与轮轴固定。
接上述技术方案，该装置还包括上位机，与DSP采集板连接，用于同步显示DSP采集板采集的数据。
本发明产生的有益效果是：本发明采用两个全空心轴增量式编码器以轴孔配合的方式安装在轮轴两端实现轮轴两端转速、扭振和扭矩的同步测量，避免了轴式编码器或扭矩传感器与被测轴连接联轴器而引起的测量误差。
进一步地，本发明设置了可移动距离以调节两车轮之间距离L，进而完成轮轴在不同扭转刚度下的扭振和扭矩测量；
进一步地，与其他芯片采集相比，DSP芯片具有较高的集成度，比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍。DSP芯片还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，不占用用户任何资源，可以轻易快速地同步记录两轴端转速、扭振和的信息。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的定角位移法测转速原理图；
图3为本发明实施例的轮轴两端转速和角位移信号同步采集实验台结构示意图；
图4为本发明实施例的轮轴扭转角示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量装置包括车轮机构和DSP采集板，其中：
车轮机构10，包括轮轴11，该轮轴11上固定有两个车轮12、13；轮轴两端各固定一个全空心轴增量式编码器14、15；
DSP采集板20，与两个编码器14、15连接，用于采集两个编码器输出的脉冲信号；并从两个编码器测得的脉冲信号中取Δn个信号变化次数的脉冲信号，并统计两个编码器的脉冲信号经过Δn次变化所经历的时间，计算两个车轮的转速；根据两个编码器各自脉冲信号的总个数以及相应编码器的角度测量精度计算两个编码器的角位移；并根据两个角位移计算得到轮轴的扭转角，根据扭转角计算轮轴两端的扭转角速度和扭矩。
在实验之前可通过仿真器40，将CCS6.0软件中编写好的信号采集程序及数据处理程序借助仿真器烧录到DSP采集板20的芯片中，待程序烧录完成之后摘除仿真器及其连接线。然后将两个全空心轴增量式编码器安装固定在列车轮轴两端，并且把两个编码器与上位机连接到DSP采集板上。最后，启动电源开关，进行轮轴两端转速、扭振和扭矩数据采集，在上位机端实现转速、扭振和扭矩图像的同步显示。
具体地，DSP采集板20从两个编码器测得的脉冲信号中取Δn个信号变化次数的脉冲信号，并统计两个编码器的脉冲信号经过Δn次变化所经历的时间，计算两个车轮的转速；
DSP采集板根据两个编码器各自脉冲信号的总个数以及相应编码器的角度测量精度计算两个编码器的角位移；
DSP采集板根据两个角位移计算得到轮轴的扭转角，根据扭转角计算轮轴两端的扭转角速度和扭矩；
在一定时间内，根据轮轴两端的转速数据绘制转速-时间的时域图；根据轮轴两端的扭转角数据绘制扭转角-时间的时域图，再通过傅里叶变换绘制出对应的频谱图，得到轮轴两端扭振的信息；根据轮轴两端扭矩绘制出扭矩-时间的时域图，得到轮轴两端扭矩的信息。
调节两车轮之间距离L，多次测量，完成轮轴在不同扭转刚度下的转速、扭振和扭矩测量。本专利中L的取值范围为100mm。
本发明采用定角位移法测转速，定角位移法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法，其原理如图2所示。在编码器14和编码器15测得的脉冲信号中取Δn个信号变化次数(图2中取Δn＝2)，并定义Δt1和Δt2分别为编码器14、编码器15的脉冲信号经过Δn次变化所经历的时间，且Δt1和Δt2为需要经过测量得到的值。在测出Δt1和Δt2的值后，我们可以由式(1)计算得到编码器14、编码器15所测轴的转速v1、v2分别为，
Figure BDA0003117301630000071
式(1)中，Δn为确定的编码器信号变化次数；Δt1和Δt2分别为编码器1、编码器2的信号Δn次变化所经历的时间，是需要测量的量。
轮轴两端角位移信号采集实验台结构如图3所示，车轮12和车轮13通过胀紧套装在轮轴11上，并设置了100mm的可移动距离以调节两车轮之间距离L，进而完成不同扭转刚度下的扭振和扭矩测量；5000线全空心轴增量式编码器14和编码器15安装在两车轮的外侧以采集转速和角位移信号。开启采集系统后，编码器14和编码器15将电信号传给DSP采集板20，经测量得编码器14、编码器15所测轴段的转速和当前输出脉冲信号总个数分别为v1、v2、n1、n2。
已知编码器14和编码器15的线数分别为P1、P2，则编码器14和编码器15的角度测量精度δθ1、δθ2分别为，
Figure BDA0003117301630000072
结合编码器14、编码器15当前输出的脉冲信号总个数n1、n2，可得图3中两编码器所测的角位移θ1(t)，θ2(t)，
Figure BDA0003117301630000073
进而可以实现轮轴两端转速v1、v2和角位移θ1(t)、θ2(t)的同步采集。在采集过程中，两个5000线增量式编码器在对输出脉冲信号计数时最多存在半个脉冲的计数误差，对应测量到的角位移最大误差为0.036°。
整个轮对以速度V0在轨道上运动时，车轮12和车轮13分别受到摩擦力f1(t)和f2(t)，两车轮之间长度为L的轮轴轴段会产生扭转角
Figure BDA0003117301630000081
和扭转角速度
Figure BDA0003117301630000082
如4所示。由编码器14、编码器15所测的角位移θ1(t)，θ2(t)计算得轮轴的扭转角
Figure BDA0003117301630000083
对轮轴的扭转角
Figure BDA0003117301630000084
进行数值微分可得轮轴两端的扭转角速度
Figure BDA0003117301630000085
Figure BDA0003117301630000086
公式(4)中，Ti和Ti+1分别为编码器采集两个相邻脉冲信号触发的时间。
同时，由轮轴的扭转角
Figure BDA0003117301630000087
计算可得轮轴两端的扭矩，
Figure BDA0003117301630000088
公式(5)中，切变模量
Figure BDA0003117301630000089
轮轴横截面的极惯性矩
Figure BDA00031173016300000810
d为轮轴的直径；L为两车轮间轮轴的轴长；由轮对材料得轮对弹性模量E＝206GPa；泊松比ν＝0.3。
在一定时间t内，采集系统采集轮轴两端的转速数据并绘制v1-t、v2-t时域图；同时，采集轮轴两端的扭转角
Figure BDA00031173016300000811
数据并经过公式(4)计算处理，绘制
Figure BDA00031173016300000812
时域图，再通过傅里叶变换绘制出对应的频谱图，可得到轮轴两端扭振的信息。将采集的扭转角
Figure BDA00031173016300000813
数据带入公式(5)可以得到轮轴两端扭矩的数据并绘制出Tc-t时域图，得到轮轴两端扭矩的信息，进而实现轮轴两端转速、扭振和扭矩的同步测量。DSP采集板20采集的数据和绘制的时域图、频谱图都可以实时在上位机30上显示。
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 (10)

1.一种轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将两个列车车轮通过胀紧套装在列车轮轴上；
将两个全空心轴增量式编码器安装固定在列车轮轴两端，并且把编码器连接到DSP采集板上；
启动开关，轮轴转动，通过DSP采集板采集两个编码器输出的脉冲信号；
DSP采集板从两个编码器测得的脉冲信号中取Δn个信号变化次数的脉冲信号，并统计两个编码器的脉冲信号经过Δn次变化所经历的时间，计算两个车轮的转速；
DSP采集板根据两个编码器各自脉冲信号的总个数以及相应编码器的角度测量精度计算两个编码器的角位移；
DSP采集板根据两个角位移计算得到轮轴的扭转角，根据扭转角计算轮轴两端的扭转角速度和扭矩；
在一定时间内，根据轮轴两端的转速数据绘制转速-时间的时域图；根据轮轴两端的扭转角数据绘制扭转角-时间的时域图，再通过傅里叶变换绘制出对应的频谱图，得到轮轴两端扭振的信息；根据轮轴两端扭矩绘制出扭矩-时间的时域图，得到轮轴两端扭矩的信息。
2.根据权利要求1所述的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，其特征在于，调节两车轮之间距离L，多次测量，完成轮轴在不同扭转刚度下的转速、扭振和扭矩测量。
3.根据权利要求1所述的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，其特征在于，若两个编码器所测轮轴的转速为v1、v2，则有：
Figure FDA0003117301620000021
式中，Δn为确定的编码器信号变化次数；Δt1和Δt2分别为两个编码器的信号Δn次变化所经历的时间。
4.根据权利要求1所述的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，其特征在于，已知两个编码器的线数分别为P1、P2，则两个编码器的角度测量精度δθ1、δθ2分别为，
Figure FDA0003117301620000022
结合两个编码器当前各自输出的脉冲信号的总个数n1、n2，则编码器所测的角位移θ1(t)，θ2(t)：
Figure FDA0003117301620000023
5.根据权利要求4所述的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，其特征在于，根据角位移θ1(t)，θ2(t)计算得轮轴的扭转角
Figure FDA0003117301620000024
对轮轴的扭转角
Figure FDA0003117301620000025
进行数值微分得到轮轴两端的扭转角速度
Figure FDA0003117301620000026
Figure FDA0003117301620000027
公式中，Ti和Ti+1分别为编码器采集两个相邻脉冲信号触发的时间。
6.根据权利要求5所述的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，其特征在于，由轮轴的扭转角
Figure FDA0003117301620000028
计算得到轮轴两端的扭矩：
Figure FDA0003117301620000029
公式中，切变模量
Figure FDA0003117301620000031
轮轴横截面的极惯性矩
Figure FDA0003117301620000032
d为轮轴的直径；L为两车轮间轮轴的轴长；由轮对材料得轮对弹性模量E＝206GPa；泊松比ν＝0.3。
7.根据权利要求1-6所述的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量方法，其特征在于，通过与DSP连接的上位机同步显示采集的数据以及转速-时间的时域图、扭转角-时间的时域图、扭矩-时间的时域图。
8.一种轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量装置，其特征在于，包括：
车轮机构，包括轮轴，该轮轴上固定有两个车轮；轮轴两端各固定一个全空心轴增量式编码器；
DSP采集板，与两个编码器连接，用于采集两个编码器输出的脉冲信号；并从两个编码器测得的脉冲信号中取Δn个信号变化次数的脉冲信号，并统计两个编码器的脉冲信号经过Δn次变化所经历的时间，计算两个车轮的转速；根据两个编码器各自脉冲信号的总个数以及相应编码器的角度测量精度计算两个编码器的角位移；并根据两个角位移计算得到轮轴的扭转角，根据扭转角计算轮轴两端的扭转角速度和扭矩。
9.根据权利要求8所述的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量装置，其特征在于，车轮通过胀紧套与轮轴固定。
10.根据权利要求8所述的轮轴两端的转速、扭振和扭矩信号同步测量装置，其特征在于，该装置还包括上位机，与DSP采集板连接，用于同步显示DSP采集板采集的数据。
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