第３９卷第６期 ２０１１年６月 同济大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ） Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１１ 文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２０１１）０６—０８９５—０６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—３７４ｘ．２０１１．０６．０２０ １：５滚动实验台轮轨力连续测量系统 任利惠，黄磊，周劲松，潘建壮 （同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海２０１８０４） 摘要：轮轨作用力是评价铁道车辆安全性的主要指标．针对 ｈｅ ｐｒｃｉｔｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｓｉｎｅ ｇａｕｇｅｓ ｂｒｉｄｇｅｓ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ １：５小比例滚动实验台，开发了轮轨力连续测量系统．首先 使用有限元分析和应变实验，得到小比例轮对的最佳测点位 ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｇａｕｇｅｓ ｂｒｉｄｇｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ １：５ｔｈ ｒｏｌｌｅｒ ｒｉｇ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． 置．根据测点的应变输出特性，提出小比例滚动台的轮轨力 测量轮轨垂向力．在横向力测量中，一侧车轮采用简易余弦 桥，另一侧车轮采用直流桥．研制了小比例测力轮对，静态试 连续测量方案：轮轨横向力采用轮测法测量，再结合轴测法 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｏｌｌｅｒ ｒｉｇ； ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ； ｍｅａｓｕｒｅ：ｉｎｔｒｕｍｅｎｔｅｄ Ｗｈｅｅｌｓｅｔ 验结果说明简易余弦桥的测试精度较高．论文最后给出了１ ：５滚动实验台轮轨力的测量结果． 轮轨作用力是评价铁道车辆运行安全性的主要 指标．实现轮轨力的精确、连续测量是评价车辆安全 文献标识码：Ａ 关键词：滚动台；轮轨力；测量；测力轮对 中图分类号：ｕ ２３２ 性的关键技术．测力轮对是目前最直接、最准确的轮 轨力测量技术，它以轮对作为轮轨力的检测传感器， Ｗｈｅｅｌ／Ｒａｉｌ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅｓ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ １：５ｔｈ Ｓｃａｌｅ Ｒｏｌｌｅｒ Ｒｉｇ 通过测量轮对上有限点处的应变实现轮轨作用力的 连续检测． 实物轮对的轮轨力连续测量技术主要有以下几 Ｒ￣ＩＬｉｈｕｉ，ＨＵＡＮＧＬｅｉ，ＺＨＯＵ￣ｉｎｓｏｎｇ，ＰＡＮＪｉａｎｚｈｕａｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ＆Ｕｒｂａｎ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎｓｉｔ，Ｔｏｎ￣ｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ． Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ） 种：①轴测法［１］——通过测量车轴轴身、轴肩几个断 面上弯矩间接计算出轮轨力；②辐条轮法——采用 特殊的辐条车轮来制作测力轮对；③幅板车轮 法——通过在车轮几个半径上的合理组桥来尽量消 除车轮转动的影响，然后求解多个非线性方程组而 得到横向力、垂向力以及轮轨作用点位置＿２Ｉ４］．最近 还出现了根据车轮横向变形测量轮轨横向力的 方法 ． Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉＳ ｍａｉｎｌｙ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉ１ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ．Ａ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉ１ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｒｏｌｌｅｒ ｒｉｇ ｉｎ Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒａｂｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｏｎ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｗｈｅｅｌｓｅｔ．Ｔｈｅｎ ａｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｗｈｅｅｌｓｅｔ ｆｏｒ 上述轮轨力的测量方法都是针对１：１的实物 车轮开发的．与实物车轮相比，小比例轮对的应变输 出很小，应变片的粘帖位置和数量受到很大限制，因 ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ １： ５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｒｏｌｌｅｒ ｒｉｇ ｉＳ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ １ａｔｅｒａ１ ｆｏｒｃｅｓ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｐｌａｔｅ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｓｉｎｅ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅｓ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ａ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅｓ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｅ ｐｒａｃｔｉｓｅｄ ｏｎ ｌｅｆｔ ａｎｄ ｒｉｇｈｔ ｗｈｅｅｌ 此无法直接套用上述方法．本文根据我校１：５铁道 车辆滚动实验台的特点，研制了小比例测力轮对，开 发了小比例滚动台的轮轨力连续测量系统． ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｖｅｔｉａｌｃ ｆｏｒｃｅｓ ａｒｅ ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｂｅｎｄ ｍｏｍｅｎｔｓ ａｎｄ １ａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｎ ｗｈｅｅｌｓ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｌｌ １ １：５铁道车辆滚动实验台 我校的ｌ：５铁道车辆滚动实验台（图１）是针对 ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔａｔｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ 收稿日期：２０１０—０２—２５ 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目（２００９ＢＡＧｌ１Ｂ０２） 第一作者：任利惠（１９７Ｏ一），男，副教授，工学博士，主要研究方向为轨道车辆动力学．Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｅｎｌｉｈｕｉ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ 同济大学学报（自然科学版） 第３９卷 车辆工程专业教学而开发的实验装置．实验台由４ 置和测点编号见图２，其中测点３～５反映车轮辐板 个轨道轮、驱动电机和传动系统组成．电机通过传动 上的径向应变，而测点２反映了车轴上的轴向应变． 系统带动轨道轮转动，轨道轮再带动车辆轮对转动， 以模拟车辆在直线轨道的运动，轨距２８７ ｍｍ．车辆 为１：５小比例整车模型，由一个钢结构车体和两台 两轴转向架组成，转向架采用两级弹性悬挂，轴距 ５００ ｍｍ，车轮直径１６８ ｍｒｎ． 图１同济大学的１：５铁道车辆滚动实验台 Ｆｉｇ．１ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｒａｉｌｗａｙ ｒｏｌｌｅｒ ｒｉｇｉｎＴｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 为了提高测量精度，对原设计的整体幅板式车轮 进行了部分改造，减少幅板厚度，增加了幅板长度，用 来增大车轮上的应力．为了安装集流环，在车轴开通 孔，同时轮对内侧的轴身上钻孔，以便于导线穿过． ２测点位置选择 用测力轮对测量轮轨力，就是根据车轮上的应 变还原出轮对所受的轮轨力，车轮的应变一般靠粘 贴应变片来获得，因此应变的测量位置对测试结果 有着直接影响． 应变测点位置的选择应遵循两个原则：①测点 应有足够大的应变输出；②车轮旋转一周时，测点 的输出波形要接近余弦波或三角波，以便于组桥．如 果测点的输出对横向力和垂向力能够解耦，则便于 方程求解． ２．１有限元分析 测点位置的选择先借助于有限元法分析，得到 轮对在垂向力和横向力作用下的应力分布．计算结 果显示，车轮幅板在横向力作用下的应变远大于在 垂向力下的应变，且靠近轮毂处幅板的应变最大； 车轴在横向、垂向载荷的应变均较大，且在两轮之间 的车轴应力最大，并呈等应变分布． ２．２实验分析 为了进一步确定测点位置，测试了车轴和车轮 幅板在垂向力、横向力作用下的应力．应变片粘帖位 图２小比例轮对的应力测试位置 ｉＦｇ．２ Ｓｔｒｅｓｓｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｎ１：５ｔｈ ｓｃａｌｅｗｈｅｅｌｓｅｔ 将贴好应变片的轮对分别放在垂向标定台和横 向标定台上进行加载，每隔１５。加载一点．数据处理 时，将应力换算成１ ｋＮ的轮轨垂向或横向作用下的输 出．应力测试结果见图３和图４．垂向加载时，车轮测 点的应力都很小，测点３处的应力最大只有１１．４ ＭＰａ．车轴上测点２的最大应力为２８．８ ＭＰａ．考虑到 小比例车辆的实际质量很小（空车约１８０ ｋｇ），可以 推断车轮上各测点的实际应力输出很小，而车轴上 测点的应力输出适合垂向力测试． ８ ６ ４ ２ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ ＼ 图３垂向载荷下各测点的应力 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｏｆ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｗｈｅｅｌｓｅｔ ｕｎｄｅｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌｏａｄ 高 莹 ＼ 图４横向载荷下各测点的应力 Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｏｆ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｗｈｅｅｌｓｅｔ ｕｎｄｅｒ ｌａｔｅｒａｌ ｌｏａｄ 横向加载时，车轴测点的应力幅值为６４．７ ＭＰａ，车轮上测点３应力幅值最大，为８１．４ ＭＰａ，均 第６期 任利惠，等：１：５滚动实验台轮轨力连续测量系统 满足横向力的测量要求．测点３在横向载荷作用下 用下，前者是后者７．２倍． 余弦桥法的关键是如何在车轮上布置应变片和 向应变的反对称分量使用０。，６０。的简易桥时，能够 的应力远远大于垂向载荷下的应力，在同值载荷作 组桥，使得桥路具有余弦函数的输出特性．当车轮径 对测点应力波形进行谐波分析．测点２在垂向 消除三阶谐波分量，使得电桥的输出足够接近函数； 力下应力波形的一阶谐波成分占９０．９％，接近余弦 当使用０。，３６。，６０。，９６。的优选桥时，可消除三次谐波 波．测点３在横向力下应力波形的一阶谐波占 和五次谐波的影响，使电桥的输出非常接近余弦函 ８６．３％，接近三角波． 数［２］．由于小比例轮对幅板很小，无法布置下优选 综上所述，车轴上各处均可根据需要作为应变 桥，只能选择０。，６０。的简易桥．简易余弦桥的贴片位 测点，而车轮上的测点３可作为轮轨横向力测点． ３轮轨力测量方案 小比例滚动台的轮轨力测量综合采用了车轮力 法和车轴力法：轮轨横向力采用轮测法测量，再结合 轴测法测量轮轨垂向力． ３．１ 横向力 由于车轮幅板测点３在横向力下的输出是垂向 力下输出的７．２倍，因此可以忽略垂向力对测点３ 的应力影响，认为测点３的输出全部是横向力作用 的结果，通过组桥，能够进一步放大横向力的输出和 减小垂向力的输出． 由测点３的波形特点，可以在车轮上粘帖应变 片，组成余弦桥测量轮轨横向力．作为对比，在另一 侧车轮贴片组成直流桥，也用来测量横向轮轨力． ３．１．１余弦桥 如果车轮上同一半径上的两个电桥输出￡ ，ｅ。 仅与轮轨横向力ｑ相关时，有： Ｌ ｆ１（０）１．Ｑ： Ｌ￡２＿（１Ｊ Ｌ，／一 Ｊ … １） 式中： 为电桥的标定系数；＾（ ）和＿厂２（ ）为归一 化的车轮转角函数． 当车轮上应变输出接近三角波时，可以通过合 理组桥使整个桥路的输出充分接近于余弦波，即使 ＿厂１（ ）＝，２（ ）＝ＣＯＳ ．在角度相隔９０。的相同位置 布置两组一样的测点，则方程（１）可方便地求解： ＡＢＳ（Ｑ）＝￣／￡｝＋ｅ；／ （２） 对于余弦桥法测得的横向力，可以在数据处理 中得到其方向信息．其原则如下： （１）由于车轮只可能受压不可能受拉，所以测 量的垂向力Ｐ不可能为负，Ｐ为负时说明测量的横 向力Ｑ方向反向． （２）小比例轮对与轨道轮只能产生轮缘接触而 没有轮背接触，因此Ｑ的突变只可能向内侧突变而 不可能向外侧突变． 置和组桥方法如图５所示． 图５简易余弦桥的贴片位置和组桥方法 Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｓｉｎｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｗｈｅｅｌ ｐｌａｔｅ ３．１．２直流桥 作为对比，在另一侧车轮组成直流桥．这时，在 车轮上每隔４５。贴片，０。，４５。，９０。，１３５。位于电桥的一 个边，其对边则为１８０。，２２５。，２７０。，３１５。，组桥方法见 图６．直流桥可以直接得到横向力的大小和方向，但 直流桥是一种相对测量法，由于电桥预平衡的缘故， 不能获得静态的横向力．通常采用低速运行时测得 的横向力作为静态值． ｏｏ 片 。点 １８０ ｌ图６直流桥的贴片组桥方法 Ｆｉｇ．６ Ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｗｈｅｅｌ ｐｌａｔｅ ３．２垂向力 轴测法通常需要测出车轴轴身、轴肩处６个断 面的弯矩，从而计算出作用在车轮上的轮轨力．如果 在测得车轮上的横向力，则只需要通过测量车轴Ａ， Ｂ，Ｃ，Ｄ断面的弯矩（图７），即可解得轮轨垂向力． 图７中：Ｐ ，Ｑ 分别为左轮轨的垂向力和横向力（余 弦桥）；Ｐｚ，Ｑｚ分别为右轮轨的垂向力和横向力（直 同济大学学报（自然科学版） 第３９卷 流桥）；Ｐ；，Ｐ：分别为来自左、右一系悬挂的垂直方 余弦桥的测量精度远高于直流桥． 向作用力；Ｈ ，Ｈ 分别为来自左、右悬挂的水平方 向作用力；ｂ ～ｂ 为车轴上测点断面至轮对中心的 距离；ｂ ，ｂ ｚ分别为轮轨接触点至轮对中心距离； ｒ ， ｚ分别为左、右车轮半径． 圈７靶轨垂ｌ司刀阳测重脲埋 Ｆｉｇ．７ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅ 根据轮对的受力分析可得轮轨垂向力： Ｐ ＝一 ＿＝ Ｍ 一 ＿＝＝＿｛ 三 Ｍ。＋ （ ｂ ２一 Ａ１）（３＋ ４）ｂ ｂ ｂ Ｍ ｃ一 ｂ ２一 Ａ１ｂ Ｑ （３）、 ：Ｍ。一 Ｍｃ＋ （ ｂ ５一 Ａ２）（４＋ ３）ｂ ｂ ｂ Ｍ 一 ｂ ５一 Ａ２ｂ Ｑｚ （４） 式（３）～（４）中，Ｍｉ为车轴ｉ断面的弯矩，ｉ＝Ａ，Ｂ， ．ｎ ４轮轨力测试系统 ４．１ 测力轮对 按第３节所述的组桥方案，在一侧车轮辐板内 侧粘帖应变片，组成余弦简易桥（简称余弦桥），在另 一侧车轮辐板内侧粘帖应变片组成直流桥．在车轴 的Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ断面沿轴向粘帖应变片，分别布置两 组半桥，两半桥相隔９０。．组桥后的测力轮对实物如 图８所示． 将组好桥的轮对分别放在垂向标定台和横向标 定台进行标定，得到各测量电桥的垂向和横向标定 曲线，图９给出了余弦桥和直流桥的横向力标定曲 线．标定结果显示：车轴上所有断面的电桥输出数值 基本相同，各电桥波形都呈余弦波；横向力作用下， 余弦０。桥和９０。桥的一阶谐波分量分别达到９３．１％ 和９４．０％，很接近余弦波；直流桥的输出基本呈直 流特性，但直流桥的输出很小，在相同的激励电压 下，直流桥的输出仅有余弦桥的１／１０左右，这说明 图８小比例测力轮对 Ｆｉｇ．８ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｗｈｅｅｌｓｅｔ 厂 夕 》 ／ 々 ／ ＼ 丑 簿 蜷 ／ ／ ／ 。 。 一 ．＾～ 一余弦９０ 。桥 一直 桥 ．． 图９余弦桥和直流桥的标定曲线 Ｆｉｇ．９ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｓｉｎｅ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｂｒｉｄｇｅ 图１０给出了两个余弦桥分别在等值垂向、横向 载荷作用下按式（２）的合成输出．可见，横向载荷作 用下的输出远远大于垂向载荷的输出，前者是后者 的ｌ２．５倍之多，完全可以忽略垂向力的影响，认为 其输出完全是横向力的作用．通过组桥，使得电桥对 横向力的输出与对垂向力的输出之比变大了． 毛 ＼ 丑 簿 如 蜷 图１０余弦桥在垂向、横向载荷下的输出对比 Ｆｉｇ．１０ Ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｓｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｂｒｉｄｇｅ ｕｎｄｅｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｏｒ ｌａｔｅｒａｌ ｌｏａｄ ４．２系统误差 静态加载条件下，测试系统的测量误差如图１１ 所示．可见，余弦桥的误差在±８％之内，其测量精度 是可以接受的；而直流桥的误差波动最大达到了 第６期 任利惠，等：１：５滚动实验台轮轨力连续测量系统 ±２０％左右，显然直流桥的测量精度较低，这是由于 面０。和９０。电桥输出的平方根；⑤根据式（３），（４）求 应变输出中的直流成份太小造成的． 得轮轨垂向力． 图１３给出了重车状态下测得的轮轨作用力，图 １４给出了左、右车轮的脱轨系数．余弦桥侧车轮的脱 轨系数变化较为缓慢，直流桥侧车轮的脱轨系数变 化幅值较大，这是由于直流桥的输出误差较大造 成的． Ｚ ＼ 口 图ｌ１余弦桥和直流桥的误差 暴 Ｆｉｇ．１１ Ｅｒｒｏｒ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｓｉｎｅ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｂｒｉｄｇｅ ４．３测试系统 测试系统采用虚拟仪器概念构建，主要由信号 调理设备ＳＣＸＩ．１５３２和数据采集卡ＰＣＩ．６０２４Ｅ组 图１３ １：５滚动实验台上测得的轮轨作用力 成，如图１２所示．数据采集和处理程序使用 Ｆｉｇ．１３ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｎ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ＬａｂＶＩＥＷ７．Ｏ编制． ｒｏｌｌｅｒ ｒｉｇ ｗｉｔｈ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｗｈｅｅｌｓｅｔ 轮轨作用力 图１２ １：５滚动台轮轨力测试系统示意图 Ｆｉｇ．１２ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅｓ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｒｏｌｌｅｒ ｒｉｇ 图１４小比例车辆的脱轨系数 Ｆｉｇ．１４ Ｄｅｒａｉｌｍｅｎｔ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔｓ ｏｆ１：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｔｏｃｋ ５ １：５滚动实验台轮轨力测试 空车时，由轮轨力测量系统测得的余弦桥侧车 轮静载荷为２５１．９ Ｎ，直流桥侧车轮静载荷为２９８．４ ５．１实验结果 Ｎ．小比例货车空车时每个车轮的静载荷约为２２５ 将测力轮对装在１：５滚动实验台上．在静态下 ＮＥ ．由此也证实，由余弦桥侧桥路测量的垂向力精 调平仪器，滚动台开始滚动后记录实验数据，每次实 度较高，直流桥侧的测量精度较低． 验先让小车平稳运行一小段时间，这时得到的轮轨 ５．２桥路的比较 作用力可作为静态值． 余弦桥的优点是：测点输出大，测量精度高；余 实验数据的处理过程如下． 弦桥为绝对测量，可测量出静态轮轨力．余弦桥的缺 ①首先对数据进行低通滤波．低通滤波截止频 点是：横向力的方向丢失，需其他方法确定横向力的 率取决于轮对的最低阶模态频率，这里取为９５ Ｈｚ； 方向． ②静态数据补偿．由于仪器在调平时，不仅消除电路 直流桥的优点是：直接输出横向力，且带有方向 的初值，同时也减掉了静态轮轨力，因此需要对测量 信息．直流桥的缺点是：测点输出小，测量精度低； 数据进行补偿；③由交流桥和直流桥的输出得到车 直流桥为相对测量，需要其他措施才能测量出静态 轮上的横向力；④求车轴各断面弯矩，它是车轴各断 横向力． 同济大学学报（自然科学版） 第３９卷 从实验结果上看，余弦桥更适合在小比例车轮 上使用． ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｗｈｅｅｌｓｅｔｓ ｏｎ Ｄｅｕｔｓｃｈｅ Ｂｕｎｄｅｓｂａｈｎ［Ｃ ３／／ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ Ｌｏａｄ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｅｎｔｅｒ，ＭＩＴ，１９８１（１）：１９—２１． ６ 结束语 本文针对我校１：５小比例滚动实验台，开发了 轮轨力连续测量系统． 通过有限元分析和实验确定了应变测点的位 ［２］曾宇清，王卫东，甘敦文，等．测力轮对连续测量的理论与实践 口］．铁道学报，１９９８，２０（６）：２８． ＺＥＮＧ Ｙｕｑｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉｄｏｎｇ，ＧＡＮ Ｄｕｎｗｅｎ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｌｏａｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｗｈｅｅｌｓｅｔＥＪ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９８，２０（６）：２８． ［３］ Ｋａｎｅｈａｒａ Ｈ，Ｆｕｊｉｏｋａ Ｔ．Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒａｉｌ／ｗｈｅｅｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｒｕｎｎｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００２，２５３（２）：２７５． 置．车轮上的最佳贴片位置在辐板靠近轮毂处，此处 对横向载荷的应变远大于对垂向载荷的应变．车轴 与车轮交汇处是车轴上的最佳贴片位置． 根据应变特点，提出车轮力法和轴测法相结合 的轮轨力测量方案，即轮轨横向力使用轮测法进行 测量，然后结合轴测法得到轮轨垂向力．静态试验结 果表明，余弦桥法测量轮轨横向力精度较高，比直流 桥更适合测量小比例轮对的轮轨力．最后使用上述 测试系统测量了１：５滚动台的轮轨作用力．实践证 实，车轮力法和轴测法相结合测量轮轨力是可行的． 目前该测量系统应用于我校相关课程的实践 教学． 参考文献： ［１］Ｈｅｒｔｂｅｒ Ｈ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅｓ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ［４］陈建政，王志强．轮轨接触点的在线连续测量Ｉ－Ｊ］．中国铁道科 学，２００７，２８（５）：１５． ＣＨＥＮ Ｊｉａｎｚｈｅｎｇ．ＷＡＮＧ Ｚｈｉｑｉａｎｇ． Ｏｎ－ｒａｉｌ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｏｉｎｔ［Ｊ ｊ－Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００７，２８（５）：１５． ［５］Ｍａｔｓｕｍｏｔ Ａ，Ｓａｔｏ Ｙ，Ｏｈｎｏ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｅｗ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｗｈｅｅ１．ｒａｉｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｒＪ］．Ｗｅａｒ， ２００８，２６５（１０）：１５１８． ［６］黄磊．１：５滚动实验台轮轨力连续测量技术研究Ｉ－Ｄ］．上海：同 济大学铁道与城市轨道交通研究院，２０１０． ＨＵＡＮＧ Ｌｅｉ． Ｗｈｅｅｌ／Ｒａｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ １：５ｔｈ ｓｃａｌｅ ｒｏｌｌｅｒ ｒｉｇ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ： Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ＆Ｕｒｂａｎ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎｓｉｔ，２０１０．