專利名稱：：車輪軌道相互作用力評估的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種^H古4姊車輛車輪^N失軌之間相互作用的方法和裝置，特別妙僅僅涉及^H古由于M不細(xì)'J表面《1起的接觸力。背景絲關(guān)于諸4逸輸車這樣的i^il車輛的輪4M目互作用的信息可以以多種方式被使用，例如用于提供車輛可能出軌的指示以及分析車輪或M4:的損害。但是，由于接觸位置難以接近，所以一^:不可肯樹^1車輛的車#車輪在其_11^動的勒道之間的相互作用力進(jìn)行直接測量。間接確定這些相互作用的一系列商業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)是可用的，例如已知的VAMPIERADAMS/Raa⑧^NUCARS⑧，軟件包。這些產(chǎn)品包括車輛^ii系統(tǒng)的前向動力學(xué)模型，其中首先測量機(jī)逸的不MJ'J,然后利用運行i^和已知的車輛特征來預(yù)估接觸力。但是，在整個技術(shù)中存在大量缺陷，包括提供^t數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)的成本以及其對于維持正常全部車輛的困難。輛(AJ^f申經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ArtificialNeutralNetwork)ANN建糊于^il車輛和相互作用力的一系列才勤以包也是可獲得的。這些H^求^f^f可形^M:行i^l作為輸A^計^4^^Lii之間的相互作用eANN模型要求;L夠的現(xiàn)場測^t據(jù)來為每種車型建^^ji型。因此，處理it^呈是昂貴的，并且仍絲在以下限制，即M賴于最新^ii數(shù)據(jù)iMt車輛性^ii行每日評估。至^H^殳有一種成功的產(chǎn)品可以基于車輛參數(shù)和車輛運動測量來實時計算輪4i力。狄涉及敏(wheelset)中摩擦和衰減的非線',問題。
發(fā)明內(nèi)容^^發(fā)明的一個目的;li^供改逸系鍵JMff古4^ii車輛的車^^Lit之間的接觸力，或者至少^^對3^凈支術(shù)系統(tǒng)的替換。在一個方面中，本發(fā)明因此可以被寬^j4認(rèn)為涉及一種^H古^te^r車的車l^i^r車沿其運動的斬道之間的接觸力的方法，包括確定運輸車的車體的加逸變，基于運輸車的車體的加il^和車體的預(yù)定I^M十算運輸車的側(cè)架上的力，基于運輸車的車體的加ii^和車體的預(yù)定^M十算運輸車的車輪上的力，基于為側(cè)絲車輪所計算的力來計料^M^i之間的接觸力。M地，通it^輸車車體上與運輸車質(zhì)心間隔開的位置處安^:動傳感器，并在HMi于運輸車上的處理器處^yjt些傳感^收數(shù)據(jù)來確定運輸車車體的加逸變。M動傳感器所接收的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)^7表示運輸車的車糾目對于質(zhì)心的橫向、豎向、傾斜(pitch)、滾轉(zhuǎn)(roll)和偏杭(yaw)的加逸變。該計算基于包樹'J用赫茲彈輛粘滯阻尼^W"運輸車的車體、側(cè)架和i^且的近似的模型。在另一方面，本發(fā)明還提^-種評估^it^輸車的車^M^i之間的接觸力的裝置，包括一組iM在多個相對于運輸車質(zhì)心的位置處的運動傳感器，以;OJl些傳感皿收數(shù)據(jù)的處理器，其中處理器包^i十^4^1^代碼，而計力，^于車體;加ii^和車體的預(yù)定I^M十算運輸車的車輪上的力,基于二側(cè)架和車輪所計算的力來計#4#^1之間的接觸力。還可以包括發(fā)射器，用于將有關(guān)接觸力的數(shù)據(jù)AUt理H^^'J收集站點。本發(fā)明還包括^^說明書中所指出的特征的4封可替換^i且合。這些特征的所有等同特征不管是否被明確4^fN皮認(rèn)為包括^MC明內(nèi)。結(jié)合以下的附圖將對于本發(fā)明的M實施例進(jìn)行介紹，其中附圖i示意^^示出了有4i^r車，附圖2表示可^^iiiJi產(chǎn)生的輪4U7，附圖3是運輸車或，車輛上的^^且的簡化^^型圖，附圖4表示可以i^于監(jiān)^^車運動的裝置，附圖5顯示該裝置中的運動傳感器的特性，附圖6顯示運輸車的反車輛動力學(xué)模型，附圖7顯示運輸車車體上慣性力的確定，附圖8顯示裝置中的程序代碼的^ta^呈圖，附圖9顯^^J輪4i^觸力的典型變化，附圖10顯示豎直輪4M^觸力的典型變化。附圖11顯示附圖9和10中的橫向和豎向力的比率。附圖12顯示所測的運輸車車體的加速度。附圖13顯示對于所測量的加逸變的估計的豎向車輪力。附圖14顯示對于所測量的加逸變的估計的水平車輪力。附圖15顯示對于所測量的加#的橫向力和豎直力的比率。M實施方式參照附圖可以理解，本發(fā)明可以以M方式應(yīng)用于^t車輛系統(tǒng)。這些實施例涉及^it^車^H5^5Ut過種'J給出。附圖1顯示具有車體10和兩個轉(zhuǎn)向架11的斬itit輸車。^il個例子中，M向架具有一對平行側(cè)架12，其中每^#腺安#垂直懸掛單元上，并支承一對車輪13。一個公共懸掛單iUi的車^^皮認(rèn)為是負(fù)載分享組。側(cè)架由支承梁14結(jié)合。！^且由輪軸的相對端上的車輪對構(gòu)成。因此，每個轉(zhuǎn)向架具有一對輪組?？梢岳斫?，^t運輸車結(jié)構(gòu)可以在實踐中被使用。附圖2表示鐵軌頭處橫向和豎向力向量L、V。它們表示在鐵軌和車輪之間接觸面處的接觸力，并^UU來量^t輸車穩(wěn)定性的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。動力學(xué)的豎直力經(jīng)常^^示為其靜;^t的百分比，從而指示輪重減栽。橫向力經(jīng)常^L^示為橫向力/豎直力形式的與豎直力的比率。這個比率被稱為"Nadal標(biāo)準(zhǔn)"或者"^W旨數(shù)"或^'L/V率，，，并且^^J于指示車輛在車輪;fe^模式(wheelclimbmode)中的ft^向。力作用點M"輪4te動學(xué)接觸l^:的變化而變化。附圖3顯示數(shù)學(xué)物理模型:M可使得能夠通ii^目應(yīng)彈力和阻尼力的和來描述豎向力。以下的分析涉及簡化的由車#懸^量所構(gòu)成的2自由度(DOF)系統(tǒng)，并將提供用于豎向車輪^ii接觸力預(yù)測的基J^^念?，F(xiàn)實的物理模型更復(fù)雜，并具有更多的自由度，并ilil輸車車條動通il^HN多加^l和三個旋轉(zhuǎn)加iMj)^示。林系統(tǒng)中，質(zhì)量mo的加^jyM于通過以下的等式來估計輪4i^觸力"'。"。十C。(i。-O-0(1)"!^'w+Cw(iw—fr)+Iw(zw-vr)=—附。a。(2)其中，ao表示質(zhì)量mo的加逸復(fù)，2w表示重量mw的加逸變，線性阻尼器由Q、Q來P艮定，幾性彈簧剛度由Ko、！^來限定，質(zhì)量mo和mw的豎直儲和i4^別是5。;Zo和iJZw。八表示作為時間或距離的函數(shù)的豎直城不細(xì)'J性，F(xiàn)Df是位于質(zhì)量mo和nv之間的非線性P且尼器(通常;l^擦)。設(shè)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>則等式(2)變?yōu)槎x<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>為車ife^ii豎向接觸力并需要預(yù)觀寸。衝性力moao^:行itJb^等式(2)所描述的系統(tǒng)的輸入。于是，系統(tǒng)可被數(shù)艦求解，以獲^^f多和狄Zwr和s。最終，通過等式(5)，豎向輪-軌交互力可以被確定。存擬艮多種方法來應(yīng)用于負(fù)載評估，但是它們對，測車4mii接觸力而言具有多種限制。附圖4顯示了可以被用于監(jiān)^L^il車輛運動并^^亍導(dǎo)致接觸力評估的計算的裝置的項目。該裝置包括一纟^動傳感器40,i;H^加速計或者i4;l傳感器。它們被iU和安裝在附圖1所^^T車體的適當(dāng)位置處，與總的質(zhì)心間隔開，典型綠于運輸車體的角部?？傊仨氂腥齻€或者更多的傳感^i于車體上。監(jiān)一Jt^置4i通常扭于i^r車上，或者在包^^r車的列車上的^^^TT能位置處，并jiit過有線或者無線連接而從傳感雜收數(shù)據(jù)。該裝置包括處理器42、發(fā)射器/天線43和電池44。電源45將功率從電M送到處理器、發(fā)射器和傳感器。電^^kit過諸如太陽能電池46這樣的列車上的源充電。所有的部件凈皮構(gòu)造為可以M^^^員害，并且凈皮密封以防止塵J^水的iiA。附圖5更洋細(xì)地顯示了運動傳感器的布置g怍。這些傳感器中所需的最小功能性是^個位置中每一個處所測量的兩個軸。#車的每個端處的一個傳感器測，向和豎向的運動以允ifi十算豎向、橫向、^*傾斜模式。一個端處的第三2*動傳感器測量豎向和縱向的運動，以允ifi十算徑向和滾^動。通過^i置中的三軸加速計，可以獲得^精確的結(jié)果。在錄置中^1三軸加速iHUt許正確地計算大角度運動，并包^車體彎曲的隱含平均。原型的運動傳感器是AnalogDiviceADXL202/10雙軸加速^^傳感器。ADXL202/10測量兩個正交軸中的加i^1，并能夠感測從DC到數(shù)千赫茲的頻率。為了為她車車條動確保^六個自由度，高t個軸加速if^iO^運輸車體的三個角部處。通鞋用坐標(biāo)游換，這些信號可以被轉(zhuǎn)化為縱向、橫向和豎向加i4^，以及傾斜、滾#偏航。在該優(yōu)選實施例中，三個傳感器裝置被iM^^:輸牟體上的某些位置處，從而可以觀察運輸車體的六自由度的運動。運動感測裝置的^X不是唯一的，多種的iM^T以凈，于X!L^運輸車體的六自由度的運動。運動感測裝置的設(shè)置的變^^導(dǎo)致確定運輸車車體質(zhì)心處加ii^^斤需要的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換的變化。運動感測裝置可以用除加速計^卜的^#^置來實現(xiàn)。陀螺M者角位置傳感器或者角旋轉(zhuǎn)傳感器都可以衫L^用，并J^il^信號可以易于通過微分而才鵬它們的輸出被確定。用于，Jl^運輸車車體的六自由度運動的運動感測裝置的數(shù)量可以不是三個。運動傳感器的輸出可以由處3S^i處理。在本m實施例中，采用在40MHz操怍、具有256KB的RAM的Rabbit3000處理器來實現(xiàn)車^it^目互作用力預(yù)測裝置。車4^o道力指示被^:置通過無線電發(fā)4^幾被傳遞。附圖6顯示了用于形^t過原型裝置求解以評估車^it^目互作用力的方考ll且的物理模型。才莫型^~有以下的特征^:承梁固定到運輸車體；.忽略側(cè)架的傾斜，從而相同轉(zhuǎn)向架上的兩個l^且的預(yù)i情^^皮認(rèn)為是一樣的。做側(cè)架與l^且接觸而沒有懸掛,使鄉(xiāng)煤的質(zhì)*#:認(rèn)為是接頭(adapter)的錯量。.赫茲剛;l凈M于樹以車^iiJE常4^觸。M具有三片轉(zhuǎn)向架的運輸車(如在澳大利亞貨#重型^中廣泛4^)的)，附圖6中所顯示的模型是一個簡化的質(zhì)量和連接集中在-"^的運輸車，如下逸輸車體質(zhì)量包^^車腫承纖量；4^1^量包括三片轉(zhuǎn)向架的不支絲彈簧上的質(zhì)量即兩個2^脈兩種'J架。,初級懸掛等同于三片轉(zhuǎn)向架次級懸掛。附圖6中顯示的模型具有如表l所列的13個自由度，并且應(yīng)當(dāng)注意，模型可以容易地被適酉e^整適合1S牛多其他的轉(zhuǎn)向架設(shè)計。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>13表l物3S^型自由度在應(yīng)用中，運輸車體的平移和角加i^可以在不同于點P處的質(zhì)心(附圖5所示)的一個點處被測量，^ii種情況下，it^r車車體質(zhì)心的橫向和豎向加速度可以通過以下的相對運動關(guān)系;5M^得<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>其中，"x。；；^表示點OM心在x、y和z方向上的加逸變，a表示在點P處所測量的加狄，A、B、H表示質(zhì)心到被測量點P之間在縱向、4躺、豎向上的距離。因數(shù)《/,；^是關(guān)于x、y和z軸的角加。角加^^;1##不變。可以替換地，只有運輸車^m向、橫向和豎向上的平移力nii^l^i^T車體的三個角部處(參見附圖1和5)被測量，于是，運輸車車體的質(zhì)心角加i4^可以被^^示如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>等式(6)、(7)、(8)的使用允許對于^it動傳感器可以位于運輸車上的位置的相當(dāng)大的靈活性。一旦安裝，運動傳感器的位置-細(xì)于配狄向模型糾于該特定的運輸車給出正確的結(jié)果。輪車/^ii接觸力是通過車4^4iii之間的赫茲彈性來確定的。"fit的車輪/^t"^觸力由豎向力和塑性變形(creepage)確定，塑性變形^皮用于確定^和縱向塑性變形力分量。如果輪組的橫向擺動超過了法蘭間隙(flangeclearance)5，則iE4在車輪法蘭和^il之間的接觸。這導(dǎo)致突然'I^1力FT，^4皮稱為法蘭力。該力的現(xiàn)f^i4^通過帶有死區(qū)(deadband)的剛性線性彈簧械供。、0-5),"j/,&0)=o，—"-，(9)"-《其中y表示^^且的沖躺^f多，ko表示法蘭和車輪之間的沖擊剛度；S表示當(dāng)4Ma位于中心時拋巨面(railguageface)和法蘭之間的躺距離。因為姚車體^f黃向、豎向、傾^^it^方向上的加i^l:已知的，所以系統(tǒng)的自變量減少為8個。^目車輛模型可以被數(shù)學(xué)表示為〖贈附.+〖単辨+[cH《+巧,+巧(10)其中[M]表示質(zhì)量矩陣，IK1是彈簧剛度矩陣，[q是系統(tǒng)阻尼矩陣，F(xiàn)w表示重力矢量，F(xiàn)a是與運輸車體的慣量和所測加ii;l二者相關(guān)的力矢量。Fn、Ft分別表示豎向g向的車輪4^t接觸力。豎向力Fn由以下確定《i=[Kw〗1w+[G窗附(11)其中[K^表示車輪-城剛度矩P車，[C^1表示車輪-城阻尼矩陣，Xw是自變量矢量，包括平移和角位移，并且^X義為義wr=1>W，2m!，^d,wl,A。,，伊、Cw3fG2)其中，ywl;P《VM各自表示第一轉(zhuǎn)向架的躺位移、豎向位移、滾轉(zhuǎn)(繞y軸的角位移)和偏航(繞z軸的角位移)。類似的，yw3;伊沐3;1^A^于第4向架的。對于平移運動，慣性力是通ii^ltt以賄車車體質(zhì)量來計算的，但是對于旋^t動，例如，如^it輸車車體的滾轉(zhuǎn)加it^已知的，則橫向和豎向上的支持力可以通過下面的方法來計算(參見附圖7):其中力&b，h分別^^v力作用點到質(zhì)心的橫向和豎向的距離?！┦菨L轉(zhuǎn)角加逸復(fù)，^M^例子中是繞x軸的(例如，滾轉(zhuǎn))。附圖8顯示了^1諸如上述那樣的監(jiān)*置來^[古運輸車模型的算法的功能;j^呈。加i4;l數(shù)據(jù)首先以適當(dāng)?shù)牟蓸勇蔨^取。采樣率必須足夠高以防止混淆現(xiàn)象，因為車輛振動通常包括由導(dǎo)軌面和輪軸^^入(wheelbearinginputs)所導(dǎo)致的高頻低幅振動。對于車輛動力學(xué)不重要的高頻加it;l^量必須首先被AUpi^l數(shù)據(jù)中濾除。在貨運車輛上，高于20Hz的信號對于運輸車動力學(xué);Uf"沒有影響。然后利用來自運動傳感器的加i4^數(shù)^N4動傳感雜置相對于運輸車體質(zhì)心的已知測量來確定運輸車體的加ii;l。然后利用所測得的加i^l和運輸車體的已知質(zhì)量和慣量來計算淑口于轉(zhuǎn)向架的力。反相模型然后^ui于計算;^o在轉(zhuǎn)向架處的豎向^4黃向力。這些結(jié)果凈^于推斷輪減栽和L/V比率。在轉(zhuǎn)向架傾^轉(zhuǎn)向架絲不能單餘車體的運動傳感器數(shù)據(jù)獲得時，所計算的數(shù)值就^4轉(zhuǎn)向架每側(cè)上兩個車輪-^il接觸上(即側(cè)架上)的平均減栽和L/V。附圖9-15顯示了采用上i^i目模型進(jìn)行計算的結(jié)果。附圖9、10、11是模型數(shù)據(jù)和來自VAMPIRE包的標(biāo)，擬的tb^。VAMPIRE使用傳統(tǒng)的前向模型，并且必須提供所有的斬il7U可數(shù)據(jù)。從VAMPIRE模型(才對^^實施例中腿動傳感器所獲得的數(shù)據(jù))所獲得的運輸車響應(yīng)數(shù)據(jù)被記錄，并且然后^!^l作為^iM^型的^^入。^i目模型然后^^]于產(chǎn)生橫向力數(shù)據(jù)(附圖9)、豎向力數(shù)據(jù)(附圖10)和L/V數(shù)提(附圖11)。在所有X^t情況下，在反相模型輸出和VAMPIRE輸出之間存在充^i一致，以證明將W目模型用作場,來指示諸:ia^差的斬道-運輸車交互作用、較差的Mit^面和^Mt性是適當(dāng)?shù)摹８綀D12顯示了由監(jiān)^L^置在4/Lil測^Ji所測量的濾波后的加速計輸入。附圖13、14、15顯示^^l來自運動傳感器的所測得的加速計數(shù)據(jù)來計Wtii的豎向、橫向和160m上的L/V。在隨后的W，漆求書的范圍中可以對發(fā)明進(jìn)行多種變換。權(quán)利要求1、一種評估軌道運輸車的車輪和運輸車正沿其運動的軌道之間的接觸力的方法，包括確定運輸車的車體的加速度；基于車體的加速度和預(yù)定的車體參數(shù)，計算運輸車的側(cè)架上的力；基于車體的加速度和預(yù)定的車體參數(shù)，計算運輸車的車輪上的力；以及基于為側(cè)架和車輪所計算的力，計算車輪和軌道之間的接觸力。2、如權(quán)矛j^求1所述的方法，^ft征在于確定，車車體的加iH包拾^jiil輸車的車體上的與魏車的質(zhì)心間隔開的位置處it^運動傳感器，并且在#于運輸車上的處理器處從傳感||#收數(shù)據(jù)。3、^K矛漆求2所述的方法，其特征在于確定i^T車車體的加i^包拾將M動傳感器所接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)^7表示車體關(guān)于運輸車質(zhì)心的橫向、豎向、傾斜、滾^p^^:動的加i^。4、如W'漆求1所述的方法，M棘于計算絲于模型的，其中該模型包紛'j用赫茲彈f^粘滯阻;5^IUM:似用于運輸車的車體、側(cè)架和^^且。5、如權(quán)矛虔求l所述的方法，^#棘于接觸力從驢的表面產(chǎn)生，并在與每個車輛懸掛單;U目關(guān)聯(lián)的車輪上被平均。6、如;M^，澳求1所述的方法，進(jìn)一步包括傳輸與接觸力相關(guān)的數(shù)據(jù)。7、^H前面^^M，決求所述的方法操怍的用iHH古接觸力的裝置。8、用iS^古^itit輸車的車^4^i之間的接觸力的裝置，包拾一iEit動傳感器，位于相對于運輸車的質(zhì)心的位置處；處理器，其從傳感雜受數(shù)據(jù)，并包^i十^^fi^P^，其中該計#4^呈序躺基于車體的加it^和預(yù)定的車^f^t，計算i^T車的側(cè)架上的力；基于車體的加i^l和預(yù)定的車^l^:，計算i^^車的車輪上的力；以及基于為側(cè)^車輪所計算的力，計料4^^tii之間的接觸力。9、>'漆求8所述的裝置，進(jìn)一步包括發(fā)射器，用于將與接觸力相關(guān)的數(shù)據(jù)城理辦頓收集站。全文摘要本發(fā)明涉及一種評估鐵路運輸車輪和軌道之間接觸應(yīng)力的方法，用于確定例如脫軌可能性的信息。運輸車車體的加速度采用位于車體上的適當(dāng)點的運動傳感器來測量。運輸車側(cè)架上的應(yīng)力基于車體加速度和車體的預(yù)定參數(shù)來進(jìn)行計算。基于車體加速度和預(yù)先設(shè)定的車體參數(shù)來計算運輸車車輪的應(yīng)力。這樣基于為側(cè)架和車輪計算的力來計算車輪和軌道之間的接觸應(yīng)力。該計算采用運輸車系統(tǒng)的反相模型來進(jìn)行。還描述了應(yīng)用該方法的設(shè)備。文檔編號B61K9/08GK101309824SQ200680026068公開日2008年11月19日申請日期2006年6月8日優(yōu)先權(quán)日2005年6月8日發(fā)明者P·J·沃爾夫斯,夏福杰申請人:昆士蘭鐵路有限公司;澳大利亞鐵路軌道有限公司;太平洋國立(維多利亞)有限公司;阿斯西亞諾服務(wù)股份有限公司;Tmg鐵路技術(shù)股份有限公司;新南威爾士鐵路公司;昆士蘭中部大學(xué);伍倫貢大學(xué);莫納什大學(xué);南澳大利亞大學(xué);昆士蘭技術(shù)大學(xué);昆士蘭大學(xué)