（光学专业论文）车轮踏面擦伤及磨损动态测量系统的理论分析与计算机模拟.pdf

i ! 塑奎堕盔兰堡! 型塞兰兰! ! ! 垒墨 摘要 、f 车轮踏面擦伤及磨损是危及列车运行安全的主要原因之一。如 何准确测量其大小是高速和重载歹临发展中必须首先解决的关键测 量问题。、本文结合我们所开发的“，车轮踏面擦伤及磨损动态测量系 统”，暮重为解决现有系统所存在孵问题，提高系统的测量精度和 长期稳定性进行了针对性的研究。 ， 论文介绍了该系统的测量原理，给出现场测量实验结果，对各 种导致静态测量误差的因素进行分析，并提出相应的防止措施；针 对机构的振动问题，分析了车轮轮缘一测量机构动力作用效应，建 立了平行四边形测量机构的动力学模型；研究了机构振动控制的具 体方案，建立并求解加设片簧之后的测量机构二自由度动力方程， 讨论了片簧设计中各项参数设计原则，从而确定出片簧的各项参 数，并由计算机模拟了理论分析结果；论文还对于将激光三角位移 传感器应用于本系统进行了有关研究，讨论了确定仪器参数的设计 方法。 本文的研究为迸一步改进现有测量系统的结构提供了理论基 础。 关键 磨损，动态测量， ，振动控制 j ! 查窒望盔堂婴主堕壅生曼、业堡苎 t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o no fad y n a m i cm e a s u r i n g s y s t e mf o rw h e e lf l a t sa n d a b r a s i o n a b s t r a c t w h e e lf l a t so na n yt r e a do ft r a i n sa r eo n eo ft h em a i nc a u s e st h a t t h r e a t e ns a f e t yo ft r a i n s h o wt oa c c u r a t e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ym e a s u r e w h e e lf l a t si sak e yp r o b l e mt h a tm u s tb es o l v e di nt h ed e v e l o p m e n to f h i g h - s p e e da n dh e a v yl o a dt r a i n s w eh a v ed e v e l o p e dan o v e ld y n a m i c m e a s u r e m e n ts y s t e mf o rw h e e lf l a t sa n da b r a s i o n t os o l v es o m e a d v e r s ep r o b l e m so ft h ee x i s t i n gs y s t e m ，i m p r o v ei t sm e a s u r e m e n t a c c u r a c ya n dl o n g t e r ms t a b i l i t y ，s o m ep e r t i n e n ts t u d i e sa r ec a r r i e do u t j nt h jst h e s j s t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo ft h i ss y s t e mi sd e s c r i b e d s o m ek i n d s o fe r r o rf a c t o r sa r ea n a l y z e da n dr e l e v a n tp r e v e n t i v em e a s u r e sa r e p r o p o s e d ；t o s o l v et h ev i b r a t i o n p r o b l e m o ft h em e a s u r e m e n t m e c h a n i s m ，t h ed y n a m i ce f f e c tb e t w e e nt h ew h e e lf l a n g e a n dt h e p a r a l l e l o g r a mm e c h a n i s mi ss t u d l e d ；t h ec o n t r o lm e t h o do fm e c h a n i s m v i b r a t i o ni sp u tf o r w a r da n da n a l y z e d t h e2 d o fd y n a m i cm o d e lo ft h e p a r a l l e l o g r a mm e c h a n i s mw i t haf l a ts p r i n gi n s t a l l e di se s t a b l i s h e da n d i t sd y n a m i cr e s p o n s ei ss i m u l a t e do nt h ec o m p u t e r t h eb a s i cp r i n c i p l e o fp a r a m e t e rd e s i g no ff l a ts p r i n gi s p u to u ta n dt h ep a r a m e t e r sa r e d e t e r m i n e d ；f o rt h ea p p l i c a t i o no ft h el a s e rt r i a n g u l a t i o nd i s p l a c e m e n t m e a s u r i n gs e n s o ri n o u rs y s t e m ，o n ed e s i g nm e t h o do fi t ss t r u c t u r e p a r a m e t e r si sa l s od i s c u s s e d t h es t u d yw o r ko ft h i st h e s i sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o r f u r t h e rp e r f e c t i n gt h ed e s i g no ft h em e a s u r e m e n tm e c h a n i s m k e yw o r d s ：w h e e lf l a t ，a b r a s i o n ，d y n a m i cm e a s u r e m e n t ， t r a i nw h e e l s ，d y n a m i c s ，c o n t r o lo fv i b r a t i o n 北方交通大学碳j ：研究生毕业论文 第一章绪论 i i踏面擦伤动态检测方法的研究背景和意义 列车轮对在运用过程中由于摩擦造成的 车轮踏面磨损，使得车轮直径减少；由于制 动、车轮与钢轨面在转弯时的相对滑动及材 料本身存在的缺陷等因素造成的踏面擦伤或 剥离，使得踏面滚动圆呈弦缺状( 扁平) 。 图1 1 为踏面擦伤示意图，其中1 称为擦伤 长度，d 称为擦伤深度。 图卜l 踏面擦伤示意圈 车轮踏面的磨损和擦伤，特别是踏面擦伤将对车辆产生许多不良 影响。其一，带有车轮擦伤的机车车辆在线路上运行时会产生附加的 轮轨冲击力，其大小随擦伤长度、深度和列车速度不同可达车轮静载 荷的几倍到几十倍，并且随着车轮滚动周期性地作用于轨道和车辆系 统，是引起车辆轮轴断裂、钢轨和混凝土轨枕断裂不可忽视的重要因 素之一【i 。例如m e i e r 曾报道一辆带有6 5 m m 深擦伤的货车造成i2 0 根钢轨断裂的例子。其二，踏面擦伤后形成局部凹入时，车轮与钢 轨的接触面积随之加大，因而轮轨相互摩擦的机会和程度也将加剧， 这使得车辆运行阻力加大。其三，踏面磨损后，轮缘相对增高。当车 轮通过俞道时，轮缘可能和道俞的轮缘槽相碰；当车轮在直线线路上 运行时，可能导致轮缘撞击或切断鱼尾板连接螺栓，造成列车颠覆事 故。 车轮擦伤是铁道机车车辆轮对故障中最常见的损伤形态之一。据 资料记载哺】，济南车辆段1 9 9 1 年共发生轮对故障1 l3 件，其中踏面 擦伤6 l 件，占5 4 ；1 9 9 2 年共发生轮对故障9 4 件，其中踏面擦伤4 3 北方交通人学硕j 研究生毕业论文 件，占4 6 ；1 9 9 3 年的1 2 4 件轮对故障中踏面擦伤5 0 件，占4 0 。 上海车辆段1 9 8 9 1 9 9 1 年轮对故障中踏面擦伤5 7 6 件，占总数的 5 5 。从表1 1 、表1 2 可以看出：因踏面引起的落轮占年落轮修 总数量的很大比例；踏面损伤也是引起走行部临修的重要原因。 表1 - 1 广州机务段落轮惨统计 踏面磨耗、擦伤和剥离 年度 f i i 总落轮数 年落轮总对数 落轮修对数 百分比 1 9 8 63 01 482 0 3 1 9 8 8 7 93 392 3 3 1 9 8 9 上半年 3 93 949 9 1 9 9 4 7 42 822 6 2 1 9 9 5 2 71 681 6 1 l 3 季度 表1 - 21 9 9 4 1 9 9 5 年广州机务段机车走行部临修统计 走行部临修踏面剥离、擦伤临修数 年度季度 总数 轮对数i i 走行部临修白| 分比 11 421 4 3 22 562 4 0 1 9 9 4 32 651 92 48 01 3 1 63 11 873 8 9 1 9 9 5 22 231 3 6 因此，迅速准确地检测列车车轮踏面擦伤和磨损，确保踏面受 损量不超过规定的限度，对于保障列车运行的安全性和平稳性，顺利 完成铁路运输计划具有重要意义。随着列车速度和载重量的不断提 高，车轮擦伤引起的轮轨冲击将越来越严重，因此研究动态检测和预 报轮对踏面擦伤的方法和系统将为列车的行车安全提供技术保障。 北方交通人学彤11 研究生毕业论殳 目前国内对踏面擦伤的检测基本上还停留在人工阶段，主要依 靠列检人员的听音判断和入库后的肉眼观察+ 量规测量，检查效率低， 容易漏检，这种状况无法适应我国铁路事业快速发展的要求。研制高 效率、高可靠性、高精度的车轮踏面擦伤及磨损的动态检测系统，已 成为我国铁路事业中迫切需要解决的难题。 1 2 踏面擦伤检测技术的发展现状 进入7 0 年代后，世界各国相继展开了车轮自动化检测的研究， 各种新技术逐渐被应用到车轮踏面擦伤及磨损的检测中，以期提高检 车质量，缩短检车作业时间，减轻工人劳动强度。目前，国外已丌展 的方法有振动法、应变片法、超声波( r a u l e i g h ) 法和光学检测法等。 我国在这些方面也有所发展，1 9 7 5 年上海局进行过运行中车辆超声 波自动检测的研究，在试验线上安装了一套检测装置，取得了初步 的成果。近年来，北京局太原段、铁道部科学研究院机辆所等单位也 都进行过这方面的研究。下面分别给以简单的介绍和分析。 1 、振动法：日本首先采用这种方法，在钢轨上安装若干个加速度 传感器，测量出擦伤车轮通过钢轨时的垂直冲击蕊度大小，来推算其 擦伤量的大小 8 ” 。1 9 9 2 年西南交大开发的j t f f - - - 1 c 机车踏面擦伤计 算机检测系统 1 0 ，也是借助于测量轮轨问的振动能量来计算擦伤量。 该装置在石家庄机务段试用后已停止使用。这种方法的缺点在于：其 测量是间接的，测得的垂直冲击速度大小不仅与擦伤量有关，同时受 列车型号及质量、载重量、线路和钢轨质量等诸多因素的影响，因而 无法在冲击加速廑和擦伤量之间建立起固定的函数关系，故测量精度 很低，只能作为定性分析；同时由于车轮引起的冲击是随机的，而加 速度传感器的安装点是固定的，容易漏测。 2 、应变片法：美国推出所谓的“山猫测量系统” 1 ”就是采用应 变片测量冲击力，即在钢轨上安装很多应变片，测量出擦伤车轮经过 北方交通人学硕j ：研究生毕业论文 钢轨时，给钢轨带来的附加冲击力从而估计出擦伤量的大小。我国郑 州铁路局科研所也采用类似的方法。这种测量方法本质上与振动法类 似，同样受列车型号及质量、载重量、线路和钢轨质量等诸多因素的 影响无法在冲击力大小和擦伤量之间建立起固定的函数关系，因而这 种测量方法也只能作出定性分析，而且这种测量装置的安装及维修不 便，应变片容易脱落。 3 、电脉冲法：德国采用这种方法测量车轮擦伤量的大小，我国 也引进过这类设备。其原理是当列车高速行驶时，擦伤车轮在擦伤处 与钢轨瞬时不接触，从而形成极短的电脉冲“。这种方法的主要缺 点在于：需要在现有的钢轨上锯掉一段，装上绝缘钢轨，且设备昂贵， 同时也不能准确给出擦伤量的大小。 4 、超声表面波法：美国、同本和澳大利亚等国首先采用了这 种方法。北方交大郑中兴教授也采用了类似的测量方法，并在柳州局 实验过。超声表面波法是产生在半无限大介质表面和近表层的一种特 殊振动，其质点的振动轨迹构成短轴与声波传播方向平行，而长轴与 介质表面相垂直的椭圆。应用这种方法可检测被测物体表面的缺陷， 包括裂纹、剥离、龟裂、残余 所示。 当列车以图示方向运 行时，迎着车轮前进方向的 换能器a 被触发后作为发射 探头发射超声波，并在其探 测面与车轮踏面相接触时立 即转换成表面波。这种表 面波在i m s 时间内沿车轮踏 面按车轮滚动方向传播一周 后，被作为接收探头的b 所 o0 钢轨 探头ab 探头 圈卜2 超声衰面波法原理圈 接收。在正常无缺陷的情况下，显示出来的这个接收信号表明通道工 作正常，这个波叫做穿透波，对应的通道被称作监视通道；如果同时 在车轮踏面上存在缺陷，则遇到哒堕整坌煎垄韭坌室亘鎏中，将有一 部煺塑掣磊瓣去豁缀酗f i 2 移 表? 重a ，眭屋，骨曲靠0 、专气厶馅句静 有试验显示，利用超声表面波法橙测裂纹、剥离的灵敏度要高于 对磨损及擦伤的检测；另外，利用该方法进行检测时，为安装探测包， 需在钢轨上丌长1 4 0 m m 的缺口，因此破坏了钢轨的整体性，使钢轨 局部接触应力较大( 计算值可达9 9 4 9 8 坳a ) ，现用钢材材质不能满 足要求， 必须选用合金钢制造；而且在钢轨上丌缺口，影响了列车 通过时的运行性能。因此，采用这种方法实现车轮踏面磨损及擦伤的 检测不是非常合适的。 5 、数字图象处理技术：数字图象处理( o i g i t a i m a g e p r o c e s s i n g ) 技术用于车轮外形磨耗的检测首先在r 本“3 1 、罗马尼 亚3 等国得到实现，它主要是利用先进c c d 摄像技术和计算机控制 技术，通过c c d 摄像机将预检部位的图像拍摄下来，由图像处理软件 进行后处理工作，从而迅速得到受检车轮的踏面的磨损和擦伤值。如 罗马尼亚开发的车轮外形磨耗自动检测系统“，该系统是利用记录 图像的闭环和数字处理的视频测量系统来记录所有列车车轮或一节车 的车轮外形并在通过电子计算机确定轴序的同时，直接在图象上完成 测量，打印测量结果并指明不利于安全运行的危险情况。实际上该系 统所进行的只是一种状态检测，在检测时，能够得知缺陷却无法得到 具体的磨损和擦伤量。此外，这种测量方法不仅价格昂贵，同时安装 不方便，测量设备容易损坏。 在国内，数字图象处理技术也被初步运用于车轮外形磨耗的检 测。如铁道部科学研究院机辆所所作的研究，利用c c d 摄像机对应用 被动光源法和主动光源法实现车轮磨耗的检测进行了研究，该项研究 是针对单个轮对进行的，取得了一定的成果，但其所研究的方法只能 北方交通大学硕i j 研究生毕业论史 用于检修加工车间，还不能达到不落轮检查，因此无法实现运行状态 下的列车车轮踏面磨损及擦伤的检测。 由此看来，国内外对于机车车辆零、部件损伤的检查和检修都 是非常重视的。各种先进的检测技术也逐渐被应用到列车轮对踏面磨 耗的检测中，以提高检测的精度和效率。 1 3 本论文的主要研究工作 归纳以上国内外关于车轮擦伤及磨损的各种测量方法，大都以 非接触式的测量方法代替了传统的接触式测量方法。但这些方法大都 存在以下主要问题：测量精度低，测量不能定量；测量系统庞大复杂， 造价高昂，而且需要培训专门的技术人员：另外系统测量系统的安装 和维修不便，有的需要改造钢轨。 我们所研究的“列车车轮踏面擦伤及磨损动态测量系统”7 1 主 要采用位移传感测量技术，通过简单的平行四边形机构实现对车轮踏 面擦伤及磨损的动态定量测量。该系统已获得国家专利，并在郑州局 通过技术鉴定。本文在总结系统莳期研究成果及现场试验中所暴露的 问题的基础上，提出改进措施，以提高系统测量精度，使该系统能够 更好地满足实际需要，得到更广泛的应用。概括起来，本文将主要解 决下列问题： 1 根据“列车车轮踏面擦伤及磨损自动测量系统”的测量原理 及测量方案，分析现场测量实验结果，寻找各种导致测量误差因素并 分析其影响。 2 测量机构振动问题的理论分析，这是本文最主要的任务。建 立平行四边形测量机构的动力学模型，研究适合于本系统的振动控制 的方案，建立相应的机构动力响应的计算机模拟系统，并设计有关的 结构参数。 6 北方交通人学坝i ：研究生毕业论义 3 研究激光三角位移传感器用于测量机构平板位移来替代现有 涡流位移传感器。根据激光三角位移计的工：作原理，导出物象位移 的精确关系，分析其测量范围及分辨能力，提出了测头结构参数的设 计方法，并给出设计实例。 北方交通大学硕士研究生毕业论文 第二章车轮踏面擦伤及磨损动态测量系统 2 1 系统总体设计方案 系统方案设计重点突出了一个设计思想，即：本系统是一个地面 式自动检测系统，在机车一次通过检测区段时，完成其所有车轮踏面 擦伤及磨损的检测，整个过程均在列车低速状态下进行，检测结果由 计算机自动处理。图2 - 1 为本系统的总体设计方案。方案中，该测量 系统包括：平行四边形测量机构和数据采集、处理及通讯系统两大部 分。 数据采集、处 理及通讯系统 圈2 - 1 量系统总体方案示童圈 2 2 测量原理及测量机构 经过对车轮实际情况的分析，采用直接测量的方法对踏面擦伤及 北方交通人学硕f ：研究生毕业论文 磨损进行自动检测是完全可行的“。 如图2 2 所示，踏面受 损后，其圆周的半径将减 小，也就使得轮缘顶点t 相 对于钢轨的位置将低于h 。 一般地，运用中的机车车辆 轮对，其轮缘顶部圆周上的 t 点是不会被破坏的，因此t 点位置的变化信息包含了车 圈2 - 2 路面擦伤及磨损对轮缘 下垂量的影响 轮踏面受损的信息。所以通过测得t 点的相对位移h ，经修f 后就可 得到当前车轮踏面的磨损和擦伤值。相应地，本系统的核心测量原理 是：把轮缘下垂量的变化量h 转换为平行四边形机构的测量平板的垂 直位移量，通过测得这个位移量实现对被测位移的测量。 甲行四边形机构非接触位移传感器 圈2 - 3 渊量装置结构示意图 该测量装置的结构如图2 - 3 所示。其中平行四边形机构中的平板 两端分别与支杆一端铰接，支杆的另一端分别与固定在钢轨的支座铰 接，加上弹簧，使得平板在列车运动时始终与轮缘顶部接触。位移传 感器与固定在构成平行四边形机构边的钢轨上的支座相连。平行四 边形性质的平板只作平移运动。这样，无论车轮滚到钢轨的哪一位置， 9 北方交通大学硕士研究生毕业论文 只要轮缘还压在平板上，传感器的测量头就可直接测量平板相对钢轨 的垂直位移，即车轮踏面与轮缘的相对高度的变化量。 若在列车运动过程中每单个 车轮踏面与轮缘之间的高度相对 不变，则表明踏面不存在擦伤， 此时位移传感器输出也相对不 变；若踏面存在擦伤，则相对高 度有突然变化，位移传感器可直 接测出这一变化，即可得到其擦 伤量的大小；当踏面有磨损时， 量 圈2 q 理担条停下传摩嚣的输出波形 位移传感器的初始读数值相对无磨损车轮有一明显变化，此变化量即 为车轮踏面的磨损量。理想情况下，传感器的输出波形近似为图2 4 所示的梯形波。 测量时，为避免两个车轮同时踏在同一个平板上，引起测量误差， 必须满足以下条件。其一，每侧钢轨上必须安装两套或两套以上的平 行四边形机构和对应的位移传感器，每个平板长度必须小于最小轴距； 其二，为完整的测量每个车轮整个踏面内的磨损和擦伤，两套或两套 以上的平行四边形机构中的所有平板的长度之和应大于或等于轮缘顶 部的周长；其三两套测量机构必须前后相继，并合理设置二者间距。 2 3 测量系统软件功能 系统动态测量过程的实现是在计算机及软件系统的控制下协调工 作的。图2 5 所示为系统软件框图。在系统等待过程中，程序自动完 成系统自检及高速采集卡的初始化工作，并不断采集同侧两个传感器 数据，当所得数据先后超过阈值后，说明列车进入测量区段，开始采 集四个传感器的数据；根据车轮经过同侧两个传感器的时间间隔，可 自动测量出列车运行的速度，以便调整数据采集速度。根据a d 采集 o 北方交通大学硕士研究生毕业论文 速度和列车经过 测量区的速度以 及各车轮对应数 据可以计算车轮 轮轴间的距离， 由此距离判断车 型和车轮序号， 实现自动计轴计 辆；根据测量原 理，计算各车轮 磨损和擦伤量的 大小，对超过阈 值的数据提取， 并送到值班机房 通知有关列检人员核对检查。 2 4 本系统的优点 n o d 弓 圈2 - 5 量系统软件框田 相比已有的车轮踏面擦伤测量方法，本测量方法具有以下优点： 一方面，同时测量基准为轮缘，与传统机械卡尺测量使用的基准一致， 避免使用其它测量基准时带来的误差，大大提高了测量的可靠性和测 量精度。另一方面，因传感器测量系统的安装基准为钢轨，传感器与 钢轨一起变形，这可大大减少列车运行过程中振动、变形、列车重量、 速度等诸多因素对测量结果的影响。此外，本系统能同时测车轮擦伤 及磨损量。 2 5 实验与讨论 概括起来，在前期的系统研制过程中，取得了以下几方面的进展 北方交通入学硕i + 研究生毕业论文 ( 】) 建立起整个测量系统，初步具备测量的主要功能：即自动测量、 自动计轴计辆，自动预报和打印擦伤车轮的位置和大小。( 2 ) 逐步完 善测量的机械机构，使之能适应于现场测量的恶劣环境。( 3 ) 逐步完 善测量软件，初步具备数据采集、计轴计辆、数据处理等几大功能。 整个测量系统经过原理实验、现场模拟实验以及j 下线实验三个阶 段。原理实验时，人工推动擦伤车轮快速滚过测量装置，用x y 记录 仪记录得到传感器的输出曲线如图2 - 6 所示。 【、二斗： ：叫j 名 i ：可_ i 二孤 一 。 ： 卜 蔓k _ ： 】 卜 基 。曩： i j 一= ：乏1 = 苛 二i 相对暄翳瞳= 芝一dj 藕 、习 r 、 ：l 一 ：k ) ：fi 一嗣j 图2 - 6 列车低速运行下】【1 记录仪直接得到的实验结果( 速度 1 0 k m h ) 现场模拟实验时，用机车拖挂两节车厢，以不同的速度从f 反两 个方向通过测量装置，在平行四边形机构的平板上挚不同厚度的钢片 来模拟不同深度的擦伤车轮，并与本测量的测量结果进行比较。表2 1 为模拟实验结果。 将测量系统分别安装在郑州铁路局平顶山列检所和郑州车辆北段 进行现场正线实验。表2 2 为该测量系统所得到的现场测量报告。现 场实验表明，当列车速度低于1 5 k m h 时，系统性能非常稳定，测量 精度和测量的准确率均很高。通过与技术人员使用传统的专用机械卡 尺所测得的结果相比较，系统的测量误差为o 2 r a m ，因此本系统现 可直接应用于诸如客车进库时列车低速运行情况下踏面磨损及擦伤的 北方交通人学硕士研究生毕业论文 动态定量测量。 表2 - 1 现场模拟实验结果 列下速度 测晕结果( 模拟擦伤值= o5 6 m m ) ( k m h ) 传感器1 传感器2 l 一2 0 5 50 5 7 5 05 1o 5 2 1 0 o 5 30 6 3 1 5 0 5 70 5 8 2 0o 6 0 05 8 2 5 0 5 207 8 3 0 o5 0o6 6 3 5 0 6 5 0 6 5 4 00 5 00 5 6 结果 05 5 01 50 6 1 0 2 3 表2 - 2 正线实验结果 日期：0 2 0 2 9 9 ，时间：0 5 ：0 7 ，车号：2 1 2 9 ，平均车速：2 4 k m b ，总乍辆 数：6 2 ，总机车数：2 记录文1 ，| = ：e 2 0 2 0 5 0 7d a t 擦伤值( m m ) 乍辆 轴序号方向 序号 预报 实测 1 02 南侧1 o0 8 1 4 1 北侧 0 7o 6 2 83 北侧 0 5 o 3 5 12 南侧 o7 0 4 5 3 4南侧o 8o 6 6 03 北侧 0 9 0 7 由于机构存在的各种加工误差和安装误差，及现场测量的恶劣环 3 北方交通大学硕士研究生毕业论文 境，传感器实际输出信号与图2 - 4 所示是理想情况有所不同。图2 - 7 为列车低速运行时典型的实验曲线。由实测曲线可知，当轮缘最初撞 上测量平板前端时和擦伤部位通过测量机构时，将会引起平行四边形 测量机构的振动，使得轮缘与平板发生瞬间的不接触，这样造成测量 基准丢失，可能造成漏检和误报，也给测量结果带来误差，给数据处 理带来困难，并且车速越高，这种振动越严重。为避免这种后果，提 高测量系统响应列车速度的能力，必须在平行四边形机构上安装适当 的振动控制系统。 ( a ) 轮缘最初撞上测量平扳前端时( b ) 擦伤部位通过测量机构时 引起测量机构的振动引起测量机构的振动 田2 - 7 现场实曲蟪( 车速= 2 5 1 m h ) 2 6 本章小绪 本系统通过简单的平行四边形机构实现了列车运行条件下踏面擦 伤及磨损的定量测量，克服了已有测量方法不能定景、测量结果受诸 多外界因素影响的缺点。通过现场多次实测和数据验证表明：该系统 性能稳定，现场安装和使用方便，初步实验数据准确率在8 0 以上， 因此该系统具有定的可行性。实验同时表明：由于振动会产生一定 的盲区，给测量带来如下后果：产生漏检和误报；给数据处理带来困 难，给测量数值带来误差。因此减少或消除振动是提高该系统性能的 关键，这正是本论文所研究的主要内容。 北方交通大学硕士研究生毕业论文 第三章测量系统的静态误差分析 对于本测量系统来讲，静态误差是分析在不考虑车轮对测量系统 平行四边形机构的动力作用下，产生测量误差的各种影响因素。这些 因素主要包括：测量系统平行四边形机构的加工和安装误差、测量平 板受力变形、车轮偏心以及轨道不平顺等。 本章分别对这几种因素影响下的测量结果进行理论分析，并参照 理想状态下( 轨道平直且为刚性，车轮无偏心，平行四边形机构为刚 性且无加工和安装误差) 的系统测量结果，确定对系统的测量结果影 响最大的不利因素，为进一步减小测量误差、提高测量精度提供理论 基础。 3 1 理想状态下的测量系统测量原理的理论分析 圈3 - 1 舅量系统平行四边形机构示意圈 对于如图3 - 1 所示的测量系统平行四边形机构，车轮完全踏上水 平平板后，平板将会向下产生h 。的位移。支撑弹簧位于i 点，位移传 感器位子h 点，车轮踏面的最低点为g 点，轮缘的最低点为j 点。 列车以v 。的速度行驶，车轮刚与平板接触时的时刻，。= 0 。 北方交通大学硕士研究生毕业论文 根据车轮对测量系统平行四边形机构的作用，我们可以把测量系 统的测量原理分为三个过程来进行理论分析：车轮踏上平行四边形机 构的水平平板；车轮在平行四边形机构水平平板上行走；车轮与平行 四边形机构的水平平板相脱离。 l 、车轮踏上平行四边形机构的水平平板 在不考虑动力的情况下，车轮轮缘与水平平板接触后，两者不再 分离。由于车轮的向前滚动，使得水平平板向下运动。水平平板绕定 轴转动，当其与水平的夹角为口时，平板a 点的坐标为( 取e 点为 坐标原点) ： xj = i c o s 0 一，1 y = l s i n o 此时车轮轴心0 点的水平坐标为： x o = x 一一r2 一( y ：一y 月) 2 式中，y ：为初始时刻车轮轴心0 点的竖向坐标。则此时位移传感器 测得的平板竖向位移与时间的关系可用下式表示： =(xo-。x一。o)：hyy 1 ) 【= 。一： 式中，x ：为初始时刻车轮轴心0 点的水平坐标，y ：为初始时刻平板 a 点的竖向坐标。取0 减小的步长为兄，就可以得到每个时刻位移传 感器的测量值。 2 、当车轮完全踏上平板后，测量系统记录的将会是一水平直线。 3 、当车轮即将与平板脱离时，可参照车轮踏上平行四边形机构 的水平平板的方法求解，只要把车轮轴心的水平坐标改为下式即可： x o = ，l + ，2 + ，3 + x + r2 一( y ：一y a ) 2 ( 3 - 2 ) 若车轮踏面某处存在擦伤，擦伤深度为k ，可通过图3 2 ( a ) 、 ( b ) 所示的两个过程( 即擦伤降落的过程和擦伤抬起的过程) 求解。 1 6 北方交通大学硕士研究生毕业论文 j 点在车轮擦伤未出现前的坐标( x j 0 , y ，。) 都可以提前确定。 ( a )( b ) 圈3 - 2 踏面擦伤计算示意圈 过程a ：擦伤出现时j 点的坐标为 位移传感器的测量值与时间的函数关系为 式中，0 a r c c o s ( r 一 。) ，】。 过程b ： 过程b 开始后j 点的初始坐标为： 过程b 中j 点的坐标为 ix h = x j o + r s i n f l i 1 y “= y j 。一r + ，c o s p 一= x 嘞j , + r - ，( ( s i n l f l l - 。s i 力n f l 【乃。乃l 一，( 1 一c o s ) 位移传感器的测量值与时间的函数关系为： ( 3 - 3 ) 邶哪 s r l + “ 加 一 x 0 = o = p，、i ) 声 s0c一 l r一 一 h f f = f 一 曲y 一 y = ，、【 北方交通大学硕，l 研究生毕业论文 式中，p 】= a r c e o s ( r k ) r 】，0 卢 圈4 - 5 车轮存在擦伤时与测量平板的磋擅关系示意圈 “。与杆件运动方向的速度分量u 。的夹角口：为： 一，s i n 3 0 一( h 。4 h o ) 1 a 2 。a r c s i n l _ = 2 j 测量机构碰撞前，其初始角速度驴= 0 ，根据式( 4 一1 2 ) 得： 驴。= ( 1 + g ) “j c o s o t 1 c o s a 2 ( 4 19 ) 碰撞前，测量机构的角位移为： = 3 0 一口2 ( 4 - 2 0 ) 把( 4 1 9 ) 、( 4 - 2 0 ) 式代入式( 4 - 1 4 ) n 得车轮存在擦伤时，测量机构第一 次振动的动力响应。机构的随后几次振动，可参照式( 4 1 8 ) 求得。 综上分析，在车速“，= 2 2 6 k m h ，测量机构的动力响应如图4 - 6 所示。 北方交通大学硕i ：研究生毕业论文 。 逞4 懋 茬e 醐 荦m 1 6 00 000 4o0 日0 1 20 1 602 0o2 4o2 b 时间s 圈 5 铡量平扳动力响应圈 4 5 理论计算结果与实验值的比较与分析 表4 1 示出了不同车速时，根据以上分析计算所得的各次振动周 期的时间位移响应与相应的实验值。该实验于郑州铁路局平项山列 检所和郑州车辆北段进行。可以看出，理论计算结果与实验值基本符 合。其差别主要是由于在理论分析时忽略了由测量平板变形，机构加 表4 - 1 机构振动持续时问与振动峰值的仿真计算值与实验值的比较 振动持续时间s振动幅值m m 车速( k m h ) 振动过振动过振动过振动过振动过振动过 程i程i i程i程i程i i程i 1 5 1 计 0 0 4 0 70 0 2 3 20 0 1 3 81 0 8- 6 - 8- 5 5 1 9 。2 算 0 0 4 2 60 0 2 7 40 0 1 7 013 68 15 9 2 3 2 值 0 0 4 3 70 0 3 0 30 0 1 9 61 7 09 1- 6 2 1 5 1 实 0 0 3 9 50 0 2 9 20 0 1 5 21 1 2- 7 6- 62 1 9 2 验 0 0 4 0 9o 0 3 0 5o 0 1 8 31 4 99 26 7 2 3 2 值 0 0 4 1 50 0 2 9 20 0 2 1 31 8 51 1 37 3 北方交通大学硕士研究生毕业论文 工及安装的不平整度等不利因素的影响，使得平板再次与轮缘发生碰 撞时，平板所处的回复位置与实际情况有所不同，进而造成时间一位 移响应的计算误差。 4 6 本章小结 利用计算持续时间短的冲击荷载反应的一个方便的近似方法，建 立了平行四边形测量机构的动力学模型，掌握了轮缘一测量机构动力 作用效应，并通过与实验值的比较证明其正确性，从而为进一步控制 振动提供了必要的理论依据。 北方交通大学硕士研究生毕业论文 第五章测量机构的振动控制分析 根据前面的分析，提高系统测量精度的关键即是解决好振动控制 的问题。本章的任务就是要在综合考虑各种振动控制方法的前提下， 合理地选择适合于本系统的振动控制方案。在此基础上，对方案的可 行性进行具体分析，即对机构的动力响应进行计算机模拟，并设计有 关的参数。 5 1 振动控制方法的选择 振动控制般可分为主动控制和被动控制两大类【2 3 】。振动的被动 控制，方法简单，易于实现，不需夕i , d n 能量，经济性能好，是振动控 制的经典方法。主动控制适应性强，应用面广，减振效果良好，但需 要提供外部能量，为满足在线控制的需要，还要有相应的测量系统和 信号处理系统，使用费用较高。此外，主动控制还是一门发展中的学 科，无论在理论上或是在工程实现中，都有相当的难度，其中不少问 题还有待进一步的研究。 鉴于上述原因，采用被动控制来降低车轮轮缘对测量机构的冲击 作用。常用的被动控制方法有隔振法、吸振法、缓冲法、阻尼减振法 等。隔振法是借助于控制振动能量的传递来减小振动，吸振法是借助 于转移振动系统的能量来实现对振动的控制，缓冲法是借助于将动能 转化为势能来减缓冲击，阻尼减振法是通过设置一定的阻尼器来耗散 振动系统的能量，以达到减振的目的。对于持续时间较短的冲击荷载， 一般常用缓冲法来降低系统的振动。考虑到在缓冲器中加入阻尼后， 可使一部分冲击能量被阻尼所耗散，从而提高缓冲效果，在设计缓冲 器时，应同时设置阻尼器。 缓冲器的设计就是在振动系统中合理地增加弹簧，通过弹簧的 4 l 北方交通大学硕士研究生毕业论文 变形把来自外界的动能转化为弹性势能1 2 4 “”。常用的弹簧有线性弹 簧，在弹性范围内压缩量与刚度呈线性关系，如各类金属弹簧；硬性 弹簧，弹簧刚度随压缩量的增大而增大，如泡沫塑料和橡胶：软性弹 簧，弹簧刚度随压缩量的增大而减小，如空气枕。在各类弹簧中，软 性弹簧的缓冲效果最好，但其最大压缩量以亦较大，在小冲击时引 起的加速度也较大( 因为初刚度较大) ，硬性弹簧的抗超载能力较强， 但其缓冲效果在各类弹簧中最差，故采用线性弹簧来设计缓冲器。 k ：；f 3 在本研究系统中，结合实际情况，采用片簧作为测量机构的缓 冲装置，虽然片簧上各点的刚度各不相同，但每点处的变形与该点处 的刚度呈线性关系。片簧的一端同测量平板的a 点固结，另一端可 设置粘性阻尼器。车轮轮缘对测量机构的冲击动能被片簧和粘性阻尼 器吸收或耗散掉一大部分，从而大大减少测量机构本身的振动。 一般情况下，当物体受到一个冲击力作用时，将产生一个加速度 脉冲，冲击波不同，加速度脉冲也不相同。但是，当作用时间很短时， 物体产生的速度阶跃是一样的。由于缓冲器的固有振动周期较长，故 采用速度阶跃是缓冲器设计的理想模型，这也与上一章的分析相吻 合。因此，在工程设计中常作如下处理： l 、速度阶跃为常见的激励函数； 2 、当加速度脉冲的宽度( 冲击持续时间) 远小于隔冲系统的固 有振动周期时，可以把加速度脉冲近似地作为速度阶跃冲击处理； 3 、如果冲击力作用时间远小于隔冲系统固有振动周期时，则此 力的冲击与由此力的冲量产生的速度阶跃相同。 由此，可先求出车轮轮缘的冲击作用下缓冲器的速度阶跃，再 利用该速度阶跃求解整个系统的动力响应。 北方交通丈学硕士研究生毕业论文 5 2 加设缓冲器后机构动力分析的基本原理 圈5 - 1 测量系统二自由度模型示意圈 增加了缓冲器的测量机构，可简化为如图5 1 所示的二自由度模 型。第一个自由度为测量机构绕0 点的转动自由度，第二个自由度 为片簧q 点的垂直向位移。如图5 - 1 所示的二自由度模型的动力响 应，可通过振型叠加法来求解，具体步骤如下： 一、建立运动方程式 m + c u + k u = 0( 5 1 ) 式中，由于车轮轮缘的冲击力转化为系统的速度阶跃，故等式中外界 作用力p ( f ) = 0 。 1 、m 为广义质量矩阵， 确定任何结构的质量特性，最简单的方法是假定全部质量集聚在 某些需要计算位移的点上，这种方法就叫做集中质量法。根据此方法， 可把片簧的质量集中在片簧的两个端点上，左端点的质量为片簧质量 的一半，右段点的质量并入测量机构的质量中，由此可得： m ：卜m 1 2 = ( 2 3 _ m 2 + m 20 l m 2 1 m 2 2 l 0 m 3 j m 。为测量平板的质量，吖：为测量机构一根支杆的质量，m ，为片簧 质量的一半。 2 、c 为广义阻尼矩阵， 北方交通火学硕士研究生毕业论文 h0 c 2 2 j 2 l oc ：j a 为测量系统自身阻尼系数，c ：为缓冲器中设置的阻尼器的阻尼系 数。 3 、k 为广义刚度矩阵， 足= 雕：1 ：2 k ，表示测量机构产生单位转角时，机构自身的螺旋弹簧所需提 供力矩的大小： k l l = o 7 5 k 2 k 为弹簧的弹性系数，为测量机构支杆豹长度； k ：表示片簧q 点产生单位竖向位移时，测量机构保持不动，所 需提供的力矩的大小： ， 3 x 压l e l 七1 2 一瓦厂 尉为片簧的抗弯刚度，三为片簧的长度； k ，表示测量机构产生单位转角时，片簧q 点保持不动，所需提 供的力的大小： “旷一等； k ：表示片簧q 点产生单位竖向位移时，需要在q 点施加的力的 大小： = 等： 4 、”为广义坐标向量 “= 嘲 二、振型和频率分析 通过求解下式来确定振型矩阵巾和频率向量国 一r 一一c 北方交通大学硕i ：研究生毕业论文 k 一2 m p = 0 ( 5 2 ) 三、广义质量 依次取每一个振型向量丸，计算每一个振型的广义质量： m 。= 彭倾 ( 5 - 3 ) 四、非耦合的运动方程 用每个振型的振型频率o j 。和给定的振型阻尼比孝。 一个振型的运动方程如下： 艺+ 2 善c o 。t + 。2 匕= 0 就能写出每 ( 5 - 4 ) 五、振型自由振动 对于每一个振型，其有阻尼自由振动响应的通式为： 舶) ：口埘l 地出盟s i r l c o ) t + l ( o ) c o s 吣f ( 5 - 5 ) i ( o d nj 式中，匕( o ) 和圪( o ) 表示初始振型位移和初速度。它们由用原始几何 坐标表示的已知初位移u ( o ) 和初速度u ( o ) 求得，对每一个振型分量， 可用如下公式求解： 匕( o ) ：塑型( 5 - 6 ) m ” 毫( o ) ：坐缨( 5 - 7 ) m “ 六、在几何坐标中的响应 由式( 5 5 ) 求出每一振型的响应l ( f ) 后，通过正规坐标交换给出 用几何坐标表示的表达式： ( f ) = c y ( t ) 也可以写成 u ( t ) = k ( f ) + 妒2 匕( f ) ( 5 - 8 ) 北方交通大学硕仁研究生毕业论文 七、系统的速度响应 n ( f ) = 办x ( f ) + 欢匕( f ) 6 3 加设缓冲器后的机构振动广义初速度分析 ( 5 9 ) 当车轮即将踏上测量平板时，首先与片簧发生碰撞。轮缘沿水平 方向的冲击分量，在不考虑片簧轴向变形的情况下，将通过片簧传递 给整个测量系统：沿竖直方向的冲击分量，将转化为片簧的速度阶跃。 因此，片簧缓冲器的设置，只能减缓轮缘的竖向冲击分量。 圈5 - 2 车轮轮缘与片簧碰撞时的速度分量示意图 如图5 2 所示，测量机构简化为绕o 点转动的杆件b ，车轮轮缘 对片簧的作用简化为物体a 以速度“与c 发生碰撞，在不考虑摩擦 力的情况下，a 与c 只在法线方向发生碰撞，在法线方向的速度分 量为t ：，与吼的方向夹角为口。t ：竖直方向速度分量为”，由于片 簧的缓冲作用，只会让片簧杆端q 点的集中质量产生向下的初速 度；t ：水平方向速度分量为t ：2 ，在不考虑片簧轴向变形的情况下， p ：2 将会使包括片簧在内的整个测量机构产生绕0 点转动的初角速 度。根据( 4 。1 2 ) 式可得： 第一自由度的初角速度 驴。= 驴。+ ( 1 + g ) ( 兰- 兰旦竺l 罢呈型一驴。) ( 5 1 0 ) 式中，口为杆件b 与水平的夹角，驴。为碰撞之前杆件b 的角速度 北方交通大学硕l 研究生毕业论文 第一次碰撞时驴。= 0 。 第二自由度的初速度： t o o = t 。l + ( 1 + g ) ( i l c o s 2 lc o s 2 2 一i q l ) ( 5 1 1 ) 式中，屹，为碰撞之前片簧左端点q 点的竖直方向速度，第一次碰撞 时t 口l = 0 。由此可得： 卜= 斟 ( 5 - 1 2 ) 通过计算分析表明，在合理设计的前提下( 片簧缓冲器的设计详 见下一节) ，片簧左端q 点的竖向位移响应可控制在一定范围内， 使得片簧与车轮再次发生碰撞时，碰撞作用点仍为q 点。所以式( 5