高速车轮非圆化对轮轨动力作用的影响与监测

The influence of different types of railway wheel out-of-roundness（OOR）on the dynamic wheel/rail contact forces and condition monitoring measure is a focal point of research in high-speed railway traffic safety. A coupling dynamics model of railway vehicle with out-of-round wheels and track is built and a corresponding numerical method is developed. The effect of out-of-roundness of the wheels on the dynamical behavior of the vehicle/track system is analyzed in details. The limit of the wheel out-of-roundness is determined according to the dynamical behavior of the vehicle for safely running estimation. Traditional methods of wheel-rail contact forces measurement need strain gauges on wheel sets or rails. However, the shortcomings of strain gauges such as zero-drift, poor electromagnetic-immune property and instability of test system can't meat wheel/rail force test requirements in high-speed railways. A method based on PVDF piezoelectric sensing technology is presented for the test of vertical and horizontal wheel/rail force. Theoretical model and Finite Element Model of relationship between PVDF sensor output and wheel/rail loads are set up. A series of tests and analysis with FEM are carried out to validate the feasibility of the method. A recognition method of wheel defects is put forward, which is based on the relationship between the out-of-roundness of wheels and the impact load on track caused by the defect and the operating sppeed of train. The objective of the present study is to quantify the wheel/rail contact force for different types of OOR and to establish wheel/rail interaction force real-time monitoring system. The study is of important significance for enhancing the stability and economy of rail transmission.

高速铁路行车安全是当前学术和工程领域研究的热点和难点问题，而高速车轮不圆顺对轮轨动力作用机理的影响及其监测是其重点研究内容之一。针对此问题，本课题通过建立考虑车轮滚动圆非圆化状态下的整车车辆/轨道空间耦合动力学模型，研究高速运行状态下车轮非圆化程度对车辆轨道系统动态行为的影响，确定各种车轮不圆度的临界范围；针对铁路轮轨作用力传统测试方法的不足和PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜优异的动态传感特性，提出一种基于PVDF压电传感的车轮失圆轮轨力实时监测方法，建立失圆车轮轮轨作用力与PVDF压电传感输出相互作用的理论关系模型，同时运用数值模拟、传感特性实验和室内模拟试验验证该监测方法的合理性与可行性；基于车轮滚动圆非圆化对车辆轨道系统的冲击作用与列车运行速度及车轮不圆顺状态的规律，提出轮轨作用力判别与车轮不圆度识别算法；通过该研究为高速列车运行安全监测提供新思路。

高速铁路车轮非圆化问题不仅影响列车的高速平稳运行，而且会导致车辆轨道系统产生强烈的冲击振动，危及行车安全。本课题基于高速情形下车轮非圆化问题对轮轨动力作用特性的影响，提出了一种基于PVDF（Polyvinylidene Fluoride）压电传感技术的铁路轮轨力监测方法，并围绕其关键技术进行了理论探索与实验研究，主要取得了以下研究成果：（1）基于车辆轨道垂横向耦合动力学理论，建立了基于ADAMS/Rail的考虑车轮非圆化状态的高速车辆轨道耦合系统动力学仿真分析模型，提出了车轮瞬时滚动圆为非圆时轮轨接触几何关系和轮轨作用力计算方法。（2）系统分析了铁路车轮非圆化的特征并对其进行了定义分类，建立了一种新的车轮滚动圆非圆化的数学模型，详细研究了高速情形下车轮非圆问题对轮轨系统冲击振动和行车安全性的影响，针对每一种车轮非圆类型从其幅值大小、波长范围以及不圆顺波数等方面与轮轨动力作用特征的关系进行了计算分析，建立了各种车轮不圆度与轮轨动力作用响应峰值的关系。（3）提出了基于PVDF压电传感技术的铁路失圆车轮轮轨力地面监测方法，采用PVDF压电贴片传感器通过测量钢轨应变实现轮轨接触力的实时监测，结合各种非圆车轮激励作用下的轮轨动力作用特征，提出了轮轨作用力监测总体设计方案。（4）基于轮轨耦合作用下钢轨应变传递的理论模型和PVDF压电应变传感机理，建立了PVDF压电传感输出与轮轨作用力的理论关系模型；通过有限元仿真计算，分析了实际工程应用中轮轨垂横向力交叉干扰、压电传感元件粘贴角等因素对输出结果的影响。（5）采用等强度梁模型对PVDF压电传感动态特性、抗电磁干扰、抗零漂、可重复性等性能进行了实验研究，并与普通电阻应变片进行了对比，结果表明采用PVDF压电传感技术可以基本满足高速铁路轮轨力实时监测在灵敏度、抗干扰特性以及环境适应性等方面的性能要求。（6）采用自行加工的钢轨梁模型对基于PVDF压电传感的轮轨力测试方法进行了实验室试验，并与有限元仿真结果进行了对比，对本课题所提出方法的合理性和可行性进行了前期验证。（7）利用软硬件相结合的思想，在MATLAB环境中采用模块化编程方法设计了铁路轮轨力监测振动信号采集与分析处理系统。利用MATLAB语言自身的特点弥补了一些现有软件开发时的缺点，实现了数据的实时采集、数据显示与存储、以及远程监测功能，提高了系统的在线实时能力。