CN111157160B - 一种纵向力检测装置、轨道车辆及纵向力检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纵向力检测装置、轨道车辆及纵向力检测方法。所述纵向力检测装置包括夹持板、撞击板及变形垫，所述变形垫在承受撞击板传递的撞击力时产生自适应形变；所述撞击板、变形垫和夹持板通过贯穿的调节组件固定，所述调节组件与所述撞击板、变形垫和夹持板间隙装配；所述纵向力检测装置还包括传感器及定位安装板，所述定位安装板在远离撞击板的一侧设置，所述传感器设置在所述夹持板与定位安装板之间。与现有相关技术相比，本发明的纵向力检测装置在不改变车缓冲装置强度情况下，不依靠实验台，在轨道机车和车辆运行过程中，在线实时检测轨道车辆的车钩纵向力；采用传感器直接测量的方法，测量的准确性高。

Description

一种纵向力检测装置、轨道车辆及纵向力检测方法
技术领域
本发明涉及轨道机车和车辆运行参数测量的技术领域，尤其涉及一种纵向力检测装置、轨道车辆及纵向力检测方法。
背景技术
随着我国铁路的快速发展，货运列车重载化成为必然的趋势。然而，需要合理的设计重载列车，必须要了解列车纵向受力状况，因为纵向力是动力学环境中的重要参数之一，它决定列车的载运能力和运行安全。
现有轨道车辆的车钩缓冲装置是用于使车辆与车辆、机车与车辆或动车与拖车相互连挂，传递牵引力、制动力并减缓冲击动能的车辆部件。它由车钩，缓冲器、钩尾框，从板等组成一个整体，安装于车体底架端的牵引梁内。
根据轨道车辆工程行业的定义，纵向力是指轨道车辆位于平直线路时，沿车辆前后的连接方向所传递的力，即两车钩连接所传递的力；牵引力是指车钩处于牵拉状态下所承受的纵向力；冲击力是指车钩处于受压状态下所承受的纵向力。
在现有技术中，对轨道机车和车辆纵向力的测量主要是通过以下几种方式来实现的：
(1)测试平台测量：如专利CN106318289A和CN109023811A，将轨道机车和车辆的车钩缓冲装置安装于实验台上，模拟列车的运行状况，通过安装于试验台上的测量装置测量列车纵向力。该方式由于在在实验台上进行操作，无法实时检测轨道车辆在真实线路上运行的纵向力。
(2)在线直接测量：如专利CN208902315U，通过安装于车钩上的应变片和放大电路实时测量列车运行时的纵向力，最后在测量仪上显示纵向力的大小。该方式虽然能够实时检测列车的纵向力，但是车钩结构较为复杂，应变片安装位置对于测量的准确性尤为关键，其次，在列车运行过程中，车钩接触处存在较大的磨损状况，容易导致应变片快速出现磨耗，大大减少其使用寿命；又如专利CN2049767U，提出一种整体结构钩尾框，通过安装在钩尾框后腔中的传感器在线测量车辆纵向力。整体结构的钩尾框与现有钩尾框的结构完全不同，必然导致车钩缓冲装置的纵向受力情况发生改变，由于各相对移动部件之间加装滚轮，必须对滚轮进行润滑来减少摩擦磨损，使得其难以维护，同时，该装置未设计纵向力方向调节组件，若安装位置精度不高或滚轮磨损导致钩尾框内部件发生倾斜，使得作用力不能沿纵向传递给传感器，则易造成纵向力测量的不准确问题。
(3)在线间接测量：如CN103883538A，通过获取轨道车辆的纵向加速度、运行速度和车钩缓冲器的行程等运行参数，通过相关算法转换为轨道车辆的纵向力。由于该方式所采用测量方式为间接测量，需要测量的运行参数较多而容易导致累积误差，且测量装置在轨道车辆上的安装要求高，否则会导致上述相关运行参数难以准确测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不改轨道车辆受力强度、能够在线实时检测的纵向力检测装置、轨道车辆及纵向力检测方法。
本发明的技术方案是：一种纵向力检测装置包括夹持板、用于承受撞击力的撞击板及夹设于所述夹持板和撞击板之间的变形垫，所述变形垫在承受撞击板传递的撞击力时产生自适应形变；
所述撞击板、变形垫和夹持板通过贯穿的调节组件固定，所述调节组件与所述撞击板、变形垫和夹持板间隙装配；
所述纵向力检测装置还包括用于感应撞击力大小的传感器及用于安装所述纵向力检测装置的定位安装板，所述定位安装板在远离撞击板的一侧设置，所述传感器设置在所述夹持板与定位安装板之间。
优选的，所述撞击板、变形垫和夹持板轮廓形状匹配，所述调节组件的数量为多个，沿所述撞击板的外形均布设置。
优选的，所述调节组件包括预紧螺栓、预紧弹簧、垫片和预紧螺母，所述预紧螺栓自所述撞击板穿入，所述夹持板在远离撞击板的侧面上设有沉孔，在所述沉孔的小孔径内设有所述预紧弹簧，所述预紧弹簧通过在沉孔的大孔径内设置的垫片和预紧螺母的作用下处于预紧状态，所述预紧螺栓与所述撞击板、变形垫和夹持板间隙装配。
优选的，所述预紧螺栓与所述撞击板、变形垫和夹持板的单边间隙为螺栓孔配合间隙的1倍以上。
优选的，所述夹持板和定位安装板相对的侧面上设有可固定传感器的凸起，所述传感器的中部设有内圈，所述内圈套装于所述凸起上。
优选的，所述传感器的数量为至少一个，每一个所述传感器均通过贯穿于所述凸起的固定螺栓固定；所述夹持板的凸起和定位安装板的凸起之间留有一间隙。
本发明还提供一种轨道车辆，包括多节车体，所述车体包括牵引梁和车钩缓冲装置，所述车钩缓冲装置包括在每一个所述牵引梁内依次设置的后从板座、后从板、缓冲器、前从板和前从板座，所述后从板座和前从板座均与所述牵引梁内壁固定，所述后从板、缓冲器、前从板通过钩尾框与所述车钩连接，还包括上述的纵向力检测装置，所述纵向力检测装置的数量为多个，分别安装于所述后从板座的端面上用于检测后从板的撞击力，及安装于所述前从板座的端面上用于检测前从板的撞击力。
本发明还提供一种上述轨道车辆的纵向力检测方法，包括：
1)启动、加速工况
A、车钩承受牵引力，该牵引力拉动所述缓冲器并同时带动后从板和前从板位移，此时，所述前从板撞击在安装于前从板座端面上的纵向力检测装置上，所述后从板与后从板座端面上的纵向力检测装置之间出现间隙；
B、所述纵向力检测装置的撞击板承受上述撞击力后并将该力传递给所述传感器；
C、所述传感器感应上述撞击力后输出测量结果；
2)制动、减速工况
A、车钩承受冲击力，该冲击力推动所述缓冲器并同时推动后从板和前从板位移，此时，所述后从板撞击在所述后从板座端面上的纵向力检测装置上，所述前从板与前从板座端面上的纵向力检测装置之间出现间隙；
B、所述纵向力检测装置的撞击板承受上述撞击力后并将该力传递给所述传感器；
C、所述传感器感应上述撞击力后输出测量结果。
优选的，所述牵引力通过公式(1)进行计算：
式中，F牵引为测量到的总牵引力；δi为第i侧纵向力测量装置的力修正系数，δi≥1；Fj牵引为第j个传感器所测的牵引力；n为同侧传感器的个数，n≥1；
所述冲击力通过公式(2)进行计算：
式中，F冲击为测量到的总冲击力；δi为第i侧纵向力测量装置的力修正系数，δi≥1；Fj冲击为第j个传感器所测的冲击力；n为同侧传感器的个数，n≥1；
其中，每侧纵向力测量装置的力修正系数δi可在试验台上进行标定。
优选的，所述撞击板承受撞击力时，通过所述变形垫和间隙装配的调节组件的自适应调整，使撞击力沿纵向传递给所述传感器。
与相关技术相比，本发明的有益效果为：在不改变车缓冲装置强度情况下，不依靠实验台，在轨道机车和车辆运行过程中，在线实时检测车钩纵向力；由于只需在前、后从板与前、后从板座之间预留出相应的安装距离即可，使得纵向力检测装置及其传感器安装方便、可靠；采用传感器直接测量的方法，测量过程中的误差小；设计避免了两碰撞面不平行而导致纵向力不能正确传递的问题，从而保证所传递的力与纵向力方向一致。
附图说明
图1为本发明提供的纵向力检测装置的三维结构示意图；
图2为沿图1的A-A阶梯剖视示意图；
图3为本发明提供的轨道车辆中安装纵向力检测装置的结构示意图；
图4为纵向力检测装置承受牵引力的工作示意图；
图5为纵向力检测装置承受冲击力的工作示意图；
图6为图1的俯视剖切的纵向力检测装置倾斜受力的原理示意图；
图7为图1的俯视剖切的纵向力检测装置自适应调整后的原理示意图。
附图中，1-牵引梁、2-车钩缓冲装置、21-后从板座、22-后从板、23-缓冲器、24-前从板、25-前从板座、26-钩尾框、27-车钩、3-纵向力检测装置、31-撞击板、32-变形垫、33-夹持板、34-调节组件、35-传感器、36-定位安装板、37-固定螺栓、331-第一凸起、341-预紧螺栓、342-预紧弹簧、343-垫片、344-预紧螺母、351-接线口、361-第二凸起。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
如图1、2所示，本实施例提供的一种纵向力检测装置3包括撞击板31、变形垫32、夹持板33、调节组件34、传感器35和定位安装板36。
所述撞击板31、变形垫32和夹持板33轮廓形状匹配且依次设置。所述调节组件34贯穿所述撞击板31、变形垫32和夹持板33，且贯穿部位间隙装配。所述定位安装板36在远离撞击板31的一侧设置，所述传感器35设置在所述夹持板33与定位安装板36之间。
所述撞击板31用于承受撞击力并可传递该撞击力。所述变形垫32为弹性材料制成，如弹性橡胶。在受到撞击力时可产生自适应形变，一方面不会被破坏，另一方面保证撞击力方向始终沿纵向传递给传感器35。
所述调节组件34的数量为多个，沿所述撞击板31外形均布设置，在本实施例中为四个，分别设置在撞击板31的四个角。所述调节组件34包括预紧螺栓341、预紧弹簧342、垫片343和预紧螺母344，所述预紧螺栓341自所述撞击板31穿入，所述夹持板33在远离撞击板31的侧面上设有沉孔，在所述沉孔的小孔径内设有所述预紧弹簧342，所述预紧弹簧342通过在沉孔的大孔径内设置的垫片343和预紧螺母344的作用下处于压缩状态，所述预紧螺栓341与所述撞击板31、变形垫32和夹持板33间隙装配。
所述预紧螺栓341与所述撞击板31、变形垫32和夹持板33的单边间隙为螺栓孔配合间隙的1倍以上。所述螺栓孔配合间隙指国家标准中规定的配合间隙。该间隙配合的结构可使得变形垫32在受力状态下预紧螺栓341能够在轴向转动适当的角度，从而保证在大的撞击力作用下撞击板31不被损坏。
所述传感器35的数量可为一个或者多个，其为圆盘结构的传感器，所述传感器35的中部设有内圈。
在本实施例中，所述传感器35选用L11000E 1000KN冲击力传感器，其数量为两个。
所述夹持板33上设有第一凸起331，所述定位安装板36上设有第二凸起361，所述第一凸起331和第二凸起361都为圆柱状结构，两者相对设置。所述第一凸起331和第二凸起361的位置和数量与安装的传感器35对应。
所述传感器35的内圈套装于第一凸起331和第二凸起361上，所述第一凸起331和第二凸起361之间留有一间隙。通过固定螺栓37和与之配合的螺母、垫片等将定位安装板36、传感器35、和夹持板33固定。
所述定位安装板36用于将整个所述纵向力检测装置3安装于需要检测的部位。
如图3所示，本发明提供的一种轨道车辆包括多节车体，所述车体包括牵引梁1、车钩缓冲装置2和纵向力检测装置3。
所述车钩缓冲装置2包括在每一个所述牵引梁1内依次设置有后从板座21、后从板22、缓冲器23、前从板24和前从板座25，所述后从板座21和前从板座25均与所述牵引梁1的内壁固定，所述后从板22、缓冲器23、前从板24通过环设的钩尾框26与所述车钩27连接。
所述纵向力检测装置3分别安装于所述后从板座21的端面上用于检测后从板22的撞击力，及安装于所述前从板座25的端面上用于检测前从板24的撞击力。在本实施例中，所述纵向力检测装置3为四个，前从板座25的两侧各设置一个，后从板座21的两侧各设置一个。每一个纵向力检测装置3上设置两个传感器35。
根据我国铁道车辆强度设计规划(TB1335-1996)规定货车结构允许的最大纵向力为2.25MN，单个传感器35的设计量程为0～1MN，在每一个车钩缓冲装置2中，针对每一撞击力设置了四个测量纵向力的传感器35，其总的设计量程为0～4MN，满足测量纵向力的所需最大量程。此外，传感器响应的频率越高,检测瞬态冲击力的能力也越强。
所述纵向力检测装置3的定位安装板36与后从板座21通过螺栓固定，同样，另一个的所述纵向力检测装置3的定位安装板36与前从板座25固定。
所述纵向力检测装置3安装时，所述传感器35的接线口351朝向车钩缓冲装置2布置，便于传感器35导线的接入。
本发明还提供一种轨道车辆的纵向力检测方法，包括：
当列车未启动时，所述纵向力检测装置3和车钩缓冲装置2未受纵向力。
1)启动、加速工况(如图4所示)
A、当列车处于启动和加速状态时，车钩27承受牵引力，该牵引力拉动所述缓冲器23并同时带动后从板22和前从板24位移。此时，所述前从板24撞击在安装于前从板座25端面上的纵向力检测装置3上，所述后从板22与后从板座21端面上的纵向力检测装置3之间出现间隙；
B、前从板24撞击安装于前从板座25端面上的纵向力检测装置3的撞击板31上，会导致变形垫32发生适当的形变，使得撞击力方向始终处于纵向；
C、所述纵向力检测装置3的撞击板31承受上述撞击力后并将该力沿纵向传递给所述传感器35；
D、所述传感器35感应上述撞击力后输出测量结果。
上述测量结果为在前从板座25上设置的两个纵向力检测装置3中，同侧的两个传感器35测量值之和乘以该侧测量装置3的力修正系数与另一侧之和。
2)制动、减速工况(如图5所示)
A、当列车处于减速状态时，车钩27承受冲击力，该冲击力推动所述缓冲器23并同时推动后从板22和前从板24位移。此时，所述后从板22撞击在所述后从板座21端面上的纵向力检测装置3上，所述前从板24与前从板座25端面上的纵向力检测装置3之间出现间隙；
B、后从板22撞击安装于后从板座21端面上的纵向力检测装置3的撞击板31上，会导致变形垫32发生适当的形变，使得冲击力方向始终处于纵向；
C、所述纵向力检测装置3的撞击板31承受上述撞击力后并将该力沿纵向传递给所述传感器35；
D、所述传感器35感应上述撞击力后输出测量结果。
上述测量结果为在后从板座21上设置的两个纵向力检测装置3中，同侧的两个传感器35测量值之和乘以该侧测量装置3的力修正系数与另一侧之和。
因变形垫32为弹性材料，其会吸收部分牵引力和冲击力，因此，实际的测量数据需要加入一个所述纵向力检测装置3的力修正系数，力修正系数的取值通过将变形垫32在实验中标定。
设计所述纵向力检测装置3时需要考虑其承受的牵引力和冲击力。所述牵引力通过公式(1)进行计算：
式中，F牵引为测量到的总牵引力；δi为第i侧纵向力测量装置的力修正系数，δi≥1；Fj牵引为第j个传感器所测的牵引力；n为同侧传感器的个数，n≥1。
所述冲击力通过公式(2)进行计算：
式中，F冲击为测量到的总冲击力；δi为第i侧纵向力测量装置的力修正系数，δi≥1；Fj冲击为第j个传感器所测的冲击力；n为同侧传感器的个数，n≥1。
其中，每侧纵向力测量装置的力修正系数δi可在试验台上进行标定。
当前、后从板表面与撞击板31表面平行接触时，变形垫32仅仅发生压缩但不发生倾斜。由于轨道车辆的车钩缓冲装置部件安装不准确、接触面的磨损等原因导致前、后从板发生倾斜，致使前、后从板表面与撞击板31表面不平行接触时，如图6所示。随后变形垫32发生适当的形变，预紧螺栓341在轴向转动适当的角度，撞击板31倾斜以贴合前、后从板面，从而保证撞击力方向始终垂直于传感器35的受力面，如图7所示。
预紧螺母344可以采用防松螺母或开口销穿过预紧螺母344与预紧螺栓341等方式进行防松处理。
需要说明的是，为了使得示意图所表示的效果更为明显，图6～图7均采用夸张画法，其不代表实际工作过程中的形变量和位移量。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种纵向力检测装置，其特征在于，包括夹持板(33)、用于承受撞击力的撞击板(31)及夹设于所述夹持板(33)和撞击板(31)之间的变形垫(32)，所述变形垫(32)在承受撞击板(31)传递的撞击力时产生自适应形变；
所述撞击板(31)、变形垫(32)和夹持板(33)通过贯穿的调节组件(34)固定，所述调节组件(34)与所述撞击板(31)、变形垫(32)和夹持板(33)间隙装配；
所述纵向力检测装置还包括用于感应撞击力大小的传感器(35)及用于安装所述纵向力检测装置的定位安装板(36)，所述定位安装板(36)在远离撞击板(31)的一侧设置，所述传感器(35)设置在所述夹持板(33)与定位安装板(36)之间；所述调节组件(34)包括预紧螺栓(341)、预紧弹簧(342)、垫片(343)和预紧螺母(344)，所述预紧螺栓(341)自所述撞击板(31)穿入，所述夹持板(33)在远离撞击板(31)的侧面上设有沉孔，在所述沉孔的小孔径内设有所述预紧弹簧(342)，所述预紧弹簧(342)通过在沉孔的大孔径内设置的垫片(343)和预紧螺母(344)的作用下处于预紧状态，所述预紧螺栓(341)与所述撞击板(31)、变形垫(32)和夹持板(33)间隙装配；
所述夹持板(33)和定位安装板(36)相对的侧面上设有固定传感器(35)的凸起，所述传感器(35)的中部设有内圈，所述内圈套装于所述凸起上；所述传感器(35)的数量为至少一个，每一个所述传感器(35)均通过贯穿于所述凸起的固定螺栓(37)固定；所述夹持板(33)的凸起和定位安装板(36)的凸起之间留有一间隙。
2.根据权利要求1所述的纵向力检测装置，其特征在于，所述撞击板(31)、变形垫(32)和夹持板(33)轮廓形状匹配，所述调节组件(34)的数量为多个，沿所述撞击板(31)的外形均布设置。
3.根据权利要求1所述的纵向力检测装置，其特征在于，所述预紧螺栓(341)与所述撞击板(31)、变形垫(32)和夹持板(33)的单边间隙为螺栓孔配合间隙的1倍以上。
4.一种轨道车辆，包括多节车体，所述车体包括牵引梁(1)和车钩缓冲装置(2)，所述车钩缓冲装置(2)包括在每一个所述牵引梁(1)内依次设置的后从板座(21)、后从板(22)、缓冲器(23)、前从板(24)和前从板座(25)，所述后从板座(21)和前从板座(25)均与所述牵引梁(1)内壁固定，所述后从板(22)、缓冲器(23)、前从板(24)通过钩尾框(26)与所述车钩(27)连接，其特征在于，还包括如权利要求1～3任一项所述的纵向力检测装置(3)，所述纵向力检测装置(3)的数量为多个，分别安装于所述后从板座(21)的端面上用于检测后从板(22)的撞击力，及安装于所述前从板座(25)的端面上用于检测前从板(24)的撞击力。
5.一种如权利要求4所述的轨道车辆的纵向力检测方法，其特征在于，包括：
1)启动、加速工况
A、车钩(27)承受牵引力，该牵引力拉动所述缓冲器(23)并同时带动后从板(22)和前从板(24)位移，此时，所述前从板(24)撞击在安装于前从板座(25)端面上的纵向力检测装置(3)上，所述后从板(22)与后从板座(21)端面上的纵向力检测装置(3)之间出现间隙；
B、所述纵向力检测装置(3)的撞击板(31)承受上述撞击力后并将该撞击力传递给所述传感器(35)；
C、所述传感器(35)感应上述撞击力后输出测量结果；
2)制动、减速工况
A、车钩(27)承受冲击力，该冲击力推动所述缓冲器(23)并同时推动后从板(22)和前从板(24)位移，此时，所述后从板(22)撞击在所述后从板座(21)端面上的纵向力检测装置(3)上，所述前从板(24)与前从板座(25)端面上的纵向力检测装置(3)之间出现间隙；
B、所述纵向力检测装置(3)的撞击板(31)承受上述撞击力后并将该撞击力传递给所述传感器(35)；
C、所述传感器(35)感应上述撞击力后输出测量结果。
6.根据权利要求5所述的轨道车辆的纵向力检测方法，其特征在于，所述牵引力通过公式(1)进行计算：
式中，F牵引为测量到的总牵引力；δi为第i侧纵向力测量装置的力修正系数，δi≥1；Fj牵引为第j个传感器所测的牵引力；n为同侧传感器的个数，n≥1；
所述冲击力通过公式(2)进行计算：
式中，F冲击为测量到的总冲击力；δi为第i侧纵向力测量装置的力修正系数，δi≥1；Fj冲击为第j个传感器所测的冲击力；n为同侧传感器的个数，n≥1；
其中，每侧纵向力测量装置的力修正系数δi在试验台上进行标定。
7.根据权利要求5所述的轨道车辆的纵向力检测方法，其特征在于，所述撞击板(31)承受撞击力时，通过所述变形垫(32)和间隙装配的调节组件(34)的自适应调整，使撞击力沿纵向传递给所述传感器(35)。
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