３０ 国外铁道车辆第５ｏ卷第４期２０１３年７月 文章编号：１００２—７６１０（２０１３）０４—００３０—０７ 一种测试轮轨力的新方法 Ａｋｉｒａ Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，等（日） 摘要：介绍了一种测试轮轨力的新方法，该方法不需要粘贴应变片，也不需要安装集流环或遥测仪。 直接用几个非接触式间隙传感器测出车轮的变形量就可以得出横向轮轨力，法向轮轨力和纵向轮轨力则直 接由转向架的弹簧变形量和转向架的应变量得出。全尺寸转向架试验台试验和列车运行试验表明，该轮轨力 测试新方法可以直接应用于商业运营线路的轮轨力监控。 关键词：轮轨力；测试；方法；日本 中图分类号：Ｕ２７０．１ １ 文献标志码：Ｂ Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ Ｗｈｅｅｌ－Ｒａｉｌ Ｆｏｒｃｅ Ａｋｉｒａ Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，ｅｔ ａ１．（Ｊ ａｐａｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔＯ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｎｏｔ ｎｅｃｅｓｂａｒｙ ｔｏ ｓｔｉｃｋ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｏｒ ｔｏ ｉｎｓｔａｌｌ ｔｈｅ ｓｌｉｐ ｒｉｎｇ ｏｒ ｔｈｅ ｔｅｌｅｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｄｅｆｏｒｍ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｓｅｖｅｒａｌ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｇａｐ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂｏｇｉｅ ｓｐｒｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｇｉｅ ｓｔｒａｉｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅ ｆｕｌｌ－ｓｉｚｅ ｂｏｇｉｅ ｔｅｓｔ ｓｔａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔ０ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｒａｉｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｒａｃｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ ｆｏｒｃｅ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｍｅｔｈｏｄ；Ｊａｐａｎ ｌ概述 掌握轮轨力的真实状态对预防脱轨及预防轮轨异 常磨耗都是非常重要的。轮轨力中的横向力和垂向力 异常重要，而横向力Ｑ与垂向力Ｐ的比值即“脱轨系 数Ｑ／Ｐ”必须限定在一定安全限度内（图１）。 员会的报告显示： （１）脱轨系数Ｑ／Ｐ与轮轨摩擦系数强相关； （２）轮轨摩擦系数因实际情况的不同是一直变化 的 。 有鉴于此，笔者强烈认为连续监控轮轨力非常有 必要，故开展了相关的研究以及监控系统的研发 ］。 目前，测试轮轨力需要特殊的设备［３ ］。例如，通 过粘贴应变片，安装用于传输数据的集流环或遥测仪 的测力轮对ｌ５ 就可以测试轮轨力。由于测力轮对费用 高，稳定性差，经常用测力轮对测试轮轨力是很困难 的。 本文所介绍的新测试方法不再需要类似的特殊装 置，并可持续监控轮轨接触力，包括脱轨系数，也可以 在客车上测试脱轨系数。用新方法测试轮轨横向力 时，不需要在轮对上粘贴应变片及安装载荷传感器。 仅需用间隙式传感器测出车轮的变形，从而测试轮轨 横向力。 图ｌ轮轨接触力与“脱轨系数Ｑ／Ｐ” 在位于东京调布市的国家交通安全与环境实验室 （ＮＴＳＥＬ）的全尺寸滚动试验台上进行了试验，试验台 在东京中目黑地铁脱轨事件发生后，日本针对超 小半径曲线上的“爬轨脱轨”展开了仔细研究，调查委 收稿日期：２０１２－０９—２６ 可以模拟列车曲线通过性能以及商业地铁线路运行试 验。经过几次附属设备以及数据处理方法的改进之 后，证明本文所提出的轮轨力测试新方法相对于常规 一种测试轮轨力的新方法Ａｋｉｒａ Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，等（日） ３１ ４５ 的传统测量方法，可以得到精度足够高的轮轨力数据。 籁 蜒 璐 ２超小半径曲线上的转向架性能 根据在ＮＴＳＥＬ台架试验台上的转向架试验以及 商业地铁线路运行试验结果，超小半径曲线上脱轨系 数Ｑ 转向架通过超小半径曲线时发生的种种不良现象 ｌ可 曼 ｉ ． 图３中目黑脱轨事故发生后轮轨摩擦系数变化的时间历程 ‘ （主要包括（图２）： （１）导向轮对：轮对与轨道之间的相对角度（即冲 角）变大，并产生显著的横向蠕滑力。 （２）从动轮对：轮对朝曲线外侧移动不充分，因 此，不能得到足够的内外侧车轮的滚动圆半径差，从而 产生纵向蠕滑力。 图２超小半径曲线上转向架产生较大横向力的机理 由图２可知，上述各力作用在与曲线相反的方向 上，作为反作用力，在外侧车轮轮缘处产生较大的横向 力。该横向力是十分有害的，因为它不仅导致“爬轨脱 轨”，并且导致轮缘以及轨肩的异常磨耗。 如上所述，轮轨横向力是由轮轨之间的蠕滑力产 生的，其幅值主要取决于轮轨问的摩擦系数。因此，摩 擦系数减小５Ｏ ，轮缘横向力也许会降５Ｏ 。 另一方面，自从中目黑事故以后，人们意识到轮轨 接触表面上的摩擦系数是时时刻刻都在变化的。 在图３给出了中目黑事故中发生在同一地点内侧 轨的脱轨系数Ｑ／Ｐ的测试结果＿】］。测试是从事故发 生后通过的第１列车开始的，此后对通过该地点的列 车均进行了测试。在超小半径曲线上，图３所对应的 曲线段上（半径１６０ ｍ），内侧轨的脱轨系数Ｑ／Ｐ值几 乎等于该点的摩擦系数。由图３可知，摩擦系数从第 １列车通过时的０．２变化到后来列车通过时的０．７， ０．７这个数值是在事故发生时的９点左右测到的。 ３传统方法及其缺点 通常，测试接触力有２种方法，即“在线测试”以及 “道旁测试”。 “在线测试”可以测试试验车所通过的整条线路， “道旁测试”方法中车上不需要安装设备，可以测试所 有通过该地点的车辆。图３是道旁测试的一个例子。 两种方法中前者需要在轮对上粘贴应变片，后者则需 要在钢轨上粘贴应变片。 现在，在线测试利用“特殊设计的测力轮对”实现 测试。在车轮辐板上粘贴应变片，轮轨力由辐板的应 变计算得出。这种测试方法在日本被广泛用于商业运 行线路试验以及台架试验中轮轨力的在线测试。图４ 给出了车轮辐板上应变片的粘贴位置。车轮辐板两侧 的应变片用于测试轮轨横向力，孔中心线方向（车轮辐 板的中性轴）上的应变片用于测试轮轨垂向力，即车轮 垂向载荷。 用于测试Ｐ 用于测试Ｑ 图４传统在线测试方法中用于测试垂向轮轨力 和横向轮轨力的应变片 这种“特殊的测力轮对”很昂贵，并且对于制动热 负荷没有足够的耐受力。这种方法还需要有把数据从 旋转的轮对传到构架的设备，例如集流环或者无线遥 ３２ 测仪。这些设备也很昂贵、难以使用并且耐用性较差。 所以，经常性地进行类似的测试是十分困难的。 基于上述原因，笔者尝试着发展了一种新的方法， 即使在客车上也可以持续地监控轮轨接触力，包括脱轨 系数。这种新方法不需要在旋转部件上如轮对上安装 传感器，也不需要集流环、遥测仪一类的数据传输设备。 ４轮轨力的新测试方法 ４．１横向轮轨力测试方法 ４．１．１ 间隙传感器的布置 为实现持续监控，笔者在转向架的非旋转部件上 安装非接触式传感器。在传统方法中，轮轨横向力是 通过车轮辐板上应变桥路的应变量测出的。在新方法 中，则通过安装在非旋转部件即转向架构架上的传感 器检测类似的车轮变形。如图５所示，车轮的变形由 轮辋（４ａ）的位移算出，而轮辋的位移是由安装在轴箱 （２）上的传感器安装座（７）上的非接触式间隙传感器 （３）测出的。 ２＿轴箱 ６非接触式间隙传感器 ４．车轮 图５用新方法测试横向接触力时的传感器布置图 因为测量精度小于０．０１ ｍｍ，故选用电感式位移 传感器。为了得到最高的精度，间隙传感器最好安装 在轮辋上，这会稍微超出日本规定的车辆限界。实际 上，这不是一个很严重的问题，另一个位于车辆限界内 的位置，例如车轮辐板的外部边缘就是理想的位置。 这些传感器的位置见图６所示。 ４．１．２轮对运动的修正 由于间隙传感器所测出的值很小，故不能忽略轮 对的运动量。为了修正轮对的运动量，在轴箱上安装 了２个间隙传感器（５、６）。 国外铁道车辆第５Ｏ卷第４期２０１３年７月 图６转向架台架试验中用于测试横向力的 非接触式间隙传感器 为了进行修正，就必须考虑两项修正量。其中一 项是轴向运动修正量 ，这是由轴承的止推问隙产生 的，另外一项是倾角修正量 ，这是由轮对相对于轴 箱产生相对倾角而产生的。因此， 、 和经过修正后 的车轮辐板横向变形量 可以通过以下公式得出， 、 。、 。为图７所示的间隙测试值。 ０ 一 ４一—— — （１）ｌ 一Ｂ ｔａｎ －二（ ）（ 一 （２） 一 （ ＋ ｓ）一 （ ）一（ ） ㈦ Ｉ ， ／＼ 、 、 Ｌ －ｒ ‘４ 、。 ，、 Ｉ Ｌ ＼ ／ ４ｃ ＼－１ ＇ ｒ ／ ／ ｒ ２ 、 ，． 、 ．厂 、 ， －～ ・４ｂ ＼ 、－ １ ｒ－ ．． ｊ ～ ＿ －’ Ｕｊ 图７轮对运动修正原理 ４．２法向力以及纵向力的新测试方法 法向接触力，即车轮载荷对铁道车辆动力学性能 影响很大，因此也需要持续地监控。为了避免使用集 一种测试轮轨力的新方法 Ａｋｉｒａ Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，等（日） ３３ 流环以及遥测仪，选择在构架的非旋转部件上进行测 试。简介如下： （１）转向架构架侧梁的应变。 （２）一系悬挂的位移。 纵向接触力对铁道车辆安全性以及运行性能也很 ５．２台架试验及其结果 在滚动台上进行了不同曲线工况下传统方法与新 测试方法的滚动试验，主要用于评估： （１）由传统方法测试的“横向力”与用新方法测试 “车轮横向变形”所得出的“横向力”之间的关系。 （２）“车轮横向变形”与“横向力”之间的灵敏度以 及线性度。 重要，在曲线工况下尤其如此，但由于其测试困难，直 到现在还鲜有测试。新方法中，纵向力由轴箱拉板定 位臂的应变得出（图８）。 曲线工况包括１２０ ｍ半径到６００ ｍ半径的曲线。 图１Ｏ给出了由传统方法测试的“横向力”与由新方法 测试的“车轮横向变形”之间的关系，该图是对应于外 侧车轮的测试结果。可见，对外侧车轮而言，由两种测 试方法所得到的结果几乎完全一致，可见本文所提出 的新方法可以准确地测试轮轨横向力。两种测试方法 中，横向力与车轮辐板变形量均呈良好的线性特性，车 轮辐板变形０．０９ ｍｍ所对应的横向力为１Ｏ ｋＮ。新 测试方法中，电感式位移传感器的精度为０．００２ ｍｍ， 尽管精度相对来说较低，但对测试轮轨横向力来说已 经足够了。 为了验证法向力的测试精度，通过施加不同的载 图８ 列车运行试验中被试转向架上 粘贴的传感器和应变片 荷进行了标定。图ｌ１给出了传统方法测试出的法向 力与“构架应变”之问的关系。由图１１可知，构架应变 ５ 用转向架台架试验验证轮轨力 测试新方法 为了验证轮轨力测试新方法，首先 在试验台上进行了转向架运行试验。验 证工作是借助于ＮＴＳＥＬ的滚动试验台 进行的（图９），该试验台可以试验转向 架的曲线通过性能。 ５．１ ＮＴＳＥＬ的转向架滚动台 该试验台的最大特色是能试验转向 架的曲线通过性能。该试验设备可用于 试验半个车体和１台转向架。为了模拟 曲线通过性能： （１）滚动单元可以绕垂向轴转动， 根据需要模拟的曲线曲率可以给定相应 的角度（摇头角）。 装 （２）滚动台的次级电机和差速齿轮鼹 箱，可以使轮对过曲线时由内、外轨车轮 的“旋转速度差”来等效实现实际曲线上 运行时的内、外轨长度差。 （３）可以直接在车体框架上施加横 向力，以模拟离心力以及由欠超高引起 的横向力。 图９ ＮＴＳＥＬ的转向架试验台布局［６］ ３４ 随着法向力的增加而呈比例地增加，因此可以通过测 试构架的应变得出法向力。 Ｚ ’Ｒ 足 蜒 Ｏ ． 譬 羽 一 ’ 燃 ． 螺 －田 ｌ ：１１０．２６ Ｉ－－ 图１０ 由车轮变形与由传统方法测出的横向力之间的关系 ４５．０ Ｚ ｖ ０．０２４４ ＋２０．１４４ ４０．０ 趟 窖３５．０ ． 丑 嚣３０．０ ／‘ 捉 暴２５．ｏ ／ ｒ 皿 ２０．０ ／‘ ０ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ 构架应变量 图１１构架应变量与由传统方法测出的法向力之间的关系 ６商业线路上的列车运行试验验证 ６．１被试列车和被试线路 列车运行试验在东京地铁丸之内线的支线上进 行，被试列车为３辆编组的电动车组（图１２）。中野支 线全程长３．２ ｋｍ。中途有４个车站。往返方向上都有 几个超小半径曲线，最小曲线半径为１２７ ｍ。被试转 向架位于头车上，主要针对导向轮对进行各种测试。 被试列车以商业运行时的正常速度在线路上行驶。 与台架试验相比，做了适当改进。例如，轴承被更 换为没有横向间隙型的轴承，间隙传感器通过更牢固 的键加以固定。 ６．２列车运行试验及其结果 试验中所检测的项目如下： （１）由传统测试方法测试的“轮轨横向力”； （２）使用新方法测试的“轮辋以及车轮辐板的变 形量”（修正后）； 国外铁道车辆第５ｏ卷第４期２０１３年７月 图１２ 商业运行线路上的被试车 （３）由传统测试方法测试的“轮轨法向接触力”； （４）使用新方法测试的“构架应变量”； （５）“轮辋的轴向位移”（用于修正）； （６）“轴箱体倾角”（用于修正）； （７）“构架横向位移”（作为参考量）。 在每次试验测试中，都发现结果具有良好的可重 复性，几乎每次运行试验都能得到相同的结果。 图１３给出了在列车运行试验中，由传统方法测出 的“横向力”与利用新方法经修正得出的“轮辋变形量” 之间的关系。虽然因接触点的不同导致存在一些差 异，但是两种方法得到的结果具有很好的相关性。 Ｚ ｔ 足 ‘ 抠 ：一 －ｒ： 盆 。； 丑 一 毒。’ 媳 ．．－ ’ ● 忸 ‘．：・ ● 图ｌ３ 由新方法测出的“车轮变形量”与由传统方法 测出的“横向力”之间的关系 利用图１３中的关系，计算了由新测试方法得出的 横向力。图１４给出了列车在通过１２７ ｍ半径曲线时 外轨侧用新方法与传统方法测出的横向力。在每个时 刻上，２种测试结果都吻合得很好。图１５给出了从 １９７ １ＴＩ半径曲线外侧轨道到３０１ ｍ半径曲线内侧轨道 上的横向力对比结果，２种方法测出的横向力值在１９７ ｍ半径曲线外侧轨道上吻合得很好，但是在半径３０１ 一种测试轮轨力的新方法 Ａｋｉｒａ Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，等（日） ３５ ‘ …如加 ～ 一一一Ｌ一．．一一 ０ ２ 如 ｈ Ｊ 传统方法 ０ ：鲫∞０如∞２ Ｉ— 一 、＾■＿一、—『Ｗ． ．＾＾＾．＾＾Ａ＾ ． Ｙ、一，、 ｒ＿ Ｏ．６５ ｏ・７ 利用轮辋变形量的新方法 ， 、—・－’・－—— Ｉ ．．－ ｏ・７５ ｏ，８ ｏ－８５ ｏ～ ｌ５ ６ 一 ～— Ｉ Ｉ ——－’——＿—＿ ０．８５ ０ ９ ～＿ 、＾１． 、，＿、 — ——－ ０． Ｉ５ ＾ ．＿▲．。．＾ ＾ ＾ ．— ，＿ —一’ ’ＶＷＶ１ ． 利用车轮辑板壶形量的新 法 ０．７ ０．７５ ０ ８ ｉ ６ Ｏ．６５ 一 一转向架角度 — ＿ 一 ＿、—～＿ ．：＝＝二 — 半径Ｒ＝１２７ｍ曲线外俩 、．＿二＝＝： ｌ一— 一 Ｉ ０．６５ Ｏ．７ ０．７５ ０ ８ ／ｋｉｎ ０．８５ Ｏ．９ Ｏ．９５ 图１４新方法与传统方法横向力测量比较——半径Ｒ＝１２７ ｍ曲线外侧 利用轮辋变形量 的新方法 Ｚ 传统方法 一．—一－．．， —～～， ｊＩ ２ ．．３ ２．４ ． ｉ—－、— — 一＾＿ —■ 仃 彗磷鼢砷辅 ２ ６ ２．７ ２．８ ２．９ Ｉ ３ ３ ２． ｝ Ｚ ＿ ｒ ｒ一 －’’，Ｌ． … ｌ 用车轮辐板变形 ：的新方法 …＿１ 传统方法 盱 ｌ＾ ● 一 ’ ＾＾ Ｉ ｝ 墨 —、 ＇ ＿，’ ＾ ． ＿Ｉ ． ＾－＿．｜ １ ｛ ～ ｌ ； ２ ６ ｇ 窨 ＿．，＿ ＾ ～ ～ 转向ｌ 掬度 ＿ 脯。 ＿Ｉ…侧 — 一 一—－一Ｖ ＿—、．．．＿＾一 —．—一 ， ， ，４ 步 ’ Ｉ ， ，７ ，Ｒ ’０ ／ｋｍ 图１５ 从半径Ｒ＝１９７ ｍ曲线外侧到半径Ｒ＝３０１ ｍ曲线内侧，新方法与传统方法所测横向力的对比 ＩＴ／＇曲线内侧轨道上，新方法测出的数值比传统方法测 出的数值要小。 但普遍认为，精确的修正对于安全监控来说没有必要。 ８结论 为了持续监测轮轨力，笔者提出了不需要“特殊测 力轮对”的新型测试方法。 ７轮对的有限元分析 为了提高测试精度，对由接触力产生的车轮变形 进行了有限元分析。如图１６所示，采用半条轮对模型 进行有限元分析，轮对中心刚性约束。有限元模型由 二阶四面体单元组成，分析工作利用ＡＮＳＹＳ软件完 成。 新方法利用非接触式间隙传感器测试横向力。 用非接触传感器测出轮辋或车轮辐板的横向变形， 然后经其他间隙传感器测试数据修正以后就可以得 出横向力。经试验台曲线运行试验以及商业运营线 根据有限元分析结果，轮轨接触点的不同会对横 路上的运行试验证明，新方法可以得到实际应用足 够有效的数据。若实现更高精度测试，则需做进一 步的改进，例如修正接触点差异、车轮表面垂直度 等。 向力测试产生一定的影响。结果表明，作用点位置的 不同对于横向力测试几乎没有影响，但对垂向力则存 在一定影响。如图１７所示，如果作用点从中点Ａ移 动到轮缘Ｂ，则垂向力引起车轮的变形量增加０．０２ 通过测试构架的应变或者一系悬挂的位移来测试 法向力，纵向力则由轴箱拉板定位臂的应变得出。两 ｍｍ，但横向力引起的车轮变形值仅为０．００２ ｍｍ。 为了进一步提高测试精度，需要修正接触点位置， 种方法都可以得到实际应用足够有效的数据。
