测力轮对技术实施方案研究

石磊 1 杜高峰 2

②昆山高新轨道交通智能装备有限公司成都分公司 四川省 成都市 610000

摘要：测力轮对作为轨道车辆线路测试中有效的轮轨力测量方法，一直是国内外轨道车辆动力学研究的热点，为满足城市轨道交通车辆动力学试验要求，需要提供满足测力探测器安装要求的测力轮对。本文对测力轮对贴片位置选择、车轮打孔位置的选择、车轮正反面划线方法和标定方法进行分析和总结，可以为其他测力轮对研究人员提供一定的经验指导。

关键词：测力轮对；车轮划线；轮对标定

0 引言

根据交通运输部颁布的[2019]1号文件《城市轨道交通初期运营前安全评估管理暂行办法》和[2019]17号文件《城市轨道交通初期运营前安全评估技术规范 第1部分：地铁和轻轨》要求，每条新建运营城市轨道交通线路，在工程建设完成后必须经过第三方安全评估通过才能进行初期运营。第三方评估内容涵盖系统功能校核、系统联动测试以及运营准备等内容。其中，系统联动测试环节中车辆动力学试验是第三方评估重要组成部分，而测力轮对作为动力学试验用的关键试验部件，其制作及标定方法尤为重要。本次技术实施方案的研究参照了GB/T 5599-85标准和TB/T 2360-93标准。

1 技术实施方案流程

整个技术实施方案流程图如图1。

图1 测力轮对实施方案流程图

2 测力轮对贴片位置选择

测力轮对主要受到横向力、垂向力和纵向力的作用，沿径向贴片可消除纵向力的影响。通过轮对的有限元模型模拟加载的方法来选择最佳贴片位置，对于给定的电桥，可以找到贴片位置，既可以的到高德输出灵敏度、理想的输出波形，又能将价差干扰、载荷作用位置的影响等误差降到最低。因此，测力轮对制作是至关重要的一步。

2.1 轮对三维建模

利用CATIA三维软件，对测力轮对建立三维模型，不同型号轮对踏面型号、轮毂宽度都不一样，针对试验轮对进行建模。本例为中车青岛四方机车车辆股份有限公司动车测力轮对，三维模型如图2。

图2 轮对三位模型

2.3 轮对静力学分析

将轮对三维模型导入ANSYS建立测力轮对有限元模型，在ANSYS中分别对车轮加载垂向力和横向力，寻找垂向力和横向力相互干扰最小的点作为载荷识别点，进行(1)垂向载荷 ，横向载荷 ；(2)垂向载荷 ，横向载荷 两种工况分析。垂向力加载位置在离轮对外侧70mm的踏面上，方向指向圆心；横向力加载位置在径向方向上离垂向加载点10mm的轮缘上，方向由轮对外侧指向内侧。应力分布如图3所示。

图3 横向力、垂向里应力云图

2.3 贴片位置确定

最佳贴片点选取原则是：自扰尽可能大而串扰尽可能小。由此，根据图3所示的横、垂向载荷作用下测力轮对应力云图可知，车轮内侧距轴心R=278mm处横向力应力输出最小，车轮内侧距轴心R=190mm处垂向力输出最小。因此可选择车轮内侧距轴心R=190mm处作为横向桥的贴片位置，此处横向加载和垂向加载输出比最大；同时可选择车轮内侧距轴心R=278mm处作为垂向力的贴片位置，此处垂向加载和横向加载输出比最大。再结合铁科实际经验贴片位置，最终将垂向桥贴片位置定位R=245mm圆径上，为了提高测点对垂向力的响应，在垂向布桥位置打孔，横向桥贴片位置定位R=190mm处圆径上。

3 测力轮对制作

在轮对进行贴片组桥前，为了精确的确定轮对的贴片位置需要对轮对辐板进行划线工作，同时为了方便测量线的布置需要对车轮和车轴打孔。

3.1 打孔

根据计算结果和以往试验经验对轮对进行加工，主要对轮对辐板和车轴进行打孔。垂向力和横向力桥路输出信号交叉串扰的减小程度主要取决于车轮几何对称性，加工中需要保证一定精度和对称性。辐板上打孔位置如图4所示。

图4 辐板打孔位置示意图

为了保证集流环和车轴同步旋转，在车轴轴端上加工螺纹孔，固定集流环。同时为了提供应变片导线的通道，需要在左右车轮上打孔，打孔要求为：车轮相隔180度处各打一个倾斜角度60度，直径15mm的小孔。

3.2 划线

为了精确的贴片布桥，需要在辐板表面精确地刻划出用以定位贴片位置的圆周线和角度分划线。要求辐板两侧角度线一定要重合，分别在轮对辐板内外侧划线，位置如图5所示，选择垂向桥和横向桥贴片半径位置进行圆周划线，并每隔45度划径向线。

图5 辐板划线示意图

4 布桥

将应变片贴在测力轮对上，应变片将随着测力轮对因受力发生形变而产生相应的变形，此时应变片里的金属箱材就能够随着形变而伸长或者缩短产生相应的电阻变化，从而能够测定出被测物体的相关数据。

在贴片之前，需要对贴片位置进行打磨以及酒精清洗。贴片完成后，使用704胶密封好应变片。应变片应粘贴牢固，与钢轨之间无气泡，贴片位置偏差应不大于2mm，贴片方向偏差应不大于5°。应变片粘贴后，应变片绝缘电阻不应小于500兆欧。

5 标定

5.1 工装

在进行测力轮对垂向力标定时，需要加工两套门字型工装，工装上表面和液压加载装置连接，下表面和轮对旋转轴箱进行平面接触。两侧与加紧装置平面接触，对工装进行固定，这样就可以通过工装对轮对进行垂向力加载，从而进行标定。具体的工装尺寸需要根据液压标定台和旋转轴箱尺寸进行设计。

5.2 集流环连接

在贴片完成后，引出来的线需要和集流环连接在一起，在连接过程中使用焊枪进行固接，并使用热缩管进行绝缘。集流环另外一端用七芯线连接出来，进行IMC连接采集。

5.3 标定试验

在轮对标定的所有工况试验中均按如下加载方式加载，分别按照垂向、横向分别加载。垂向加载时，垂直力逐级加载到15T，然后转动车轮，分别对0°到360°每间隔15°（视试验周期而定，可以加大转动角度）的位置进行加载，同时测量各通道的应变响应值（统一调整输出为电压值）；横向加载是通过液力作动器从轮对内侧面进行加载试验，为确保水平力加载的真实性，此时，轮对应抬离轨面，处于悬空状态，横向力逐步加载到最大值为7T，同样测试0°到360°每间隔15°位置时各通道测量的应变响应值。每次加载时间持续40s以上，所有加载力到最大后逐级减载荷到0。试验过程中釆样频率取500Hz，在数据处理时，静态标定试验结果采用5Hz数字滤波。

为获得载荷应力间的最优标定系数（或传递系数），对各测试通道的试验数据采用最小二乘法予以逼近，以获取最优解，最终求得的标定系数（力与电压间的关系）。

垂向标定系数：

垂向载荷对横向桥路的影响系数：

横向标定系数：

横向载荷对垂向桥路的影响系数：

横向力电桥和垂向力电桥的联合输出仅与横向力和垂向力的大小有关，且呈线性关系，而与轮对转角无关：

（1）

（2）

L为0时，逐级加载V，标定 、 ，V为0，逐级加载L，标定 、 。

带入标定的参数可得：

（3）

（4）

其中 、 、 、 可由式（1）（2）推出

在实际运用中，测量得到电压，就可以反算垂向力和横向力。

完成测力轮对标定之后，在不损坏轮对贴片的情况下，将其安装在所测车辆上。完成外部数据连接，检查是否完备，即可进行试验。

6 结论

通过对测力轮对贴片位置选择、车轮打孔位置的选择、车轮正反面划线方法和标定方法进行分析和总结，为后续地铁车辆动力学试验提供了高效、准确的测力轮对制作及标定的方案，可以为其他测力轮对研究人员提供一定的经验指导。

参考文献

1. 赵慧阳.城市轨道交通初期运营安全评估中系统测试方法及建议[J].科学技术创新,2020(22):53-54.

2. 王超，李冬梅，汤志钧.地铁车辆测力轮对加工工艺方案的研究[J].轨道交通装备与技术,2019(5):35-39.

3. 钟旭婕，寇杰，张济民等.地铁车辆连续测力轮对仿真与试验研究[J].机械设计与制造,2020(10):295-298.