车轮踏面伤及车辆运行状态在线检测研究

车轮踏面伤及车辆运行状态在线检测研究

由于车轮固定部件的损坏，轨道车辆的负荷、位移和损坏会导致道路几何形状恶化，从而损害车辆的部件，降低轨道结构和车辆的使用寿命。城市轨道交通列车运行时的冲击载荷引起的振动与噪声,则会对线路周围居民生活造成不良影响。因此有必要采用经济、有效的方法检测轮重减载、车轮踏面擦伤及车辆运行状况。本文简要介绍了在线检测车辆运行状态的原理,并以车辆踏面擦伤检测为例,描述了在线检测测试点的布置方法;进一步采用了基于Timoshenko梁的有限元轨道-车辆耦合模型,仿真车轮踏面擦伤在线检测的过程。1垂向力学性能装置车辆运行状态的在线检测,是通过钢轨剪力法检测轮轨作用力,从而实现对轮载、车轮擦伤等的在线、连续检测,同时识别车辆蛇行运动情况,检测车辆的运行状况,以便通知相关部门予以及时处理。一般情况下,平直轨道上轮轨间的横向作用力对轮轨间垂向作用力影响较小,因此可采用在距两轨枕间中心线一定距离的单根轨道两侧贴8个与钢轨中心轴成45°方向的应变片,来测试轮轨间的垂向作用力。具体贴片方式如图1(括号中为轨道另一侧同一位置处的贴片)。应变片组桥方式如图2。欲实现对轮载、车轮踏面擦伤、一定速度下车辆蛇行运动等车辆运行状态的在线检测,必须有效布置测试点,合理选择检测区域数目。2车辆踏面损伤测试方案设计车轮踏面擦伤是影响车辆运行状况的重要因素,也是在线检测的重要内容。为了在轨道测试区域内检测到车轮踏面擦伤,同时便于对不同检测方案进行对比研究,将轨枕间距、轨枕宽度及测试片之间的距离转化为等效圆周弧度,计算出欲测试车轮踏面圆周上所有位置与轨道之间作用时所需的布点数。布置测试点时,在考虑充分利用轨枕间距的同时,测试片与轨枕之间应留有一定空间。下面根据两种不同测试方案对840mm车轮踏面擦伤进行检测研究。方案一:轨枕间距600mm;轨枕宽度160mm;两测试点间距离340mm。则轨枕间距、轨枕宽度、测试区域占整个车轮圆周的角度,分别为81.85°、21.82°和46.38°。在不影响轨道车辆正常运行的情况下,增加轨枕间距,提出改进测试方案二。方案二:轨枕间距760mm;轨枕宽度160mm;两测试点间距离500mm。转化为等效圆周弧度,则轨枕间距、轨枕宽度、测试区域占整个车轮圆周的角度,分别为103.678°、21.82°和68.21°。图3、4中由内向外阴影部分表明车辆旋转前进过程中线路上轨枕间两测试点所能测试到车轮圆周的范围,并用直线标示出轨枕中心线位置。图3表明,若采用方案一,需在13段轨枕间距内布置测试点。图4表明,采用方案二仅需在7段轨枕间距内布置测试点即可完成,比方案一节省了将近一半的测试点。采用圆周弧度的方法进行测试区域布置可测出圆周任何位置,因此可以测试出踏面多处擦伤问题。为了检测一定运行速度下轨道车辆的蛇行运动情况,需要在更长的轨道长度内布置测试点,同时考虑轮载、车轮踏面擦伤的检测以及经济性。可采用等效圆周弧度法,间隔布置测点位置以及测试区域,完成对轨道车辆运行状态的在线检测。3车轮踏面损伤检测结果本文采用基于Timoshenko梁有限元轨道-车辆耦合模型,对车辆运行状态的检测过程进行仿真。模型特点:采用Timoshenko梁有限元;采用Hertz接触计算轮轨作用力;考虑了钢轨、轨枕垫、轨枕、道碴之间非线性因素。Timoshenko梁有限元轨道-车辆耦合通过非线性Hertz接触理论,使轨道的振动与车辆的振动相互耦合作用,避免传统的将车辆和轨道系统作为不同研究对象各自分析的缺点。以方案二为例,设计如图5的仿真方案,仿真车轮踏面擦伤在线检测的过程。图5中设置了7段检测钢轨、14个测试点。通过轨枕之间两测试点剪切应变的叠加仿真实测的电桥输出,根据检测到的擦伤测试区域及其位置,可反求出擦伤的起始位置Ls及其覆盖范围Lt。仿真采用上海轨道交通1号线车辆参数和所用轨道参数。仿真结果如图6所示。图中,S1～S14分别为1～14测试点的剪切应变值,Sa1～Sa7分别为1～7测试钢轨段两测试点剪切应变叠加值。由图6看到:车辆顺次经过第一、二测试区域时,Sa1,Sa2出现梯形波,表明此测试区域没有测试到车轮擦伤,这与图7(实际测试波形)无车轮踏面擦伤时的波形一致;车辆进入第三测试区域,Sa3在0.14s时突然降低后在0.142s时陡然上升,表明第三段测试区域内测试到车轮踏面擦伤,并产生了2.5倍左右静载荷的轮轨冲击力。可根据车轮出现失载时刻、车辆速度、车辆起动时刻、车轮半径等推算出车轮擦伤位置。第四、五、六、七测试区域的波形表明,在这些测试区域内没有测试到车轮踏面擦伤,但由于受到前段车轮擦伤冲击作用的影响,Sa4、Sa5梯形波处的值明显比没受冲击前的Sa1和Sa2梯形波处的值大;车辆以及轨道系统的阻尼作用衰减了轮轨间的冲击作用,使Sa6、Sa7梯形波处的值与Sa1和Sa2梯形波处的值相当。图6也给出了轮轨间动态作用力变化过程。等效圆周弧度计算合理测试区域表明,适当增加轨枕间距可有效减少测试轨长度。对于现有线路上既定的轨枕间距而言,设置测试区域时应尽量增加有效的轨枕测试距离。4在线检测系统测试点布置通过两种车轮擦伤在线检测测试点布置方案的对比表明:通过等效圆周弧度法可对轨道车辆运行状态在线检测系统的测试点布置进行合理的