CN109374198A - 轮轨动态力地面测试标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮轨动态力地面测试标定系统，包括：一横向静态力加载装置，用于向被测钢轨的轨头单点施加静态载荷力，所述钢轨两侧轨底上表面设置有应变传感器；一横向和垂向动态力加载装置，采用动态锤击法用力锤向钢轨施加动态力，所述力锤包括锤头、锤体和动态力测试传感器；一应变测量装置，包括设置在钢轨轨底两侧上表面和轨腰两侧表面上的应变传感器。用锤击法进行轮轨垂向力标定的方法，用这种加载方式可以解决现有轮轨垂向力地面标定的问题，提高测量精度和标定准确性，同时解决加载系统笨重不易携带的缺点。

Description

轮轨动态力地面测试标定系统及方法

技术领域

本发明涉及铁路工程测试技术领域，具体地涉及一种轮轨动态力地面测试标定系统及方法。

背景技术

列车在轨道上运行时，轮轨之间的作用力是保证列车安全行驶设计的重要参数之一，关系到列车脱轨和倾覆的安全性指标，即脱轨系数和轮重减载率。这两项参数的精确计算取决于对轮轨力的准确测量和标定。能否准确地检测轮轨力，将直接关系到对列车的蛇行失稳、车轮踏面擦伤、超偏载等危险运营状态的判断。而在轮轨力测试中，能否准确的对轮轨力进行标定，将直接关系到轮轨力的测试结果，从而影响对列车运行安全性的判断评价。

目前轮轨力的地面标定测试依据中华人民共和国铁道行业标准TB/T 2489-2016“轮轨横向力和垂向力地面测试方法”，该标准规定了横向和垂向的加载方式、位置以及相应的应变测量的应变传感器的布置和组桥连接方式等，轮轨力的测试采用钢轨变形应变间接测量，由于实际线路的结构及刚度不同，钢轨在同样的受力条件下产生的变形及分布不同，因而轮轨力的测试需要对相应的轨道进行在线标定。

上述铁道行业标准TB/T 2489-2016规定的横向和垂向力标定加载方式和装置如图7和图8所示，均为静态加载方式，通过安装在钢轨上的加载装置施加横向和垂向力。

图8所示的垂向力加载系统中加载架为一长方形框架，框架的下横梁和钢轨平行，加载装置悬挂在框架的下横梁上向下对钢轨施加垂向力，框架两端的两个刚性挂钩与钢轨底面接触。在加力的过程中，当加力头向下向钢轨施加压力时，由于钢轨的反作用力必然对加载框架产生一个反向作用力，结果是加载架两端的挂钩在钢轨的下底面产生向上的拉力，所产生的钢轨受力状态如图9所示，这与轨道在实际运行中车轮作用到钢轨上的加载力分布完全不同。

图10和图11给出了用理论模拟分析的结果，比较了在3种不同轨道垂向支承刚度的条件下钢轨的变形，考虑的钢轨所受的垂向力有两种，一是在钢轨相邻两个轨枕中间点施加垂向力模拟车轮的施加到钢轨的垂向力，第二种情况是模拟采用垂向力加载系统（图8和图9）的方式施加垂向力。在两种加载条件下，受轨道垂向支承刚度的影响，钢轨的最大变形量和变形沿轨道长度的扩展范围不同。可以看出，由于垂向力加载系统的加载架挂钩带来的反作用力的影响，在垂向力加载点和垂向力幅值相同的条件下，使用图8所示的垂向力加载系统，钢轨的最大变形量比正确的加力方式（上述第一种）要低，在图6和图7所示的实例中，差别达到了50% - 60%。

上述的分析结果指出了TB/T 2489-2016中规定的轮轨垂向力标定的加载方式的第一个也是其主要缺陷，即轮轨垂向力测量标定会低估钢轨变形（应变）因而带来高误差，影响了轮轨垂向力标定值的准确性，导致基于测量结果计算的钢轨安全参数的可靠性降低，给铁路系统带来潜在的安全隐患。

其次，在实际测量中，采用上面讨论的轮轨垂向力的加载方式，首先加载架本身要有足够的刚度，同时为了达到所需的轮轨垂向力，加载装置基本上都是用附加液压装置来给钢轨加载，使整套垂向力加载系统比较笨重。特别是当测量地点狭窄交通不便时，如在隧道内或是桥梁上，整套系统无法用车辆运输到待测点，只能人工搬运，增加了测试人员的工作量。

第三，TB/T 2489-2016并没有对加载架的尺寸刚度等做出详细的规定，这就导致了不同的测量者所设计使用的加载系统的加载架的基本尺寸、刚度参数和变形量等都会有所不同，所以无法保证测量结果的一致性。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明的目的是：提供了一种轮轨动态力地面测试标定系统及方法，提出了用锤击法进行轮轨垂向力标定的方法，用这种加载方式可以解决现有轮轨垂向力地面标定的问题，提高测量精度和标定准确性，同时解决加载系统笨重不易携带的缺点。

本发明的技术方案是：

一种轮轨动态力地面测试标定系统，包括：

一横向静态力加载装置，用于向被测钢轨的轨头单点施加静态载荷力，所述钢轨两侧轨底上表面设置有应变传感器；

一横向和垂向动态力加载装置，采用动态锤击法用力锤向钢轨施加动态力，所述力锤包括锤头、锤体和动态力测试传感器；

一应变测量装置，包括设置在钢轨轨底两侧上表面和轨腰两侧表面上的应变传感器。

优选的技术方案中，所述横向静态力加载装置横向设置于两个钢轨间，所述横向静态力加载装置的一端设置有加载头，所述加载头向被测钢轨的轨头单点施加静态载荷力，所述横向静态力加载装置的另一端通过轨头支承连接另一钢轨的轨头，所述加载头与轨头支承通过加载杆和加载机构连接，所述加载机构驱动加载杆向轨头施加横向力。

优选的技术方案中，所述横向和垂向动态力加载装置的锤体包括操作装置，用于驱动锤头。

优选的技术方案中，所述横向和垂向动态力加载装置的锤体为一体构成或由多个单元组成的复合体，所述垂体由高密度材料制成。

优选的技术方案中，所述横向和垂向动态力加载装置在施加横向动态力时，将力锤的锤体用绳索水平吊在支架上，所述锤头对准轨头；在施加垂向动态力时，将力锤的与锤体相对的端面用弹性绳索吊在支架上，所述锤头垂直于轨头。

优选的技术方案中，所述力锤的锤击力的大小通过锤头质量和落锤/行锤速度进行控制。

本发明还公开了使用测试标定系统进行测试标定方法，包括以下步骤：

S01：采用横向静态力加载装置向钢轨施加横向力，并测量横向静态力F_LS和对应的钢轨横向变形应变ε_LS，获得横向力静态标定系数K_LS，即：K_LS=F_LS/ε_LS；

S02：采用横向和垂向动态力加载装置的力锤向钢轨施加横向动态力，并测量横向动态力F_LD和对应的钢轨横向动态变形应变ε_LD，获得横向力动态标定系数K_LD，即：K_LD=F_LD/ε_LD；

S03：采用横向和垂向动态力加载装置的力锤向钢轨施加垂向动态力，并测量垂向动态力F_VD和对应的钢轨垂向动态变形应变ε_VD，获得垂直方向力动态标定系数K_VD，即：K_VD=F_VD/ε_VD；

S04：根据在线实测的钢轨垂向动态变形应变ε_V和钢轨横向动态变形应变ε_L，得轨道系统的垂直方向动态轮轨力F_V和横向动态轮轨力F_L，F_V=K_VD*ε_V；F_L=K_LD*ε_L

S05计算对应的在线静态轮轨力，即:静态力=动态力/ζ，动/静比ζ=K_LD/K_LS。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的重点是轮轨力测试在线标定采用动态锤击法向钢轨施加动态力，取代上述铁道行业标准TB/T 2489-2016中规定的静态加载方式和加载装置而获得精确的轮轨动态力标定，解决TB/T 2489-2016所存在的低估轨道轮轨垂向力所带来的高测量误差，提高标定结果的一致性，同时整套标定方案装置具有测量精度高、高效率易操作等特点。

本发明在高铁轨道的轮轨力标定上更具有实际意义，因为随着列车运行速度的提高，轮轨之间的动态力也随着增加，用动态力的方式进行标定更科学合理。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为轮轨动态力地面测试标定系统（施加垂向动态力）的示意图；

图2为轮轨动态力地面测试标定系统（施加横向动态力）的示意图；

图3为横向静态力加力装置的示意图；

图4为横向和垂向动态力加载装置的示意图；

图5为应变测量装置应变片贴片和组桥设置（轮轨横向力标定）示意图；

图6为应变测量装置应变片贴片和组桥设置（轮轨垂向力标定）示意图；

图7为TB/T 2489-2016推荐的轮轨横向力标定加载装置示意图；

图8为TB/T 2489-2016推荐的轮轨垂向力标定加载装置示意图；

图9为基于TB/T 2489-2016“轮轨横向力和垂向力地面测试方法”垂向力加载装置钢轨实际受力示意图；

图10为两种轮轨垂向力标定加载方式（本发明和TB/T 2489-2016）钢轨变形比较变形示意图一；

图11为两种轮轨垂向力标定加载方式（本发明和TB/T 2489-2016）钢轨变形比较变形示意图二；

图12为其它轮轨动态横向力标定加力方式示意图；

图13为其它轮轨动态垂向力标定加力方式示意图一；

图14为其它轮轨动态垂向力标定加力方式示意图二。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：

结合图1-3所示，测试标定系统由横向静态力加载装置1、横向和垂向动态力加载装置2、静态力和动态力及钢轨的变形应变测量装置3组成，对轨道系统的钢轨4通过加载装置施加已知加载力的条件下测量钢轨的变形应变获得单位力钢轨的变形应变量，单位力钢轨的变形应变量的标定内容包含横向静态变形应变量和横向动态变形应变量及垂向动态变形应变量，单位力包括静态力和动态力，静态力和动态力由力传感器测量，钢轨变形应变量由应变传感器5测量。

横向静态力加载装置1，由加载头11、加载杆12、测力传感器13、加载机构14和轨头支承15组成。

横向静态力加载装置1横向设置于两个钢轨4间，横向静态力加载装置1的一端设置有加载头11，横向静态力加载装置1的另一端通过轨头支承15连接另一钢轨4的轨头41，加载头11与轨头支承15通过加载杆12和加载机构14连接，其中的加载机构14为驱动加载杆12向轨头41施加横向力的装置，可以采用液压驱动，也可以是螺杆结构由扳手工具手动驱动，或任何合适的驱动方式。测力传感器13可以是力传感器或相应的应变传感器用于测量钢轨轨头所受到横向力。

加载头11向被测钢轨4的轨头41单点施加静态载荷力，横向静态力加载装置1的另一端轨头支承15反作用力由另一钢轨4承担，测力传感器1可以是力传感器或相应的应变传感器。

横向和垂向动态力加载装置2，所用的加力装置为动态力锤21。

在轮轨力测试在线标定采用动态锤击法用力锤21向钢轨4施加垂向或横向动态力，如图4所示，力锤21由锤头22、锤体23和动态力测试传感器24等组成，其中的动态力测试传感器24安装在锤头22和垂体23之间，用于测量锤钢轨受到的垂向或横向动态力。

在轮轨力标定过程中，采用具有手柄的力锤，用手动挥动力锤21的方式向钢轨轨头41分别施加垂向和横向力，锤头23使用金属铝锤头。

加力时要保证锤头的下降线路和被测钢轨的纵向成90，多次测量的落点位置要重复性高。

钢轨变形应变由应变传感器5测量，所用的应变传感器为电阻式应变片51和应变片组桥单元52。

进行轮轨静/动态横向力的标定时，在轮轨横向静态和横向动态力作用下钢轨的变形应变由应变传感器测量，即电阻式应变片51用贴片方式布置在钢轨两侧轨底上表面。如图5所示，所用的电阻式应变片共4对，每一对为两个正交的应变片（或一个正交型应变花）与钢轨纵向成45°角；水平位置对称安排在相邻轨枕支承之间中心线（垂向力加载处）两侧，距离160 – 250mm，应变片的中心离开轨底边缘20-25mm。所述的应变片组桥单元由4对电阻式应变片组成一个全桥52，每个桥臂上串联两个在钢轨轨底上表面同一侧面但对称于两个相邻轨枕中心线的应变片。

进行轮轨动态垂向力的标定时，在轮轨垂向动态力作用下钢轨的变形应变由应变传感器测量，即电阻式应变片51用贴片方式布置在钢轨两侧中心轴处轨腰上，如图6所示。所用的电阻式应变片共4对，每一对为两个正交的应变片（或一个正交型应变花）粘贴在钢轨轨腰的两侧面，并与钢轨纵向成45°角；应变片的垂向位置在钢轨的中和轴处，水平位置对称安排在相邻轨枕支承之间中心线（垂向力加载处）两侧，距离160-250mm。所述的应变片组桥单元由4对电阻式应变片组成一个全桥52，每个桥臂上串联两个在钢轨轨腰42同一侧面但对称于两个相邻轨枕中心线的应变片。

电阻式应变片的长度应不大于5mm，贴片角度和位置误差应分别不大于5°和2mm，应变片粘贴后的绝缘电阻不应小于500 MΏ。

为了保证轨道轮轨力标定的准确性和后续轨道相关参数的计算可靠性，钢轨两侧轨底上表面43和钢轨两侧中心轴处轨腰面上的电阻式应变片的贴片位置安排在钢轨上的相同截面位置。

图10-11的理论分析结果表明在相同的垂向力作用下，钢轨的最大变形量和变形的纵向扩展程度受轨道系统支承刚度的影响，因此进行上述前5个标定步骤的轨道系统应该和在线实测的轨道系统有相同的轨道垂向和横向支承系统，包括道床扣件等。

实施例2：

在这个实施例中所采用的测量步骤和标定方法及测量装置等同上述的实施例1相同，不用点在于采用不同的落锤或行锤方式向钢轨施加横向和垂向动态力。

施加横向动态力时，将力锤21的锤头22用绳索吊在支架上（图12），支架为可折叠便携式，在测试场地环境不利于安放支架时，两个实验者可以用肩负或手提的方式吊起锤头因为采用的是动态加载方式，锤头的重量不用很大，这种加载方式可行性高且不受测量场所限制。

施加垂向动态力时，可以将力锤21的锤头22用弹性绳索吊在支架上，用落锤方式施加垂向动态力，如图13所示，锤头吊起方式与图12相似，也可以采用持手柄落锤的方法，如图14所示等。

锤击力的大小通过锤头质量和落锤/行锤速度来控制。锤头可以是组合式的，由多个质量块组合而成，便于锤头质量控制。

基于上述测试标定系统，实现测量实际“车辆-轨道”系统在垂直方向和横向的轮轨力的标定和测试估算的步骤如下：

第1步采用静态横向力加载装置1向钢轨4施加横向力，并测量横向静态力F_LS和对应的钢轨横向变形应变ε_LS，从而获得横向力静态标定系数K_LS，即：

K_LS = F_LS/ε_LS

第2步采用横向和垂向动态力加载装置2中的加力锤21，向钢轨施加横向动态力，并测量横向动态力F_LD和对应的钢轨横向动态变形应变ε_LD，从而获得横向力动态标定系数K_LD，即：

K_LD = F_LD/ε_LD

第3步计算横向动/静比ζ：

ζ = K_LD/ K_LS

第4步采用横向和垂向动态力加载装置2中的加力锤21，向钢轨施加垂向动态力，并测量垂向动态力F_VD和对应的钢轨垂向动态变形应变ε_VD，从而获得垂直方向力动态标定系数K_VD，即：

K_VD = F_VD/ε_VD

第5步通过在线实测“车辆-轨道”系统的钢轨垂直方向动态变形应变ε_V和钢轨横向动态变形应变ε_L，即可由以下公式获得轨道系统的垂直方向动态轮轨力F_V和横向动态轮轨力F_L：

F_V = K_VD*ε_V

F_L = K_LD*ε_L

对应的在线静态轮轨力可通过动态轮轨力和动/静比ζ计算得到，即:

静态力=动态力/ζ。

在假设横向和垂向具有相同的动静比条件下，通过轮轨垂向动态力的在线测试能够估算运行车辆的静态轴载。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种轮轨动态力地面测试标定系统，其特征在于，包括：

一横向静态力加载装置，用于向被测钢轨的轨头单点施加静态载荷力，所述钢轨两侧轨底上表面设置有应变传感器；

一横向和垂向动态力加载装置，采用动态锤击法用力锤向钢轨施加动态力，所述力锤包括锤头、锤体和动态力测试传感器；

一应变测量装置，包括设置在钢轨轨底两侧上表面和轨腰两侧表面上的应变传感器。

2.根据权利要求1所述的轮轨动态力地面测试标定系统，其特征在于，所述横向静态力加载装置横向设置于两个钢轨间，所述横向静态力加载装置的一端设置有加载头，所述加载头向被测钢轨的轨头单点施加静态载荷力，所述横向静态力加载装置的另一端通过轨头支承连接另一钢轨的轨头，所述加载头与轨头支承通过加载杆和加载机构连接，所述加载机构驱动加载杆向轨头施加横向力。

3.根据权利要求1所述的轮轨动态力地面测试标定系统，其特征在于，所述横向和垂向动态力加载装置的锤体包括操作装置，用于驱动锤头。

4.根据权利要求1所述的轮轨动态力地面测试标定系统，其特征在于，所述横向和垂向动态力加载装置的锤体为一体构成或由多个单元组成的复合体，所述垂体由高密度材料制成。

5.根据权利要求1所述的轮轨动态力地面测试标定系统，其特征在于，所述横向和垂向动态力加载装置在施加横向动态力时，将力锤的锤体用绳索水平吊在支架上，所述锤头对准轨头；在施加垂向动态力时，将力锤的与锤体相对的端面用弹性绳索吊在支架上，所述锤头垂直于轨头。

6.根据权利要求5所述的轮轨动态力地面测试标定系统，其特征在于，所述力锤的锤击力的大小通过锤头质量和落锤/行锤速度进行控制。

7.使用上述权利要求1-6任一种所述的测试标定系统的测试标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：采用横向静态力加载装置向钢轨施加横向力，并测量横向静态力F_LS和对应的钢轨横向变形应变ε_LS，获得横向力静态标定系数K_LS，即：K_LS=F_LS/ε_LS；

S02：采用横向和垂向动态力加载装置的力锤向钢轨施加横向动态力，并测量横向动态力F_LD和对应的钢轨横向动态变形应变ε_LD，获得横向力动态标定系数K_LD，即：K_LD=F_LD/ε_LD；

S03：采用横向和垂向动态力加载装置的力锤向钢轨施加垂向动态力，并测量垂向动态力F_VD和对应的钢轨垂向动态变形应变ε_VD，获得垂直方向力动态标定系数K_VD，即：K_VD=F_VD/ε_VD；

S04：根据在线实测的钢轨垂向动态变形应变ε_V和钢轨横向动态变形应变ε_L，得轨道系统的垂直方向动态轮轨力F_V和横向动态轮轨力F_L，F_V=K_VD*ε_V；F_L=K_LD*ε_L

S05计算对应的在线静态轮轨力，即:静态力=动态力/ζ，动/静比ζ=K_LD/K_LS。