基于激光位移測量技術(shù)的輪軌作用力研究

黃丹丹

（成都軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

城軌線路站間距短、車站多、制動(dòng)頻繁，城軌車輛運(yùn)營環(huán)境相對復(fù)雜，輪對長期服役后，車輪會(huì)產(chǎn)生不圓、擦傷、剝離、碾堆、局部凹陷等損傷。車輛關(guān)鍵部件的損壞，如軸箱彈簧斷裂、軸承保持架裂損、轉(zhuǎn)向架側(cè)梁開裂等均與輪軌異常沖擊力有密切關(guān)系。

傳統(tǒng)輪軌關(guān)系評估方法主要是通過觀測車輪踏面狀態(tài)，檢查表面是否存在如多邊形、扁疤、剝離等踏面損傷，進(jìn)而對輪軌關(guān)系進(jìn)行安全性卡控。然而，軌道車輛的載重、運(yùn)行速度對輪軌作用力有較大影響，僅對車輪表面進(jìn)行靜態(tài)觀測，難以實(shí)現(xiàn)軌道車輛動(dòng)力學(xué)性能、載荷分布等安全指標(biāo)的測量。另外，踏面損傷的危害程度與其形狀、位置、性狀關(guān)系密切。

目前在鐵路系統(tǒng)中運(yùn)用的貨車運(yùn)行品質(zhì)軌旁動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS 系統(tǒng)），即是基于車輛的輪軌作用力來識別車輛超偏載等異常運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，通過對輪軌作用力的進(jìn)一步分析，還可識別車輪踏面損傷。王興華、曾宇清通過分析TPDS 在武漢鐵路局客車踏面損傷檢測方面的應(yīng)用，討論了TPDS 客車運(yùn)用的可行性，并總結(jié)了TPDS 客車運(yùn)用存在的問題。李旭偉、秦菊等分析了城市軌道交通車輛存在的輪軌磨耗問題，提出將TPDS 輪軌力測試技術(shù)及裝備應(yīng)用于城市軌道交通。

為準(zhǔn)確測量輪軌作用力，本文采用激光位移測量技術(shù)，測量車輛運(yùn)行過程中鋼軌形變量，進(jìn)而獲得輪軌作用力及車輛的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

1 輪軌作用力測量方法

現(xiàn)有的輪軌作用力測量方法主要包括：應(yīng)變片測量法、光纖光柵測量法、“剪力+支撐力”測量法。

應(yīng)變片測量法是通過在鋼軌的軌腰處粘貼金屬應(yīng)變片來測量輪軌力的方法。通常軌腰處表面較為粗糙，需要將粘貼面打磨光滑后再粘貼應(yīng)變片，施工工藝較為復(fù)雜，且由于難以實(shí)現(xiàn)輪軌力的連續(xù)測量，無法完整反映車輛動(dòng)力學(xué)性能，逐漸被新的測量方法取代。

光纖光柵測量法通過軌卡夾持光纖光柵傳感器單元，當(dāng)車輪通過檢測區(qū)時(shí)，鋼軌產(chǎn)生的形變同時(shí)帶動(dòng)軌卡和光纖光柵檢測單元產(chǎn)生形變，使光纖光柵感器反射波的波長發(fā)生偏移。通過對波長漂移量的度量，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力、應(yīng)變的測量，進(jìn)而得到鋼軌相應(yīng)位置的受力。

“剪力+支撐力”測量方法是通過剪力傳感器配合板式傳感器測量輪軌力的方法，該測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用在TPDS 系統(tǒng)中。測量原理如圖1 所示。

圖1 “剪力+支撐力”測量原理

其中，F，F通過剪力傳感器或粘貼應(yīng)變片等方式測取，由力的平衡條件可得：

由式（1）可獲得車輪作用在鋼軌上連續(xù)的輪軌垂向力。

2 激光位移測量方法

2.1 測量原理

區(qū)別于輪軌力測量方法，本文采用激光位移測量技術(shù)，測量輪壓過鋼軌時(shí)的位移偏移量，進(jìn)而獲得輪軌作用力。測量原理如圖2 所示。

圖2 激光位移測量示意圖

激光位移測量的最小檢測單元是由一個(gè)激光器和一個(gè)PSD 位移傳感器構(gòu)成的檢測模組。模組左邊是一個(gè)激光器（紅色部分），正常狀態(tài)下，激光器發(fā)射一束激光（黃色部分），打到PSD 靶面上（綠色部分）。當(dāng)車輪通過時(shí)使鐵軌發(fā)生彎曲，激光射線從PSD 靶面的零位移開，這個(gè)位移可通過PSD 輸出的兩個(gè)電壓值計(jì)算獲得，通過位移偏移量可計(jì)算輪軌作用力，進(jìn)一步分析可得到輪對缺陷狀態(tài)。

2.2 激光-PSD 模組

激光-PSD 模組結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖3 所示，激光器和PSD 均使用相同結(jié)構(gòu)的軌卡固定在鋼軌上，軌卡通過壓緊螺栓和底板夾持在軌底。

圖3 激光-PSD 實(shí)物圖

2.3 PSD 位移檢測原理

PSD 位移檢測原理如圖4（a）所示，當(dāng)光照射到硅光電二極管的某一位置時(shí)，N 區(qū)（結(jié)區(qū)）產(chǎn)生的空穴向P 層流動(dòng)（電子被N 極吸走），到達(dá)P 層照射位置的空穴分成兩部分：一部分通過表面電阻R流向1 端形成電流I；另一部分沿表面電阻R流向2 端形成電流I，則輸入電流：

而且，表面電阻R 與激光照射點(diǎn)到該輸出端的距離∣x1∣呈反比。

設(shè)PSD 感應(yīng)板的中點(diǎn)位置為0 點(diǎn)，入射激光偏移量為x1，感應(yīng)板的長度為，則：

圖4 PSD 位移檢測原理

2.4 PSD 偏移量波形及輪軌作用力波形

當(dāng)車輪通過模組時(shí)，車輪碾壓使鋼軌產(chǎn)生微小形變，激光在PSD 靶面上發(fā)生偏移，此時(shí)PSD 輸出電壓值發(fā)生變化，通過測量PSD 兩個(gè)輸出電壓和，如圖5（a），將兩個(gè)電壓代入公式（6)，可獲得偏移量波形，如圖5（b）所示。

圖5 偏移量波形

2.5 模組標(biāo)定

通過標(biāo)定可建立輪軌作用力與偏移量之間的關(guān)系。標(biāo)定裝置主要由橫梁、軌夾和液壓千斤頂構(gòu)成，如圖6 所示。

圖6 模組標(biāo)定裝置

標(biāo)定時(shí)，將標(biāo)定裝置安裝在鋼軌上，采用液壓千斤頂對鋼軌的軌頭加載，獲得不同載荷對鋼軌縱向形變量的變化曲線。同時(shí)采集PSD 的輸出電壓和，并通過公式（6）計(jì)算偏移量，從而得到偏移量到輪軌力的轉(zhuǎn)換系數(shù)k。

3 輪軌力測量精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證激光-PSD 模組測量輪軌的準(zhǔn)確性，用一對已知重量的樣板輪對通過激光-PSD 模組，對比模組的測量值和樣板論對重量值的偏差。樣板輪對的重量用地磅電子秤稱量，如圖7 所示。該樣板輪對的重量為970kg。圖8 為激光-PSD 獲得的輪軌作用力波形，對波形求均值得到樣板輪對一側(cè)的重量為476.3kg。假設(shè)樣板輪對兩側(cè)輪餅作用在鋼軌上的作用力大小相等，則可計(jì)算激光-PSD 模組測量誤差值δ=1.79%?？梢姡す?PSD 模組可連續(xù)測量輪軌力。

圖7 樣板輪稱重試驗(yàn)

圖8 輪軌作用力波形

4 結(jié)語

本文首先介紹了輪軌作用力對評估車輛運(yùn)行品質(zhì)以及測量車輛的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要性。其次綜述了目前常用的輪軌力測量方法，并采用激光-PSD 模組結(jié)合標(biāo)定裝置實(shí)現(xiàn)了輪軌力的連續(xù)測量。最后通過稱重試驗(yàn)，驗(yàn)證了激光-PSD 模組測量輪軌力的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，激光-PSD 模組的輪軌力測量誤差δ小于2%。車輛的動(dòng)力學(xué)性能、踏面狀態(tài)以及載荷分布對列車運(yùn)行安全至關(guān)重要。輪軌作用力的測量不僅是對傳統(tǒng)檢查手段的必要補(bǔ)充，而且在輪軌關(guān)系評估方面更為科學(xué)合理。激光位移測量技術(shù)在輪軌力測量方面具有響應(yīng)速度快、無磨耗、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是輪軌力測量和車輛運(yùn)行品質(zhì)監(jiān)測重要研究方向。