轨道车辆车钩多元载荷识别与测量方法探讨

摘要：随着重载货车运行速度和载重的提升，对车钩性能要求更高，需要获取车钩在纵向、横向、垂向的实际载荷谱。然而，传统监测技术无法满足需求，因此，提出一种多元载荷解耦的温度自补偿全桥测量技术，通过建立理论模型、布置应变阵列和组桥设计，实现各钩面应变的精确测量与零漂补偿，最后通过试验验证技术的有效性。此种该测量这技术为轨道车辆车钩载荷监测提供了科学手段。

关键词：轨道车辆车钩多元荷载识别测量零漂补偿

中图分类号：U279.3

ADiscussionontheMulti-ElementLoadIdentificationandMeasurementMethodofRailVehicleCoupler

ZHANGHang1WANGZhibo2

1.HeilongjiangUniversityofCommerce，Harbin，HeilongjiangProvince，150000China;

2.ChinaHeavyDutyTruckGroupCo.，Ltd.，Jinan，ShandongProvince，250002China

Abstract：Withtheincreaseofthespeedandloadofheavydutytruck，theperformanceofcouplerismoredemanding，andtheactualloadspectrumofcouplerinlongitudinal，transverseandverticalmustbeobtained.However，thetraditionalmonitoringtechnologycannotmeettherequirements，sothispaperproposesamulti-loaddecouplingtemperatureself-compensationfullbridgemeasurementtechnology，throughtheestablishmentoftheoreticalmodels，strainarrayarrangementandbridgegroupdesign，toachievetheprecisemeasurementofeachhooksurfacestrainandzerodriftcompensation，andfinallythroughthetesttoverifytheeffectivenessofthetechnology.Thistechnologyprovidesascientificmeansformonitoringthecouplerloadofrailvehicles.

KeyWords：Railvehicles;Carcoupler;Multipleloads;Zerodriftcompensationorbit;Vehiclecoupler;Multipleloads;ZerodriftcompensationRailvehicle;Coupler;Multipleloads;Identify;Measure

研究需要在各个钩面上布置正交组合的应变阵列，并进行精细的组桥设计。通过对各钩面的应变进行精确的四则运算，并对由日照温差引起的零漂进行有效补偿。为了验证理论模型和测量技术的准确性，还需要利用多向加载试验装置对车钩载荷识别系数进行标定，并对理论模型进行耦合随机加载验证。这一系列严谨的实验过程，充分证明多元载荷解耦技术在车钩载荷监测领域的有效性和先进性。

1理论模型构建

为了精确识别和测量轨道车辆车钩在多元载荷作用下的应变响应，需要构建一个合理的理论模型。这个模型将基于一定的基本假设，并通过分析车钩在不同方向载荷作用下的应变响应，来实现载荷的解耦识别。

1.1基本假设

在构建理论模型之前，做出以下基本假设：。

（1）车钩材料是线弹性和各向同性的，这意味着在弹性范围内，车钩的应力与应变成正比，且材料在各个方向上的物理性质是相同的。

（2）车钩结构在设计和制造上是均匀的，没有明显的缺陷或应力集中区域，这样可以保证应变响应的均匀性和可预测性。

（3）在测量过程中，车钩所处的环境温度变化不大，或者温度变化对应变测量的影响可以通过适当的温度补偿技术来消除。

（4）车钩受到的载荷主要是沿着纵向、横向和垂向的，其他方向的载荷和扭矩影响可以忽略不计。

基于以上假设，研究可以开始构建载荷与应变响应之间的关系模型。

1.2载荷/应变响应

当车钩受到不同方向的载荷作用时，其结构会产生相应的应变响应。下面研究将分别分析纵向、横向和垂向加载时的应变响应。

1.2.1纵向加载

在纵向拉伸或压缩载荷作用下，车钩会产生沿着载荷方向的应变。由于车钩结构的对称性，这种应变通常会在车钩的对称面上产生相同的应变值，而在垂直于载荷方向的截面上则产生相反的应变值。通过测量这些对称面和垂直截面上的应变，研究可以计算出纵向载荷的大小。

为了准确测量纵向载荷导致的应变，研究在车钩的适当位置布置应变计，这些位置应选择在应变响应明显且易于测量的地方。通过应变计的读数，研究可以得到纵向载荷与应变之间的定量关系。

1.2.2横向加载

当车钩受到横向载荷作用时，它会在水平方向上产生弯曲变形。这种变形会导致车钩上下表面的应变分布发生变化。与纵向加载类似，研究可以通过在车钩的上下表面布置应变计来测量这种应变分布的变化。

由于横向载荷产生的弯曲变形相对于纵向加载更为复杂，因此在选择应变计的位置时需要更加谨慎。通常，研究会选择在车钩的弯曲变形最大的位置布置应变计，以获得最敏感的应变响应。

1.2.3垂向加载

垂向载荷作用下，车钩会产生点头弯曲变形，即车钩的两端会相对于中间部分上下弯曲。这种变形会导致车钩的前后表面产生不同的应变分布。为了测量这种应变分布，可以在车钩的前后表面布置应变计。

与横向加载类似，垂向加载产生的应变响应也相对复杂。因此，在选择应变计的位置时，需要研究车钩的具体结构和预期的变形模式，以确保能够准确地测量出垂向载荷导致的应变。

1.3载荷解耦识别

在实际应用中，车钩可能同时受到纵向、横向和垂向的复合载荷作用。为了准确识别和测量这些复合载荷中的各个分量，研究需要进行载荷解耦识别。

载荷解耦识别的基本思路是利用车钩在不同方向载荷作用下的应变响应特性，通过测量和分析车钩上的应变分布来反推出各个方向的载荷分量。具体来说，研究可以利用之前建立的载荷/应变响应关系模型，结合实际测量的应变数据，通过数学方法（如线性代数方程组求解等）来计算出各个方向的载荷分量[1]。

为了实现载荷解耦识别，研究需要在车钩上布置足够数量的应变计，以捕获各个方向载荷导致的应变响应。同时，研究还需要对测量数据进行适当的处理和分析，以消除噪声和干扰因素的影响，提高载荷识别的准确性。

2组桥设计

在完成载荷解耦识别的理论构建后，接下来的关键步骤是进行组桥设计，以实现多元载荷的精确测量。组桥设计是电阻应变测量技术中的关键环节，它涉及如何合理地布置和连接应变片，从而有效地将机械应变转换为电阻变化，进而通过测量电路转换为电压或电流信号进行处理。

2.1应变片的选择与布置

在进行组桥设计之前，首先要根据车钩的结构特点和预期的应变分布选择合适的应变片。应变片的布置应遵循以下原则：。

（1）应变片应粘贴在车钩上应变敏感的区域，以捕获各个方向载荷导致的应变响应。

（2）为了避免温度对应变测量的影响，应选择具有温度自补偿功能的应变片，或者在桥路中设置温度补偿片[2]。

（3）为了提高测量的灵敏度，可以采用多片应变片组成测量电桥的方式，以增大输出电压。

2.2桥路设计

在完成应变片的选择与布置后，接下来是桥路设计的关键环节。桥路设计的主要目的是将应变片的电阻变化转换为可测量的电压信号。根据电阻应变测量原理，可以采用惠斯通电桥作为测量电路。

惠斯通电桥的基本结构是由4个电阻（R_1，R_2，R_3，R_4）组成的四边形，其中R_1和R_2为工作电阻（即应变片），R_3和R_4通常为固定电阻。当（R_1=R_2=R_3=R_4）时，电桥处于平衡状态，此时输出电压U_0为0。但当工作电阻因机械应变而发生电阻变化时，电桥会失去平衡，从而产生输出电压。

输出电压U_0可以由以下公式计算：

U0=（R2/R1+R2-R4/R3+R4）Ui（1）

式（1）中，Ui是电桥的供电电压。

为了提高测量的灵敏度，通常会选择适当的桥臂电阻比值。例如：当R_1发生应变而R_2保持不变时，为了最大化输出电压的变化，可以使R_3等于R_2且远大于R_1和R_4。

2.2.1桥臂电阻的选择

桥臂电阻的阻值R应根据应变片的阻值R_s来选择。通常，为了获得最佳的信噪比，会选择与应变片阻值相匹配的电阻作为桥臂电阻。

2.2.2电桥供电电压的选择

供电电压：U_i的大小应根据应变片的最大允许功耗和电桥的最大输出电压来选择。太高的供电电压可能会导致应变片过热而损坏[3]。

2.2.3温度补偿的设计

为了消除温度对应变测量的影响，可以采用串联温度补偿电阻R_c的方法。补偿电阻的选择应满足以下条件：

[dRc/dT=dRs/dT]（2）

式（2）中：T表示温度；dRc/dT和dRs/dT分别是应变片和补偿电阻的温度系数。通过选择具有相同或相近温度系数的补偿电阻，可以实现温度补偿。

此外，为了进一步提高测量的精度和稳定性，还可以采用差分电桥、全桥等更复杂的桥路设计。这些设计可以有效地减小非线性误差、温度误差等不利因素的影响。

2.3信号调理与数据采集

在完成桥路设计后，需要对输出电压进行信号调理和数据采集。信号调理主要包括放大、滤波和线性化等处理，以提高信号的信噪比和抗干扰能力。数据采集则是将模拟信号转换为数字信号，以便于后续的数据处理和分析。

为了实现高精度的信号调理和数据采集，可以采用专业的信号调理器和数据采集卡。信号调理器可以对输出电压进行放大、滤波和线性化处理，以提高信号的准确性和稳定性。数据采集卡则可以将调理后的模拟信号转换为数字信号，并传输到计算机中进行进一步的处理和分析[4]。

2.4误差分析与校准

在组桥设计过程中，误差分析是一个重要的环节。误差主要来源于应变片的粘贴质量、桥路电阻的匹配精度、温度补偿的效果以及信号调理和数据采集的精度等方面。为了减小误差，需要在设计过程中对这些因素进行严格地的控制和校准。

校准是确保测量准确性的关键步骤。可以采用标准应变源对测量系统进行校准，通过比较测量值与标准值的差异来评估测量的准确性。如果发现误差较大，则需要对测量系统进行调整和优化，以提高测量的精度和可靠性[5]。

3实验验证

准备实验材料：选择适当阻值的应变片、桥臂电阻、温度补偿电阻等，并准备好数据采集设备和分析软件。

应变片布置与桥路设计：根据车钩的结构特点和载荷作用方式，在关键位置布置应变片，并按照之前的设计构建惠斯通电桥。

系统校准：使用标准应变源对测量系统进行校准，确保测量的准确性。

实验加载：在车钩上分别施加纵向拉伸、横向弯曲和垂向点头等不同方向的载荷。

数据采集与处理：记录不同载荷下的输出电压，并使用分析软件对数据进行处理和分析。

由此可见，输出电压与载荷大小之间存在线性关系，且不同方向的载荷在输出电压上有所区分。这表明该组桥设计和测量方法能够有效地识别和测量车钩受到的多元载荷。

4结语

本研究从材料力学的经典理论出发，提出了一种创新性的组合式电桥多元载荷解耦方法。该方法专为连挂车钩设计，旨在精确识别车钩所受的纵向、横向以及垂向载荷。为了验证该方法的准确性和可靠性，进行一系列严谨的试验研究。通过这些试验，成功获取多元载荷与车钩表面应变输出之间的精确关系系数。试验结果显示，使用本方法识别的载荷与实际载荷之间的最大绝对误差不超过2kN。考虑到各个方向载荷的量程范围，这一识别精度完全符合甚至超越了工程应用的要求。

参考文献

[1]周伟，刘杨，白付维，等.轨道车辆车钩多元载荷识别与测量方法研究[J].中南大学学报（自然科学版），2022，53（5）：1679-1688.

周军超，刘乙翰，陈奥，等.基于BO-CNN-LSTM的轨道车辆车体横向振动状态识别[J].铁道科学与工程学报，1-11.[2]苑红磊，王俊杰，邹洪伟，等.结构优化在轨道车辆密封板设计中的应用研究[J].铁道车辆，2024，62（1）：19-26.

[3]王文波，关庆华，温泽峰.车辆载荷下钢弹簧浮置板轨道振动特性分析[J].噪声与振动控制，2024，44（1）：212-219.

[4]尹晓亮，范军，杨集友，等.基于复杂振动载荷的高速列车齿轮箱体强度分析[J].大连交通大学学报，2024，45（1）：45-49.

[5]周伟，刘杨，白付维，等.轨道车辆车钩多元载荷识别与测量方法研究[J].中南大学学报（自然科学版），2022，53（5）：1679-1688.