CN111141537A - 轮轴耐久性试验安全监测方法 - Google Patents

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郑静
王旭
张宝安
魏家麒
乔青峰
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Abstract

本发明涉及轨道交通领域，提供轮轴耐久性试验安全监测方法。该轮轴耐久性试验安全监测方法包括制得测力轮对；将测力轮对安装在试验台的驱动轮轨上；对测力轮对进行静态标定，确定垂向力标定载荷与垂向应变的对应关系，以及横向力标定载荷与横向应变的对应关系；开启试验台，由驱动轮轨驱动测力轮对旋转；监测并记录测力轮对与驱动轮轨间的垂向力和横向力，在横向力超限时，触动试验台的控制按钮控制试验台降速运行或停止。本发明兼顾安全监测与数据采集，并能够在监测到安全风险时及时降速并停止试验，把损失降到最低；方便事故后采集到各项运行数据，便于分析事故原因。

Description

轮轴耐久性试验安全监测方法
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及轮轴耐久性试验安全监测方法。
背景技术
变轨距转向架轮对在试验条件下，需以300km/h的线速度在试验台上长时间高速运转。试验过程中存在燃轴、打滑等安全风险。因此需采取合适的监测措施，保证试验安全进行。
轨道交通领域的台架试验，例如车体、构架的疲劳试验，在试验过程中通常不会产生失稳或者摩擦升温的情况。针对常规的台架试验，通过对作动器设置行程保护或者力保护可杜绝绝大部分潜在安全风险。轨道车辆旋转件的台架试验，尤其是轮轴的疲劳试验，由于其在试验过程中相对于轴承和轨道高速旋转，极易因接触面高速摩擦导致温度快速升高，进一步地造成试验事故。因此，对于变轨距转向架轮轴耐久性试验，急需采取合适的监测措施保证试验安全进行。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种轮轴耐久性试验安全监测方法，该监测方法兼顾安全监测与数据采集，并能够在监测到安全风险时及时降速并停止试验，把损失降到最低；方便事故后采集到各项运行数据，便于分析事故原因。
根据本发明实施例的一种轮轴耐久性试验安全监测方法，其包括步骤：
制得测力轮对；
将测力轮对安装在试验台的驱动轮轨上；
对测力轮对进行静态标定，确定垂向力标定载荷与垂向应变的对应关系，以及横向力标定载荷与横向应变的对应关系；
开启试验台，由驱动轮轨驱动测力轮对旋转；
监测并记录测力轮对与驱动轮轨间的垂向力和横向力，在横向力超限时，触动试验台的控制按钮控制试验台降速运行或停止。
本发明实施例的一种轮轴耐久性试验安全监测方法，为预防轮对失稳脱轨，通过测力轮对监测并记录轮轨间的垂向力和横向力，在横向力超限时，触动试验台的控制按钮控制试验台降速运行至停止。该监测方法兼顾安全监测与数据采集，并能够在监测到安全风险时及时降速并停止试验，把损失降到最低；方便事故后采集到各项运行数据，便于分析事故原因。
根据本发明的一个实施例，所述制得测力轮对，具体包括：
至少在轮对的车轮辐板的纵向两侧分别打孔，在每个孔内沿孔的水平径向两侧分别粘贴垂向应变片，至少在车轮辐板的纵向且位于所述辐板与轮毂的连接处分别粘贴横向应变片；
在车轴上开穿线孔，将垂向应变片和横向应变片的引线由所述穿线孔穿入所述车轴的空腔；
将集流环固定到车轴的轴端，并将所述垂向应变片和横向应变片的引线连接到所述集流环。
根据本发明的一个实施例，所述制得测力轮对具体还包括：将所述垂向应变片和横向应变片的引线连接到所述集流环的内环，所述集流环的外环连接至测力装置，通过所述垂向应变片测量垂向应变，通过所述横向应变片测量横向应变。
根据本发明的一个实施例，所述对测力轮对进行静态标定，具体包括：在测力轮对静止状态下，对测力轮对的车轮踏面上方进行加载，获取加载载荷与应变之间的对应关系。
根据本发明的一个实施例，所述确定垂向力标定载荷与垂向应变的对应关系，以及横向力标定载荷与横向应变的对应关系中，取垂向力标定载荷不小于静轴重的1.5倍，横向力标定载荷不小于静轮重的1.2倍，同时记录加载的垂向力标定载荷与输出的垂向应变，以及横向力标定载荷与输出的横向应变。
根据本发明的一个实施例，按下式计算垂向力P、横向力Q的比例系数Kpp、Kqq，及其相互影响系数Eqp、Epq；
垂向力比例系数：Kpp＝εpp/P；
εpp—垂向力标定时，垂向应变片输出的垂向应变；
横向力比例系数：Kqq＝εqq/Q；
εqq—横向力标定时，横向应变片输出的横向应变；
垂向力对横向应变片的影响系数：Eqp＝εqp/P；
εqp—垂向力标定时，横向应变片受垂向力影响输出的应变；
横向力对横向应变片的影响系数：Eqp＝εpq/P；
εpq—横向力标定时，垂向应变片受横向力影响输出的应变；
垂向力P、横向力Q的计算公式：
Figure BDA0002393075350000031
采集到εp、εq应变数据通过上式求得动态的垂向力P和横向力Q，其中，εp为垂向应变，εq为横向应变。
根据本发明的一个实施例，在轴箱外壳中的轴承外圈上布置热电偶，用于监测并记录轴承的温度，当轴承温度超限时发出警报，触动试验台的控制按钮。
根据本发明的一个实施例，采用红外线测温仪监测轮对与驱动轮轨之间的轮轨接触面的温度，在温度超限时发出警报，触动试验台的控制按钮。
根据本发明的一个实施例，在车轴上布置转速传感器用于监测车轴转速，在车辆两端的两个轴箱上布置加速度传感器。
根据本发明的一个实施例，在每个车轮的侧面均布4个激光位移传感器用于监测轮对的振动和变形情况。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一种轮轴耐久性试验安全监测方法的流程图；
图2是本发明实施例测力轮对上的垂向应变片的布置示意图；
图3是图2的主视图；
图4是本发明实施例测力轮对上的横向应变片的布置示意图；
图5是图4的主视图。
附图标记：
1、垂向应变片；2、横向应变片；3、车轮；4、辐板；5、轮毂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
根据本发明实施例的一种轮轴耐久性试验安全监测方法，如图1所示，其包括步骤：
具体可结合图2至图5所示，制得测力轮对，具体测力轮对的制备过程将在下文具体介绍，由测力轮对测得车轮所受的垂向应变和横向应变；
将测力轮对安装在试验台的驱动轮轨上，具体将测力轮对的车轮3放置在驱动轮轨的相应位置，通过驱动轮轨转动带动测力轮对转动，模拟轮对在轨道上的运行，具体地，驱动轮轨主要包括两条轨道和设于每条轨道上与轮对的轨距相匹配的一对驱动轮，为了便于轮对的车轮3平稳运行，一对驱动轮之间形成V型面，一对驱动轮的轴向垂直于轨道的长度方向，当然，为了设置简便，还可以不设轨道，仅设置驱动轮即可，驱动轮可由驱动电机驱动；
对测力轮对进行静态标定，也就是在测力轮对静止状态下，对测力轮对进行加载，确定垂向力标定载荷与垂向应变的对应关系，以及横向力标定载荷与横向应变的对应关系；
试验台设有控制按钮，开启试验台的控制按钮，由驱动轮轨驱动测力轮对旋转；
根据测得的垂向应变和横向应变，根据对应的计算公式计算出垂向力和横向力，通过测力装置监测并记录测力轮对与驱动轮轨间的垂向力和横向力，在横向力超限时，触动试验台的控制按钮控制试验台降速运行或者直接停止。
需要说明的是，为了适应不同轨距的轮对，驱动轮轨的一对轨道之间或不同轨道上的驱动轮之间的间距设为可调，以适应例如变轨距轮对的测试，可以采用驱动轮沿轨道的横向还设有滑轨，驱动轮沿滑轨滑动所需距离后锁定，也可以是相邻轨道底部设有滑轨，直接调节相邻轨道之间的距离，并可锁定，当然具体调节方式不限于此。
具体地，一个轮对包括车轴和设于车轴两端的车轮3以及支撑车轴的轴箱，轴箱中设有与车轴连接的轴承，轴承包括轴承外套和轴承内套，在车轴转动时，轴承内套跟随车轴一起转动，轴承外套与轴箱保持静止。
对于变轨距轮对，车轴与车轮之间设有滑移机构，滑移机构设于轴箱中，滑移机构与车轮固定连接，滑移机构与车轴间隙配合，具体地，滑移机构包括由内向外依次紧密套接的内套筒、轴承和外套筒，形成一个整体，在安装时，内套筒的一端与车轮固定连接，轴承的内圈紧固在内套筒上，轴承的外圈和外套筒的内表面间隙配合连接，以方便装拆外套筒，外套筒与轴箱间隙配合。
本发明实施例的一种轮轴耐久性试验安全监测方法，为预防轮对失稳脱轨，通过测力轮对监测并记录轮轨间的垂向力和横向力，在横向力超限时，触动试验台的控制按钮控制试验台降速运行或直接停止。该监测方法兼顾安全监测与数据采集，并能够在监测到安全风险时及时降速并停止试验，把损失降到最低；方便事故后采集到各项运行数据，便于分析事故原因。
如图2至图5所示，根据本发明的一个实施例，制备测力轮对就是在轮对上粘贴应变片，构成特定的平衡电桥(恒流惠斯通电桥或恒压惠斯通电桥)，通过测量电桥输出，建立电桥输出与轮轨(车轮3与驱动轮轨之间)作用力(横向力与垂向力)的对应关系，以此来实现轮轨力的动态测量，测力轮对的制作具体包括：
如图2和图3所示，至少在轮对的每个车轮3辐板4的纵向两侧分别打孔，具体地，以车轮3轴心为参照点，在车轮3竖直方向的径向上下两侧的对称位置分别打孔，还可以在车轮3水平方向的径向两侧的对称位置分别打孔，在每个孔内沿孔的水平径向两侧分别粘贴垂向应变片1，如图4和图5所示，至少在车轮3辐板4的纵向且位于所述辐板4与轮毂5的连接处分别粘贴横向应变片2，具体地，以车轮3轴心为参照点，在车轮3竖直方向的径向上下两侧的对称位置且位于所述辐板4与轮毂5的连接处分别粘贴横向应变片2，进一步地，沿车轮3的轴向两侧，也可以称为车轮3的内外两侧，所述横向应变片2相对设置，分别粘贴在车轮3内外两侧的辐板4与轮毂5的连接处，即至少粘贴两对一一对应的横向应变片2，当然，还可以沿辐板4与轮毂5的连接处的周向内外两侧粘贴多对横向应变片2；孔内沿孔的水平径向两侧作为垂向力的敏感点，能够相对准确地反映垂向力的值，车轮3辐板4与轮毂5的连接处作为横向力的敏感点，能够相对准确地反映横向力的值。
为了便于应变片的引线走线，在车轴上开穿线孔，将垂向应变片1和横向应变片2的引线由所述穿线孔穿入所述车轴的空腔，为了减重，目前大部分车轴采用空心车轴，空心车轴中形成有空腔。
将集流环固定到车轴的轴端，具体可以通过集流环压盖将集流环固定在车轴的轴端，集流环能随车轴一起旋转，并将所述垂向应变片1和横向应变片2的引线连接到所述集流环。
根据本发明的一个实施例，所述制得测力轮对具体还包括：将所述垂向应变片1和横向应变片2的引线连接到所述集流环的内环，所述集流环的外环连接至测力装置，集流环的内环与外环能够相对转动，在车轴转动时，内环跟随车轴一起转动，外环相对静止，不影响测力装置与外环的连接，通过所述垂向应变片1测量垂向应变，通过所述横向应变片2测量横向应变，并通过垂向应变与垂向力的对应关系以及横向应变与横向力的对应关系，将相应的横向应变以及垂向应变数据转化为相应的横向力以及垂向力输出，通过测力装置监测并记录测力轮对与驱动轮轨间的垂向力和横向力。
根据本发明的一个实施例，所述对测力轮对进行静态标定，具体包括：在测力轮对静止状态下，从车轮3上方对测力轮对的车轮3踏面进行加载，获取加载载荷与应变之间的对应关系，具体获取垂向力标定载荷与垂向应变的对应关系，以及横向力标定载荷与横向应变的对应关系。
根据本发明的一个实施例，所述确定垂向力标定载荷与垂向应变的对应关系，以及横向力标定载荷与横向应变的对应关系中，为了得到可靠的试验数据，取垂向力标定载荷不小于静轴重的1.5倍，横向力标定载荷不小于静轮重的1.2倍，同时记录加载的垂向力标定载荷与输出的垂向应变，以及横向力标定载荷与输出的横向应变。
由于对测力轮对进行静态标定时，所施加的横向力标定载荷以及垂向力标定载荷为已知，因此，可以通过输出的横向应变和垂向应变计算出有关的系数。
根据本发明的一个实施例，测力轮对标定后，按下式计算垂向力P、横向力Q的比例系数Kpp、Kqq，及其相互影响系数Eqp、Epq；垂向力比例系数：Kpp＝εpp/P；
εpp—垂向力标定时，垂向应变片1输出的垂向应变，可在测力轮对进行静态标定时获得；
横向力比例系数：Kqq＝εqq/Q；
εqq—横向力标定时，横向应变片2输出的横向应变，可在测力轮对进行静态标定时获得；
垂向力对横向应变片2的影响系数：Eqp＝εqp/P；
εqp—垂向力标定时，横向应变片2受垂向力影响输出的应变，可在测力轮对进行静态标定时获得；
横向力对横向应变片2的影响系数：Epq＝εpq/P；
εpq—横向力标定时，垂向应变片1受横向力影响输出的应变，可在测力轮对进行静态标定时获得；
垂向力P、横向力Q的计算公式：
Figure BDA0002393075350000101
通过横向应变片2和垂向应变片1采集到εp、εq应变数据通过上式求得动态的垂向力P和横向力Q，其中，εp为垂向应变，εq为横向应变，εp由垂向应变片1直接测得，εq由横向应变片2直接测得。
根据本发明的一个实施例，针对燃轴风险，在轴箱外壳中的轴承外圈上布置热电偶，用于监测并记录轴承的温度，当轴承温度超限时发出警报，触动试验台的控制按钮控制试验台降速运行或停止。具体地，可以通过设置与测力装置电连接的报警模块来实现报警功能，测力装置以及报警模块以及试验台的控制按钮均连接至控制***，测力装置监测到的横向力和垂向力数据均反馈给控制***，控制***根据反馈的数值与设置在控制***中的设定数值比较，判断反馈的数值是否超限，超限时触发报警模块，并触动控制按钮，控制按钮可以控制试验台降速也可以控制试验台停止。
根据本发明的一个实施例，轴承抱死和车轮3打滑或空转均会导致轮轨接触面的温度快速升高，而车轮3和驱动轮轨均为高速旋转件，无法通过布置热电偶的形式进行温度监测，采用红外线测温仪监测轮对与驱动轮轨之间的轮轨接触面的温度，在温度超限时发出警报，触动试验台的控制按钮，控制按钮可以控制试验台降速也可以控制试验台停止。当然，采用红外线测温仪监测轮对与驱动轮轨之间的轮轨接触面的温度只是一种较优的方式，还可以采用其他非接触式温度传感器来测量轮对与驱动轮轨之间的轮轨接触面的温度。
根据本发明的一个实施例，为方便得到车轴耐久性试验过程中的部分规律，需要在车轴上布置转速传感器用于监测车轴转速，在车辆两端的两个轴箱上布置加速度传感器。并在每个车轮3的侧面均布4个激光位移传感器，用于监测轮对的振动和变形情况，此处激光位移传感器还可以采用其他位移传感器的形式，在此不一一列举。
从而，根据本发明实施例能够监测的安全风险包括：燃轴、轴承抱死、车轮打滑或空转、轮对失稳脱轨等。该监测方法兼顾安全监测与数据采集，超限时触发急停，降低损失，除必要安全监测项外，同步采集车轴转速、轴箱加速度、车轮振动变形等信息，有助于发现试验规律或事故后原因分析。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，包括步骤：
制得测力轮对；
将测力轮对安装在试验台的驱动轮轨上；
对测力轮对进行静态标定，确定垂向力标定载荷与垂向应变的对应关系，以及横向力标定载荷与横向应变的对应关系；
开启试验台，由驱动轮轨驱动测力轮对旋转；
监测并记录测力轮对与驱动轮轨间的垂向力和横向力，在横向力超限时，触动试验台的控制按钮控制试验台降速运行或停止。
2.根据权利要求1所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，所述制得测力轮对，具体包括：
至少在轮对的车轮辐板的纵向两侧分别打孔，在每个孔内沿孔的水平径向两侧分别粘贴垂向应变片，至少在车轮辐板的纵向且位于所述辐板与轮毂的连接处分别粘贴横向应变片；
在车轴上开穿线孔，将垂向应变片和横向应变片的引线由所述穿线孔穿入所述车轴的空腔；
将集流环固定到车轴的轴端，并将所述垂向应变片和横向应变片的引线连接到所述集流环。
3.根据权利要求2所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，所述制得测力轮对具体还包括：将所述垂向应变片和横向应变片的引线连接到所述集流环的内环，所述集流环的外环连接至测力装置，通过所述垂向应变片测量垂向应变，通过所述横向应变片测量横向应变。
4.根据权利要求1所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，所述对测力轮对进行静态标定，具体包括：在测力轮对静止状态下，对测力轮对的车轮踏面上方进行加载，获取加载载荷与应变之间的对应关系。
5.根据权利要求1所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，所述确定垂向力标定载荷与垂向应变的对应关系，以及横向力标定载荷与横向应变的对应关系中，取垂向力标定载荷不小于静轴重的1.5倍，横向力标定载荷不小于静轮重的1.2倍，同时记录加载的垂向力标定载荷与输出的垂向应变，以及横向力标定载荷与输出的横向应变。
6.根据权利要求1所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，按下式计算垂向力P、横向力Q的比例系数Kpp、Kqq，及其相互影响系数Eqp、Epq；
垂向力比例系数：Kpp＝εpp/P；
εpp—垂向力标定时，垂向应变片输出的垂向应变；
横向力比例系数：Kqq＝εqq/P；
εqq—横向力标定时，横向应变片输出的横向应变；
垂向力对横向应变片的影响系数：Eqp＝εqp/P；
εqp—垂向力标定时，横向应变片受垂向力影响输出的应变；
横向力对横向应变片的影响系数：Epq＝εpq/P；
εpq—横向力标定时，垂向应变片受横向力影响输出的应变；
垂向力P、横向力Q的计算公式：
Figure FDA0002393075340000021
采集到εp、εq应变数据通过上式求得动态的垂向力P和横向力Q，其中，εp为垂向应变，εq为横向应变。
7.根据权利要求1所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，在轴箱外壳中的轴承外圈上布置热电偶，用于监测并记录轴承的温度，当轴承温度超限时发出警报，触动试验台的控制按钮。
8.根据权利要求1所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，采用红外线测温仪监测轮对与驱动轮轨之间的轮轨接触面的温度，在温度超限时发出警报，触动试验台的控制按钮。
9.根据权利要求1所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，在车轴上布置转速传感器用于监测车轴转速，在车辆两端的两个轴箱上布置加速度传感器。
10.根据权利要求1所述的轮轴耐久性试验安全监测方法，其特征在于，在每个车轮的侧面均布4个激光位移传感器用于监测轮对的振动和变形情况。
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