摘 要

作为目前应用最为广泛的轮轨接触力测量方法，测力轮对方法的精确性很高。该方法主要是将应变片粘贴在轮对上并组成电桥，通过测量得到轮轨接触力与应变值之间的关系。

尽管测力轮对法应用十分广泛，但是目前仍缺少纵向力的测量方法。本文在测力轮对方法的基础上，采用一种新式方法，可对包括纵向力的轮轨接触力进行测量。具体是在模拟轮轨运动的双轮实验台上安装弹簧钢板，在弹簧钢板两端的上下两面粘贴应变片，通过标定实验建立电桥的输出应变值与轮轨接触力的关系。综合考虑了纵向力、垂向力以及横向力对电桥输出的影响，并对纵向力、垂向力以及横向力进行解耦，从而实现轮轨接触力的测量。

关键词：轮轨接触力；测力轮对；标定实验；仿真模拟

Abstract

As the most widely used measuring method of wheel - rail contact force, the precision of measuring wheel - pair method is very high. This method is mainly used to paste the strain gauge on the wheelset and form an electric bridge. The relationship between the contact force and the strain value of the track is obtained by measurement.

Although the instrumented wheel set method is widely used, there is still a lack of vertical force measurement. Based on the instrumented wheel set method, a new method is adopted to measure the rail contact force including longitudinal force. Specifically, the leafsprings are installed on the rolling contact two disc test rig, and the strain gauges are attached to the upper and lower sides of the leafspring, the relationship between the contact force and the strain value of the track is obtained by measurement. The influence of longitudinal force, vertical force and lateral force on the output of the bridge is taken into account, and the longitudinal force, vertical force and lateral force are decoupled to realize the measurement of wheel/rail interaction.

Key Words: wheel rail force； instrumented wheel set；calibration test；simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1钢轨波磨的研究状况 1

1.1.2本文的研究意义 2

1.2测力轮对方法研究现状 2

1.3论文的主要研究工作 5

1.3.1论文的主要研究内容 5

1.3.2本论文的难点 5

第2章 测力轮对的测量原理 6

2.1轮对受力分析 6

2.2测量电桥的影响因素及布片原则 7

2.2.1影响因素 7

2.2.2布片原则 8

2.3组桥方式 8

2.3.1对称式分布组桥 8

2.3.2反对称式分布组桥 9

2.3.3多电桥组合 10

2.4国标中测力轮对测量方法 10

2.4.1间断法 10

2.4.2连续法 11

2.5传统测力轮对方法不足之处 12

2.6本章小结 13

第3章 实验方案 14

3.1测量原理 14

3.2应变片的选择 15

3.2.1电阻应变片 15

3.2.2光学应变片 16

3.3实验步骤 16

3.4本章小结 18

第4章 仿真研究 19

4.1仿真模型的建立 19

4.2仿真结果 20

4.3本章小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1结论 26

5.2展望 26

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

本文的主要工作是利用仿真技术实现对双轮实验台接触力的测量。本章主要分析了本文的研究意义，同时对轮轨动力学常用的测力轮对法的理论方法以及发展做了概述。

1.1研究背景

钢轨波磨现象作为铁路轨道磨损的主要形式之一，其形成机理尚未明确。本节介绍了钢轨波磨现象及其造成的影响，并综述了关于其形成机理的一些观点。

1.1.1钢轨波磨的研究状况

铁路运输在世界范围内都是极为重要的运输方式，且其里程、速度、载重以及密度都在不断提高。铁路运输目前承担了全国约六成的运输任务，而为了使得铁路的运输能力得以提升，从而促进经济大大的发展，我国的铁路运行速度还在提升之中。可以说，铁路运输是促进国家经济发展的命脉。

列车在运行的过程中，车轮受到纵向力、横向力和垂向力三个方向的力。三者的作用各不相同，分别为维持列车前行、促进列车转向以及支撑列车，这三者也被称为轮轨力。轮轨力虽然起到很大的作用，但是也会对列车产生很多不良影响，比如会引起车辆脱轨，发生翻车事故；也会使得车轮磨损状况加剧，车轮寿命也因此大大降低；引起车辆振动，乘客乘车的舒适感受到影响。此外，轮轨力对轨道亦有较大影响，横向力容易使得轨道间距扩宽，甚至导致轨道的严重变形；轨道的磨损加剧，轨道寿命减少。

铁路轨道的损伤形式有很多种，其中有一种极为特殊，便是钢轨波磨。所谓钢轨波磨是铁路轨道上所出现的波浪形磨损。人们最早发现钢轨波磨现象还是在18世纪90年代，从此以后世界上的所有铁路也基本都出现了波磨现象。我国也不例外，许多铁路干线^[1]以及地铁^[2]都出现了钢轨波磨现象。而且钢轨密度的增加，也使得波磨现象加剧。随着钢轨波磨的不断出现，其影响也越来越大。钢轨波磨的主要危害有：使得铁路轨道磨损极为严重，造成铁路运营费用居高不下；列车在受损轨道行驶容易产生极大的噪声污染；由于轨道受损，列车速度难以提升而且行驶时易发生安全事故。所以，加强对钢轨波磨现象的研究，提出钢轨波磨的预防措施与消除方法，对于社会具有重要意义。

钢轨波磨根据波长可分为三种，第一种是波长小于100mm的钢轨波磨；第二种是波长为100~200mm的中波长钢轨波磨；第三种是波长大于200mm的长波钢轨波磨。一般来说，波长的成分是由有限个波长组成的，或者是随机的。研究表明，铁路轨道本身以及列车运营的条件影响着波磨现象。文献^{[3, 4]}认为，短波波磨主要是在高负载情况下产生，而长波波磨主要产生于高速铁路。而事实上，不论是普通、高速抑或是重载铁路等都会产生这两种波磨^{[5, 6]}。钢轨波磨的形成机理目前来说仍存在疑问，众多学者进行了研究后发表了自己的观点，主要包括^[7-10]：①轮轨瞬态动力学相互作用引起摩擦功波动机理；②簧下质量的P2共振振动机理；③轮对左右车轮的摩擦扭转自激振动机理；④粘—滑引起的轮轨系统自激振动机理。当前最为研究人员所认可的学说是第一种，同时学者们也根据此学说研究出了一些测量方法 ^{[11, 12]}。Hempelmann的观点是第二种学说，即P2共振所引起的钢轨波磨现象^[11]；Ilias的研究成果表明认为铁轨的刚度会影响摩擦功波动^[13]；Wu^[14]研究了多轮通过下的钢轨波磨形成规律；金学松^{[5, 15]}发展了基于该方法迄今为止最为全面的三维轮轨系统动力学波磨预测模型^[16]。此外，有人认为轮对的扭转振动是钢轨波磨的可能成因，闫子权等人^[17]建立了轮对三维有限元模型进行研究，其仿真结果表明二者之间的确存在关系。另外， 克拉克较早提出了钢轨波磨是由轮轨系统的摩擦自激振动引起，伯克利^[18]同样认可该观点；有学者假设了蠕滑率曲线用来研究波磨的成因^[19]，但是由于假设过多，故认可该理论的学者在学术界并不多。

1.1.2本文的研究意义

可以说，尽管各国专家学者为钢轨波磨的成因研究付出了大量的努力，但是由于其机理实在过于复杂，目前学术界尚未有一致的观点。由于扭转振动是钢轨波磨的可能成因之一，而关于该方面的研究较少，故设计双轮实验台模拟铁路轮轨接触来进行研究扭振对波磨的影响。本人的研究方向是使用应变片对双轮实验台的轮轨接触力进行测量。

目前，在轮轨接触力测量领域普遍采用的方法是测力轮对方法，除此之外该方法亦广泛应用于铁路车辆动力学的其他领域。而且为了提升测量精度，在轮对的工艺、幅板刻度的划分、电桥设计方案、粘贴应变片、组桥布线等各步骤上都在不断提高。但是，测力轮对方法有着其局限性，目前的测力轮对方法大都忽略了纵向力的测量。本文在测力轮对法的基础上采用了新的方法对双轮实验台的接触力进行测量。

1.2测力轮对方法研究现状

轮轨接触力的测量技术如今已经是铁路车辆动力学中的重要国家标准之一，测力轮对方法在轮轨动力学领域和列车脱轨机理研究领域也越来越重要。近年来我国在铁路运输方面发展地较快，而随着铁路的不断提速，对测力轮对方法也提出了较高的要求。由于铁路线路存在垂直方向和水平方向的不平顺，而且轮轨之间复杂的接触关系及车辆-轨道系统的振动等因素，使得轮轨接触力有着极为明显的随机性。想要准确测量轮轨接触力，采用理论方法是难以实现的，只有列车实际运行的条件下实地测量，才能更准确地得到轮轨接触力的实际变化规律。而在所有轮轨接触力的测量方法中，最直接也最精确的方法便是使用列车的轮对来充当力学传感器，从而测量轮轨接触力。

测力轮对方法分为间断法以及连续法。二者都是将应变片粘贴在轮对上，把应变片按照设计方案组成电桥进行测量，然后将所测得的数据经过处理后得到轮轨接触力。但是测力轮对方法的测量结果中不仅包含了横向力和垂向力，还有接触点位置改变所引起的弯矩的影响，所以想要从复杂的数据中得到关于这两个方向接触力的测量结果并不容易。为此，许多学者致力于减少其中耦合关系的影响，来进行求解。目外已使用的方法主要有以下几种:

德国采用的方法称为轮轴测量法，该方法是在轮轴上进行粘贴应变片而并非是在轮对的幅板上，然后通过测量轮轴的应力来进行计算，从而得到轮轨接触力。该方法的优点是成本很低，但同时也存在对接触点位置变化不敏感，测量误差较大等问题。

日本目前采用了一种新式方法和装置来测量轮轨接触力。将应变计粘贴在车轮上并测量其输出值，将这些输出值进行综合数据处理，实现垂向力、横向力和纵向力的测量目的。该测量方法存在的问题是难以消除垂向力的影响^[20]。另外还有学者开发了测量接触点位置的方法。具体是在在幅板上钻两个轴对称的通孔，并进行相应组桥。该方法采用的方式不会影响到后续轮轨接触力的测量。

法国某公司采用的测力轮对方法具有很大的特点，不同于一般的测力轮对方法，该方法使用了很多应变片，通过应变片的数量来消除谐波的影响，使得测量精度大幅度提升。但是不难看出，该方法存在一定的缺点，比如应变片数量的增加，使得粘贴位置的选择变得极为困难，也使得搭建电桥的难度大大提升，同时制作成本也随之增加。

美国DuaneE. Otter采用的的幅板轮对测量方法，除了测量横向力的电桥和测量垂向力的电桥外，还额外添加了一个关于接触点位置的电桥。得到三个电桥的输出结果后，再进行数据处理。该方法存在的缺点是接触点位置变化会影响测量的精度，因为它会产生额外的弯矩，这使得该方法首先要解决的问题便是尽量消除弯矩对测量结果的影响。同时该方法还有另外一个难点，便是实现对非线性方程组的求解。

俄国用来测量轮轨接触力的测量方法主要有三种^[21]:第一种测量方法是在实验台转向架的侧架上，把应变片粘贴在距轴箱孔一定距离的地方，这样可以十分准确地反映轮轨接触力作用在侧架上而产生的弯矩；第二种方法是使用测力仪来进行测量，该方法成本十分低廉，可以实现对垂向力的有效测量，因此有许多研究人员采用该方法。但是其缺点便是难以实现对横向力的准确测量；第三种方法主要是针对具有特殊通孔的幅板轮对，虽然测量准确但是条件苛刻且成本较高。

由于缺少对幅板轮对应变的高效且直观的分析方法，所以在进行测量组桥时存在一系列的问题。由于国内的技术要求与国外存在一定的差距，故我国的一些专家学者通过努力，研发出了一些符合我国国情的方法:

刘尚举等人为了使得测量时精度能够得到大幅度提高，使用了高阻值的大面积应变片，这还使得电桥的电压得以提高^{[22, 23]}。该方法良好的测量结果受到了学术界广泛的认可。

曾宇清等人也提出了一种新式方法^[24]。该方法通过在相差90度的轮对位置粘贴应变片，使得测量电桥的输出近似于标准的余弦函数。另外，该篇文章认为接触点位置的变化也会对测量结果产生较大的影响。该理论为测力轮对方法的发展提供了一定的理论基础。

其实在进行实际测量时，很难一次便搭建成为最优的组桥方案，但是采用测力轮对方法进行组桥后便不易改动，另外进行标定试验时横向力加载的精确性也很难保证，也因此难以准确得到横向力与应变之间的关系。针对这些问题，张立民等通过有限元仿真方法进行了改善^[25]。其采用的方法也很简单，便是使用有限元技术在计算机上对测量所需的轮对进行仿真，这样便使得实际实验难以一次性确定最优方案的问题得到了解决。通过对多种可选择方案的仿真结果的对比，能够直观并迅速看出哪种方案最优，从而在实际实验中采用。该方法大大节省了研究人员的时间成本以及金钱成本。

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