轮轨作用力和接触点位置在线测量理论研究

论文摘要

轮轨作用力的测量对于车辆动力学、脱轨机理、轮轨接触理论研究和列车的安全检测都具有十分重要的意义。铁路运输不断向高速、重载、大运量和高密度方向发展,对轮轨作用力测量的精度和速度提出了更高的要求。测力轮对方法是目前最直接、最准确的轮轨力测量技术,它以车轮作为轮轨力的检测传感器,通过测量车轮辐板有限点处的应变实现轮轨接触力的连续检测。车辆运行过程中,车轮受到轨道不平顺作用,轮轨作用力是时变、非平稳的,轮轨力引起的辐板应变又被车轮转角所调制。测力轮对测量精度受到车轮均匀性、贴片工艺、车轮转速、轮轨力作用点位置变化和外界干扰的影响,测力轮对技术在测量理论和数据处理方法上都需要进一步研究。论文在回顾了测力轮对的发展历程和国内外测力轮对的发展现状的基础上,分析了轮轨载荷作用下轮对辐板的应力分布,提出了消除车轮旋转影响的测力轮对测量方法,研究了轮轨力作用点位置对测量精度的影响和测力轮对数据处理方法,其内容与成果如下:1、提出轮轨力测量模型测力轮对技术经过几十年的发展,在车辆动力学试验中得到广泛使用,但在轮轨力连续测量中仍存在很多问题。目前的连续测力轮对技术要求轮轨横向力、垂向力产生的辐板应变组桥后沿圆周方向按正、余弦分布,这不仅对轮对的均匀性和贴片工艺提出了很高的要求,实际上在轮对辐板大部分区域是根本做不到,电桥输出中包含的高次谐波可能带来很大的测量误差。测力轮对存在的另一个问题是没有考虑轮轨作用点位置变化对测量精度的影响。车辆在运行过程中,轮对与轨道的接触点在滚动圆附近不停变化,尤其是在过曲线、道盆和蛇形运动时,接触点位置远离滚动圆。国内现有的测力轮对都没有考虑接触点位置变化,标定实验、数据处理都假设接触点在滚动圆上,测量结果误差较大。论文在有限元分析和实验基础上,分析了轮对辐板应变在横向力、垂向力和作用点位置变化产生的弯矩作用下的分布规律,采用同一半径上多个应变片组合消除高次谐波,研究了需要消除的谐波分量阶次与电桥的数量、各电桥相位差之间的关系,为提高测力轮对测量精度提供了理论依据。在此基础上,建立轮对辐板应变与轮轨作用力、作用点位置的非线性方程组。论文研究了测量模型非线性方程组的直接求解方法。非线性方程组一般没有解析解,通常采用迭代数值方法求解。迭代解法需要选择初值,初值不仅影响计算速度,同时影响计算精度,甚至导致计算不收敛,误差分析也比较困难。论文对非线性方程组进行合理简化,推导出方程组的解析解。论文还研究了将非线性方程组简化为线性方程组的方法。使用主分量分析,得到各载荷单独作用时辐板应变信号的子空间,将测量信号投影到各个子空间从而建立线性方程组。可以利用线性方程组解的稳定性理论选择合理的贴片位置,减少应变测量误差对轮轨力计算值的影响。针对实际轮对均匀性和贴片位置达不到测力轮对要求的情况,论文提出了新的解决方法。通过标定试验得到转角、作用点位置与对应的横向力、垂向力作用系数的数表,并用神经网络拟合辐板应变和车轮转角间的非线性关系,采用遗传算法获得最佳的作用点位置和电桥直流偏置,对每个电桥建立辐板应变与轮轨力间的线性方程组。这种方法可以有效地降低测力轮对的开发成本和研制时间。2、提出轮轨作用点位置在线测量方法轮轨作用点位置发生变化时,垂向力会产生一个附加弯矩,在轮对辐板产生附加应变,这一直被作为测力轮对的一个误差源对待。与横向力、垂向力在辐板上产生的应变相比,附加弯矩产生的应变比较微弱,论文提出的轮轨力测量方案,不仅提高了横向力和垂向力的测量精度,而且可以检测轮轨作用点位置。3、分析车轮辐板应变的时频特性轮轨力虽然是非平稳信号,但在很短的时间内可以看成平稳的。论文对滚动振动试验台实验数据进行了时频分析,结果表明用短时傅立叶分析是可行的。轮对辐板应变在纯滚动时为单频谐波信号,加轨道谱激振后变为调制信号,轮对蛇行时成为几个调制信号的叠加。分析车轮辐板在不同工况下的时频特性,有助于了解辐板应变信号的构成,根据信号的时频特性采用合适的信号处理方法滤除或减小噪声干扰。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 轮轨力和作用点位置检测的意义
• 1.2 轮轨力测量方法
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内轮轨力测量理论和测量方法的研究现状
• 1.3.2 国外测力轮对研究现状
• 1.3.3 目前测力轮对存在的主要问题
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.4.1 研究意义与研究目标
• 1.4.2 研究内容与研究方法
• 第2章 测力轮对测量原理研究
• 2.1 测力轮对的受力分析
• 2.2 测量电桥的干扰和布片原则
• 2.3 测力轮对测量方法谐波分析
• 2.3.1 辐板应变的时间分布与空间分布
• 2.3.2 两个应变片布片方案
• 2.3.3 单个电桥的组桥方案
• 2.3.4 多个电桥的组合
• 2.4 测力轮对通用测量模型
• 2.5 测力轮对简化测量模型
• 2.5.1 直接方程求解
• 2.5.2 测力轮对简化模型
• 2.6 有限元仿真计算
• 2.6.1 RD2货车轮对的有限元模型
• 2.6.2 仿真计算与模拟组桥
• 2.6.3 计算结果和误差分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于主分量分析的测量模型
• 3.1 主分量分析理论简介
• 3.2 测力轮对的主分量分解
• 3.2.1 电桥输出的主分量分析
• 3.2.2 单个半径电桥输出的主分量分析
• 3.2.3 基于主分量分析的轮轨力测试
• 3.3 贴片半径的选择
• 3.4 子空间分析方法
• 3.5 载荷方向的确定
• 3.6 RD2货车轮对作用点位置测量仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于神经网络和遗传算法的测量方法研究
• 4.1 辐板应变与车轮转角的关系
• 4.2 作用点位置和车轮转角的遗传寻优
• 4.3 基于神经网络的车轮转角的在线测量
• 4.3.1 反向传播（BP）神经网络
• 4.3.2 基于神经网络的车轮转角检测
• 4.5 仿真计算
• 4.6 本章小结
• 第5章 辐板应变时-频特性分析
• 5.1 SFFT原理及方法简介
• 5.2 轮对辐板应变信号的时频特性分析
• 5.3 轮对应变信号的性质
• 5.4 轮对应变信号的数据处理
• 5.5 希尔伯特变换及其解调原理
• 5.5.1 希尔伯特变换的定义
• 5.5.2 希尔伯特变换的应用
• 5.6 本章小结
• 第6章 测力轮对的试验研究
• 6.1 测力轮对方案
• 6.1.1 贴片半径的选择
• 6.1.2 组桥方案
• 6.2 台架标定试验
• 6.3 滚动台激振试验
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 1. 主要研究结论
• 2. 主要创新点
• 3. 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间主要科研成果及论文
• 攻读博士期间参加过主要科研项目
• 攻读博士期间发表的论文