張晚晴 陳睿穎 陳澤生 李新國

（1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，201804，上海；2.同濟(jì)大學(xué)城市軌道與鐵道工程系，201804，上?！蔚谝蛔髡撸究粕?/p>

目前，鐵路運(yùn)輸和城市軌道交通在我國運(yùn)輸體系中占有其他交通工具不可替代的地位。軌道所承受的來自列車的荷載具有隨機(jī)性和重復(fù)性，因而在軌道結(jié)構(gòu)的各部件中產(chǎn)生了非常復(fù)雜的應(yīng)力、變形和其他的動力響應(yīng)［1］。長期受荷載作用后，鋼軌產(chǎn)生各種磨耗傷損，承載力降低后易產(chǎn)生安全隱患。為及時(shí)察覺鋼軌的受損情況、判斷其能否繼續(xù)使用，需要不斷檢測輪軌作用狀況并用車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向水平力等指標(biāo)來檢驗(yàn)檢測結(jié)果［2］。

多年來，隨著試驗(yàn)技術(shù)及電測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外廣泛采用現(xiàn)場測試的方法。即以鋼軌作為傳感元件，進(jìn)行輪軌豎直力、輪軌水平力、軌枕壓力的測試。它利用應(yīng)變儀的橋臂特性，采用不同的貼片和組橋方式，通過應(yīng)變儀進(jìn)行測定，以直接求得各有關(guān)參數(shù)及動力效應(yīng)的數(shù)值。相關(guān)研究內(nèi)容主要包括兩方面：一方面是針對與應(yīng)變片本身相關(guān)的原理性內(nèi)容，如應(yīng)變傳遞原理［3］、橋路性能比較［4］等；另一方面是針對現(xiàn)場測試，如測試儀器的創(chuàng)新和改進(jìn)［5］、考慮現(xiàn)場條件后減小測試誤差的措施［6］、應(yīng)變片在現(xiàn)場測試中的應(yīng)用［7］等。

在各項(xiàng)指標(biāo)中，輪軌橫向水平力關(guān)系到列車安全運(yùn)行、鋼軌磨損、乘客舒適度等諸多方面，因此現(xiàn)場實(shí)測輪軌橫向水平力對軌道工程技術(shù)的重要性不言而喻，提高實(shí)測精度也是不容忽視的關(guān)鍵。本文就不同貼片位置對測試輪軌橫向水平力精度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)探索，為現(xiàn)場實(shí)測輪軌橫向水平力選擇最佳貼片位置提供依據(jù)。

1 輪軌橫向水平力受力分析及測試原理

1.1 車輪對鋼軌產(chǎn)生的作用力

列車在運(yùn)行過程中，輪軌接觸對鋼軌產(chǎn)生的作用力可分為豎向力、橫向水平力和縱向水平力等三種作用力。其中橫向水平力由車輪輪緣作用于軌頭側(cè)面的導(dǎo)向力和輪軌踏面上的橫向蠕滑力組成。通常情況下，橫向水平力產(chǎn)生的主要因素有：車輛蛇行運(yùn)動，車輪與道岔部件產(chǎn)生輪軌沖擊，車輛通過曲線軌道時(shí)離心力未被完全平衡，鋼軌對輪緣產(chǎn)生導(dǎo)向力等。

1.2 影響輪軌橫向水平力測試精度的因素

車輪作用在鋼軌上的外力可以簡化為一個豎直力、一個橫向水平力和一個扭矩。測定橫向水平力就是要找到一種貼片和組橋方法，使其橋路輸出只與橫向水平力有關(guān)，而不受豎直力和扭矩等其他因素的影響。但是鋼軌斷面不存在水平方向的對稱軸，也不存在任何以水平軸為對稱軸的貼片位置，所以不能達(dá)到在橫向水平力作用下應(yīng)變同號以及在豎直力和扭矩作用下應(yīng)變異號的目的。因此，在世界各國現(xiàn)有的橫向水平力測試方法中，應(yīng)變片的貼片位置大都以鋼軌豎直軸為基準(zhǔn)對稱分布。這種貼片方法的原理導(dǎo)致在測定橫向水平力的橋路輸出中，必定包含扭矩的影響。這是測試橫向水平力的根本困難所在。

本文采用剪力法進(jìn)行輪軌橫向水平力的測試。除了上述原因，人工操作、器材精度、天氣條件等其他方面的因素也會對測試精度產(chǎn)生影響。例如，豎直力作用點(diǎn)位置、應(yīng)變片在鋼軌上的粘貼位置、應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量、測試應(yīng)變儀的精度、鋼軌磨損程度等，以及連接應(yīng)變片與應(yīng)變儀的導(dǎo)線的長度，也是一種不可忽略的因素。其中，應(yīng)變片的粘貼位置變動將改變扭矩對試驗(yàn)的影響程度，從而改變橫向水平力的測試精度。

根據(jù)剪力法測試原理及鋼軌的受力分析可知，豎直力的偏心會產(chǎn)生繞鋼軌縱軸的扭矩。而在現(xiàn)場進(jìn)行橫向水平力標(biāo)定時(shí)，由于受到現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制，往往不能同時(shí)加載豎直力和橫向水平力，這最終導(dǎo)致橫向水平力的測試精度受到影響。而扭矩在鋼軌橫截面上的分布是變化的，隨著貼片位置與鋼軌縱軸距離的改變，扭矩的大小也發(fā)生改變。所以，橫向水平力的測試精度在一定程度上受貼片位置的影響。因此，選擇合適的貼片位置，使測試誤差降到最低限度，是從事軌道測試、研究的相關(guān)人員非常關(guān)心的問題。

2 不同貼片位置對輪軌橫向水平力測試精度的影響

為了探討剪力法測試輪軌橫向水平力時(shí)，在鋼軌的軌底上緣處不同位置貼片對測試精度產(chǎn)生的影響，現(xiàn)選擇在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軌道上進(jìn)行試驗(yàn)。由于剪力法選取位于兩根軌枕之間的純彎段鋼軌作為貼片范圍，因此只需要研究應(yīng)變片沿鋼軌橫向的不同貼片位置對測試精度產(chǎn)生的影響。

2.1 應(yīng)變片的貼片方法

為得到剪力法測試輪軌橫向水平力的最佳貼片位置，試驗(yàn)采用了5種不同的貼片位置進(jìn)行對比。具體貼片位置如圖1（a）、（b）所示。在鋼軌兩側(cè)的軌底上緣，從邊緣量取5種不同的距離，分別為1cm、1.5cm、2.5cm、3.0cm 和4.0cm，并且按此順序?qū)?種位置所對應(yīng)的應(yīng)變片用羅馬數(shù)字Ⅰ～Ⅴ編號。Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ號應(yīng)變片組之間的間距為220 mm，Ⅱ、Ⅳ號應(yīng)變片組之間的間距為170mm，并按圖1（c）組成全橋。

圖1 輪軌橫向水平力貼片位置及組橋方法

2.2 加載方式

試驗(yàn)的加載分為兩個階段：第一階段只加載橫向水平力，稱為純橫向力加載階段，從10kN開始，以5kN為差值遞增，直至30kN，共分5級加載，并分別測讀相應(yīng)的應(yīng)變值；第二階段，同時(shí)加載豎直力和橫向水平力，稱為豎直力－橫向水平力階段，豎直力從40kN開始，以20kN為差值遞增，直至120 kN，共分5級加載，并分別測讀相應(yīng)的應(yīng)變值。兩個階段加載工況比較后形成25種加載組合。

2.3 實(shí)測結(jié)果

將測得的原始數(shù)據(jù)匯總，如表1和表2所示。

表1 純橫向水平力作用下各應(yīng)變片的微應(yīng)變

表2 豎直力與橫向水平力共同作用下各應(yīng)變片的微應(yīng)變

表1、2中的數(shù)據(jù)由多次測得的數(shù)據(jù)取平均值得到。

2.4 實(shí)測數(shù)據(jù)處理

將不同豎直力作用下，各級橫向水平力加載時(shí)的應(yīng)變值減去對應(yīng)的純橫向水平力作用下的應(yīng)變值，所得的差值稱為應(yīng)變差。通過該應(yīng)變差占純橫向水平力作用下應(yīng)變值的百分比，來判斷不同貼片位置對測試橫向水平力的優(yōu)劣。

為方便分析，作百分比柱狀圖，如圖2所示。圖2中的橫坐標(biāo)表示加載狀況，分別從豎直力為40kN、橫向水平力為10kN，加載至豎直力為120kN、橫向水平力為30kN；縱坐標(biāo)表示各貼片位置應(yīng)變差占純橫向水平力作用下應(yīng)變值的百分比。

圖2 豎直力與橫向水平力共同作用下應(yīng)變差百分比

2.5 實(shí)測結(jié)果分析

1）由剪力法測得的純橫向水平力作用下以及豎直力、橫向水平力共同作用下的應(yīng)變值都隨荷載的增大而呈線性變化，說明剪力法中的貼片方法可行。

2）由圖2可見，5個貼片位置處的應(yīng)變片在不同豎直荷載、橫向水平力作用下所得到的應(yīng)變差所占百分比都不為零，且隨著豎直荷載的增大有增大趨勢。

3）由圖2可知，隨著豎直力的增大，Ⅱ、Ⅲ位置的應(yīng)變差所占百分比變化幅度不大，基本維持在10%以下。

4）Ⅱ、Ⅲ位置的應(yīng)變差所占百分比的最大值基本與其他位置的應(yīng)變差所占百分比的最小值接近，且其平均值遠(yuǎn)小于其他位置的平均值。

5）豎直力不變、橫向水平力增大時(shí)，各貼片位置測得的應(yīng)變差都有減小的趨勢。

6）在純橫向水平力加載時(shí)，各貼片位置按應(yīng)變值從大到小排序依次為Ⅴ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ。其中位置Ⅰ和位置Ⅱ的應(yīng)變值基本相同。所以，在使用剪力法時(shí)，按照本試驗(yàn)的加載狀況，越接近軌腰處測得的橫向水平力應(yīng)變值越大。

7）總體而言，Ⅱ、Ⅲ位置的應(yīng)變差較小，且變化幅度不大，在此范圍內(nèi)貼片是較好的選擇。

3 結(jié)語

通過上述對輪軌作用時(shí)鋼軌的受力及橫向水平力剪力法測試數(shù)據(jù)的分析研究，可得出如下結(jié)論：

1）由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，剪力法測試輪軌橫向水平力的最佳貼片位置為距軌底上邊緣1.5～2.5cm處。

2）剪力法測橫向水平力時(shí)所測應(yīng)變值隨貼片位置的變化規(guī)律表現(xiàn)為越靠近軌腰位置的應(yīng)變值越大。

3）用剪力法測試輪軌橫向水平力，在不加載豎直力進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，選擇上述最佳位置貼片的測試精度誤差在10%以內(nèi)。

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