70%低地板轻轨车辆轮轨力测试研究＊

2012-01-17高纯友陆海英任利惠

城市轨道交通研究 2012年10期

高纯友陆海英任利惠

（1.长春轨道客车股份有限公司，130062，长春；2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海∥第一作者，高级工程师）

1 70%低地板轻轨车辆轮对结构

长春轨道客车股份有限公司为长春市轻轨1号线提供的70%低地板轻轨车辆采用三模块车体结构，由两个端部长车体和中间短车体组成。其中，端部长车体下面的动力转向架采用刚性轮对（见图1（a）），中间短车体下面的拖动转向架采用独立轮对（见图1（b））。两种轮对均使用了承剪压的弹性车轮。两种转向架的一系悬挂均采用圆锥橡胶弹簧。

图1 70%低地板轻轨车辆的轮对结构

2 轮轨作用力测量方案

为了评估70%低地板轻轨车辆的运行安全性，需要测量弹性车轮轮对的轮轨作用力。

2.1 轮轨力测量方案

目前动力学试验中经常使用的轮轨力测量方法有车轮力法和构架力法［1］。车轮力法是在车轮辐板表面粘贴应变片并组桥，制成测力轮对，通过测量车轮辐板的应变，换算得到轮轨间的作用力。车轮力法的优点是测量精度高；缺点是需要对车轮进行加工（钻孔）并安装集流环，试验准备周期较长，且试验用的测力车轮不能用于运营，试验的成本高。构架力法是在构架的侧梁上粘贴应变片，通过测量构架侧梁的应变，来换算得到轮轨间的垂直力和横向力。构架力法是一种相对的测量方法，只能测量出动态载荷，而静态载荷的测量需要经过其它手段获得。由于构架侧梁的应变很小，因此构架力法的测量精度远低于车轮力法，并且通常需要复杂的标定工装。其优点是试验所用的构架可以继续使用，试验的成本较低。

对图1（a）所示的弹性车轮刚性轮对，采用车轮力法测量轮轨作用力从理论上是可行的，但在实施时必须对车轮的辐板进行加工，大幅度削减车轮的幅板厚度以改善测量精度。对图1（b）所示的弹性车轮独立轮对，直接采用车轮力法测量轮轨作用力是不可能的，除非更改整个车轮和轴箱的结构。对两种转向架，采用构架力法测量轮轨作用力是可行的，但测量精度很低。

由于两种转向架的一系悬挂都采用了圆锥橡胶弹簧，根据圆锥橡胶弹簧的结构特点，可以在圆锥橡胶弹簧的钢质下支柱上粘帖应变片，测量出作用在圆锥橡胶弹簧上的垂向力和横向力，从而得到作用在轮对上的轮轨力。

2.2 测力弹簧的贴片与组桥

测力弹簧结构见图2。其中，测力部分为圆锥橡胶弹簧的钢质下支柱，装车时它与轴箱连接，可视为轴箱的延伸。为了提高测量精度，需要对圆锥橡胶弹簧的钢质下支柱进行加工，使测力部位成为空心圆柱结构。

图2 测力弹簧的结构

测力弹簧的应变片粘贴位置和组桥方式如图3所示。垂向力测量电桥由4组与横向偏转45°的直角应变花组成。这种布置方法可以消除横向力和纵向力的影响，以及垂向力作用位置变化的影响，使得测量得到的垂向力与其加载位置无关。横向力测量电桥由4个与横向对齐的应变片组成，根据上下两组的应变片产生弯矩差得到横向力。这样布置及组桥的好处是可以消除横向力作用点位置变化带来的影响，使得测得的横向力与其加载位置无关，同时还可以消除垂向力的影响［2］。如果在纵向布置类似的电桥，还可以测量作用在弹簧上的纵向力。

图3 应变片粘贴位置及组桥

测力弹簧贴片组桥后，需要对垂向力测量电桥和横向力测量电桥进行标定。垂向力电桥标定时，仅需施加垂向载荷，然后读出垂向力电桥的电压输出，两者相比即为垂向力的标定系数。横向力电桥标定时，需要先施加一个静态垂向载荷，再施加横向载荷，然后读出横向力电桥的电压输出，两者相比即为横向力的标定系数。

受实际贴片位置等因素影响，垂向力测量电桥和横向力测量电桥之间可能会存在相互影响。图4给出了横向载荷作用下垂向力测量电桥和横向力测量电桥的输出，可见横向载荷对垂向力测量电桥的输出很小。同样，图5给出了垂向载荷作用下垂向力测量电桥和横向力测量电桥的输出，可见横向力测量电桥对垂向载荷的输出也很小。因此，可以忽略垂向力和横向力测量电桥之间的相互干扰。

根据图4、5所示的标定加载历程，分析得到垂向力测量电桥的分辨率为67N，横向力测量电桥的分辨率为22N。可见，测力弹簧的测量精度非常高。

图4 横向载荷作用下测量电桥的输出

图5 垂向载荷作用下测量电桥的输出

2.3 评定准则

轴箱测力弹簧的测量原理如图6所示。作用在左、右车轮的轮轨接触垂向力和横向力分别为P1，Q1，P2，Q2，经过车轴、轴箱、一系弹簧传递到构架。构架力法通过测量构架侧梁的应变得到力F′y1，F′z1，F′y2，F′z2。轴箱测量弹簧测得的载荷是 Fy1，Fz1，Fy2，Fz2。显然，两者是作用力和反作用力的关系。因此，轴箱测力弹簧本质上与构架力法相同，应该使用构架力法的评定准则。

图6 轴箱测力弹簧的测量原理

对构架力法而言，轮轨力的传递需要经过一系弹簧，因此构架力法的响应频率低；且由于构架侧梁的应变很小，测量精度也低。对轴箱弹簧而言，由于应变片粘贴位置在轴箱弹簧的钢质下支柱上，位于一系弹簧之下，因此其响应频率较高。实践证明，轴箱测力弹簧的测量精度显著高于一般的构架力法。

3 应用实例

将标定好的轴箱测力弹簧安装到转向架上，即可进行轮轨力测试。

图7给出了70%低地板轻轨车辆通过250m半径S形曲线时，刚性轮对左、右侧各一组轴箱弹簧的载荷历程。从图7中看出，左、右轴箱弹簧的垂向载荷相位相反，横向载荷的相位相同。

图7 轴箱测力弹簧的载荷输出

图8分别给出了根据轴箱测力弹簧输出得到的刚性轮对、独立轮对通过250m半径S形曲线时的轮轨力时间历程［3］。从图8（a）中可以看出，刚性轮对的轮轴横向力呈现出明显的“S”形状，与理论分析的趋势相符合。对比图8（a）与图8（b）可知，独立轮对的轮轴横向力要大于刚性轮对的，其轮轴横向力的时间历程特性也不同于刚性轮对。