車輪踏面?zhèn)败囕v運行狀態(tài)在線檢測研究

車輪踏面?zhèn)败囕v運行狀態(tài)在線檢測研究

由于車輪固定部件的損壞，軌道車輛的負荷、位移和損壞會導(dǎo)致道路幾何形狀惡化，從而損害車輛的部件，降低軌道結(jié)構(gòu)和車輛的使用壽命。城市軌道交通列車運行時的沖擊載荷引起的振動與噪聲,則會對線路周圍居民生活造成不良影響。因此有必要采用經(jīng)濟、有效的方法檢測輪重減載、車輪踏面擦傷及車輛運行狀況。本文簡要介紹了在線檢測車輛運行狀態(tài)的原理,并以車輛踏面擦傷檢測為例,描述了在線檢測測試點的布置方法;進一步采用了基于Timoshenko梁的有限元軌道-車輛耦合模型,仿真車輪踏面擦傷在線檢測的過程。1垂向力學(xué)性能裝置車輛運行狀態(tài)的在線檢測,是通過鋼軌剪力法檢測輪軌作用力,從而實現(xiàn)對輪載、車輪擦傷等的在線、連續(xù)檢測,同時識別車輛蛇行運動情況,檢測車輛的運行狀況,以便通知相關(guān)部門予以及時處理。一般情況下,平直軌道上輪軌間的橫向作用力對輪軌間垂向作用力影響較小,因此可采用在距兩軌枕間中心線一定距離的單根軌道兩側(cè)貼8個與鋼軌中心軸成45°方向的應(yīng)變片,來測試輪軌間的垂向作用力。具體貼片方式如圖1(括號中為軌道另一側(cè)同一位置處的貼片)。應(yīng)變片組橋方式如圖2。欲實現(xiàn)對輪載、車輪踏面擦傷、一定速度下車輛蛇行運動等車輛運行狀態(tài)的在線檢測,必須有效布置測試點,合理選擇檢測區(qū)域數(shù)目。2車輛踏面損傷測試方案設(shè)計車輪踏面擦傷是影響車輛運行狀況的重要因素,也是在線檢測的重要內(nèi)容。為了在軌道測試區(qū)域內(nèi)檢測到車輪踏面擦傷,同時便于對不同檢測方案進行對比研究,將軌枕間距、軌枕寬度及測試片之間的距離轉(zhuǎn)化為等效圓周弧度,計算出欲測試車輪踏面圓周上所有位置與軌道之間作用時所需的布點數(shù)。布置測試點時,在考慮充分利用軌枕間距的同時,測試片與軌枕之間應(yīng)留有一定空間。下面根據(jù)兩種不同測試方案對840mm車輪踏面擦傷進行檢測研究。方案一:軌枕間距600mm;軌枕寬度160mm;兩測試點間距離340mm。則軌枕間距、軌枕寬度、測試區(qū)域占整個車輪圓周的角度,分別為81.85°、21.82°和46.38°。在不影響軌道車輛正常運行的情況下,增加軌枕間距,提出改進測試方案二。方案二:軌枕間距760mm;軌枕寬度160mm;兩測試點間距離500mm。轉(zhuǎn)化為等效圓周弧度,則軌枕間距、軌枕寬度、測試區(qū)域占整個車輪圓周的角度,分別為103.678°、21.82°和68.21°。圖3、4中由內(nèi)向外陰影部分表明車輛旋轉(zhuǎn)前進過程中線路上軌枕間兩測試點所能測試到車輪圓周的范圍,并用直線標示出軌枕中心線位置。圖3表明,若采用方案一,需在13段軌枕間距內(nèi)布置測試點。圖4表明,采用方案二僅需在7段軌枕間距內(nèi)布置測試點即可完成,比方案一節(jié)省了將近一半的測試點。采用圓周弧度的方法進行測試區(qū)域布置可測出圓周任何位置,因此可以測試出踏面多處擦傷問題。為了檢測一定運行速度下軌道車輛的蛇行運動情況,需要在更長的軌道長度內(nèi)布置測試點,同時考慮輪載、車輪踏面擦傷的檢測以及經(jīng)濟性。可采用等效圓周弧度法,間隔布置測點位置以及測試區(qū)域,完成對軌道車輛運行狀態(tài)的在線檢測。3車輪踏面損傷檢測結(jié)果本文采用基于Timoshenko梁有限元軌道-車輛耦合模型,對車輛運行狀態(tài)的檢測過程進行仿真。模型特點:采用Timoshenko梁有限元;采用Hertz接觸計算輪軌作用力;考慮了鋼軌、軌枕墊、軌枕、道碴之間非線性因素。Timoshenko梁有限元軌道-車輛耦合通過非線性Hertz接觸理論,使軌道的振動與車輛的振動相互耦合作用,避免傳統(tǒng)的將車輛和軌道系統(tǒng)作為不同研究對象各自分析的缺點。以方案二為例,設(shè)計如圖5的仿真方案,仿真車輪踏面擦傷在線檢測的過程。圖5中設(shè)置了7段檢測鋼軌、14個測試點。通過軌枕之間兩測試點剪切應(yīng)變的疊加仿真實測的電橋輸出,根據(jù)檢測到的擦傷測試區(qū)域及其位置,可反求出擦傷的起始位置Ls及其覆蓋范圍Lt。仿真采用上海軌道交通1號線車輛參數(shù)和所用軌道參數(shù)。仿真結(jié)果如圖6所示。圖中,S1～S14分別為1～14測試點的剪切應(yīng)變值,Sa1～Sa7分別為1～7測試鋼軌段兩測試點剪切應(yīng)變疊加值。由圖6看到:車輛順次經(jīng)過第一、二測試區(qū)域時,Sa1,Sa2出現(xiàn)梯形波,表明此測試區(qū)域沒有測試到車輪擦傷,這與圖7(實際測試波形)無車輪踏面擦傷時的波形一致;車輛進入第三測試區(qū)域,Sa3在0.14s時突然降低后在0.142s時陡然上升,表明第三段測試區(qū)域內(nèi)測試到車輪踏面擦傷,并產(chǎn)生了2.5倍左右靜載荷的輪軌沖擊力?？筛鶕?jù)車輪出現(xiàn)失載時刻、車輛速度、車輛起動時刻、車輪半徑等推算出車輪擦傷位置。第四、五、六、七測試區(qū)域的波形表明,在這些測試區(qū)域內(nèi)沒有測試到車輪踏面擦傷,但由于受到前段車輪擦傷沖擊作用的影響,Sa4、Sa5梯形波處的值明顯比沒受沖擊前的Sa1和Sa2梯形波處的值大;車輛以及軌道系統(tǒng)的阻尼作用衰減了輪軌間的沖擊作用,使Sa6、Sa7梯形波處的值與Sa1和Sa2梯形波處的值相當。圖6也給出了輪軌間動態(tài)作用力變化過程。等效圓周弧度計算合理測試區(qū)域表明,適當增加軌枕間距可有效減少測試軌長度。對于現(xiàn)有線路上既定的軌枕間距而言,設(shè)置測試區(qū)域時應(yīng)盡量增加有效的軌枕測試距離。4在線檢測系統(tǒng)測試點布置通過兩種車輪擦傷在線檢測測試點布置方案的對比表明:通過等效圓周弧度法可對軌道車輛運行狀態(tài)在線檢測系統(tǒng)的測試點布置進行合理的