輪軌作用力和接觸點(diǎn)位置在線(xiàn)測(cè)量理論研究.pdf

1、輪軌作用力的測(cè)量對(duì)于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、脫軌機(jī)理、輪軌接觸理論研究和列車(chē)的安全檢測(cè)都具有十分重要的意義。鐵路運(yùn)輸不斷向高速、重載、大運(yùn)量和高密度方向發(fā)展，對(duì)輪軌作用力測(cè)量的精度和速度提出了更高的要求。測(cè)力輪對(duì)方法是目前最直接、最準(zhǔn)確的輪軌力測(cè)量技術(shù)，它以車(chē)輪作為輪軌力的檢測(cè)傳感器，通過(guò)測(cè)量車(chē)輪輻板有限點(diǎn)處的應(yīng)變實(shí)現(xiàn)輪軌接觸力的連續(xù)檢測(cè)。車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輪受到軌道不平順作用，輪軌作用力是時(shí)變、非平穩(wěn)的，輪軌力引起的輻板應(yīng)變又被車(chē)輪轉(zhuǎn)角所調(diào)制。測(cè)

2、力輪對(duì)測(cè)量精度受到車(chē)輪均勻性、貼片工藝、車(chē)輪轉(zhuǎn)速、輪軌力作用點(diǎn)位置變化和外界干擾的影響，測(cè)力輪對(duì)技術(shù)在測(cè)量理論和數(shù)據(jù)處理方法上都需要進(jìn)一步研究。 論文在回顧了測(cè)力輪對(duì)的發(fā)展歷程和國(guó)內(nèi)外測(cè)力輪對(duì)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了輪軌載荷作用下輪對(duì)輻板的應(yīng)力分布，提出了消除車(chē)輪旋轉(zhuǎn)影響的測(cè)力輪對(duì)測(cè)量方法，研究了輪軌力作用點(diǎn)位置對(duì)測(cè)量精度的影響和測(cè)力輪對(duì)數(shù)據(jù)處理方法，其內(nèi)容與成果如下： 1、提出輪軌力測(cè)量模型測(cè)力輪對(duì)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)

3、展，在車(chē)輛動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中得到廣泛使用，但在輪軌力連續(xù)測(cè)量中仍存在很多問(wèn)題。目前的連續(xù)測(cè)力輪對(duì)技術(shù)要求輪軌橫向力、垂向力產(chǎn)生的輻板應(yīng)變組橋后沿圓周方向按正、余弦分布，這不僅對(duì)輪對(duì)的均勻性和貼片工藝提出了很高的要求，實(shí)際上在輪對(duì)輻板大部分區(qū)域是根本做不到，電橋輸出中包含的高次諧波可能帶來(lái)很大的測(cè)量誤差。測(cè)力輪對(duì)存在的另一個(gè)問(wèn)題是沒(méi)有考慮輪軌作用點(diǎn)位置變化對(duì)測(cè)量精度的影響。車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中，輪對(duì)與軌道的接觸點(diǎn)在滾動(dòng)圓附近不停變化，尤其是在過(guò)曲線(xiàn)

4、、道岔和蛇形運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)位置遠(yuǎn)離滾動(dòng)圓。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的測(cè)力輪對(duì)都沒(méi)有考慮接觸點(diǎn)位置變化，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理都假設(shè)接觸點(diǎn)在滾動(dòng)圓上，測(cè)量結(jié)果誤差較大。 論文在有限元分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了輪對(duì)輻板應(yīng)變?cè)跈M向力、垂向力和作用點(diǎn)位置變化產(chǎn)生的彎矩作用下的分布規(guī)律，采用同一半徑上多個(gè)應(yīng)變片組合消除高次諧波，研究了需要消除的諧波分量階次與電橋的數(shù)量、各電橋相位差之間的關(guān)系，為提高測(cè)力輪對(duì)測(cè)量精度提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，建立輪對(duì)輻板應(yīng)變與

5、輪軌作用力、作用點(diǎn)位置的非線(xiàn)性方程組。 論文研究了測(cè)量模型非線(xiàn)性方程組的直接求解方法。非線(xiàn)性方程組一般沒(méi)有解析解，通常采用迭代數(shù)值方法求解。迭代解法需要選擇初值，初值不僅影響計(jì)算速度，同時(shí)影響計(jì)算精度，甚至導(dǎo)致計(jì)算不收斂，誤差分析也比較困難。論文對(duì)非線(xiàn)性方程組進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，推導(dǎo)出方程組的解析解。 論文還研究了將非線(xiàn)性方程組簡(jiǎn)化為線(xiàn)性方程組的方法。使用主分量分析，得到各載荷單獨(dú)作用時(shí)輻板應(yīng)變信號(hào)的子空間，將測(cè)量信號(hào)投影到各

6、個(gè)子空間從而建立線(xiàn)性方程組?？梢岳镁€(xiàn)性方程組解的穩(wěn)定性理論選擇合理的貼片位置，減少應(yīng)變測(cè)量誤差對(duì)輪軌力計(jì)算值的影響。 針對(duì)實(shí)際輪對(duì)均勻性和貼片位置達(dá)不到測(cè)力輪對(duì)要求的情況，論文提出了新的解決方法。通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)得到轉(zhuǎn)角、作用點(diǎn)位置與對(duì)應(yīng)的橫向力、垂向力作用系數(shù)的數(shù)表，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合輻板應(yīng)變和車(chē)輪轉(zhuǎn)角間的非線(xiàn)性關(guān)系，采用遺傳算法獲得最佳的作用點(diǎn)位置和電橋直流偏置，對(duì)每個(gè)電橋建立輻板應(yīng)變與輪軌力間的線(xiàn)性方程組。這種方法可以有效地降

7、低測(cè)力輪對(duì)的開(kāi)發(fā)成本和研制時(shí)間。 2、提出輪軌作用點(diǎn)位置在線(xiàn)測(cè)量方法輪軌作用點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)，垂向力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩，在輪對(duì)輻板產(chǎn)生附加應(yīng)變，這一直被作為測(cè)力輪對(duì)的一個(gè)誤差源對(duì)待。與橫向力、垂向力在輻板上產(chǎn)生的應(yīng)變相比，附加彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變比較微弱，論文提出的輪軌力測(cè)量方案，不僅提高了橫向力和垂向力的測(cè)量精度，而且可以檢測(cè)輪軌作用點(diǎn)位置。 3、分析車(chē)輪輻板應(yīng)變的時(shí)頻特性輪軌力雖然是非平穩(wěn)信號(hào)，但在很短的時(shí)間內(nèi)可以看成平穩(wěn)