本发明涉及轮座应力测量技术领域，尤其涉及一种轮座周向应力的测量方法与一种测量轮座周向应力的标定工装。
背景技术：
铁道车辆的车轮与车轴之间的连接，是通过过盈配合压装而成的，车轴的压装部位受力状况恶劣，设计人员迫切需要知道压装后的轮座上的周向应力状况。
受测量手段所限，截至目前，还没有人进行过压装后轮座上周向应力的测量。轮座与轴孔过盈配合，无法在轮座与轴孔之间粘贴应变片，传感器也无法安装。如果在轮座或轴孔上加工出足够大的安装空间，则轮座受力状态改变，测量也失去意义，即，应变片测量法或传统的传感器测量法无法实现轮座周向应力的测量。
现有技术中普遍采用有限元计算方法来计算轮座压装后的周向应力值，由于轮座与轴孔压装后二者都产生变形，难以确定是轴与孔二者变形占比各是多少，因此，在缺乏直接测量数据的情况下，有限元计算结果均受质疑，得出的结论可信度低。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种轮座周向应力的新的测量方法，该方法实现了压装后的轮座上的周向应力的直接测量，结束了轮座上的周向应力只能估算、不能测量的历史，为轮轴压装过盈量的优化设计和工艺提供技术支持。本发明的另一个目的在于提供一种测量轮座周向应力的标定工装。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种轮座周向应力的测量方法，包括以下步骤：
制作光纤标定工装，标定工装为一对精密配合的锥形轴与锥形套工装，锥形轴的材质与待测轮座的材质相同，锥形套的材质与待测车轮的材质相同，在锥形轴的同一横截面对应的外表面上加工一圈沟槽，并在锥形轴上加工出一条连通沟槽和锥形轴外端的引线槽；
在标定工装上粘贴光纤，用胶水将光纤的测量段沿周向粘贴到上述沟槽中，使光纤与锥形轴的表面同步变形，将光纤的非测量段从引线槽引出并连接于光纤测量仪器；
标定光纤测量段：锥形轴未压入锥形套时，光纤的测量段不受力并处于自由状态，光纤测量仪器清零后输入光纤的测量段的标定位置参数；锥形轴压入贴合于锥形套后，在锥形轴上分级施加多个不同的载荷力，记录光纤测量仪器的与多个载荷力对应的多个应力显示值；对应上述多个不同的载荷力，计算锥形轴的锥形面上周向应力的理论值；建立应力显示值与锥形面上周向应力的理论值的对应关系，标定结束；
测量轮座表面的周向应力，包括：
在轮座待测位置的横截面对应的外表面上加工一圈测量沟槽用于放置光纤，并在轮座上加工出一条测量引线槽，作为光纤与光纤测量仪器的连接通道；
在轮座上粘贴光纤，用胶水将光纤的测量段沿周向粘贴到上述测量沟槽中，将光纤的非测量段从上述测量引线槽引出并连接于光纤测量仪器；
轮座压装之前，光纤的测量段不受力并处于自由状态，光纤测量仪器清零后输入光纤的测量段的标定位置参数；
轮座压装之后，光纤测量仪器显示出应力显示值，根据上述应力显示值与锥形面上周向应力的理论值的对应关系，推知出轮座表面的周向应力，测量结束。
优选地，在上述测量方法中，锥形轴与待测轮座的尺寸呈比例关系。
优选地，在上述测量方法中，锥形轴上的沟槽与轮座上的测量沟槽的直径相同。
优选地，在上述测量方法中，光纤的测量段包括多段连续分布或间隔分布的标定段。
优选地，在上述测量方法中，多段所述标定段的长度均相等。
优选地，在上述测量方法中，引线槽开设于锥形轴的表面或锥形轴的内部，测量引线槽开设于轮座的表面或轮座的内部。
优选地，在上述测量方法中，在轮座压装之后，利用插值法推知出轮座表面的周向应力。
本发明通过光纤测量的方法直接测量压装后的轮座上的周向应力，结束了轮座上的周向应力只能估算、不能测量的历史，解决了困扰技术人员的一个重大难题，为轮轴压装过盈量的优化设计、工艺等研究提供技术支持。本发明中利用光纤测量精度高、可以连续测量的特性，还利用了光纤可以分段进行光谱刻录的特性，可以精确感知微米级的变形量，从而精确测量轮座的周向应力。
本发明还提供了一种测量轮座周向应力的标定工装，包括一对精密配合的锥形轴与锥形套，所述锥形轴的材质与待测轮座的材质相同，所述锥形套的材质与待测车轮的材质相同，所述锥形轴的同一横截面对应的外表面上开设有一圈用于放置光纤的沟槽，所述锥形轴上开设有一条连通所述沟槽和所述锥形轴外端的引线槽，所述光纤包括测量段和非测量段，所述光纤的所述测量段沿周向粘贴固定于所述沟槽内，所述光纤的所述非测量段从所述引线槽引出并连接有光纤测量仪器，所述标定工装还包括用于对压装贴合的所述锥形轴与所述锥形套施加载荷力的载荷施加装置。
优选地，在上述标定工装中，所述锥形轴上的所述沟槽对应的外径与待测轮座的外径相同。
优选地，在上述标定工装中，所述引线槽开设于所述锥形轴的表面或锥形轴的内部。
本发明提供的测量轮座周向应力的标定工装，可以通过上述测量方法标定光纤测量段，建立应力显示值与锥形面上周向应力的理论值的对应关系，从而使利用光纤对压装后轮座的周向应力的测量得以实现，并且，该标定工装可以反复使用，通过标定不同的光纤测量段实现不同精度的测量，提高了测量灵活度和测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例中的锥形轴与光纤的结构示意图；
图2为图1中的Ⅰ部分的局部放大图；
图3为本发明具体实施例中的锥形套的结构示意图；
图4为本发明具体实施例中的光纤测量段测量范围示意图；
图5为本发明具体实施例中的轮座压装前的示意图；
图6为本发明具体实施例中的轮座测量结构示意图。
图1至图6中：
1-锥形轴、2-光纤测量段、3-光纤非测量段、4-沟槽、5-锥形套、6-车轮、7-轮座、8-车轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1至图6，图1为本发明具体实施例中的锥形轴与光纤的结构示意图；图2为图1中的Ⅰ部分的局部放大图；图3为本发明具体实施例中的锥形套的结构示意图；图4为本发明具体实施例中的光纤测量段测量范围示意图；图5为本发明具体实施例中的轮座压装前的示意图；图6为本发明具体实施例中的轮座测量结构示意图。
在一种具体实施例方案中，本发明提供了一种轮座周向应力的测量方法，包括以下步骤：
S1：制作光纤标定工装，标定工装为一对精密配合的锥形轴1与锥形套5工装，用于标定光纤测量段2，锥形轴1的材质与待测轮座7的材质相同，锥形套7的材质与待测车轮6的材质相同，锥形轴1和锥形套5经过研磨精密配合，在锥形轴1的同一横截面对应的外表面上加工一圈沟槽4，用于粘贴固定光纤，并在锥形轴1上加工出一条连通沟槽4和锥形轴1外端的引线槽，用于光纤非测量段3引出与光纤测量仪器连接，如图1至图3所示。
S2：在标定工装上粘贴光纤，用胶水将光纤测量段2沿周向粘贴到上述沟槽4中，使光纤与锥形轴1的表面同步变形，将光纤非测量段3(即光纤引出线)从引线槽引出并连接于光纤测量仪器；光纤的布置结构如图4所示，本实施例中的光纤测量段2沿圆周方向排布，其有效测量段绕锥形轴1形成的圆弧角为305°，以形成尽量大的测量范围，当然，本方案还可以将光纤测量段2的有效测量段绕锥形轴1形成的圆弧角设置为其他值，本文不再赘述。
S3：标定光纤测量段，包括以下几个步骤：
S301：锥形轴1未压入锥形套5时，光纤测量段2不受力并处于自由状态，光纤测量仪器清零后输入光纤测量段2的标定位置参数；标定位置参数是指光纤测量段2上的多个测量点的位置参数，包括测量点的长度和分布情况等。
S302：锥形轴1压入贴合于锥形套5后，在锥形轴1上分级施加多个不同的载荷力F1、F2、……Fn，记录光纤测量仪器的与多个载荷力对应的多个应力显示值Q1、Q2、……Qn；需要说明的是，此处所述的应力显示值可以根据光纤测量仪器的不同测量方式而呈现不同的信号值，例如电压、电流或频率等，本具体实施例方案中的应力显示值为电压值。
S303：对应上述多个不同的载荷力F1、F2、……Fn，计算锥形轴1的锥形面上的周向应力的理论值P1、P2、……Pn；
S304：标定结束后，建立应力显示值Q与锥形面上周向应力的理论值P的对应关系，即，光纤测量仪器的应力显示值为Qn时，锥形轴1的表面应力计算值为Pn。
S4：测量轮座表面的周向应力，包括以下几个步骤：
S401：在车轴8的轮座7的待测位置的横截面对应的外表面上加工一圈测量沟槽，用于放置光纤，并在轮座7上加工出一条测量引线槽，作为光纤与光纤测量仪器的连接通道；
S402：在轮座7上粘贴光纤，用胶水将光纤测量段2沿周向粘贴固定到上述测量沟槽中，将光纤非测量段3从上述测量引线槽引出并连接于光纤测量仪器；
S403：轮座7压装之前，光纤测量段2不受力并处于自由状态，光纤测量仪器清零后输入光纤测量段2的标定位置参数；轮座7与车轮6压装之前的结构如图5所示；
S404：轮座7与车轮6压装之后，光纤测量仪器的应力显示值为Q’，根据上述应力显示值Qn与锥形面上周向应力的理论值Pn的对应关系，推知出轮座7表面的周向应力值为P’，测量结束。轮座7与车轮6压装之后的结构如图6所示。
需要说明的是，标定光纤所用的锥形轴1与被测车轴8及轮座7材质相同，锥形套5的材质与被测车轮6材质相同，锥形轴1与待测轮座7的尺寸呈比例关系。进一步优选地，锥形轴1上的沟槽4与轮座7上的测量沟槽的直径相同。轮座7的危险截面位于轮座7后肩约10mm处，Q与P之间的对应关系呈非线性，为了准确测量该危险截面处的周向应力，本方案优选在锥形轴1对应轮座7的危险截面直径处设置沟槽4。
优选地，光纤测量段2包括多段连续分布或间隔分布的标定段，例如在1m长的范围内标定任意几段，标定段可连续，如725mm—730mm、730mm—735mm、735mm—740mm、740mm—745mm；标定段也可以不连续，如600mm—605mm和700mm—705mm。假设在1m长的范围内标定了3个标定段，则光纤测量仪器能够同时分辨出这3段的应变。需要说明的是，光纤标定的载荷越密集，锥形轴1表面周向应力的测量越精确，本方案可以根据需要设置具体的标定段的数量和标定段长度，本文不再赘述。优选地，多段所述标定段的长度均相等。
需要说明的是，引线槽用于将光纤非测量段3引出到锥形轴1外侧，从而便于光纤与光纤测量仪器连接，其中，引线槽可以开设于锥形轴1的表面或锥形轴1的内部，本方案中优选将锥形轴1设置为空心轴，引线槽连通于锥形轴1的中心孔，从而形成引出光纤的连接通道。类似地，本方案中的测量引线槽也开设于轮座7的表面或轮座7的内部。
优选地，在轮座7压装之后，本方案利用插值法推知出轮座7表面的周向应力。
下面通过试验数据来介绍某一组轮轴过盈配合的轮座7表面周向应力的测量。
1)用配置成对的锥形轴1和锥形套5工装进行光纤标定，标定结果如下，光纤测量仪器的应力显示值的计量单位以V表示。
锥形轴1上加载F1，使锥形轴1表面周向应力的理论值为40MPa，此时光纤测量仪器的应力显示值为32V；
锥形轴1上加载F2，使锥形轴1表面周向应力的理论值为50MPa，此时光纤测量仪器的应力显示值为38V；
锥形轴1上加载F3，使锥形轴1表面周向应力的理论值为60MPa，此时光纤测量仪器的应力显示值为45V；
锥形轴1上加载F4，使锥形轴1表面周向应力的理论值为70MPa，此时光纤测量仪器的应力显示值为61V；
锥形轴1上加载F5，使锥形轴1表面周向应力的理论值为80MPa，此时光纤测量仪器的应力显示值为85V；
……
记录标定数据。
2)压装后的轮座应力测量：
轮座7压装前，光纤测量仪器清零并输入相关参数。压装后，光纤测量仪器的应力显示值为72V，相当于轮座7上载荷在F4-F5之间，轮座7表面周向应力在70MPa-80MPa之间，用插值法推算出轮座表面周向应力约为74.6MPa。
本发明除了利用光纤测量精度高、可以连续测量的传统特性外，更是利用光纤可以分段进行光谱刻录的新特性。对光纤分段设置固定光谱后，当光纤随物体的变化而伸缩时，光谱发生变化，微米级的变形量也能够感知到。利用这项技术可以测量出轮座7上的周向微应变ε、并推算出其应力σ。
采用光纤测量微小变形的原理具体如下：
1)光纤由核心、包裹层和外涂层组成，光纤的核心直径Φ＝6.5μm，由弹性、韧性、透光性良好的二氧化硅材料制作，它能感知力、温度、振动等变化，承担物体形状变化的测量。包裹层和外涂层对光纤起保护作用。光纤在出厂前已经刻录好各自的光谱信息，根据需要，以1mm—5mm为区段刻录光谱信息，当力、温度、振动使这一段光纤产生变形时，光谱随之变化，光纤测量仪器就能精确地检测出来。
2)光纤测量系统组成由测量主机、电脑显示器、光纤及附属件、被测试件等组成。
3)光纤测量原理：对光纤进行光谱刻录，刻录后的光纤实质就变成了拉压传感器。当光纤被拉伸或被压缩时，其光谱就发生变化，从仪器发出的光信号再返回到仪器时，该段光纤光谱发生了变化，仪器就能够检测到被测试材料的微小变形。
4)光纤测量原理举例：选取长度为1m的光纤，用光纤长度上第800mm——第805mm处的测量段(A段)，测量工件上某处5mm范围内的拉压应变，用以说明光纤工作原理，具体过程如下A、B、C三个步骤所述。
A.把光纤粘贴到需要测量的工件上，测量段(800mm——805mm)对应工件上需要测量的5mm部位。
B.对工件进行加载，光纤随着工件的变形而伸缩，光纤上这一段的光谱发生变化。
C.此时，光纤测量仪器可检测出该段的光谱变化，进而得到应变变化量，计算出该处的应力值。此时，其它非测量段的光纤也变形，因为光纤测量仪器未设置非测量段的光谱参数，所以，仪器也不显示非测量段的应力状况。
光纤测量的优势有：1)大幅缩减传感器的成本；2)设置容易，缩短操作时间；3)可自由设定测量点和分辨率，精度高；4)可进行静应变、载荷、温度等多种测定；5)能够在狭小空间布置光纤；6)重量轻，适合于巨多测点测量。
本发明通过光纤测量的方法直接测量压装后的轮座7上的周向应力，结束了轮座7上的周向应力只能估算、不能测量的历史，解决了困扰技术人员的一个重大难题，为轮轴压装过盈量的优化设计、工艺等研究提供技术支持。
本发明还提供了一种测量轮座周向应力的标定工装，包括一对精密配合的锥形轴1与锥形套5，锥形轴1的材质与待测轮座7的材质相同，锥形套5的材质与待测车轮6的材质相同，锥形轴1的同一横截面对应的外表面上开设有一圈用于放置光纤的沟槽4，锥形轴1上开设有一条连通沟槽4和锥形轴1外端的引线槽，光纤包括测量段和非测量段，光纤测量段2沿周向粘贴固定于沟槽4内，光纤非测量段3从引线槽引出并连接有光纤测量仪器，标定工装还包括用于对压装贴合的锥形轴1与锥形套5施加载荷力的载荷施加装置。
优选地，锥形轴1上的沟槽4对应的外径与待测轮座7的外径相同。
优选地，引线槽开设于锥形轴1的表面或锥形轴1的内部。
本发明提供的测量轮座周向应力的标定工装，可以通过上述测量方法标定光纤测量段2，建立应力显示值与锥形面上周向应力的理论值的对应关系，从而使利用光纤对压装后轮座7的周向应力的测量得以实现，具体测量方法如上文所述，本文不再赘述。并且，该标定工装可以反复使用，通过标定不同的光纤测量段2实现不同精度的测量，提高了测量灵活度和测量精度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。