張勝龍， 王文斌， 沈凱明， 戴源廷， 周亞鵬， 王云龍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 城市軌道交通中心， 北京 100081；2.北京市軌道交通運營管理有限公司， 北京 100068)

中國城市軌道交通除了少數(shù)城市采用單軌、磁懸浮等新型制式外，鋼輪鋼軌仍然是最常用的城軌制式。輪軌滾動接觸是輪軌交通方式所特有的相互作用關(guān)系，具有時變性和動態(tài)性，是城市軌道交通系統(tǒng)中最重要的研究對象之一[1]。輪軌力是輪軌動態(tài)接觸產(chǎn)生的綜合結(jié)果，輪軌力是否正常直接影響到車輛運行的安全性和穩(wěn)定性[2-3]。準(zhǔn)確地檢測輪軌力對于地鐵安全運營至關(guān)重要，因此如何準(zhǔn)確、高效、安全地檢測輪軌力一直是鐵路科研工作者重要的研究方向[4]。目前輪軌力檢測方法按照檢測位置可以分為地面測試法和車載測試法。

地面測試法是通過測力鋼軌和其他傳感元件來測量輪軌力[5]。地面測試法中的非連續(xù)法由于只能測試有限離散點的輪軌力，具有一定的局限性；而連續(xù)法能夠測量連續(xù)的輪軌力，從而可以對車輛的運行狀態(tài)進(jìn)行評價分析[6]。趙國堂等[7]以鋼軌作為傳感元件，提出了輪軌力連續(xù)測試的原理及方法，并通過有限元分析、室內(nèi)試驗和線上試驗驗證了其可行性與準(zhǔn)確性。李彬等[8]通過線上試驗和雙橋正弦組橋模式的仿真計算，驗證了在軌道上實現(xiàn)輪軌力連續(xù)測量的可行性。宋穎等[9]提出了基于壓電傳感技術(shù)的輪軌力實時監(jiān)測方法，并通過有限元仿真計算驗證了方法的正確性。

車載測試法能夠隨車對線路軌道狀態(tài)進(jìn)行全線測量，具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。車載測試法可分為直接測量法和間接測量法，直接測量法目前常用的是測力輪對，最早的測力輪對是間斷測量的，輪對旋轉(zhuǎn)一周只能得到一個峰值，需要依靠波形的包絡(luò)線近似確定，因此精度不高[10-12]。連續(xù)法測力輪對起源于20世紀(jì)60年代，Weber研制了輻條式測力輪對，并對輪軌力進(jìn)行了連續(xù)測量[13]。Pocklington在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使得輻條式測力輪對趨于完善[14]。但是由于輻條式測力輪對造價高，在實際中很少應(yīng)用。輻板式測力輪對是目前最常用的測力輪對形式，其中具有代表性的是美國Modransky等研制的EMD第四代測力輪對，這種測力輪對的電橋輸出兩個相位差為90°的正弦波，通過平方和開根求得結(jié)果[15]。除此之外，美國學(xué)者還提出一種測力輪對方法，在輻板上布置兩個相位差90°的橫向橋，輸出正弦波信號，布置兩個相位差45°的垂向橋，輸出三角波信號[16，17]。如今使用的連續(xù)測力輪對技術(shù)大多都參考這一思路。中國現(xiàn)用的測力輪對國標(biāo)法是《機(jī)車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—2019)提出的方法。該方法橫向力橋采用正余弦波，垂向力橋采用三角波的組橋方式[18]。除此之外，中國現(xiàn)用的連續(xù)測力輪對技術(shù)還有打孔法。該方法橫向力橋和垂向力橋均采用正余弦波。間接測量法雖然精度沒有測力輪對高，但是造價便宜，操作簡單。中國目前常用的間接測量法是《鐵道車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—1985)提出的構(gòu)架力法，這種方法測量精度不高[19]。Kanehara等采用非接觸式間隙傳感器來測試車輪變形量，通過車輪變形直接獲得輪軌力，這種方法容易損壞傳感器，不便于實際應(yīng)用[20]。

因此，目前測量輪軌力最精確的方法是連續(xù)法測力輪對。國內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上研發(fā)了輪軌力檢測系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了檢測效率[21]。本文對中國城軌目前常用的輪軌力檢測技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 地面測試法

輪軌力地面測試法是指在鋼軌上粘貼應(yīng)變片或者傳感器(圖1、圖2)，通過鋼軌的變形來計算輪軌力，現(xiàn)有測試方法可以分為非連續(xù)法和連續(xù)法。非連續(xù)法是在單個斷面上布置應(yīng)變片，反映的是某一時刻作用在鋼軌測量斷面上的輪軌力，無法對車輛狀態(tài)進(jìn)行評價。該方法布置相對簡單，操作簡便，測試成本較低，適用于頻率范圍較低、在軌道中傳遞、分布的規(guī)律可按靜力考慮的輪軌力測量。

圖1 輪軌垂向力貼片示意

圖2 輪軌橫向力貼片示意

圖3 輪軌垂向力組橋示意

圖4 輪軌橫向力組橋示意

非連續(xù)法主要采用剪力法進(jìn)行測量，通過在鋼軌上粘貼應(yīng)變片，組成惠更斯電橋來獲取鋼軌的應(yīng)變(圖3、圖4)，然后對特定的點進(jìn)行標(biāo)定獲得力與鋼軌應(yīng)變之間的關(guān)系，從而通過測量車輛通過時鋼軌應(yīng)變橋路的輸出來求出輪軌力[22](圖5、圖6)。目前，這種方法只能測試到有限離散點的輪軌力，無法對車輛狀態(tài)進(jìn)行評價。

圖5 輪軌力垂向標(biāo)定

圖6 輪軌力橫向標(biāo)定

地面連續(xù)輪軌力測試法是在一段鋼軌和軌枕上布置連續(xù)的力傳感器，通過計算得出該段范圍內(nèi)的輪軌力值,由于測試數(shù)據(jù)的連續(xù)性該方法能夠?qū)囕v運行狀態(tài)進(jìn)行評價。TPDS是一種基于輪軌力連續(xù)測量技術(shù)的輪軌力實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在6 m范圍內(nèi)布置連續(xù)的剪力和壓力傳感器[23]，如圖7 所示，從而實現(xiàn)連續(xù)輪對力的測量。通過連續(xù)的輪軌力可以對車輛運行狀態(tài)、車輪多邊形、車輪踏面損傷、車輛超偏載等問題進(jìn)行分析。該系統(tǒng)在大鐵已經(jīng)投入千余套在應(yīng)用，目前正在向城軌領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探索。

圖7 TPDS連續(xù)測試區(qū)布置

2 直接測量法

直接測量法是將輪對打孔貼片制作成力傳感器對替換掉原來的普通輪對，可實現(xiàn)對輪軌垂向力和橫向力的采集，測力輪對搭配采集系統(tǒng)及專業(yè)軟件形成輪軌力采集系統(tǒng)，能夠?qū)θ€軌道輪軌力進(jìn)行準(zhǔn)確、快速檢測。

2.1 測力輪對

測力輪對是將應(yīng)變片安裝在普通輪對輻板上，通過采集車輪特定部位的應(yīng)變來測量輪軌力，按照輪對腹板類型可分為輻條式測力輪對、直輻板測力輪對和曲輻板測力輪對[24]，按照貼片組橋方式可以分為間斷測量法和連續(xù)測量法[25]。

間斷測量法是在車輪特定的幾個角度位置上粘貼應(yīng)變片來進(jìn)行輪軌力測量，按照標(biāo)準(zhǔn)組橋，實現(xiàn)車輪旋轉(zhuǎn)一周范圍內(nèi)有限幾個峰谷位置上輪軌力的測量(圖8～圖11)。這種方法只能在波形峰谷位置才能獲取有效測量數(shù)據(jù)，采集結(jié)果是離散的數(shù)值，不具有沿軌道走向持續(xù)檢測能力，對于軌道上短波至長波的病害如焊縫、波磨、側(cè)磨、軌面擦傷等無法檢測，所以該方法僅適用于進(jìn)行車輛動力學(xué)性能檢測與評價。

圖8 間斷法垂向力貼片

圖9 間斷法垂向力組橋

圖10 間斷法橫向力貼片

圖11 間斷法橫向力組橋

圖12 國標(biāo)連續(xù)法垂向力貼片

圖13 國標(biāo)連續(xù)法垂向力組橋

圖14 國標(biāo)連續(xù)法橫向力貼片

圖15 國標(biāo)連續(xù)法橫向力組橋

在輻板貼片采集到的應(yīng)變均是周期為2π的周期函數(shù)，不同的組橋方案會產(chǎn)生不同階次的諧波。連續(xù)測量法是通過不同的組橋方式盡量減少和消除高次諧波，然后使橋路形成三角波、正弦波等波形的應(yīng)變輸出，然后再通過數(shù)學(xué)計算得到連續(xù)的輪軌力。一般是在輪對一圈選取8個貼片點，相鄰貼片點之間間隔45 °。常用的貼片方案有國標(biāo)法和打孔法(圖12～圖15)。連續(xù)測量法能夠獲取連續(xù)的輪軌力，除了能分析脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等安全性指標(biāo)外，還能對軌道短波不平順病害進(jìn)行測量的識別，對于軌道日常運維具有重要的指導(dǎo)價值。

輪測法需要對在輪對貼完應(yīng)變片之后在專用標(biāo)定臺上進(jìn)行標(biāo)定(圖16)，通過對左右側(cè)輪分別施加垂向力和橫向力，獲得加載力和測力輪對橋路的輸出的關(guān)系，通過數(shù)學(xué)計算獲得測力輪對的標(biāo)定系數(shù)。

圖16 測力輪對標(biāo)定臺

2.2 輪軌力檢測系統(tǒng)

輪軌力檢測系統(tǒng)一般搭載在運營電客車或者綜合檢測列車上，檢測系統(tǒng)主要包括高精度連續(xù)測量測力輪對、集流環(huán)、振動加速度傳感器、速度傳感器、信號采集設(shè)備、工控機(jī)和配套采集分析軟件等[26]，如圖17所示。該系統(tǒng)能夠隨車對全線的輪軌力和車體振動加速度進(jìn)行采集，并能對車輛運行過程中的安全性指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)和軌道短波不平順病害進(jìn)行評價。安全性指標(biāo)指的是脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力；穩(wěn)定性指標(biāo)指的是車體橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性；軌道短波不平順病害一般指的是鋼軌焊縫狀態(tài)、鋼軌波磨、鋼軌擦傷等[27]。新建線路開通前通常采用輪軌力檢測系統(tǒng)進(jìn)行輪軌關(guān)系測試，可以發(fā)現(xiàn)軌道線路缺陷，特別是能夠及時排查出可能造成車輛運行安全性降低的隱形因素[28]。

圖17 輪軌力檢測系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)的輪軌力采集系統(tǒng)的測力輪對和數(shù)據(jù)采集儀之間通過集流環(huán)進(jìn)行連接。集流環(huán)能將電信號線從車軸端部引出，使旋轉(zhuǎn)車輪和固定車載測試系統(tǒng)之間進(jìn)行電信號交換，但需要對車軸打穿線孔，從而破壞了車軸原始結(jié)構(gòu)。隨著地鐵智能化運維水平的提高，輪軌力的長期在線監(jiān)測已經(jīng)成為迫切需要解決的技術(shù)問題，傳統(tǒng)的輪軌力檢測系統(tǒng)由于破壞了輪對既有結(jié)構(gòu)，長期在線運行存在疲勞破壞的風(fēng)險，因此需要新一代遙測輪軌力檢測技術(shù)。

遙測輪軌力采集系統(tǒng)對傳統(tǒng)輪軌力采集系統(tǒng)進(jìn)行了重構(gòu)，去掉了集流環(huán)，增加了無線遙測設(shè)備。通過無線供電設(shè)備為其供電，能在輪對與車載數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式感應(yīng)供電和信號傳遞，將模擬量傳輸至車載采集設(shè)備匯總后與采集服務(wù)器通信。無線遙測設(shè)備由采集模塊、無線供電傳輸模塊和遙測工裝模塊3部分組成。采集模塊具有體積小、抗沖擊、抗電磁干擾、抗惡劣環(huán)境等特點，能夠滿足長期在車軸上工作的應(yīng)用場景需求；無線供電傳輸模塊能夠在車軸高速轉(zhuǎn)動且與轉(zhuǎn)向架之間有一定行程的條件下給采集設(shè)備穩(wěn)定供電。遙測工裝將遙測設(shè)備和電源、信號感應(yīng)線圈與車軸進(jìn)行連接，將電源、信號感應(yīng)器與轉(zhuǎn)向架進(jìn)行連接，并與軸端設(shè)備進(jìn)行配套(圖18)。

圖18 遙測設(shè)備布置

遙測輪軌力采集系統(tǒng)無需在車軸上進(jìn)行打孔穿線，適用于城市軌道交通的長期在線監(jiān)測。將遙測輪軌力采集系統(tǒng)安裝在日常運行的電客車上可以避免傳統(tǒng)的人工檢測帶來的任務(wù)量大、天窗時間短的問題，能夠高效地對線路全程開展輪軌力檢測，及時發(fā)現(xiàn)超出常規(guī)的異常作用力，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)影響運行安全性和平穩(wěn)性的線路缺陷及具體地點，有助于采取針對性的改善措施，對于線路的日常維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

3 間接測量法

目前有軌電車等車輛的車輪多采用彈性車輪，因為彈性橡膠變形的影響，如果將其加工成測力輪對，輻板上難以找到對輪軌力敏感的位置，也就無法準(zhǔn)確獲得輻板變形和輪軌力之間的關(guān)系[29]。為了評估彈性車輪軌道車輛的安全性，一般采用間接測量方法進(jìn)行評估。

間接測量法是根據(jù)達(dá)朗貝爾原理建立的測量方法，該方法通過對輪對受力狀態(tài)進(jìn)行分析，建立力的平衡方程，然后測量車輛行駛過程中一系彈簧的動位移和輪對的振動加速度，再將車輛自身參數(shù)代入平衡方程即可算出輪軌垂向力和橫向力[30]。具體原理如圖19所示。位移傳感器和振動加速度傳感器安裝如圖20、圖21所示。

在垂向上建立力矩平衡方程，分別以左右兩側(cè)輪軌接觸點作為力矩中心，忽略輪軌接觸點位置變化和輪對側(cè)滾角加速度變化對受力平衡造成的影響?？傻贸鲚唽ψ髠?cè)輪軌垂向力Q1和右側(cè)輪軌垂向力Q2的計算公式(1)、式(2)，輪軸橫向力的計算公式(3)。

圖19 輪軌受力示意圖

圖20 位移傳感器安裝

圖21 振動加速度傳感器安裝

(1)

(2)

H=-mway-Fs1-Fs2-Fr1-Fr2

(3)

式中：mw為輪對質(zhì)量；ay為輪對軸箱的橫向加速度；Fs1、Fs2分別為一系彈簧在左右兩端輪對作用的橫向力；Fr1、Fr2分別為輪對產(chǎn)生的離心力；Qs1、Qs2分別為一系彈簧對輪對施加的垂向力；Qd1、Qd2分別為安裝在左右側(cè)一系垂向減振器的垂向力；lc為輪對的滾動圓跨距；ls為輪對左右側(cè)一系彈簧的橫向跨距；ld為輪對左右垂向減振器的橫向跨距；G為輪對所受重力；r0為車輪的實測半徑。

間接測量法的優(yōu)點是無需在輪對上粘貼應(yīng)變計和安裝集流環(huán)，只需在轉(zhuǎn)向架和軸箱上安裝加速度和位移傳感器，并通過理論計算即可得到輪軌橫向力和垂向力。該方法安裝簡單，成本低廉，容易操作，不需要對車輪和車軸進(jìn)行相應(yīng)的加工，不會對其強(qiáng)度和壽命有影響，且具有較好的精度。其作為直接測量法的補(bǔ)充，對于一些對精度要求不高的前期摸底性調(diào)查，或者無法應(yīng)用測力輪對的彈性車輪等情況具有較好的應(yīng)用場景[31]。

4 結(jié)論

輪軌力是評判車輛運營安全性和穩(wěn)定性的依據(jù)，對于如何精確、高效地測量輪軌力一直是國內(nèi)研究的熱點問題。本文對輪軌力測試技術(shù)進(jìn)行了分類介紹，地面測試方法分為非連續(xù)法和連續(xù)法，由于測試原理的局限性，無法對整個線路輪軌力進(jìn)行評估。車載測試法分為直接法和間接法，其中連續(xù)測力輪對法是目前最常用也是最準(zhǔn)確的測試方法。輪軌力采集系統(tǒng)對于評估整條線路輪軌力狀態(tài)具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的遙測輪軌力采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對城軌運營線路的長期監(jiān)測，對于未來城軌智能化運維會發(fā)揮重要作用。