基于轮轴应变的轮轨力测量方法

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

基于轮轴应变的轮轨力测量方法

杨 潇 陈建政

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

以高速动车车轮轮轴作为有限元建模的模型，在一定的条件下进行测量。以有限元分析作为基础通过数据分析与处理，以车辆轮轴垂向力作为离散变量分析得到其与横向力及应变的关系；再通过横向应变测算横向力和垂向力。通过基于STM32和PS081芯片的数据采集板得到应变数据，得到实际轮对轮轨接触力。

测力轮对；轮轨力；轴应力；STM32；PS081；

1 概述

轮轨作用力影响着车辆的运行的品质、曲线的通过能力、踏面的磨耗，轮轨力还可能会引起车辆脱轨，发生翻车事故；也可能会加剧车轮磨损，降低车轮寿命；引起车辆振动并且影响乘坐舒适性，因此，轮轨作用力数值的测量对于正确了解车辆和轨道的性能是非常必要的。而基于轮轴动应力的轮轨力测量方法因为无需特殊的测力轮对并且成本低，适应范围较轮测法要广的多，在一定误差之内具有独到的优势，因此基于轮轴动应力的轮轨力的测量方法研究是很有必要的。

2 轮对有限元模型的建立和相关计算

首先以普通高速列车的动力轮对作为有限元分析的建模模型。该模型包含轮轴和齿轮箱两个部分，其中齿轮箱材料为铝，轮轴材料为钢，在轴承的中心线加上三个方向x，y，z自由度的约束，轮对的离散模型如图2-3所示，其中轮轴采用Solid45六面体单元，齿轮箱采用Solid45四面体单元建模，模型总共28034个体单元，32679个节点。

3 轮轨接触力的测量理论

3.1 横向力垂向力测量贴片方法

图1 轮对有限元模型

变片进行补偿贴片，与补偿片R组全桥贴片,，即可得到相应横向应变。

图2 弯曲应变轴颈轴中心贴片位置

图3 垂向力-两测点仿真弯曲应变

3.2 弯曲应变测量耦合分析

对有限元模型进行应变模拟分析仿真分析，得到相应应变对应的相应加载模拟垂向力载荷表示成图形函数如图3所示：

由图可看出垂向力与弯曲应变成线性关系，得到横向力垂向力测量数据会有耦合影响，因此实际测量出数据应当进行相应的解耦分析才能提取出横向垂向力单独的弯曲应变。不难看出，纵向力对于弯曲应变测量的两个点位几乎没有影响，因此在弯曲应变解耦中可以不用考虑纵向力的耦合情况。

3.3 弯曲应变的解耦算法

轮轨接触横向力和垂向力共同作用并影响着所测出轮轨力信号，而横向力载荷与垂向力载荷是相对独立的，因此本文的解耦符合快速独立分量分析盲源分离的基本数学模型。FastICA首先将观测信号中心化和白化，然后选取初值单位范数向量和非二次函数G，归一化直到结果收敛提取出一个独立分量然后重复上述步骤即可。

3.4 横向力力测量方法

对实际两个测量点位的应变进行解耦之后得到相应的横向力引起的弯曲应变则有应力

3.6 垂向力测量标定方法

4 实际测量分析

测量使用西南交通大学轨道交通实验室的脱轨试验台上进行采集测量，将测量模块安装在测量轮对上，并在车轴上按照上述给出的贴片方案进行贴片进行实际的静态测量。

在轮对车轴上按上述方法贴片，并使用基于STM32和PS081芯片的数据采集板采集应变片数据.将数据十六进制结果，最终对解包后的数据进行解耦，通过上述公式计算得到得到轮轨接触横向力，垂向力以及纵向力如表1，从试验台的数据手册上得知试验台的标称重量在2.2吨左右，在静态载荷下该方法基本符合原数据，由于是静态测量，理论的纵向力应当基本趋于零，在测量结果看来6.3N左右的力基本能够忽略，而横向力在理论上也应当趋于零，而此处有着545N左右的力，主要是因为实际情况不可能达到理论上的垂直给力，垂直力必然会有一定的偏差造成相应横向力的数据如上述情况所示。从静态试验结果看来，本次方案基本符合要求。

表1 静态侧脸轮轨力数据

5 . 结束语

通过基于轮轨力在相应贴片选取下的耦合分析得出相应的贴片耦合影响；其次通过数据采集板采集相应应变贴片的数据包得到应变数据；然后通过FastICA算法对数据进行解耦得到横向力和垂向力；最后通过试验台测量分析证明该方法比较可靠。

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[5] 陈峰峰，胡毅，许艳． STM32F10x在应用中编程的实现方法[J]． 单片机与嵌入式系统应用, 2009

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