70%低地板輕軌車輛輪軌力測試研究＊

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.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海∥第一作者，高級工程師）

1 70%低地板輕軌車輛輪對結構

長春軌道客車股份有限公司為長春市輕軌1號線提供的70%低地板輕軌車輛采用三模塊車體結構，由兩個端部長車體和中間短車體組成。其中，端部長車體下面的動力轉向架采用剛性輪對（見圖1（a）），中間短車體下面的拖動轉向架采用獨立輪對（見圖1（b））。兩種輪對均使用了承剪壓的彈性車輪。兩種轉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結構

2 輪軌作用力測量方案

為了評估70%低地板輕軌車輛的運行安全性，需要測量彈性車輪輪對的輪軌作用力。

2.1 輪軌力測量方案

目前動力學試驗中經常使用的輪軌力測量方法有車輪力法和構架力法［1］。車輪力法是在車輪輻板表面粘貼應變片并組橋，制成測力輪對，通過測量車輪輻板的應變，換算得到輪軌間的作用力。車輪力法的優點是測量精度高；缺點是需要對車輪進行加工（鉆孔）并安裝集流環，試驗準備周期較長，且試驗用的測力車輪不能用于運營，試驗的成本高。構架力法是在構架的側梁上粘貼應變片，通過測量構架側梁的應變，來換算得到輪軌間的垂直力和橫向力。構架力法是一種相對的測量方法，只能測量出動態載荷，而靜態載荷的測量需要經過其它手段獲得。由于構架側梁的應變很小，因此構架力法的測量精度遠低于車輪力法，并且通常需要復雜的標定工裝。其優點是試驗所用的構架可以繼續使用，試驗的成本較低。

對圖1（a）所示的彈性車輪剛性輪對，采用車輪力法測量輪軌作用力從理論上是可行的，但在實施時必須對車輪的輻板進行加工，大幅度削減車輪的幅板厚度以改善測量精度。對圖1（b）所示的彈性車輪獨立輪對，直接采用車輪力法測量輪軌作用力是不可能的，除非更改整個車輪和軸箱的結構。對兩種轉向架，采用構架力法測量輪軌作用力是可行的，但測量精度很低。

由于兩種轉向架的一系懸掛都采用了圓錐橡膠彈簧，根據圓錐橡膠彈簧的結構特點，可以在圓錐橡膠彈簧的鋼質下支柱上粘帖應變片，測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上的輪軌力。

2.2 測力彈簧的貼片與組橋

測力彈簧結構見圖2。其中，測力部分為圓錐橡膠彈簧的鋼質下支柱，裝車時它與軸箱連接，可視為軸箱的延伸。為了提高測量精度，需要對圓錐橡膠彈簧的鋼質下支柱進行加工，使測力部位成為空心圓柱結構。

圖2 測力彈簧的結構

測力彈簧的應變片粘貼位置和組橋方式如圖3所示。垂向力測量電橋由4組與橫向偏轉45°的直角應變花組成。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，使得測量得到的垂向力與其加載位置無關。橫向力測量電橋由4個與橫向對齊的應變片組成，根據上下兩組的應變片產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位置變化帶來的影響，使得測得的橫向力與其加載位置無關，同時還可以消除垂向力的影響［2］。如果在縱向布置類似的電橋，還可以測量作用在彈簧上的縱向力。

圖3 應變片粘貼位置及組橋

測力彈簧貼片組橋后，需要對垂向力測量電橋和橫向力測量電橋進行標定。垂向力電橋標定時，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定系數。橫向力電橋標定時，需要先施加一個靜態垂向載荷，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定系數。

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

根據圖4、5所示的標定加載歷程，分析得到垂向力測量電橋的分辨率為67N，橫向力測量電橋的分辨率為22N。可見，測力彈簧的測量精度非常高。

圖4 橫向載荷作用下測量電橋的輸出

圖5 垂向載荷作用下測量電橋的輸出

2.3 評定準則

軸箱測力彈簧的測量原理如圖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，經過車軸、軸箱、一系彈簧傳遞到構架。構架力法通過測量構架側梁的應變得到力F′y1，F′z1，F′y2，F′z2。軸 箱 測 量 彈 簧 測 得 的 載 荷 是 Fy1，Fz1，Fy2，Fz2。顯然，兩者是作用力和反作用力的關系。因此，軸箱測力彈簧本質上與構架力法相同，應該使用構架力法的評定準則。

圖6 軸箱測力彈簧的測量原理

對構架力法而言，輪軌力的傳遞需要經過一系彈簧，因此構架力法的響應頻率低；且由于構架側梁的應變很小，測量精度也低。對軸箱彈簧而言，由于應變片粘貼位置在軸箱彈簧的鋼質下支柱上，位于一系彈簧之下，因此其響應頻率較高。實踐證明，軸箱測力彈簧的測量精度顯著高于一般的構架力法。

3 應用實例

將標定好的軸箱測力彈簧安裝到轉向架上，即可進行輪軌力測試。

圖7給出了70%低地板輕軌車輛通過250m半徑S形曲線時，剛性輪對左、右側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 軸箱測力彈簧的載荷輸出

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

圖8 250m半徑S形曲線上的輪軌力歷程

4 結語

本文根據70%低地板輕軌車輛轉向架一系懸掛的結構，開發了一種新的輪軌力測量方法：在圓錐橡膠彈簧的鋼質下支柱上粘貼應變片，通過合理布置貼片位置和組橋，使得垂向力和橫向力測量電橋相互解耦，直接測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。

本文開發的測力彈簧，制作方便，標定簡單，測量精度顯著高于傳統的構架力法，且試驗準備周期短，試驗成本低。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鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范［S］.

［2］ 張如一，沈觀林，李朝弟.應變電測與傳感器［M］.北京：清華大學出版社，1999：53－54.

［3］ 同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院.長春市70%低地板輕軌車輛動力學測試報告［R］.長春：長春軌道客車股份有限公司，2010.