专利名称：非接触测量轮轨横向力式装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种列车脱轨横向力测量装置及其测量方法，特别是非接触测量轮轨横向力式装置及其测量方法。
背景技术：
脱轨会引起重大铁路事故，列车脱轨是行车过程一大隐患，这是一个重要的全球性问题。因此，各国根据自身情况及研究成果与应用经验，采用了不尽相同的脱轨评价标 准。其中日本提出用轮/轨横向作用力Q与垂向作用力P之比Q/P作为评判脱轨的标准的脱轨系数，以此来判断列车是否会发生脱轨的情况。脱轨有爬轨脱轨、跳轨脱轨等几种形式，其中车轮的爬轨脱轨是脱轨的一种主要形式。爬轨脱轨主要是发生在曲线轨道，通常由较大的轮轨横向力或较大的轮重减载率所造成。车辆在轨道上运行，尤其是通过曲线轨道时，在如离心力、侧向风力及横向振动惯性力等各种横向力的作用下，前轮对的外侧车轮轮缘贴靠钢轨侧面；在列车导向力的作用下，前轮对连同整个转向架沿着曲线方向运行。在某种特定条件下，如果车轮与钢轨的横向力很大而与钢轨的垂向力很小，车轮在转动前进过程中会逐渐抬升，当轮缘上接触点的位置升高到轮缘圆弧面上的拐点，即轮缘根部与中部圆弧连结处轮缘倾角最大的一点时，就处于爬轨的临界点。如果在到达临界点时横向力减小或垂向力增大，则轮对仍可能下滑而回到原来的稳定位置，如果接触点超过临界点以后横向力和垂向力的变化不大，由于轮缘倾角变小，车轮就会直接爬上钢轨直到轮缘顶部到达钢轨顶面而脱轨。一般发生在车速较低时。可见横向力是发列车脱轨关键因素之一。因横向力会使车轮辐板在轮对轴向受剪并使其产生较大的弯曲应变。而横向力的作用效果是会产生一个沿轴向的剪力和一个大的弯矩。传统的直接的检测横向力的方法是接触式方法，即采用贴应变片，但这种方法操作复杂，对贴片操作人员要求较高。
发明内容
本发明的第一目的是设计一种非接触测量轮轨横向力式装置，其能够测量易引发列车脱轨的横向力。第二目的是提供非接触测量轮轨横向力式装置的测量方法，使操作人员可以方便的安装使用非接触测量轮轨横向力式装置，并能避免由于安装失误能造成的测
量错误。为实现上述的第一目的，本发明提供一非接触测量轮轨横向力式装置，包括位移传感器和传感器箱体，所述位移传感器固定在传感器箱体中，用于与轮缘相对于轴承的横向位移形变量。位移传感器选用分辨率为2μπι以上的。优选的是，位于传感器箱体中，还包括用于测量轴承的横向加速度的加速度传感器⑷。优选的是，位于传感器箱体中，还包括传感器箱体中用于测量车轮转速的激光传感器(6)。优选的是，传感器箱体具有用于将测量装置固定在列车转向架上的箱体搭接板
(5)。优选的是，位移传感器选用高精度非接触电涡流式位移传感器。为实现上述的第二目的，本发明提供一种非接触测量轮轨横向力式装置的测量方法， 将包括位移传感器的传感器箱体固定于转向架，使得位于所述箱体内的位移传感器的探头与轮缘的横截面垂直相对且不接触轮缘；利用所述位移传感器测量轮缘与位移传感器探头间的位移。优选的是，加速度传感器平行固定在位移传感器的上方。优选的是，激光传感器与轮缘的横截面垂直相对且不接触轮缘。本非接触测量轮轨横向力式装置是采用高精度非接触电涡流式位移计进行主要测量、加速度传感器和激光传感器进行辅助测量的方法，通过测量由横向作用力引起的车轮弯曲变形量，换算得到轮轨横向作用力。所述传感器全部固定在特制的传感器箱体中，传感器箱体通过箱体搭接板固定在列车的转向架上，相对轴承静止。传感器箱体内的位移传感器探头与轮缘处相对，能记录重载列车行车过程中轮缘相对于轴承的横向位移形变量，由横向力的作用原理可知，每一横向移形变量对应一横向力，从而可通过后续计算换算出轮轨横向力的大小。其原理是当重载列车停靠时，通过添加进给力装置和位移传感器，建立力与形变位移的曲线，进行数据的提取；当重载列车行进时，轮缘在横向力的作用下发生形变，产生相对于轴承处的形变位移量，便可通过正对于轮缘处的位移传感器来检测位移量，并按照行车环境不同，通过后续计算来排除对应的干扰量，完成位移一横向力的换算。进给力装置是一种能输出用户指定大小力的装置，用于后续计算。因为滚动轴承与车轮相对位置不动，可以准确测得由横向作用力引起的车轮弯曲变形量，故而将位移传感器安装在相对轴承静止的传感器箱体中。位移传感器的探头与轮缘I的横截面垂直相对且不接触轮缘，和轮缘有一定间距，此间距大小会依传感器的型号而有所不同。该测试原理比较简单。检测的位移量最低精度要求为5 μ m，应选用分辨率高于为2 μ m的位移传感器。加速度传感器安装在传感器箱体内，用于测量行车过程中轮轨运动趋势。轴承的横向加速度，近似于轮缘的加速度。加速度传感器是测量轴承的横向加速度，根据此轴承的横向加速度的数值我们可以获得其数值曲线趋势，并用此曲线趋势来验证位移检测的数据可靠性。由于加速度传感器测量出的轴承的横向加速度的值近似轮缘的横向加速度的值，轮缘的横向加速度又与轮缘横向力有一定的比例关系，所以可以利用加速度传感器测量出的数值算出轮缘的横向力的近似值，故能辅助测量横向力的大小，能用于横向力测量结果的数据曲线趋势检验。加速度传感器固定方位为横向，并相对轴承静止，用于测量行车过程中轴承的横向加速度；因为转向架处的复杂结构和多重因素难以推导，为保证横向位移测量结果的准确，采集加速度传感器获取到的近似于轮缘的横向加速度值的轴承的横向加速度值，用采集到的数据的曲线趋势来验证位移检测的数据可靠性；通过加速度传感器取得的轴承的横向加速度的数据作为横向位移测量结果的检验数据。在横向位移数据建立后，与横向加速度的数据曲线趋势进行比对即可。
激光传感器用于检测车轮转速，用于建立转速一横向力曲线，进一步研究脱轨原因。位移传感器安装处的上方增设激光传感器，用于检测行车过程中车轮的转速，用于建立转速一横向力的数据曲线，因横向力的测量最终目的是探究脱轨因素，防止脱轨，在不同的行车速度条件下，即车轮在不同转速下，其它条件相同情况下，横向力的大小也不同。因此激光传感器的增设，更好的完善横向力的检测装置。本发明是一个集成了位移传感器、激光传感器和加速度传感器的非接触测量轮轨横向力式装置，取代了当前贴片式横向力测量装置，更具有实用价值，不仅能检测出轮轨的横向力，而且能够进行数据的检验；利用传感器箱体富余的空间安装激光传感器，检测车轮转速，便于建立转速-横向力的曲线，为行车过程行进速度提供试验依据。在不破坏机车整体结构的前提下，本发明设计将传感器箱体搭接在转向架上，使其固定牢固，安全可靠。综上所述，本发明解决了判断列车脱轨横向力的问题，克服了测试轮轨横向力的复杂条件，提出一种非接触测量轮轨横向力式装置，旨在利用轮轨形变位移和横向力的一一对应关系，将横向位移作为判断列车脱轨的依据，这对研究列车脱轨以及提高列车运行速度等问题都有重要的意义。而参照非接触测量轮轨横向力式装置的测量方法，操作人员可以方便的安装使用本发明的装置，避免由于安装失误能造成的测量错误。 本发明的非接触测量轮轨横向力式装置包括上述各项特征构成的任意组合。
图I是轮轨横向作用力作用效果图。图2是本发明的非接触测量轮轨横向力式装置的优选实施例的安装位置图。图3是本发明的非接触测量轮轨横向力式装置的优选实施例的安装示意图。图4是本发明的非接触测量轮轨横向力式装置的优选实施例的安装侧视图。图5是本发明的非接触测量轮轨横向力式装置的优选实施例的安装后视图。图6是本发明的非接触测量轮轨横向力式装置的优选实施例的安装正视图。图中，I.轮缘、2.轴承、3.传感器箱体、4.加速度传感器、5.箱体搭接板、6.激光传感器、7.位移传感器、8.转向架、9.安装非接触测量轮轨横向力式装置处。
具体实施例方式参照图I所示，横向力可以产生一个沿轴向的剪力和一个大的弯矩。参照图2所示，传感器箱体3依靠箱体搭接板5，利用螺栓固定在重载列车的转向架8处。参照图3-5所示，由于传感器箱体3的箱体搭接板5固定在重载列车的转向架8处，所以传感器箱体3不接触轴承2，但相对轴承2静止。本发明的非接触测量轮轨横向力式装置，包括加速度传感器4、激光传感器6和位移传感器7。位移传感器7用于测量记录轮缘I相对于轴承2的横向位移形变量。加速度传感器4用于测量轴承2的横向加速度，且轴承2的横向加速度近似于轮缘I的加速度。我们采用加速度传感器获取到的数据的曲线趋势，在横向位移数据建立后，与横向加速度的数据曲线趋势进行比来验证位移检测的数据可靠性。激光传感器6用于检测行车过程中车轮的转速，便于建立转速-横向力的曲线，为行车过程行进速度提供试验依据。因横向力的测量最终目的是探究脱轨因素，防止脱轨，在不同的行车速度条件下，即车轮在不同转速下，其它条件相同情况下，横向力的大小也不同。因此激光传感器6的增设，可以更好的完善横向力的检测装置。位移传感器7、加速度传感器4和激光传感器6安装在传感器箱体3中。位移传感器7优选选用分辨率为2 μ m以上的位移传感器。本实施例采用的是分辨率为O. 6 μ m的高精度非接触电涡流式位移传感器7 ;其探头与轮缘I的横截面垂直相对且不接触轮缘1，与轮缘I的间距大小依传感器的型号而有改变。加速度传感器4的探头与轮缘I相对且不接触轮缘1，与位移传感器7平行的固定在位移传感器7上方，不接触轴承2但与轴承2相对静止。激光传感器6的探头也与轮缘I的横截面垂直相对且不接触轮缘I。传感器箱体3的长度长于非接触测量轮轨横向力式装置中的任意传感器，故所有传感器均能富余的放入。传感器箱体3包括一个L形的盖子(图中未示出)，可以封好非接触测量轮轨横向力式装置中的传感器，避免行车中传感器损坏或者丢失。以上所述仅使本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发 明技术方案的范围内。
权利要求
1.非接触测量轮轨横向力式装置，包括位移传感器(7)和传感器箱体(3)，其特征在于所述位移传感器(7)固定在传感器箱体(3)中，用于与轮缘(I)相对于轴承(2)的横向位移形变量；位移传感器(7)选用分辨率为2μπι以上的。
2.如权利要求I所述的非接触测量轮轨横向力式装置，其特征在于包括位于传感器箱体(3)中，用于测量轴承(2)的横向加速度的加速度传感器(4)。
3.如权利要求I所述的非接触测量轮轨横向力式装置，其特征在于包括位于传感器箱体(3)中用于测量车轮转速的激光传感器(6)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的非接触测量轮轨横向力式装置，其特征在于传感器箱体(3)具有用于将测量装置固定在列车转向架8上的箱体搭接板(5)。
5.如上述任一项所述的非接触测量轮轨横向力式装置，其特征在于位移传感器(7)选用高精度非接触电涡流式位移传感器。
6.一种非接触测量轮轨横向力式装置的测量方法， 将包括位移传感器(7)的传感器箱体(3)固定于转向架8，使得位于所述箱体(3)内的位移传感器(7)的探头与轮缘(I)的横截面垂直相对且不接触轮缘(I)； 利用所述位移传感器(7)测量轮缘(I)与位移传感器(7)探头间的位移。
7.如权利要求6所述的横向力测量装置，其特征在于加速度传感器(4)平行固定在位移传感器(X)的上方。
8.如权利要求6或7所述的横向力测量装置，其特征在于激光传感器(6)与轮缘(I)的横截面垂直相对且不接触轮缘(I)。
全文摘要
本发明涉及一种非接触测量轮轨横向力式装置及其测量方法。装置包括位移传感器、加速度传感器、激光传感器和传感器箱体；位移传感器、激光传感器和加速度传感器安装在传感器箱体中。传感器箱体上有箱体搭接板，通过其固定在列车的转向架上，相对轴承静止。参照非接触测量轮轨横向力式装置的测量方法，操作人员可以方便的安装使用本发明的装置，避免由于安装失误能造成的测量错误。本发明解决了判断列车脱轨横向力的问题，克服了测试轮轨横向力的复杂条件，提出的非接触测量轮轨横向力式装置，旨在利用轮轨形变位移和横向力的一一对应关系，将横向位移作为判断列车脱轨的依据，这对研究列车脱轨以及提高列车运行速度等问题都有重要的意义。
文档编号G01L1/04GK102879133SQ20121034528
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者李长春, 延皓, 张金英 申请人:北京交通大学