楊瀟　陳建政

摘 要：以高速動(dòng)車車輪輪軸作為有限元建模的模型，在一定的條件下進(jìn)行測(cè)量。以有限元分析作為基礎(chǔ)通過(guò)數(shù)據(jù)分析與處理，以車輛輪軸垂向力作為離散變量分析得到其與橫向力及應(yīng)變的關(guān)系；再通過(guò)橫向應(yīng)變測(cè)算橫向力和垂向力。通過(guò)基于STM32和PS081芯片的數(shù)據(jù)采集板得到應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到實(shí)際輪對(duì)輪軌接觸力。

關(guān)鍵詞：測(cè)力輪對(duì)；輪軌力；軸應(yīng)力；STM32；PS081；

中圖分類號(hào)：U201 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

輪軌作用力影響著車輛的運(yùn)行的品質(zhì)、曲線的通過(guò)能力、踏面的磨耗，輪軌力還可能會(huì)引起車輛脫軌，發(fā)生翻車事故；也可能會(huì)加劇車輪磨損，降低車輪壽命；引起車輛振動(dòng)并且影響乘坐舒適性，因此，輪軌作用力數(shù)值的測(cè)量對(duì)于正確了解車輛和軌道的性能是非常必要的。而基于輪軸動(dòng)應(yīng)力的輪軌力測(cè)量方法因?yàn)闊o(wú)需特殊的測(cè)力輪對(duì)并且成本低，適應(yīng)范圍較輪測(cè)法要廣的多，在一定誤差之內(nèi)具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，因此基于輪軸動(dòng)應(yīng)力的輪軌力的測(cè)量方法研究是很有必要的。

2 輪對(duì)有限元模型的建立和相關(guān)計(jì)算

首先以普通高速列車的動(dòng)力輪對(duì)作為有限元分析的建模模型。該模型包含輪軸和齒輪箱兩個(gè)部分，其中齒輪箱材料為鋁，輪軸材料為鋼，在軸承的中心線加上三個(gè)方向x，y，z自由度的約束，輪對(duì)的離散模型如圖2-3所示，其中輪軸采用Solid45六面體單元，齒輪箱采用Solid45四面體單元建模，模型總共28034個(gè)體單元，32679個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 輪軌接觸力的測(cè)量理論

3.1橫向力垂向力測(cè)量貼片方法

綜合考慮橫向應(yīng)變誤差，由于有可能橫向應(yīng)變實(shí)際測(cè)量中可能會(huì)受到橫向力，垂向力和縱向力耦合的影響，因此在實(shí)際測(cè)量中需要對(duì)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行相應(yīng)耦合的分析，測(cè)量選取兩個(gè)個(gè)點(diǎn)位在其上下表面最大處粘貼應(yīng)變片圖3，圖2所示，并對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行補(bǔ)償貼片，與補(bǔ)償片R組全橋貼片，，即可得到相應(yīng)橫向應(yīng)變。

3.2彎曲應(yīng)變測(cè)量耦合分析

對(duì)有限元模型進(jìn)行應(yīng)變模擬分析仿真分析，得到相應(yīng)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的相應(yīng)加載模擬垂向力載荷表示成圖形函數(shù)如圖3所示：

由圖可看出垂向力與彎曲應(yīng)變成線性關(guān)系，得到橫向力垂向力測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)有耦合影響，因此實(shí)際測(cè)量出數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的解耦分析才能提取出橫向垂向力單獨(dú)的彎曲應(yīng)變。不難看出，縱向力對(duì)于彎曲應(yīng)變測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn)位幾乎沒(méi)有影響，因此在彎曲應(yīng)變解耦中可以不用考慮縱向力的耦合情況。

3.3 彎曲應(yīng)變的解耦算法

輪軌接觸橫向力和垂向力共同作用并影響著所測(cè)出輪軌力信號(hào)，而橫向力載荷與垂向力載荷是相對(duì)獨(dú)立的，因此本文的解耦符合快速獨(dú)立分量分析盲源分離的基本數(shù)學(xué)模型。FastICA首先將觀測(cè)信號(hào)中心化和白化，然后選取初值單位范數(shù)向量和非二次函數(shù)G，歸一化直到結(jié)果收斂提取出一個(gè)獨(dú)立分量然后重復(fù)上述步驟即可。

3.4 橫向力力測(cè)量方法

對(duì)實(shí)際兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)位的應(yīng)變進(jìn)行解耦之后得到相應(yīng)的橫向力引起的彎曲應(yīng)變則有應(yīng)力

則橫向力為，其中：S為截面面積；E為彈性模量；D為應(yīng)變貼片處車軸的外徑；d為應(yīng)變貼片處車軸的內(nèi)徑。

3.6 垂向力測(cè)量標(biāo)定方法

由仿真可知，彎曲應(yīng)變?cè)诖瓜蜉d荷單獨(dú)作用時(shí)成線性關(guān)系令，其中為軸頸處應(yīng)變，為軸中心處應(yīng)變，因此有垂向力彎曲應(yīng)變均值對(duì)應(yīng)關(guān)系表示成為函數(shù)形如圖所示，由圖可知函數(shù)幾乎呈直線，因此對(duì)相應(yīng)彎曲應(yīng)變關(guān)系為：Fy=αεu，其中α為對(duì)應(yīng)系數(shù)，則有：α=4.997×103因此對(duì)于實(shí)際測(cè)量解耦所得應(yīng)變?chǔ)舮則有Fy=αεy。

4 實(shí)際測(cè)量分析

測(cè)量使用西南交通大學(xué)軌道交通實(shí)驗(yàn)室的脫軌試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行采集測(cè)量，將測(cè)量模塊安裝在測(cè)量輪對(duì)上，并在車軸上按照上述給出的貼片方案進(jìn)行貼片進(jìn)行實(shí)際的靜態(tài)測(cè)量。

在輪對(duì)車軸上按上述方法貼片，并使用基于STM32和PS081芯片的數(shù)據(jù)采集板采集應(yīng)變片數(shù)據(jù).將數(shù)據(jù)十六進(jìn)制結(jié)果，最終對(duì)解包后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦，通過(guò)上述公式計(jì)算得到得到輪軌接觸橫向力，垂向力以及縱向力如表1，從試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)手冊(cè)上得知試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)稱重量在2.2噸左右，在靜態(tài)載荷下該方法基本符合原數(shù)據(jù)，由于是靜態(tài)測(cè)量，理論的縱向力應(yīng)當(dāng)基本趨于零，在測(cè)量結(jié)果看來(lái)6.3N左右的力基本能夠忽略，而橫向力在理論上也應(yīng)當(dāng)趨于零，而此處有著545N左右的力，主要是因?yàn)閷?shí)際情況不可能達(dá)到理論上的垂直給力，垂直力必然會(huì)有一定的偏差造成相應(yīng)橫向力的數(shù)據(jù)如上述情況所示。從靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果看來(lái)，本次方案基本符合要求。

5. 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于輪軌力在相應(yīng)貼片選取下的耦合分析得出相應(yīng)的貼片耦合影響；其次通過(guò)數(shù)據(jù)采集板采集相應(yīng)應(yīng)變貼片的數(shù)據(jù)包得到應(yīng)變數(shù)據(jù)；然后通過(guò)FastICA算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦得到橫向力和垂向力；最后通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量分析證明該方法比較可靠。

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