軌道車輛車鉤多元載荷識(shí)別與測(cè)量方法探討

摘要：隨著重載貨車運(yùn)行速度和載重的提升，對(duì)車鉤性能要求更高，需要獲取車鉤在縱向、橫向、垂向的實(shí)際載荷譜。然而，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法滿足需求，因此，提出一種多元載荷解耦的溫度自補(bǔ)償全橋測(cè)量技術(shù)，通過(guò)建立理論模型、布置應(yīng)變陣列和組橋設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各鉤面應(yīng)變的精確測(cè)量與零漂補(bǔ)償，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)的有效性。此種該測(cè)量這技術(shù)為軌道車輛車鉤載荷監(jiān)測(cè)提供了科學(xué)手段。

關(guān)鍵詞：軌道車輛車鉤多元荷載識(shí)別測(cè)量零漂補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：U279.3

ADiscussionontheMulti-ElementLoadIdentificationandMeasurementMethodofRailVehicleCoupler

ZHANGHang1WANGZhibo2

1.HeilongjiangUniversityofCommerce，Harbin，HeilongjiangProvince，150000China;

2.ChinaHeavyDutyTruckGroupCo.，Ltd.，Jinan，ShandongProvince，250002China

Abstract：Withtheincreaseofthespeedandloadofheavydutytruck，theperformanceofcouplerismoredemanding，andtheactualloadspectrumofcouplerinlongitudinal，transverseandverticalmustbeobtained.However，thetraditionalmonitoringtechnologycannotmeettherequirements，sothispaperproposesamulti-loaddecouplingtemperatureself-compensationfullbridgemeasurementtechnology，throughtheestablishmentoftheoreticalmodels，strainarrayarrangementandbridgegroupdesign，toachievetheprecisemeasurementofeachhooksurfacestrainandzerodriftcompensation，andfinallythroughthetesttoverifytheeffectivenessofthetechnology.Thistechnologyprovidesascientificmeansformonitoringthecouplerloadofrailvehicles.

KeyWords：Railvehicles;Carcoupler;Multipleloads;Zerodriftcompensationorbit;Vehiclecoupler;Multipleloads;ZerodriftcompensationRailvehicle;Coupler;Multipleloads;Identify;Measure

研究需要在各個(gè)鉤面上布置正交組合的應(yīng)變陣列，并進(jìn)行精細(xì)的組橋設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)各鉤面的應(yīng)變進(jìn)行精確的四則運(yùn)算，并對(duì)由日照溫差引起的零漂進(jìn)行有效補(bǔ)償。為了驗(yàn)證理論模型和測(cè)量技術(shù)的準(zhǔn)確性，還需要利用多向加載試驗(yàn)裝置對(duì)車鉤載荷識(shí)別系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)理論模型進(jìn)行耦合隨機(jī)加載驗(yàn)證。這一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)過(guò)程，充分證明多元載荷解耦技術(shù)在車鉤載荷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的有效性和先進(jìn)性。

1理論模型構(gòu)建

為了精確識(shí)別和測(cè)量軌道車輛車鉤在多元載荷作用下的應(yīng)變響應(yīng)，需要構(gòu)建一個(gè)合理的理論模型。這個(gè)模型將基于一定的基本假設(shè)，并通過(guò)分析車鉤在不同方向載荷作用下的應(yīng)變響應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷的解耦識(shí)別。

1.1基本假設(shè)

在構(gòu)建理論模型之前，做出以下基本假設(shè)：。

（1）車鉤材料是線彈性和各向同性的，這意味著在彈性范圍內(nèi)，車鉤的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，且材料在各個(gè)方向上的物理性質(zhì)是相同的。

（2）車鉤結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和制造上是均勻的，沒(méi)有明顯的缺陷或應(yīng)力集中區(qū)域，這樣可以保證應(yīng)變響應(yīng)的均勻性和可預(yù)測(cè)性。

（3）在測(cè)量過(guò)程中，車鉤所處的環(huán)境溫度變化不大，或者溫度變化對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償技術(shù)來(lái)消除。

（4）車鉤受到的載荷主要是沿著縱向、橫向和垂向的，其他方向的載荷和扭矩影響可以忽略不計(jì)。

基于以上假設(shè)，研究可以開(kāi)始構(gòu)建載荷與應(yīng)變響應(yīng)之間的關(guān)系模型。

1.2載荷/應(yīng)變響應(yīng)

當(dāng)車鉤受到不同方向的載荷作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變響應(yīng)。下面研究將分別分析縱向、橫向和垂向加載時(shí)的應(yīng)變響應(yīng)。

1.2.1縱向加載

在縱向拉伸或壓縮載荷作用下，車鉤會(huì)產(chǎn)生沿著載荷方向的應(yīng)變。由于車鉤結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，這種應(yīng)變通常會(huì)在車鉤的對(duì)稱面上產(chǎn)生相同的應(yīng)變值，而在垂直于載荷方向的截面上則產(chǎn)生相反的應(yīng)變值。通過(guò)測(cè)量這些對(duì)稱面和垂直截面上的應(yīng)變，研究可以計(jì)算出縱向載荷的大小。

為了準(zhǔn)確測(cè)量縱向載荷導(dǎo)致的應(yīng)變，研究在車鉤的適當(dāng)位置布置應(yīng)變計(jì)，這些位置應(yīng)選擇在應(yīng)變響應(yīng)明顯且易于測(cè)量的地方。通過(guò)應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)，研究可以得到縱向載荷與應(yīng)變之間的定量關(guān)系。

1.2.2橫向加載

當(dāng)車鉤受到橫向載荷作用時(shí)，它會(huì)在水平方向上產(chǎn)生彎曲變形。這種變形會(huì)導(dǎo)致車鉤上下表面的應(yīng)變分布發(fā)生變化。與縱向加載類似，研究可以通過(guò)在車鉤的上下表面布置應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)量這種應(yīng)變分布的變化。

由于橫向載荷產(chǎn)生的彎曲變形相對(duì)于縱向加載更為復(fù)雜，因此在選擇應(yīng)變計(jì)的位置時(shí)需要更加謹(jǐn)慎。通常，研究會(huì)選擇在車鉤的彎曲變形最大的位置布置應(yīng)變計(jì)，以獲得最敏感的應(yīng)變響應(yīng)。

1.2.3垂向加載

垂向載荷作用下，車鉤會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)頭彎曲變形，即車鉤的兩端會(huì)相對(duì)于中間部分上下彎曲。這種變形會(huì)導(dǎo)致車鉤的前后表面產(chǎn)生不同的應(yīng)變分布。為了測(cè)量這種應(yīng)變分布，可以在車鉤的前后表面布置應(yīng)變計(jì)。

與橫向加載類似，垂向加載產(chǎn)生的應(yīng)變響應(yīng)也相對(duì)復(fù)雜。因此，在選擇應(yīng)變計(jì)的位置時(shí)，需要研究車鉤的具體結(jié)構(gòu)和預(yù)期的變形模式，以確保能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出垂向載荷導(dǎo)致的應(yīng)變。

1.3載荷解耦識(shí)別

在實(shí)際應(yīng)用中，車鉤可能同時(shí)受到縱向、橫向和垂向的復(fù)合載荷作用。為了準(zhǔn)確識(shí)別和測(cè)量這些復(fù)合載荷中的各個(gè)分量，研究需要進(jìn)行載荷解耦識(shí)別。

載荷解耦識(shí)別的基本思路是利用車鉤在不同方向載荷作用下的應(yīng)變響應(yīng)特性，通過(guò)測(cè)量和分析車鉤上的應(yīng)變分布來(lái)反推出各個(gè)方向的載荷分量。具體來(lái)說(shuō)，研究可以利用之前建立的載荷/應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系模型，結(jié)合實(shí)際測(cè)量的應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)方法（如線性代數(shù)方程組求解等）來(lái)計(jì)算出各個(gè)方向的載荷分量[1]。

為了實(shí)現(xiàn)載荷解耦識(shí)別，研究需要在車鉤上布置足夠數(shù)量的應(yīng)變計(jì)，以捕獲各個(gè)方向載荷導(dǎo)致的應(yīng)變響應(yīng)。同時(shí)，研究還需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗头治觯韵肼暫透蓴_因素的影響，提高載荷識(shí)別的準(zhǔn)確性。

2組橋設(shè)計(jì)

在完成載荷解耦識(shí)別的理論構(gòu)建后，接下來(lái)的關(guān)鍵步驟是進(jìn)行組橋設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)多元載荷的精確測(cè)量。組橋設(shè)計(jì)是電阻應(yīng)變測(cè)量技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它涉及如何合理地布置和連接應(yīng)變片，從而有效地將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)進(jìn)行處理。

2.1應(yīng)變片的選擇與布置

在進(jìn)行組橋設(shè)計(jì)之前，首先要根據(jù)車鉤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和預(yù)期的應(yīng)變分布選擇合適的應(yīng)變片。應(yīng)變片的布置應(yīng)遵循以下原則：。

（1）應(yīng)變片應(yīng)粘貼在車鉤上應(yīng)變敏感的區(qū)域，以捕獲各個(gè)方向載荷導(dǎo)致的應(yīng)變響應(yīng)。

（2）為了避免溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響，應(yīng)選擇具有溫度自補(bǔ)償功能的應(yīng)變片，或者在橋路中設(shè)置溫度補(bǔ)償片[2]。

（3）為了提高測(cè)量的靈敏度，可以采用多片應(yīng)變片組成測(cè)量電橋的方式，以增大輸出電壓。

2.2橋路設(shè)計(jì)

在完成應(yīng)變片的選擇與布置后，接下來(lái)是橋路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。橋路設(shè)計(jì)的主要目的是將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào)。根據(jù)電阻應(yīng)變測(cè)量原理，可以采用惠斯通電橋作為測(cè)量電路。

惠斯通電橋的基本結(jié)構(gòu)是由4個(gè)電阻（R_1，R_2，R_3，R_4）組成的四邊形，其中R_1和R_2為工作電阻（即應(yīng)變片），R_3和R_4通常為固定電阻。當(dāng)（R_1=R_2=R_3=R_4）時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓U_0為0。但當(dāng)工作電阻因機(jī)械應(yīng)變而發(fā)生電阻變化時(shí)，電橋會(huì)失去平衡，從而產(chǎn)生輸出電壓。

輸出電壓U_0可以由以下公式計(jì)算：

U0=（R2/R1+R2-R4/R3+R4）Ui（1）

式（1）中，Ui是電橋的供電電壓。

為了提高測(cè)量的靈敏度，通常會(huì)選擇適當(dāng)?shù)臉虮垭娮璞戎?。例如：?dāng)R_1發(fā)生應(yīng)變而R_2保持不變時(shí)，為了最大化輸出電壓的變化，可以使R_3等于R_2且遠(yuǎn)大于R_1和R_4。

2.2.1橋臂電阻的選擇

橋臂電阻的阻值R應(yīng)根據(jù)應(yīng)變片的阻值R_s來(lái)選擇。通常，為了獲得最佳的信噪比，會(huì)選擇與應(yīng)變片阻值相匹配的電阻作為橋臂電阻。

2.2.2電橋供電電壓的選擇

供電電壓：U_i的大小應(yīng)根據(jù)應(yīng)變片的最大允許功耗和電橋的最大輸出電壓來(lái)選擇。太高的供電電壓可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片過(guò)熱而損壞[3]。

2.2.3溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)

為了消除溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響，可以采用串聯(lián)溫度補(bǔ)償電阻R_c的方法。補(bǔ)償電阻的選擇應(yīng)滿足以下條件：

[dRc/dT=dRs/dT]（2）

式（2）中：T表示溫度；dRc/dT和dRs/dT分別是應(yīng)變片和補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)。通過(guò)選擇具有相同或相近溫度系數(shù)的補(bǔ)償電阻，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

此外，為了進(jìn)一步提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，還可以采用差分電橋、全橋等更復(fù)雜的橋路設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)可以有效地減小非線性誤差、溫度誤差等不利因素的影響。

2.3信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集

在完成橋路設(shè)計(jì)后，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集。信號(hào)調(diào)理主要包括放大、濾波和線性化等處理，以提高信號(hào)的信噪比和抗干擾能力。數(shù)據(jù)采集則是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。

為了實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，可以采用專業(yè)的信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡。信號(hào)調(diào)理器可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大、濾波和線性化處理，以提高信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)采集卡則可以將調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析[4]。

2.4誤差分析與校準(zhǔn)

在組橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，誤差分析是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。誤差主要來(lái)源于應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量、橋路電阻的匹配精度、溫度補(bǔ)償?shù)男Ч约靶盘?hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集的精度等方面。為了減小誤差，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)這些因素進(jìn)行嚴(yán)格地的控制和校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)是確保測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。可以采用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)磳?duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)比較測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差異來(lái)評(píng)估測(cè)量的準(zhǔn)確性。如果發(fā)現(xiàn)誤差較大，則需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以提高測(cè)量的精度和可靠性[5]。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料：選擇適當(dāng)阻值的應(yīng)變片、橋臂電阻、溫度補(bǔ)償電阻等，并準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)采集設(shè)備和分析軟件。

應(yīng)變片布置與橋路設(shè)計(jì)：根據(jù)車鉤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷作用方式，在關(guān)鍵位置布置應(yīng)變片，并按照之前的設(shè)計(jì)構(gòu)建惠斯通電橋。

系統(tǒng)校準(zhǔn)：使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)磳?duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)加載：在車鉤上分別施加縱向拉伸、橫向彎曲和垂向點(diǎn)頭等不同方向的載荷。

數(shù)據(jù)采集與處理：記錄不同載荷下的輸出電壓，并使用分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

由此可見(jiàn)，輸出電壓與載荷大小之間存在線性關(guān)系，且不同方向的載荷在輸出電壓上有所區(qū)分。這表明該組橋設(shè)計(jì)和測(cè)量方法能夠有效地識(shí)別和測(cè)量車鉤受到的多元載荷。

4結(jié)語(yǔ)

本研究從材料力學(xué)的經(jīng)典理論出發(fā)，提出了一種創(chuàng)新性的組合式電橋多元載荷解耦方法。該方法專為連掛車鉤設(shè)計(jì)，旨在精確識(shí)別車鉤所受的縱向、橫向以及垂向載荷。為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)研究。通過(guò)這些試驗(yàn)，成功獲取多元載荷與車鉤表面應(yīng)變輸出之間的精確關(guān)系系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用本方法識(shí)別的載荷與實(shí)際載荷之間的最大絕對(duì)誤差不超過(guò)2kN?？紤]到各個(gè)方向載荷的量程范圍，這一識(shí)別精度完全符合甚至超越了工程應(yīng)用的要求。

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