70%低地板輕軌車輛輪軌力測(cè)試研究＊

高純友 陸海英 任利惠

（1.長春軌道客車股份有限公司，130062，長春；2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡撸呒?jí)工程師）

1 70%低地板輕軌車輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)

長春軌道客車股份有限公司為長春市輕軌1號(hào)線提供的70%低地板輕軌車輛采用三模塊車體結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)端部長車體和中間短車體組成。其中，端部長車體下面的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架采用剛性輪對(duì)（見圖1（a）），中間短車體下面的拖動(dòng)轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立輪對(duì)（見圖1（b））。兩種輪對(duì)均使用了承剪壓的彈性車輪。兩種轉(zhuǎn)向架的一系懸掛均采用圓錐橡膠彈簧。

圖1 70%低地板輕軌車輛的輪對(duì)結(jié)構(gòu)

2 輪軌作用力測(cè)量方案

為了評(píng)估70%低地板輕軌車輛的運(yùn)行安全性，需要測(cè)量彈性車輪輪對(duì)的輪軌作用力。

2.1 輪軌力測(cè)量方案

目前動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中經(jīng)常使用的輪軌力測(cè)量方法有車輪力法和構(gòu)架力法［1］。車輪力法是在車輪輻板表面粘貼應(yīng)變片并組橋，制成測(cè)力輪對(duì)，通過測(cè)量車輪輻板的應(yīng)變，換算得到輪軌間的作用力。車輪力法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高；缺點(diǎn)是需要對(duì)車輪進(jìn)行加工（鉆孔）并安裝集流環(huán)，試驗(yàn)準(zhǔn)備周期較長，且試驗(yàn)用的測(cè)力車輪不能用于運(yùn)營，試驗(yàn)的成本高。構(gòu)架力法是在構(gòu)架的側(cè)梁上粘貼應(yīng)變片，通過測(cè)量構(gòu)架側(cè)梁的應(yīng)變，來換算得到輪軌間的垂直力和橫向力。構(gòu)架力法是一種相對(duì)的測(cè)量方法，只能測(cè)量出動(dòng)態(tài)載荷，而靜態(tài)載荷的測(cè)量需要經(jīng)過其它手段獲得。由于構(gòu)架側(cè)梁的應(yīng)變很小，因此構(gòu)架力法的測(cè)量精度遠(yuǎn)低于車輪力法，并且通常需要復(fù)雜的標(biāo)定工裝。其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)所用的構(gòu)架可以繼續(xù)使用，試驗(yàn)的成本較低。

對(duì)圖1（a）所示的彈性車輪剛性輪對(duì)，采用車輪力法測(cè)量輪軌作用力從理論上是可行的，但在實(shí)施時(shí)必須對(duì)車輪的輻板進(jìn)行加工，大幅度削減車輪的幅板厚度以改善測(cè)量精度。對(duì)圖1（b）所示的彈性車輪獨(dú)立輪對(duì)，直接采用車輪力法測(cè)量輪軌作用力是不可能的，除非更改整個(gè)車輪和軸箱的結(jié)構(gòu)。對(duì)兩種轉(zhuǎn)向架，采用構(gòu)架力法測(cè)量輪軌作用力是可行的，但測(cè)量精度很低。

由于兩種轉(zhuǎn)向架的一系懸掛都采用了圓錐橡膠彈簧，根據(jù)圓錐橡膠彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以在圓錐橡膠彈簧的鋼質(zhì)下支柱上粘帖應(yīng)變片，測(cè)量出作用在圓錐橡膠彈簧上的垂向力和橫向力，從而得到作用在輪對(duì)上的輪軌力。

2.2 測(cè)力彈簧的貼片與組橋

測(cè)力彈簧結(jié)構(gòu)見圖2。其中，測(cè)力部分為圓錐橡膠彈簧的鋼質(zhì)下支柱，裝車時(shí)它與軸箱連接，可視為軸箱的延伸。為了提高測(cè)量精度，需要對(duì)圓錐橡膠彈簧的鋼質(zhì)下支柱進(jìn)行加工，使測(cè)力部位成為空心圓柱結(jié)構(gòu)。

圖2 測(cè)力彈簧的結(jié)構(gòu)

測(cè)力彈簧的應(yīng)變片粘貼位置和組橋方式如圖3所示。垂向力測(cè)量電橋由4組與橫向偏轉(zhuǎn)45°的直角應(yīng)變花組成。這種布置方法可以消除橫向力和縱向力的影響，以及垂向力作用位置變化的影響，使得測(cè)量得到的垂向力與其加載位置無關(guān)。橫向力測(cè)量電橋由4個(gè)與橫向?qū)R的應(yīng)變片組成，根據(jù)上下兩組的應(yīng)變片產(chǎn)生彎矩差得到橫向力。這樣布置及組橋的好處是可以消除橫向力作用點(diǎn)位置變化帶來的影響，使得測(cè)得的橫向力與其加載位置無關(guān)，同時(shí)還可以消除垂向力的影響［2］。如果在縱向布置類似的電橋，還可以測(cè)量作用在彈簧上的縱向力。

圖3 應(yīng)變片粘貼位置及組橋

測(cè)力彈簧貼片組橋后，需要對(duì)垂向力測(cè)量電橋和橫向力測(cè)量電橋進(jìn)行標(biāo)定。垂向力電橋標(biāo)定時(shí)，僅需施加垂向載荷，然后讀出垂向力電橋的電壓輸出，兩者相比即為垂向力的標(biāo)定系數(shù)。橫向力電橋標(biāo)定時(shí)，需要先施加一個(gè)靜態(tài)垂向載荷，再施加橫向載荷，然后讀出橫向力電橋的電壓輸出，兩者相比即為橫向力的標(biāo)定系數(shù)。

受實(shí)際貼片位置等因素影響，垂向力測(cè)量電橋和橫向力測(cè)量電橋之間可能會(huì)存在相互影響。圖4給出了橫向載荷作用下垂向力測(cè)量電橋和橫向力測(cè)量電橋的輸出，可見橫向載荷對(duì)垂向力測(cè)量電橋的輸出很小。同樣，圖5給出了垂向載荷作用下垂向力測(cè)量電橋和橫向力測(cè)量電橋的輸出，可見橫向力測(cè)量電橋?qū)Υ瓜蜉d荷的輸出也很小。因此，可以忽略垂向力和橫向力測(cè)量電橋之間的相互干擾。

根據(jù)圖4、5所示的標(biāo)定加載歷程，分析得到垂向力測(cè)量電橋的分辨率為67N，橫向力測(cè)量電橋的分辨率為22N?？梢?，測(cè)力彈簧的測(cè)量精度非常高。

圖4 橫向載荷作用下測(cè)量電橋的輸出

圖5 垂向載荷作用下測(cè)量電橋的輸出

2.3 評(píng)定準(zhǔn)則

軸箱測(cè)力彈簧的測(cè)量原理如圖6所示。作用在左、右車輪的輪軌接觸垂向力和橫向力分別為P1，Q1，P2，Q2，經(jīng)過車軸、軸箱、一系彈簧傳遞到構(gòu)架。構(gòu)架力法通過測(cè)量構(gòu)架側(cè)梁的應(yīng)變得到力F′y1，F(xiàn)′z1，F(xiàn)′y2，F(xiàn)′z2。軸 箱 測(cè) 量 彈 簧 測(cè) 得 的 載 荷 是 Fy1，F(xiàn)z1，F(xiàn)y2，F(xiàn)z2。顯然，兩者是作用力和反作用力的關(guān)系。因此，軸箱測(cè)力彈簧本質(zhì)上與構(gòu)架力法相同，應(yīng)該使用構(gòu)架力法的評(píng)定準(zhǔn)則。

圖6 軸箱測(cè)力彈簧的測(cè)量原理

對(duì)構(gòu)架力法而言，輪軌力的傳遞需要經(jīng)過一系彈簧，因此構(gòu)架力法的響應(yīng)頻率低；且由于構(gòu)架側(cè)梁的應(yīng)變很小，測(cè)量精度也低。對(duì)軸箱彈簧而言，由于應(yīng)變片粘貼位置在軸箱彈簧的鋼質(zhì)下支柱上，位于一系彈簧之下，因此其響應(yīng)頻率較高。實(shí)踐證明，軸箱測(cè)力彈簧的測(cè)量精度顯著高于一般的構(gòu)架力法。

3 應(yīng)用實(shí)例

將標(biāo)定好的軸箱測(cè)力彈簧安裝到轉(zhuǎn)向架上，即可進(jìn)行輪軌力測(cè)試。

圖7給出了70%低地板輕軌車輛通過250m半徑S形曲線時(shí)，剛性輪對(duì)左、右側(cè)各一組軸箱彈簧的載荷歷程。從圖7中看出，左、右軸箱彈簧的垂向載荷相位相反，橫向載荷的相位相同。

圖7 軸箱測(cè)力彈簧的載荷輸出

圖8分別給出了根據(jù)軸箱測(cè)力彈簧輸出得到的剛性輪對(duì)、獨(dú)立輪對(duì)通過250m半徑S形曲線時(shí)的輪軌力時(shí)間歷程［3］。從圖8（a）中可以看出，剛性輪對(duì)的輪軸橫向力呈現(xiàn)出明顯的“S”形狀，與理論分析的趨勢(shì)相符合。對(duì)比圖8（a）與圖8（b）可知，獨(dú)立輪對(duì)的輪軸橫向力要大于剛性輪對(duì)的，其輪軸橫向力的時(shí)間歷程特性也不同于剛性輪對(duì)。

圖8 250m半徑S形曲線上的輪軌力歷程

4 結(jié)語

本文根據(jù)70%低地板輕軌車輛轉(zhuǎn)向架一系懸掛的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種新的輪軌力測(cè)量方法：在圓錐橡膠彈簧的鋼質(zhì)下支柱上粘貼應(yīng)變片，通過合理布置貼片位置和組橋，使得垂向力和橫向力測(cè)量電橋相互解耦，直接測(cè)得作用在軸箱彈簧上的垂向力和橫向力，從而得到輪軌作用力。

本文開發(fā)的測(cè)力彈簧，制作方便，標(biāo)定簡單，測(cè)量精度顯著高于傳統(tǒng)的構(gòu)架力法，且試驗(yàn)準(zhǔn)備周期短，試驗(yàn)成本低。本方法也可用于一系懸掛使用圓錐橡膠彈簧的其它地鐵車輛。

［1］ GB 5599—1985鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.

［2］ 張如一，沈觀林，李朝弟.應(yīng)變電測(cè)與傳感器［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999：53－54.

［3］ 同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院.長春市70%低地板輕軌車輛動(dòng)力學(xué)測(cè)試報(bào)告［R］.長春：長春軌道客車股份有限公司，2010.