基于輪軌力測量的新型軌道交通輪對智能運維監測系統研制

摘要：輪軌力直接反映了列車－線路耦合狀態及車輪服役損傷水平，創新發展輪軌力在線測量技術對保障列車運行安全至關重要。簡述了現有直接輪軌力測量系統的工作原理及存在的不足，通過傳感器結構設計、數據融合算法及軟件處理系統開發，研制了一種新型軌道交通輪對智能運維監測系統（RIM）。基于剪力法輪軌力測量原理，利用設計研發的鋼軌卡裝式H型剪力傳感器組橋陣列及多通道信號重構技術實現了輪軌力的連續測量。同時，通過制定系統測區布置方案，提出各檢測功能評價方法，并構建監測系統網絡架構，能滿足對車輪踏面損傷、車輛偏載及超員檢測等功能需求。經某地鐵公司現場實測驗證，本系統無需對軌道結構進行任何改動，拆裝方便快捷，并能連續重疊采集測量區間內的輪軌力信號，有效彌補了單個剪力測量點獨立工作產生的測量盲區，實現了輪軌垂向力的米級連續在線測量。

關鍵詞：輪軌力；剪力法；踏面損傷；多邊形；在線測量

中圖分類號：TH69 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.005

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0028-09

Abstract：The wheel-rail force directly indicates the coupling condition between the vehicle and the track， as well as the degree"of the"wear and the"tear on the wheels. The advancement of online measurement technology for wheel-rail force is essential to ensure train operation safety. This paper"provides"a brief overview of existing direct wheel-rail force measurement systems， summarizing their operational principles and limitations， and a novel intelligent maintenance monitoring system for railway wheels （RIM） is"introduced through"sensor structure design， data fusion algorithm development， and software processing system development. Based on the shear force measurement principle of wheel-rail force， a newly designed H-shaped shear force sensor array and the"multi-channel signal reconstruction technique are used to continuously measure the wheel-rail force."Furthermore， the functional requirements such as wheel tread damage， vehicle off-load and overloading detection are fulfilled"through the formulation of system test area layout， the proposed evaluation methods of detection functions and the construction of monitoring system network."The field measurement results show that no"change is"needed"for"the track structure in"the"system， and"the"disassembly"and assembly"are"easy"and"quick， and the continuous overlapping acquisition of wheel-rail force signals in the measuring area is realized."This system"eliminates"the"measurement"discontinuities due"to"individual shear force measurement points， and"provides"an effective method for continuous online measurement of wheel-rail"vertical force at meter level.

Key words：wheel-rail force；shear force method；wheel tread damage；wheel polygon；on-line measurement

隨著城軌列車運營速度的不斷提高，列車結構及其控制系統也越來越復雜，其關鍵結構及部件的長期服役可靠性對列車的運行安全起著至關重要的作用[1-2]。目前，保證列車正點和安全運營是提升城市軌道交通線網服務水平的主要手段。因此，深入開展城軌列車關鍵結構服役安全智能監測技術研發，構建合理高效的列車運維保障體系，對延長設備壽命、保障列車安全、提高城軌線網運營效率具有重要理論意義和實用價值。

輪軌關系耦合狀態與列車運行安全性、舒適性以及列車、軌道結構的疲勞壽命均息息相關。城軌列車在實際運行中存在輪軌異常磨耗、車輪踏面局部損傷以及圓周向的車輪多邊形等諸多問題。其中，以車輪多邊形為代表的踏面損傷，會加劇列車及軌道關鍵零部件的疲勞傷損、部件折斷及脫落等風險，直接影響行車安全[3]。同時，車輪踏面損傷直接導致輪軌間的振動噪聲加劇，嚴重影響乘客的乘坐舒適性。基于此，必須建立有效的在線監測手段，對列車－線路耦合狀態及車輪服役損傷水平進行實時監測，指導車輪及時檢修，保障運輸安全并提高運維經濟性。因此，創新輪軌力在線測量技術對提升列車安全性和運維保障水平具有重要意義。

輪軌力測試方法主要有測力輪對法和直接測量法兩種[4]，諸多學者對此開展了大量研究。張立民等[5]通過仿真計算對輪軌瞬態力進行分析，為測力輪對的垂向和橫向輪軌力仿真標定提供了方法。蘇建秋等[6]研究并提出了無跡卡爾曼濾波-線性卡爾曼濾波（UKF-KF）的計算方法，改進后的算法提高了測力輪對法測量輪軌力的計算精度。陳雙喜等[7]基于有限元數值分析和改進的經驗模態分解方法，研究了兩種測力輪對組橋方案的信號輸出特性，運用改進的EMD方法提高了輪軌力測量結果的準確性。陳思宇等[8]基于柔性電子技術設計了一款新型輪軌力傳感器，實現了測力車輪在旋轉任意角度情況下的測試精度與靈敏度。陳鵬濤等[9]通過建立輪軌結構的有限元模型，通過數值仿真和試驗模擬對鋼軌法測輪軌力的標定系數進行了分析，確定了輪軌力精確測量的標定參數。上述研究主要針對傳統測力輪對法在實際運用中存在的問題進行算法優化和完善，而對于輪軌力直接測量的研究相對較少。

工程應用方面，美國鐵路協會研發的WILD系統（Wheel Impact Load Detector）[10]在世界范圍內得到了較好的推廣應用，該系統基于分米級抽樣間斷測量方法，無法實現輪軌力的連續測量，從而難以有效識別車輪踏面損傷，漏判率較高。中國鐵道科學院研制的TPDS系統（Truck Performance Detection System）[11]采用經典剪力法和測力墊板法相結合的“剪力＋支撐力”連續輪軌力測量方法[12]，其輪軌力測試區長度達到米級，且具有較高的檢測精度。由于支撐力測量板式壓力傳感器需安裝于鋼軌底部，實際工程中需要對路基、道床枕木及扣件等做較大的更改和替換[13]，工程量大、周期長。

針對國內外廣泛應用的WILD及TPDS輪軌力車輪狀態監測系統存在的不足，本工作研制了一種新型軌道交通輪對智能運維監測系統（Rail"Intelligent"monito，RIM）。該系統無需對軌道結構進行任何改動，利用創新設計的鋼軌卡裝式H型剪力傳感器，結合傳感器陣列組橋及信號重構技術來完成輪軌力的在線連續測量，進而實現對車輪踏面損傷（擦傷、剝離、局部失圓及圓周向多邊形等）、車輛偏載及超員等的在線檢測。經現場實測，RIM監測系統能有效獲取各枕盒處的垂向力信號，并準確判斷出車輪踏面損傷狀態。本測量系統的研發為城軌車輛服役運營狀態下輪軌力的高效測量提供了一種可行的技術方案和產品。

1 系統原理及檢測方案設計

1.1 剪力法輪軌力測量原理

基于鋼軌應變的地面輪軌力測量方法無需改變軌道結構，其主要包括剪力法、軌腰壓縮法和軌底彎矩差法等。其中軌腰壓縮法主要是通過傳感器測得的軌腰壓力變化，反推輪軌力的大小。軌底彎矩差法主要是通過測量不同位置處軌道的彎矩差異來估算輪軌力。上述方法中，剪力法因其具有測力明確、安裝及檢查方便等優點，是目前輪軌垂向力測試中使用最為廣泛的一種方法[14]。且由于剪力法有區域限制的特性，能保證未進入測量區域（如兩軌枕間）的車軸或者已經離開測量區域的車軸重量得到屏蔽，即其剪力差為零，這樣就避免了在測量某個車軸時，前后車軸的重量通過鋼軌傳遞給測量區間，造成輪軌力的測量不準。

傳統剪力法測量輪軌力的結構原理如圖1所示。測力鋼軌可看作為一段超靜定梁，通過在鋼軌與軌枕之間安裝載荷傳感器。當車輛經過測力鋼軌時，車輪作用于鋼軌上的垂向載荷隨著列車運行沿鋼軌移動，測力鋼軌內部離散為多個分離體得到的剪力分布如圖3所示。車輛實際運行過程中，鋼軌的支承條件時刻發生變化，通過安裝于鋼軌底部的載荷傳感器可實時測得軌枕的反力。在實際測量過程中，隨著車輪沿測力鋼軌的移動，各軌枕反力及鋼軌內部分離體兩側產生的剪力（Sl和Sr）均時刻發生變化，由于輪重恒定，下式始終成立：

式中：P為車輪作用于鋼軌上的垂向載荷；Sl和Sr為鋼軌內部分離體兩側產生的剪力；

因此，只要能夠同時測得一段分離體兩側的剪力，其絕對值之和就等于作用在鋼軌上的輪軌力[15-16]。

由于剪力的直接測量較為困難，且精確度遠遠不夠，故只能通過由Sl和Sr所引起的剪應力來實現間接測量。剪應力的計算如下：

式中：τ為剪應力；S為橫截面上的剪力；為剪力計算點向外的斷面積對中性軸的靜矩；Iz為橫截面對中性軸的慣性矩；b為截面厚度。

對于給定的鋼軌斷面而言，、Iz、b均為

常量，則剪應力與剪力值成正比。因此，通過理論計算或是現場標定，可以由測得的τ計算出S。上述傳統剪力法的有效測試區較短，在實際工程測量中具有一定的局限性。

1.2 "H型剪力傳感器結構設計

傳統的剪力法輪軌力測量需要大范圍更換路基及道床結構，在軌枕與鋼軌間布置載荷傳感器，工程量較大；或者在軌身粘貼或焊接應變片布置測量點，須對鋼軌進行打磨拋光、應變片安裝及封裝等，耗時較長，天窗內實施尤為困難，且應變片等無法復用。為了實現安裝便捷、快速部署，設計開發了一種H型剪力傳感器，實現了應變片的封裝處理。該傳感器采用專用卡具安裝固定在鋼軌軌腰中性軸處，可有效感知鋼軌在車輪作用下的應力變化，且可反復拆裝利用，大幅縮短安裝時間。設計的H型剪力傳感器及其陣列安裝結構設計如圖2所示。

1.3 輪軌垂向力在線測量方法

為實現車輪全輪周輪軌力的在線測量，本文基于設計開發的H型剪力傳感器提出了一種基于剪力法的全新輪軌垂向力地面測量方法[17]，該方法可實現輪軌垂向力的米級連續測量，其測量原理如圖3所示。

該輪軌垂向力地面測量方法為在每個軌枕盒內布置兩個剪力測量點且多枕盒連續布置，如圖3的第一枕盒測量點a、b，第二枕盒測量點c、d，第三枕盒測量點e、f等。為獲得單個軌枕盒內剪力法的最大有效測區長度，剪力測量點盡最大可能靠近鄰近軌枕，但其距軌枕間距不得小于1/2鋼軌高度。車輛通過時，同時采集記錄剪力測量點a、b、c、d、e、f的信號。對各剪力傳感器采集的多通道數據按如下步驟處理：

（1）剪力測量點a與b、c與d、e與f信號分別進行小單元信號組橋，形成小單元合成信號組1、2、3；

（2）剪力測量點a與d、c與f信號分別進行大單元信號組橋，形成大組橋合成信號組4、5；

（3）小單元合成信號組1、2和大組橋合成信號組4，小單元合成信號組2、3和大組橋合成信號組5分別按照時序、幅值等特征進行融合處理，重構形成第一、二枕盒即剪力測量點a至d，第二、三枕盒即剪力測量點c至f間的最終雙枕盒合成信號組1、2；

（4）再將上述最終雙枕盒合成信號組1、2按照時序進行提取，獲得最終車輪連續波形信號，其中兩合成信號組信號重疊部分可采用二者的均值或取其一進行處理。

1.4 檢測區傳感器布設方案

基于剪力法的全新輪軌垂向力地面測量方法，其測試區長度可根據車輛檢測需要靈活設置。城市軌道交通車輛的輪徑一般介于770"mm（全磨耗）～840"mm（新輪）之間，車輪最大周長為2.856"m，考慮到車輪多邊形檢測需要以及系統冗余，RIM系統共連續布置10個枕盒，每個枕盒設置2個剪力測量點，總測區長度約6"m，可檢測覆蓋車輪圓周2周以上。按照圖4所示檢測區布置方案，RIM系統單股鋼軌須設置20個剪力測量點，兩股鋼軌共計40個剪力測量點。

2 系統功能及網絡架構搭建

2.1 系統結構及監控界面

RIM系統由軌旁監測設備、管理服務器及監控終端等構成。軌旁監測設備主要包括線上輪軌力測量平臺（H型剪力傳感器及安裝總成、接線盒、線槽等）、軌邊壁掛式儀表箱（數據調理采集單元、邊緣計算主機）、圖像車號自動識別裝置等功能單元。管理服務器部署基于BS架構的Web查詢系統，支持授權用戶通過網絡訪問查詢系統檢測信息。如圖5所示為RIM系統監控終端，具備動態檢測、數據分析和報警預警等多項能功能，能實現對車輪多邊形、車輪局部損傷及車輪踏面損傷等信息的在線監測和統計。監控系統界面面向現場運維人員，實時監控車輛運行狀態，直接指導工程技術人員開展養護維修。

2.2 系統三級網絡架構

RIM系統采用地鐵公司級、運營中心級和軌旁監測設備級三級網絡架構，實現測量數據的高效傳輸和綜合處理，其網絡傳輸架構如圖6所示。軌旁監測設備通過鐵路基層通信網直接將實測及統計數據上傳至運維中心，并由運營中心開展調度和決策，完成對故障列車的維修保障作業。同時，系統監測數據經由鐵路通信網傳送至公司監控系統，實現對在役列車全向數據的匯總和監管。

2.3 檢測系統功能

RIM系統通過基于剪力法的H型傳感器陣列組橋、信號重構技術來完成輪軌垂向力的地面連續測量，實現對車輛服役狀態的動態在線檢測，其主要功能包括車輪踏面損傷檢測、車輪多邊形檢測、車輛偏載及超員等檢測。

2.3.1 車輪踏面損傷檢測

RIM系統基于檢測的全輪周的連續輪軌垂向力，采用先進的踏面損傷定量評價技術，綜合考慮沖擊力、輪重、速度等影響因素，并建立圖7所示的自適應踏面損傷曲面評估模型[18]，輸出量化的踏面損傷沖擊當量指標及多邊形車輪階次，對車輪踏面擦傷、剝離、局部失圓及多邊形等踏面損傷具有良好的預報重復性、一致性，可以直接用于指導輪對鏇修工作。

2.3.2 車輛超員檢測

RIM系統通過檢測連續的輪軌垂向力，并精確統計車輪荷載、軸荷載和轉向架荷載。在此基礎上，可進一步用于計算整車的總荷載情況。根據車輛的具體類型和規格，特別是定員荷載（AW2）和超員荷載（AW3）的設定，系統能夠進行超員情況的預測和精確評估。

2.3.3 車輛偏載檢測

車輛偏載不僅涵蓋了車輛前后轉向架的偏載情況，還包括沿著車輛縱向的左右偏載。系統依靠對車輪荷載、軸箱荷載和轉向架荷載的準確檢測，能夠分別預測和評估車輛的左右偏載以及前后偏載情況，從而有效地優化車輛運行和維護策略。

3 系統安裝及測試驗證

3.1 測試現場安裝效果

根據圖4所示的檢測區傳感器布設方案及編號規則，將RIM系統軌旁監測設備安裝在正線區間，涉及現場安裝的關鍵部件主要包括線上輪軌力測量平臺、軌邊壁掛式儀表箱、圖像車號自動識別裝置、電纜鋪設等。輪軌力測量平臺包括H型剪力傳感器40對，每股鋼軌20對，共涉及10個軌枕盒。H型剪力傳感器采用卡軌式安裝，不改變軌道結構，安裝方便快捷、可反復拆裝。通過在某地鐵公司安裝實施驗證，整套系統4～5個天窗內即可安裝調試完畢。H型剪力傳感器及整套系統現場安裝如圖10所示。

3.2"輪軌力實測信號處理

采用安裝完成的RIM系統對城軌列車單輪對作用的垂向輪軌力進行實測，結果如圖11所示。基于圖3中的測量方法對各剪力傳感器采集的多通道數據進行分析處理，依次得到不同信號組別的垂向力時域信號（圖11a和b），而后按照時序、幅值等特征參數融合處理得到相鄰兩枕盒的垂向力時域信號（圖11c）。最后，對連續相鄰枕盒的垂向力信號按時序進行提取并擬和，即得到被測車輪沿行進方向的連續輪軌力信號（圖11d）。

3.3"車輪踏面損傷實測結果

基于已經安裝的RIM檢測系統，使多列城軌列車以時速70"km/h勻速駛過測量區間，對系統的損傷檢測功能進行實測驗證。如圖12所示，RIM系統自動檢測得到輪軌力出現周期性波動的踏面損傷特征信號，其垂向輪軌力波動幅值達到約30"kN，其重復周期為103"ms。經過停車目視檢測，確認被測車輪表面出現了嚴重的踏面擦傷。如圖13所示，檢測系統導 "出的波形出現明顯連續波動的損傷特征信號，其對應的損傷特征經證實表現為車輪多邊形 磨耗。

通過對現場采集的三萬余個車輪樣本數據進行統計與分析，以及對檢測結果的人工復核確認，表明RIM系統對輪軌力的連續測量及車輪踏面損傷檢測均具有較高的精度，輪軌力測量誤差≤±5%，踏面損傷檢測準確率≥90%。

4 結論

針對現有輪軌力檢測系統測量結果不連續、須對路基和道床等做較大結構改動等技術問題，本文通過設計新型剪力傳感器、創新測量方法并開發算法軟件，研制了一種新型軌道交通輪對智能運維監測系統（RIM），并對其進行測試驗證，得出以下結論。

（1）RIM系統采用一種全新的基于剪力法的輪軌力測量方法，利用多通道傳感器陣列及信號重構技術完成輪軌力的連續測量，進而實現對車輪踏面損傷、車輛偏載及超員的檢測；

（2）設計研發的鋼軌卡裝式H型剪力傳感器，無需對軌道結構做任何改動，拆裝方便快捷，經現場實施驗證整套系統安裝調試僅需4～5個天窗周期；

（3）經現場實測，RIM系統能連續采集測量區間內的輪軌力信號，實現了輪軌垂向力的米級連續測量和車輪踏面損傷檢測，其輪軌力測量誤差≤±5%，踏面損傷檢測準確率≥90%；

（4）研究構建的智能檢測系統，為軌道交通車輛服役狀態在線監測提供了行之有效的新方法，對實現裝備運維從“計劃修”向“狀態修”的轉變具有促進作用。

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