[发明专利]一种基于轨侧布置应变片采集数据反求车轮与钢轨间作用力的方法

说明书

本发明公开了一种基于轨侧布置应变片采集数据反求车轮与钢轨间作用力的方法，所述方法主要包括以下步骤：S1，基于单侧轨道结构有限元模型及标定时间的参考位置的垂向和横向单位力载荷向量，求解应变与作用力之间的关联矩阵；S2，采用D‑Optimal准则，获得轨道上需要布置应变片的最合理的位置、方向及数量；S3，根据S2中确定的最合理的位置、方向及数量，以及标定时间的参考位置，分别在两条轨道上对称布置应变片，并实测作用力所产生的应变。通过本发明所述方法获取车轮与钢轨间作用力，对新旧轨道线路均可以适用，并且能方便长期对轨道进行结构健康监测。

技术领域

本发明涉及轨道车辆检测领域，尤其涉及一种通过应变片采集数据反求车轮与钢轨间作用力的方法。

背景技术

车轮与钢轨间作用力的检测方法，现有技术通常采用以下三种方式：

一是测力轮对直接测试法。在直接测力领域，比较有代表性的成果是轨道车辆测力车轮的开发。具体做法是在车轮上嵌入专用的测力传感器，并事先载荷进行标定，然后将测力轮替换即将服役的轮对。事实上，直接测力除了仅当在传感器信号与载荷之间存在直接的换算关系的情况下可用外，另一个更大的局限性是安装上的困难，以高速动车组转向架为例，在役过程中将承受多种幅值不同、波形不同的动态载荷，它们分别通过空气弹簧、各个方向的减振器、轮对、齿轮箱、牵引销、电机吊架等接口将载荷同时作用上去，在这些结构接口上布置专用的测力传感器几乎是不被允许的。参考文献可见《轮轨力测量在高速铁路轨道检测中的应用研究》刊载于《铁道机车车辆》2012.32(4):19-24和《基于轮轴应变的轮轨力测量方法》刊载于《中国新技术新产品》。

二是轴箱加速度反求法。该方法首先要做轴重标定试验，一般采用静态或动态标定试验，并通过相关计算获得簧下质量，利用加速传感器测试轮对轴箱的垂向和横向加速度，然后根据轮对质量折算轮轨之间的相互作用力。参考文献可见《基于城际车轴箱加速度的轮轨力分析》北京交通大学2016。

三是国外基于实测应变的载荷反求技术。

其中，测力轮对测试法，首先造价高，即需要制作专用测试轮对，其次由于改边了轮对的内部，不能安装到高速重载等车辆上，所测试的轮轨载荷只属于轨道检查车，而不能代表其它车辆；轴箱加速度测试法，由于轴箱通过轴承与车轴相连，其加速度数据与轮对实际振动有一点差距，因此虽然实施方便但误差较大；基于实测应变的载荷反求技术，该类技术主要是反求载荷作用点和方向都不改变，只是载荷大小发生变化，力的作用点在变化的载荷无法获得。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过在轨道结构上布置应变片测量应变，进而通过有限元的数值仿真确定最合理的应变片数量与位置，并最终结合关联矩阵，以及参考时间的应变矩阵，计算获得轨道车辆轮对与钢轨之间的作用力。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于轨侧布置应变片采集数据反求车轮与钢轨间作用力的方法，所述方法包括以下步骤：

S1，基于单侧轨道结构有限元模型及标定时间的参考位置的垂向和横向单位力载荷向量，求解应变与作用力之间的关联矩阵；

S2，采用D-Optimal准则，获得轨道上需要布置应变片的最合理的位置、方向及数量；

S3，根据S2中确定的最合理的位置、方向及数量，以及标定时间的参考位置，分别在两条轨道上对称布置应变片，并实测作用力所产生的应变；

S4，根据标定时间的参考位置的实测应变确定参考位置获得最大应变的时间，并将其标定为车辆一个转向架通过该参考位置的时间；

S5，结合关联矩阵，以及参考位置的应变矩阵，计算车辆一个转向架一个单侧的2个车轮与一条钢轨之间的作用力；

S6，重复S4与S5，获得该转向架另外一侧2个车轮与另外一条钢轨之间的作用力，从而获得车辆一个转向架上四个车轮分别作用到钢轨上的实际载荷；