李旭偉，曾宇清，李甫永，田光榮，秦 菊

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.Transportation Technology Center, Inc.，Pueblo, CO, USA 81001；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京 100081)

輪軌力測(cè)量是軌道車(chē)輛地面安全評(píng)估中最直接、最可靠的方法，世界各國(guó)學(xué)者在這方面開(kāi)展了大量研究[1-6]。經(jīng)典的剪力測(cè)量法將剪力測(cè)點(diǎn)設(shè)置在相對(duì)跨中對(duì)稱位置且間距設(shè)為160～220 mm[7]，測(cè)得的輪軌垂向力穩(wěn)定、可靠，但有效測(cè)區(qū)短。為滿足車(chē)輪全輪周狀態(tài)檢測(cè)需求，車(chē)輪沖擊負(fù)荷檢測(cè)器(Wheel Impact Load Detector，WILD)將剪力測(cè)量法進(jìn)行拓展，在多個(gè)連續(xù)的軌枕跨中對(duì)稱位置布設(shè)剪力測(cè)點(diǎn)，由于受軌枕支點(diǎn)約束影響，數(shù)據(jù)處理時(shí)利用多個(gè)測(cè)點(diǎn)采集的離散樣本數(shù)據(jù)建立融合模型，重構(gòu)輪軌接觸信號(hào)[8]，進(jìn)而識(shí)別輪軌沖擊力。文獻(xiàn)[9]提出一種線性狀態(tài)方法，實(shí)現(xiàn)基于鋼軌應(yīng)變的輪軌垂向力連續(xù)測(cè)量，但工程實(shí)施不便。文獻(xiàn)[10]提出“剪力+支撐力”輪軌垂向力測(cè)量方法，將剪力測(cè)量法與測(cè)力墊板法結(jié)合，較好地解決軌枕支點(diǎn)約束對(duì)輪軌垂向力地面測(cè)量結(jié)果的影響，使連續(xù)測(cè)量的長(zhǎng)度大幅提升至米級(jí)，在我國(guó)不斷軌軌道衡、鐵路車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPDS)等設(shè)備上得到廣泛運(yùn)用，但該方法并未解決測(cè)區(qū)剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)的影響。文獻(xiàn)[11]提出一種匹配不同轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架垂向力測(cè)量方法，通過(guò)采用測(cè)區(qū)重疊方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架垂向力的移動(dòng)測(cè)量；文獻(xiàn)[12]進(jìn)一步采用測(cè)區(qū)重疊的方法，得到單個(gè)車(chē)輪連續(xù)的輪軌垂向力。無(wú)論轉(zhuǎn)向架還是單個(gè)車(chē)輪的測(cè)區(qū)重疊方法，均增加硬件設(shè)備、降低測(cè)量系統(tǒng)的可靠性，在國(guó)內(nèi)外均未得到推廣。

本文在對(duì)“剪力+支撐力”輪軌垂向力測(cè)量方法(簡(jiǎn)稱“剪力+支撐力”測(cè)量方法)的測(cè)量原理、剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)及其影響進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，提出輪軌垂向力地面全連續(xù)測(cè)量的復(fù)合測(cè)區(qū)方法[13-14]，在不增加“剪力+支撐力”測(cè)量方法硬件設(shè)備的前提下實(shí)現(xiàn)了輪軌垂向力的地面全連續(xù)長(zhǎng)距離測(cè)量。

1 “剪力+支撐力”測(cè)量方法

1.1 測(cè)量原理

“剪力+支撐力”測(cè)量方法采用在跨中鋼軌上安裝剪力傳感器或粘貼應(yīng)變片、在軌枕支撐點(diǎn)處安裝墊板傳感器的方式，實(shí)現(xiàn)輪軌垂向力的連續(xù)測(cè)量，測(cè)量原理如圖1所示。圖中：v為車(chē)輛運(yùn)行速度；l為由2個(gè)相鄰剪力傳感器間距表征的測(cè)區(qū)長(zhǎng)度；Fw,i(i為測(cè)區(qū)內(nèi)車(chē)輪個(gè)數(shù)，i=1，2，…，m)為測(cè)區(qū)內(nèi)車(chē)輪作用在鋼軌上的輪軌垂向力；FQ1，F(xiàn)Q2為測(cè)區(qū)端部跨中鋼軌剪切應(yīng)力(簡(jiǎn)稱剪力)；FNj(j為測(cè)區(qū)內(nèi)軌枕支點(diǎn)上測(cè)力墊板個(gè)數(shù)，j=1，2，…，n)為測(cè)區(qū)內(nèi)軌枕支點(diǎn)上的鋼軌支撐垂向力(簡(jiǎn)稱支撐力)。

圖1 “剪力+支撐力”測(cè)量方法測(cè)量原理

根據(jù)“剪力+支撐力”測(cè)量方法測(cè)量原理進(jìn)行受力分析，由力的平衡條件可以得到

(1)

FQ1，F(xiàn)Q2通過(guò)剪力傳感器或粘貼應(yīng)變片等方式測(cè)取，F(xiàn)Nj通過(guò)墊板傳感器測(cè)取，利用式(1)即可獲得測(cè)區(qū)內(nèi)所有車(chē)輪作用在鋼軌上連續(xù)的輪軌垂向力。

利用“剪力+支撐力”測(cè)量方法時(shí)，如果每時(shí)刻最多只有1個(gè)車(chē)輪位于測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，那么就可以得到單個(gè)車(chē)輪通過(guò)測(cè)區(qū)時(shí)連續(xù)的輪軌垂向力，連續(xù)單元測(cè)區(qū)受力如圖2所示。圖中：di，di+1分別為車(chē)輪i與i-1，i與i+1中心的距離即軸間距；leff為連續(xù)單元測(cè)區(qū)有效長(zhǎng)度；lineff為剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度。

圖2 “剪力+支撐力”測(cè)量方法連續(xù)單元測(cè)區(qū)受力圖

如圖2可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)單個(gè)車(chē)輪輪軌垂向力的測(cè)量，各軸間距di要求滿足

l≤mindi

(2)

此時(shí)，車(chē)輪i作用在鋼軌上的輪軌垂向力為

Fw,i=FQ1+FQ2+FN1+FN2

(3)

由式(2)表達(dá)的條件是指測(cè)區(qū)長(zhǎng)度小于需要測(cè)量的最小軸間距，使得采用“剪力+支撐力”測(cè)量方法測(cè)量輪軌垂向力時(shí)連續(xù)單元測(cè)區(qū)長(zhǎng)度受限。

為實(shí)現(xiàn)車(chē)輪全輪周覆蓋且控制測(cè)量成本、提高測(cè)量可靠性，通常采用多個(gè)連續(xù)單元測(cè)區(qū)順序布置且共用相鄰剪力傳感器的方法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輪軌垂向力的連續(xù)測(cè)量。如我國(guó)廣泛工程化應(yīng)用的TPDS采用了3個(gè)連續(xù)單元測(cè)區(qū)，具體布置如圖3所示。

圖3 TPDS連續(xù)單元測(cè)區(qū)布置圖

1.2 剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)及其影響

多個(gè)連續(xù)單元測(cè)區(qū)組合且共用相鄰剪力傳感器的方法使得總測(cè)試區(qū)的長(zhǎng)度滿足了車(chē)輪圓周覆蓋等實(shí)際測(cè)試需求，但是由于現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量鋼軌剪力時(shí)是基于純剪力狀態(tài)假設(shè)，導(dǎo)致存在1個(gè)長(zhǎng)度與鋼軌高度相近的剪力測(cè)量過(guò)渡(無(wú)效)區(qū)?？缰屑袅鞲衅鳒y(cè)量波形如圖4所示。由圖4可見(jiàn)：由于在過(guò)渡區(qū)內(nèi)不滿足純剪力假設(shè)，剪力傳感器的輸出不能真實(shí)反映左右側(cè)鋼軌間剪力的大小。

圖4 跨中剪力傳感器測(cè)量波形

對(duì)于連續(xù)單元測(cè)區(qū)來(lái)講，其有效測(cè)區(qū)長(zhǎng)度leff不等于測(cè)區(qū)長(zhǎng)度l，而應(yīng)是測(cè)區(qū)長(zhǎng)度l減去剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度lineff，如圖2所示。因此，采用多個(gè)連續(xù)單元測(cè)區(qū)組合且共用相鄰剪力傳感器的方法進(jìn)行長(zhǎng)距離輪軌垂向力測(cè)量時(shí)，實(shí)際上得到的是“準(zhǔn)連續(xù)”的輪軌垂向力，相鄰2個(gè)連續(xù)單元測(cè)區(qū)間約有1個(gè)軌高的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。由圖3可見(jiàn)：TPDS存在2個(gè)剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)(不考慮端部傳感器)，而且隨著連續(xù)單元測(cè)區(qū)數(shù)量的增加剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)數(shù)量也隨之增加。剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)的存在制約了TPDS在多邊形車(chē)輪階次、運(yùn)行狀態(tài)不良車(chē)輛識(shí)別等方面的功能擴(kuò)展及深入運(yùn)用。

2 復(fù)合測(cè)區(qū)方法

2.1 測(cè)量原理

為更好地實(shí)現(xiàn)“剪力+支撐力”輪軌垂向力長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)量，對(duì)現(xiàn)有方法中車(chē)輪i滾過(guò)共用剪力測(cè)量點(diǎn)Qck測(cè)量過(guò)渡區(qū)時(shí)的受力狀態(tài)進(jìn)行了深入分析，如圖5所示。圖中：P1和P2分別為車(chē)輪i滾入、滾出測(cè)量過(guò)渡區(qū)Qck時(shí)的位置；FN1,k和FN2,k分別為第k個(gè)連續(xù)單元測(cè)區(qū)內(nèi)2個(gè)軌枕支點(diǎn)上的支撐力；Qk和Qk-1分別為第k，k-1測(cè)區(qū)端部剪力測(cè)量點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的剪力分別為FQk，F(xiàn)Qk-1；lmul為由第k，k-1個(gè)連續(xù)單元測(cè)區(qū)忽略相鄰共用剪力測(cè)量點(diǎn)Qck組成的復(fù)合測(cè)區(qū)長(zhǎng)度。

圖5 復(fù)合測(cè)區(qū)方法受力圖

當(dāng)車(chē)輪i處于P1位置時(shí)，由于連續(xù)單元k-1及k的長(zhǎng)度lk-1及l(fā)k滿足式(2)，車(chē)輪i+1一定處于Qk-1所在的測(cè)量過(guò)渡區(qū)之外(左側(cè))，如果繼續(xù)增加約束條件

di≥lk+lineff

(4)

那么車(chē)輪i-1也將處于Qk所在的測(cè)量過(guò)渡區(qū)之外(右側(cè))，車(chē)輪i+1，i-1均不會(huì)對(duì)Qk-1，Qk處剪力的準(zhǔn)確測(cè)量造成影響。

同理，當(dāng)車(chē)輪i處于P2位置時(shí)，當(dāng)連續(xù)單元k-1及k的長(zhǎng)度lk-1及l(fā)k同時(shí)滿足式(2)和約束條件式(5)，那么車(chē)輪i+1，i-1一定處于Qk-1，Qk所在的測(cè)量過(guò)渡區(qū)之外，對(duì)Qk-1，Qk處剪力的測(cè)量無(wú)影響。

di+1≥lk-1+lineff

(5)

綜上，車(chē)輪i由位置P1滾動(dòng)到P2過(guò)程中，車(chē)輪i+1，i-1均處于Qk-1，Qk外側(cè)，不影響二者剪力的準(zhǔn)確測(cè)量，即復(fù)合測(cè)區(qū)可以準(zhǔn)確測(cè)量車(chē)輪i通過(guò)共用剪力Qck測(cè)量過(guò)渡區(qū)的輪軌垂向力，即

Fw,i=FQk-1+FQk+FN1,k-1+FN2,k-1+

FN1,k+FN2,k

(6)

因此，若滿足約束條件

maxlk≤mindi-lineff

(7)

則可以將所有相鄰的垂向力連續(xù)單元測(cè)區(qū)忽略共用剪力測(cè)點(diǎn)構(gòu)成復(fù)合測(cè)區(qū)，通過(guò)復(fù)合測(cè)區(qū)準(zhǔn)確得到車(chē)輪通過(guò)共用剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)時(shí)的輪軌垂向力，再與各輪軌垂向力連續(xù)單元測(cè)區(qū)有效測(cè)量范圍內(nèi)的輪軌垂向力組合，即可以得到除前后最端部剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)外整個(gè)測(cè)量區(qū)段上連續(xù)的輪軌垂向力。

2.2 實(shí)施步驟

復(fù)合測(cè)區(qū)方法在“剪力+支撐力”測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)連續(xù)單元測(cè)區(qū)的不同組合方式、在不增加硬件的條件下實(shí)現(xiàn)了輪軌垂向力的地面全連續(xù)長(zhǎng)距離測(cè)量，具體實(shí)施步驟如下。

首先，提取車(chē)輪在連續(xù)單元測(cè)區(qū)上的有效測(cè)量時(shí)間段。由圖5可見(jiàn)：車(chē)輪在某連續(xù)單元測(cè)區(qū)輪軌垂向力上的有效測(cè)量時(shí)間是從某車(chē)輪滾離某連續(xù)單元測(cè)區(qū)第1個(gè)剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)開(kāi)始、至該車(chē)輪滾入該連續(xù)單元測(cè)區(qū)第2個(gè)剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)結(jié)束，即車(chē)輪滾過(guò)距離leff(k-1)或leff(k)所用時(shí)間。

其次，構(gòu)建復(fù)合測(cè)區(qū)并在復(fù)合測(cè)區(qū)上提取車(chē)輪滾過(guò)共用剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)的時(shí)間段。如圖5所示，由單元連續(xù)測(cè)區(qū)k，k-1組合并忽略共用剪力測(cè)量點(diǎn)Qck構(gòu)建復(fù)合測(cè)區(qū)(測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為lmul)；在復(fù)合測(cè)區(qū)上，提取某車(chē)輪滾過(guò)Qck測(cè)量過(guò)渡區(qū)的時(shí)間，即車(chē)輪滾過(guò)位置P1至P2間距離lineff所用時(shí)間。

最后，將上述2個(gè)部分結(jié)果按照時(shí)間進(jìn)行組合拼接，即將車(chē)輪在各連續(xù)單元測(cè)區(qū)上的有效測(cè)量時(shí)間段(圖5中車(chē)輪滾過(guò)leff(k-1)和leff(k)對(duì)應(yīng)的時(shí)間)內(nèi)數(shù)據(jù)與在各復(fù)合測(cè)區(qū)上該車(chē)輪通過(guò)共用剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)時(shí)間段(圖5中車(chē)輪滾過(guò)位置P1至P2間距離lineff對(duì)應(yīng)的時(shí)間)內(nèi)的數(shù)據(jù)按照時(shí)間先后順序進(jìn)行組合拼接，從而得到該車(chē)輪最終的長(zhǎng)距離連續(xù)輪軌垂向力。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)合測(cè)區(qū)方法

以上對(duì)復(fù)合測(cè)區(qū)方法的測(cè)量原理、實(shí)施步驟等進(jìn)行了詳細(xì)闡述，現(xiàn)結(jié)合TPDS的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的拼接、組合實(shí)施過(guò)程作進(jìn)一步分析。同時(shí)，根據(jù)采用復(fù)合測(cè)區(qū)方法進(jìn)行TPDS預(yù)報(bào)的多邊形車(chē)輪建立單輪對(duì)仿真模型，驗(yàn)證實(shí)測(cè)輪軌垂向力與仿真結(jié)果的一致性。

3.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施過(guò)程

復(fù)合測(cè)區(qū)方法要求最大連續(xù)單元測(cè)區(qū)長(zhǎng)度小于最小軸間距與剪力過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度之差，因此，“剪力+支撐力”輪軌垂向力監(jiān)測(cè)類(lèi)設(shè)備在采用該方法時(shí)連續(xù)單元測(cè)區(qū)的長(zhǎng)度設(shè)置應(yīng)綜合考慮主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)車(chē)輛軸距特征、軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，并結(jié)合運(yùn)用需求合理確定連續(xù)單元測(cè)區(qū)的數(shù)量。

我國(guó)主型4軸客車(chē)的最小軸距為2.4 m左右，3個(gè)1.6 m連續(xù)單元測(cè)區(qū)布置的TPDS滿足復(fù)合測(cè)區(qū)方法的實(shí)施條件，某主型4軸客車(chē)1位輪通過(guò)TPDS時(shí)順序排列的連續(xù)單元測(cè)區(qū)、復(fù)合測(cè)區(qū)輪軌垂向力，以及由此得到長(zhǎng)距離連續(xù)輸出的輪軌垂向力標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程綜合圖如圖6所示。圖中：選取各連續(xù)單元測(cè)區(qū)、復(fù)合測(cè)區(qū)上綠色虛框內(nèi)的有效數(shù)據(jù)，并按照時(shí)序進(jìn)行直接拼接組合，即為該輪的長(zhǎng)距離連續(xù)輪軌垂向力。

圖6 復(fù)合測(cè)區(qū)方法處理4軸客車(chē)1位輪垂向力標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程綜合圖

由圖6可見(jiàn)：TPDS實(shí)測(cè)各連續(xù)單元測(cè)區(qū)的輪軌垂向力時(shí)，通過(guò)采用復(fù)合測(cè)區(qū)方法有效解決了剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)的影響，避免了采用“剪力+支撐力”測(cè)量方法時(shí)將各連續(xù)單元測(cè)區(qū)內(nèi)有效測(cè)量數(shù)據(jù)直接拼接導(dǎo)致的輪軌垂向力峰谷信息的丟失(圖6中紅色虛框內(nèi)部分)，從而為輪軌垂向力的深入研究以及TPDS等輪軌力監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能擴(kuò)展創(chuàng)造了有利條件。

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證復(fù)合測(cè)區(qū)方法輪軌垂向力地面測(cè)量的連續(xù)性，選取采用復(fù)合測(cè)區(qū)方法進(jìn)行TPDS預(yù)報(bào)的某客車(chē)一級(jí)踏面損傷報(bào)警車(chē)輪(沖擊當(dāng)量為23和4階多邊形)進(jìn)行分析。根據(jù)該車(chē)輛TPDS中通過(guò)速度、輪重、車(chē)輪徑向跳動(dòng)靜態(tài)測(cè)量等數(shù)據(jù)建立單輪對(duì)數(shù)學(xué)模型，仿真計(jì)算輪軌垂向力，如圖7所示。

圖7 4階多邊形車(chē)輪TPDS實(shí)測(cè)輪軌垂向力與單輪仿真對(duì)比

由圖7可見(jiàn)：雖然仿真結(jié)果與TPDS實(shí)測(cè)的輪軌垂向力在大小上有一些差異，但是兩者波形的形態(tài)具有良好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合測(cè)區(qū)方法是解決剪力測(cè)量過(guò)渡區(qū)及其影響、實(shí)現(xiàn)輪軌垂向力長(zhǎng)距離全連續(xù)測(cè)量非常行之有效的一種手段，連續(xù)測(cè)量的輪軌垂向力可以有效反映車(chē)輪的徑向變化狀態(tài)。

4 復(fù)合測(cè)區(qū)方法在TPDS中的應(yīng)用

TPDS作為輪軌力在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，在指導(dǎo)車(chē)輛維修、保障列車(chē)運(yùn)行安全方面發(fā)揮了重要作用。但隨著運(yùn)用的深入，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)車(chē)輪故障特征的關(guān)注不斷提高，特別是對(duì)一些車(chē)輪隱蔽故障(如多邊形)、重大危險(xiǎn)類(lèi)故障(如輞裂)等，希望能重點(diǎn)提示以便開(kāi)展有針對(duì)性的維修。復(fù)合測(cè)區(qū)方法實(shí)現(xiàn)了輪軌垂向力的全連續(xù)測(cè)量，應(yīng)用于TPDS可以進(jìn)一步拓展TPDS的功能。

4.1 車(chē)輪多邊形監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

車(chē)輪多邊形在動(dòng)車(chē)組、機(jī)車(chē)、客車(chē)以及城軌車(chē)輛中非常普遍。車(chē)輪多邊形比較隱蔽、不易被發(fā)現(xiàn)。采用復(fù)合測(cè)區(qū)方法測(cè)量的CRH2型動(dòng)車(chē)組多邊形車(chē)輪連續(xù)輪軌垂向力及高頻輪軌垂向力波形如圖8所示。根據(jù)高頻輪軌垂向力主頻、列車(chē)速度及車(chē)輪直徑確定該車(chē)輪為28階多邊形、最大高頻輪軌垂向力為16.39 kN。

圖8 多邊形車(chē)輪輪軌垂向力及高頻輪軌垂向力波形

該車(chē)輪TPDS預(yù)報(bào)后在動(dòng)車(chē)所采用車(chē)輪不圓度檢測(cè)儀進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)：該車(chē)輪為28階多邊形、表面粗糙度為25.7 dB·μm-1，表明TPDS監(jiān)測(cè)與靜態(tài)測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性。

圖9 多邊形車(chē)輪靜態(tài)測(cè)量結(jié)果

將復(fù)合測(cè)區(qū)方法應(yīng)用到TPDS，能夠?qū)M足條件的車(chē)輛實(shí)行輪軌垂向力的全連續(xù)測(cè)量，通過(guò)高頻輪軌力評(píng)價(jià)技術(shù)自動(dòng)判別車(chē)輪多邊形的幅值及階次，并綜合計(jì)算累積損傷。近百例采用復(fù)合測(cè)區(qū)方法進(jìn)行TPDS預(yù)報(bào)的動(dòng)車(chē)組、客車(chē)、機(jī)車(chē)以及城軌車(chē)輛的車(chē)輪多邊形復(fù)核表明：復(fù)合測(cè)區(qū)方法的應(yīng)用能夠較好地實(shí)現(xiàn)TPDS對(duì)車(chē)輪多邊形的監(jiān)測(cè)，拓展了TPDS踏面損傷監(jiān)測(cè)功能，為及時(shí)、高效地處理車(chē)輪多邊形隱蔽故障提供了有效監(jiān)控手段。

4.2 車(chē)輪輞裂監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

輞裂是車(chē)輪的典型損傷類(lèi)型之一，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)輞裂車(chē)輪會(huì)嚴(yán)重危及機(jī)車(chē)車(chē)輛的行車(chē)安全。通過(guò)對(duì)貨車(chē)輞裂車(chē)輪分析發(fā)現(xiàn)：輞裂車(chē)輪均存在TPDS沖擊當(dāng)量，但不同輞裂車(chē)輪從TPDS首次監(jiān)測(cè)到非零沖擊當(dāng)量發(fā)展到報(bào)警級(jí)別的時(shí)間跨度存在明顯差異；另外，輞裂車(chē)輪均為薄輪輞的小輪徑車(chē)輪。鑒于輞裂事故多發(fā)于小輪徑車(chē)輪，且TPDS均檢測(cè)有沖擊當(dāng)量，可綜合考慮輪徑信息、沖擊當(dāng)量等增設(shè)TPDS車(chē)輪輞裂監(jiān)測(cè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)輞裂車(chē)輪的及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，提高輪對(duì)的運(yùn)用安全。通過(guò)輪軌力檢測(cè)車(chē)輪直徑信息方面，荷蘭ALEMI A等[15]學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，試圖利用WILD測(cè)量監(jiān)測(cè)車(chē)輪的直徑。

復(fù)合測(cè)區(qū)方法為T(mén)PDS對(duì)有輪軌沖擊特征車(chē)輪的輪徑信息自動(dòng)提取提供了技術(shù)手段。采用復(fù)合測(cè)區(qū)方法進(jìn)行TPDS預(yù)報(bào)的某貨車(chē)輞裂車(chē)輪，由于該TPDS連續(xù)測(cè)區(qū)總長(zhǎng)度為6 m，貨車(chē)新輪輪徑為840 mm，因此車(chē)輪可以在TPDS測(cè)試區(qū)上滾動(dòng)2周以上，測(cè)量的輪軌垂向力如圖10所示。由圖10可見(jiàn)：采用復(fù)合測(cè)區(qū)方法的TPDS檢測(cè)到了2次輪軌沖擊，沖擊力在180 kN左右。通過(guò)2次沖擊峰值間的距離即車(chē)輪的周長(zhǎng)，可計(jì)算得到該輪的直徑為806 mm(靜態(tài)測(cè)量值為801 mm)，具有較高的測(cè)量精度。

5 結(jié) 論

(1)鋼軌剪力測(cè)量是基于純剪力狀態(tài)假設(shè)，在剪力過(guò)渡區(qū)不滿足該假設(shè)條件。當(dāng)車(chē)輪作用在該過(guò)渡區(qū)時(shí)，剪力傳感器的輸出不能真實(shí)反映左右側(cè)鋼軌間剪力的大小?！凹袅?支撐力”多單元測(cè)區(qū)連續(xù)布置且相鄰剪力傳感器共用的輪軌垂向力測(cè)量方法是一種準(zhǔn)連續(xù)測(cè)量方法，在共用剪力傳感器位置存在長(zhǎng)度約1個(gè)鋼軌高度的無(wú)效區(qū)。

圖10 采用復(fù)合測(cè)區(qū)方法進(jìn)行TPDS預(yù)報(bào)的輞裂車(chē)輪輪軌垂向力

(2)復(fù)合測(cè)區(qū)方法在“剪力+支撐力”多連續(xù)單元測(cè)區(qū)法的基礎(chǔ)上，通過(guò)連續(xù)單元測(cè)區(qū)長(zhǎng)度合理設(shè)置或增加約束條件等可有效克服剪力過(guò)渡區(qū)的影響，從而將現(xiàn)有工程中廣泛使用的米級(jí)長(zhǎng)度的輪軌垂向力準(zhǔn)連續(xù)測(cè)量，擴(kuò)展到任意需要的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了輪軌垂向力的長(zhǎng)距離、全連續(xù)測(cè)量，為輪軌相互作用研究的深化及擴(kuò)展提供了條件。

(3)復(fù)合測(cè)區(qū)方法在TPDS上的應(yīng)用，拓展了TPDS的功能，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輪多邊形、輞裂車(chē)輪監(jiān)測(cè)等，提高了車(chē)輛的運(yùn)用安全性。上述應(yīng)用表明：復(fù)合測(cè)區(qū)方法能為軌道車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)、研究以及安全性的評(píng)估、監(jiān)測(cè)提供有效手段，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。