專利名稱：非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種列車脫軌橫向力測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，特別是非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
脫軌會(huì)引起重大鐵路事故，列車脫軌是行車過(guò)程一大隱患，這是一個(gè)重要的全球性問(wèn)題。因此，各國(guó)根據(jù)自身情況及研究成果與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用了不盡相同的脫軌評(píng)價(jià)標(biāo) 準(zhǔn)。其中日本提出用輪/軌橫向作用力Q與垂向作用力P之比Q/P作為評(píng)判脫軌的標(biāo)準(zhǔn)的脫軌系數(shù)，以此來(lái)判斷列車是否會(huì)發(fā)生脫軌的情況。脫軌有爬軌脫軌、跳軌脫軌等幾種形式，其中車輪的爬軌脫軌是脫軌的一種主要形式。爬軌脫軌主要是發(fā)生在曲線軌道，通常由較大的輪軌橫向力或較大的輪重減載率所造成。車輛在軌道上運(yùn)行，尤其是通過(guò)曲線軌道時(shí)，在如離心力、側(cè)向風(fēng)力及橫向振動(dòng)慣性力等各種橫向力的作用下，前輪對(duì)的外側(cè)車輪輪緣貼靠鋼軌側(cè)面；在列車導(dǎo)向力的作用下，前輪對(duì)連同整個(gè)轉(zhuǎn)向架沿著曲線方向運(yùn)行。在某種特定條件下，如果車輪與鋼軌的橫向力很大而與鋼軌的垂向力很小，車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)過(guò)程中會(huì)逐漸抬升，當(dāng)輪緣上接觸點(diǎn)的位置升高到輪緣圓弧面上的拐點(diǎn)，即輪緣根部與中部圓弧連結(jié)處輪緣傾角最大的一點(diǎn)時(shí)，就處于爬軌的臨界點(diǎn)。如果在到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)橫向力減小或垂向力增大，則輪對(duì)仍可能下滑而回到原來(lái)的穩(wěn)定位置，如果接觸點(diǎn)超過(guò)臨界點(diǎn)以后橫向力和垂向力的變化不大，由于輪緣傾角變小，車輪就會(huì)直接爬上鋼軌直到輪緣頂部到達(dá)鋼軌頂面而脫軌。一般發(fā)生在車速較低時(shí)?？梢姍M向力是發(fā)列車脫軌關(guān)鍵因素之一。因橫向力會(huì)使車輪輻板在輪對(duì)軸向受剪并使其產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)變。而橫向力的作用效果是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿軸向的剪力和一個(gè)大的彎矩。傳統(tǒng)的直接的檢測(cè)橫向力的方法是接觸式方法，即采用貼應(yīng)變片，但這種方法操作復(fù)雜，對(duì)貼片操作人員要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是設(shè)計(jì)一種非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，其能夠測(cè)量易引發(fā)列車脫軌的橫向力。第二目的是提供非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的測(cè)量方法，使操作人員可以方便的安裝使用非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，并能避免由于安裝失誤能造成的測(cè)
量錯(cuò)誤。為實(shí)現(xiàn)上述的第一目的，本發(fā)明提供一非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，包括位移傳感器和傳感器箱體，所述位移傳感器固定在傳感器箱體中，用于與輪緣相對(duì)于軸承的橫向位移形變量。位移傳感器選用分辨率為2μπι以上的。優(yōu)選的是，位于傳感器箱體中，還包括用于測(cè)量軸承的橫向加速度的加速度傳感器⑷。優(yōu)選的是，位于傳感器箱體中，還包括傳感器箱體中用于測(cè)量車輪轉(zhuǎn)速的激光傳感器(6)。優(yōu)選的是，傳感器箱體具有用于將測(cè)量裝置固定在列車轉(zhuǎn)向架上的箱體搭接板
(5)。優(yōu)選的是，位移傳感器選用高精度非接觸電渦流式位移傳感器。為實(shí)現(xiàn)上述的第二目的，本發(fā)明提供一種非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的測(cè)量方法， 將包括位移傳感器的傳感器箱體固定于轉(zhuǎn)向架，使得位于所述箱體內(nèi)的位移傳感器的探頭與輪緣的橫截面垂直相對(duì)且不接觸輪緣；利用所述位移傳感器測(cè)量輪緣與位移傳感器探頭間的位移。優(yōu)選的是，加速度傳感器平行固定在位移傳感器的上方。優(yōu)選的是，激光傳感器與輪緣的橫截面垂直相對(duì)且不接觸輪緣。本非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置是采用高精度非接觸電渦流式位移計(jì)進(jìn)行主要測(cè)量、加速度傳感器和激光傳感器進(jìn)行輔助測(cè)量的方法，通過(guò)測(cè)量由橫向作用力引起的車輪彎曲變形量，換算得到輪軌橫向作用力。所述傳感器全部固定在特制的傳感器箱體中，傳感器箱體通過(guò)箱體搭接板固定在列車的轉(zhuǎn)向架上，相對(duì)軸承靜止。傳感器箱體內(nèi)的位移傳感器探頭與輪緣處相對(duì)，能記錄重載列車行車過(guò)程中輪緣相對(duì)于軸承的橫向位移形變量，由橫向力的作用原理可知，每一橫向移形變量對(duì)應(yīng)一橫向力，從而可通過(guò)后續(xù)計(jì)算換算出輪軌橫向力的大小。其原理是當(dāng)重載列車?？繒r(shí)，通過(guò)添加進(jìn)給力裝置和位移傳感器，建立力與形變位移的曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取；當(dāng)重載列車行進(jìn)時(shí)，輪緣在橫向力的作用下發(fā)生形變，產(chǎn)生相對(duì)于軸承處的形變位移量，便可通過(guò)正對(duì)于輪緣處的位移傳感器來(lái)檢測(cè)位移量，并按照行車環(huán)境不同，通過(guò)后續(xù)計(jì)算來(lái)排除對(duì)應(yīng)的干擾量，完成位移一橫向力的換算。進(jìn)給力裝置是一種能輸出用戶指定大小力的裝置，用于后續(xù)計(jì)算。因?yàn)闈L動(dòng)軸承與車輪相對(duì)位置不動(dòng)，可以準(zhǔn)確測(cè)得由橫向作用力引起的車輪彎曲變形量，故而將位移傳感器安裝在相對(duì)軸承靜止的傳感器箱體中。位移傳感器的探頭與輪緣I的橫截面垂直相對(duì)且不接觸輪緣，和輪緣有一定間距，此間距大小會(huì)依傳感器的型號(hào)而有所不同。該測(cè)試原理比較簡(jiǎn)單。檢測(cè)的位移量最低精度要求為5 μ m，應(yīng)選用分辨率高于為2 μ m的位移傳感器。加速度傳感器安裝在傳感器箱體內(nèi)，用于測(cè)量行車過(guò)程中輪軌運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。軸承的橫向加速度，近似于輪緣的加速度。加速度傳感器是測(cè)量軸承的橫向加速度，根據(jù)此軸承的橫向加速度的數(shù)值我們可以獲得其數(shù)值曲線趨勢(shì)，并用此曲線趨勢(shì)來(lái)驗(yàn)證位移檢測(cè)的數(shù)據(jù)可靠性。由于加速度傳感器測(cè)量出的軸承的橫向加速度的值近似輪緣的橫向加速度的值，輪緣的橫向加速度又與輪緣橫向力有一定的比例關(guān)系，所以可以利用加速度傳感器測(cè)量出的數(shù)值算出輪緣的橫向力的近似值，故能輔助測(cè)量橫向力的大小，能用于橫向力測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)檢驗(yàn)。加速度傳感器固定方位為橫向，并相對(duì)軸承靜止，用于測(cè)量行車過(guò)程中軸承的橫向加速度；因?yàn)檗D(zhuǎn)向架處的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多重因素難以推導(dǎo)，為保證橫向位移測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確，采集加速度傳感器獲取到的近似于輪緣的橫向加速度值的軸承的橫向加速度值，用采集到的數(shù)據(jù)的曲線趨勢(shì)來(lái)驗(yàn)證位移檢測(cè)的數(shù)據(jù)可靠性；通過(guò)加速度傳感器取得的軸承的橫向加速度的數(shù)據(jù)作為橫向位移測(cè)量結(jié)果的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。在橫向位移數(shù)據(jù)建立后，與橫向加速度的數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)進(jìn)行比對(duì)即可。
激光傳感器用于檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，用于建立轉(zhuǎn)速一橫向力曲線，進(jìn)一步研究脫軌原因。位移傳感器安裝處的上方增設(shè)激光傳感器，用于檢測(cè)行車過(guò)程中車輪的轉(zhuǎn)速，用于建立轉(zhuǎn)速一橫向力的數(shù)據(jù)曲線，因橫向力的測(cè)量最終目的是探究脫軌因素，防止脫軌，在不同的行車速度條件下，即車輪在不同轉(zhuǎn)速下，其它條件相同情況下，橫向力的大小也不同。因此激光傳感器的增設(shè)，更好的完善橫向力的檢測(cè)裝置。本發(fā)明是一個(gè)集成了位移傳感器、激光傳感器和加速度傳感器的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，取代了當(dāng)前貼片式橫向力測(cè)量裝置，更具有實(shí)用價(jià)值，不僅能檢測(cè)出輪軌的橫向力，而且能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)；利用傳感器箱體富余的空間安裝激光傳感器，檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，便于建立轉(zhuǎn)速-橫向力的曲線，為行車過(guò)程行進(jìn)速度提供試驗(yàn)依據(jù)。在不破壞機(jī)車整體結(jié)構(gòu)的前提下，本發(fā)明設(shè)計(jì)將傳感器箱體搭接在轉(zhuǎn)向架上，使其固定牢固，安全可靠。綜上所述，本發(fā)明解決了判斷列車脫軌橫向力的問(wèn)題，克服了測(cè)試輪軌橫向力的復(fù)雜條件，提出一種非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，旨在利用輪軌形變位移和橫向力的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，將橫向位移作為判斷列車脫軌的依據(jù)，這對(duì)研究列車脫軌以及提高列車運(yùn)行速度等問(wèn)題都有重要的意義。而參照非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的測(cè)量方法，操作人員可以方便的安裝使用本發(fā)明的裝置，避免由于安裝失誤能造成的測(cè)量錯(cuò)誤。 本發(fā)明的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置包括上述各項(xiàng)特征構(gòu)成的任意組合。


圖I是輪軌橫向作用力作用效果圖。圖2是本發(fā)明的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的優(yōu)選實(shí)施例的安裝位置圖。圖3是本發(fā)明的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的優(yōu)選實(shí)施例的安裝示意圖。圖4是本發(fā)明的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的優(yōu)選實(shí)施例的安裝側(cè)視圖。圖5是本發(fā)明的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的優(yōu)選實(shí)施例的安裝后視圖。圖6是本發(fā)明的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的優(yōu)選實(shí)施例的安裝正視圖。圖中，I.輪緣、2.軸承、3.傳感器箱體、4.加速度傳感器、5.箱體搭接板、6.激光傳感器、7.位移傳感器、8.轉(zhuǎn)向架、9.安裝非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置處。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)DI所示，橫向力可以產(chǎn)生一個(gè)沿軸向的剪力和一個(gè)大的彎矩。參照?qǐng)D2所示，傳感器箱體3依靠箱體搭接板5，利用螺栓固定在重載列車的轉(zhuǎn)向架8處。參照?qǐng)D3-5所示，由于傳感器箱體3的箱體搭接板5固定在重載列車的轉(zhuǎn)向架8處，所以傳感器箱體3不接觸軸承2，但相對(duì)軸承2靜止。本發(fā)明的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，包括加速度傳感器4、激光傳感器6和位移傳感器7。位移傳感器7用于測(cè)量記錄輪緣I相對(duì)于軸承2的橫向位移形變量。加速度傳感器4用于測(cè)量軸承2的橫向加速度，且軸承2的橫向加速度近似于輪緣I的加速度。我們采用加速度傳感器獲取到的數(shù)據(jù)的曲線趨勢(shì)，在橫向位移數(shù)據(jù)建立后，與橫向加速度的數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)進(jìn)行比來(lái)驗(yàn)證位移檢測(cè)的數(shù)據(jù)可靠性。激光傳感器6用于檢測(cè)行車過(guò)程中車輪的轉(zhuǎn)速，便于建立轉(zhuǎn)速-橫向力的曲線，為行車過(guò)程行進(jìn)速度提供試驗(yàn)依據(jù)。因橫向力的測(cè)量最終目的是探究脫軌因素，防止脫軌，在不同的行車速度條件下，即車輪在不同轉(zhuǎn)速下，其它條件相同情況下，橫向力的大小也不同。因此激光傳感器6的增設(shè)，可以更好的完善橫向力的檢測(cè)裝置。位移傳感器7、加速度傳感器4和激光傳感器6安裝在傳感器箱體3中。位移傳感器7優(yōu)選選用分辨率為2 μ m以上的位移傳感器。本實(shí)施例采用的是分辨率為O. 6 μ m的高精度非接觸電渦流式位移傳感器7 ;其探頭與輪緣I的橫截面垂直相對(duì)且不接觸輪緣1，與輪緣I的間距大小依傳感器的型號(hào)而有改變。加速度傳感器4的探頭與輪緣I相對(duì)且不接觸輪緣1，與位移傳感器7平行的固定在位移傳感器7上方，不接觸軸承2但與軸承2相對(duì)靜止。激光傳感器6的探頭也與輪緣I的橫截面垂直相對(duì)且不接觸輪緣I。傳感器箱體3的長(zhǎng)度長(zhǎng)于非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置中的任意傳感器，故所有傳感器均能富余的放入。傳感器箱體3包括一個(gè)L形的蓋子(圖中未示出)，可以封好非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置中的傳感器，避免行車中傳感器損壞或者丟失。以上所述僅使本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā) 明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，包括位移傳感器(7)和傳感器箱體(3)，其特征在于所述位移傳感器(7)固定在傳感器箱體(3)中，用于與輪緣(I)相對(duì)于軸承(2)的橫向位移形變量；位移傳感器(7)選用分辨率為2μπι以上的。
2.如權(quán)利要求I所述的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，其特征在于包括位于傳感器箱體(3)中，用于測(cè)量軸承(2)的橫向加速度的加速度傳感器(4)。
3.如權(quán)利要求I所述的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，其特征在于包括位于傳感器箱體(3)中用于測(cè)量車輪轉(zhuǎn)速的激光傳感器(6)。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，其特征在于傳感器箱體(3)具有用于將測(cè)量裝置固定在列車轉(zhuǎn)向架8上的箱體搭接板(5)。
5.如上述任一項(xiàng)所述的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，其特征在于位移傳感器(7)選用高精度非接觸電渦流式位移傳感器。
6.一種非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的測(cè)量方法， 將包括位移傳感器(7)的傳感器箱體(3)固定于轉(zhuǎn)向架8，使得位于所述箱體(3)內(nèi)的位移傳感器(7)的探頭與輪緣(I)的橫截面垂直相對(duì)且不接觸輪緣(I)； 利用所述位移傳感器(7)測(cè)量輪緣(I)與位移傳感器(7)探頭間的位移。
7.如權(quán)利要求6所述的橫向力測(cè)量裝置，其特征在于加速度傳感器(4)平行固定在位移傳感器(X)的上方。
8.如權(quán)利要求6或7所述的橫向力測(cè)量裝置，其特征在于激光傳感器(6)與輪緣(I)的橫截面垂直相對(duì)且不接觸輪緣(I)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置及其測(cè)量方法。裝置包括位移傳感器、加速度傳感器、激光傳感器和傳感器箱體；位移傳感器、激光傳感器和加速度傳感器安裝在傳感器箱體中。傳感器箱體上有箱體搭接板，通過(guò)其固定在列車的轉(zhuǎn)向架上，相對(duì)軸承靜止。參照非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置的測(cè)量方法，操作人員可以方便的安裝使用本發(fā)明的裝置，避免由于安裝失誤能造成的測(cè)量錯(cuò)誤。本發(fā)明解決了判斷列車脫軌橫向力的問(wèn)題，克服了測(cè)試輪軌橫向力的復(fù)雜條件，提出的非接觸測(cè)量輪軌橫向力式裝置，旨在利用輪軌形變位移和橫向力的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，將橫向位移作為判斷列車脫軌的依據(jù)，這對(duì)研究列車脫軌以及提高列車運(yùn)行速度等問(wèn)題都有重要的意義。
文檔編號(hào)G01L1/04GK102879133SQ20121034528
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者李長(zhǎng)春, 延皓, 張金英 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)