專利名稱：車輪軌道相互作用力評(píng)估的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種評(píng)估鐵路車輛車輪和鐵軌之間相互作用的方法和裝置，特別但不僅僅涉及評(píng)估由于軌道不規(guī)則表面引起的接觸力。
背景技術(shù)：
關(guān)于諸如運(yùn)輸車這樣的軌道車輛的輪-軌相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軌道的損害。但是，由于接觸位置難以接近，所以一般不可能對(duì)軌道車輛的車輪和車輪在其上運(yùn)動(dòng)的軌道之間的相互作用力進(jìn)行直接測(cè)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VAMPIER ,ADAMS/Rail ，NUCARS ,軟件包。這些產(chǎn)品包括車輛軌道系統(tǒng)
的前向動(dòng)力學(xué)模型，其中首先測(cè)量軌道的不規(guī)則，然后利用運(yùn)行速度和已知的車輛特征來(lái)預(yù)估接觸力。但是，在整個(gè)技術(shù)中存在大量缺陷，包括提供軌道數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)的成本以及其對(duì)于維持正常全部車輛的困難。采用(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Artificial Neutral Network) ANN建模用于軌道車輛和相互作用力的一系列模擬包也是可獲得的。這些也要求軌道幾何形狀和運(yùn)行速度作為輸入來(lái)計(jì)算車輪和軌道之間的相互作用。ANN模型要求足夠的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)為每種車型建立模擬模型。因此，處理過(guò)程是昂貴的，并且仍然存在以下限制，即其依賴于最新軌道數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)車輛性能進(jìn)行每日評(píng)估。至今還沒有一種成功的產(chǎn)品可以基于車輛參數(shù)和車輛運(yùn)動(dòng)測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算輪-軌力。這是涉及輪組(wheelset)中摩擦和衰減的非線性逆問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供改進(jìn)系統(tǒng)來(lái)評(píng)估軌道車輛的車輪和軌道之間的接觸力，或者至少提供對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的替換。在一個(gè)方面中，本發(fā)明因此可以被寬泛地認(rèn)為涉及一種評(píng)估軌道運(yùn)輸車的車輪和運(yùn)輸車沿其運(yùn)動(dòng)的軌道之間的接觸力的方法，包括確定運(yùn)輸車的車體的加速度，基于運(yùn)輸車的車體的加速度和車體的預(yù)定參數(shù)來(lái)計(jì)算運(yùn)輸車的側(cè)架上的力，基于運(yùn)輸車的車體的加速度和車體的預(yù)定參數(shù)來(lái)計(jì)算運(yùn)輸車的車輪上的力，基于為側(cè)架和車輪所計(jì)算的力來(lái)計(jì)算車輪和軌道之間的接觸力。優(yōu)選地，通過(guò)在運(yùn)輸車車體上與運(yùn)輸車質(zhì)心間隔開的位置處安裝運(yùn)動(dòng)傳感器，并在也位于運(yùn)輸車上的處理器處從這些傳感器接收數(shù)據(jù)來(lái)確定運(yùn)輸車車體的加速度。從運(yùn)動(dòng)傳感器所接收的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為表示運(yùn)輸車的車體相對(duì)于質(zhì)心的橫向、豎向、傾斜(pitch)、滾轉(zhuǎn)(roll)和偏航(yaw)的加速度。該計(jì)算基于包括利用赫茲彈簧和粘滯阻尼參數(shù)對(duì)運(yùn)輸車的車體、側(cè)架和輪組的近似的模型。在另一方面，本發(fā)明還提供一種評(píng)估軌道運(yùn)輸車的車輪和軌道之間的接觸力的裝置，包括一組設(shè)置在多個(gè)相對(duì)于運(yùn)輸車質(zhì)心的位置處的運(yùn)動(dòng)傳感器，以及從這些傳感器接收數(shù)據(jù)的處理器，其中處理器包含計(jì)算機(jī)程序代碼，而計(jì)算機(jī)程序代碼基于車體的加速度和車體的預(yù)定參數(shù)計(jì)算運(yùn)輸車的側(cè)架上的應(yīng)力，基于車體的加速度和車體的預(yù)定參數(shù)來(lái)計(jì)算運(yùn)輸車的車輪上的力，基于為側(cè)架和車輪所計(jì)算的力來(lái)計(jì)算車輪和軌道之間的接觸力。還可以包括發(fā)射器，用于將有關(guān)接觸力的數(shù)據(jù)從處理器傳送到收集站點(diǎn)。
本發(fā)明還包括在本說(shuō)明書中所指出的特征的任何替換性組合。這些特征的所有等同特征不管是否被明確表述都被認(rèn)為包括在本發(fā)明內(nèi)。


結(jié)合以下的附圖將對(duì)于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行介紹，其中附圖I示意性地示出了有軌運(yùn)輸車，附圖2表示可能在軌道上產(chǎn)生的輪-軌力，附圖3是運(yùn)輸車或其他車輛上的輪組的簡(jiǎn)化模型圖，附圖4表示可以被用于監(jiān)視運(yùn)輸車運(yùn)動(dòng)的裝置，附圖5顯示該裝置中的運(yùn)動(dòng)傳感器的特性，附圖6顯示運(yùn)輸車的反車輛動(dòng)力學(xué)模型，附圖7顯示運(yùn)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操作流程圖，附圖9顯示橫向輪-軌接觸力的典型變化，附圖10顯示豎直輪-軌接觸力的典型變化。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(cè)的運(yùn)輸車車體的加速度。附圖13顯示對(duì)于所測(cè)量的加速度的估計(jì)的豎向車輪力。附圖14顯示對(duì)于所測(cè)量的加速度的估計(jì)的水平車輪力。附圖15顯示對(duì)于所測(cè)量的加速度的橫向力和豎直力的比率。
具體實(shí)施例方式參照附圖可以理解，本發(fā)明可以以各種方式應(yīng)用于各種車輛系統(tǒng)。這些實(shí)施例涉及軌道運(yùn)輸車并僅僅通過(guò)舉例給出。附圖I顯示具有車體10和兩個(gè)轉(zhuǎn)向架11的軌道運(yùn)輸車。在這個(gè)例子中，各轉(zhuǎn)向架具有一對(duì)平行側(cè)架12，其中每個(gè)側(cè)架安裝在垂直懸掛單元上，并支承一對(duì)車輪13。一個(gè)公共懸掛單元上的車輪被認(rèn)為是負(fù)載分享組。側(cè)架由支承梁14結(jié)合。輪組由輪軸的相對(duì)端上的車輪對(duì)構(gòu)成。因此，每個(gè)轉(zhuǎn)向架具有一對(duì)輪組?？梢岳斫?，各種運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)可以在實(shí)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，并被用來(lái)量化運(yùn)輸車穩(wěn)定性的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)力學(xué)的豎直力經(jīng)常被表示為其靜態(tài)值的百分比，從而指示輪重減載。橫向力經(jīng)常被表示為橫向力/豎直力形式的與豎直力的比率。這個(gè)比率被稱為“Nadal標(biāo)準(zhǔn)”或者“脫軌指數(shù)”或者“L/V率”，并且被用于指示車輛在車輪爬坡模式(wheel climb mode)中的脫軌傾向。力作用點(diǎn)隨著輪-軌運(yùn)動(dòng)學(xué)接觸參數(shù)的變化而變化。附圖3顯示數(shù)學(xué)物理模型如何使得能夠通過(guò)相應(yīng)彈力和阻尼力的和來(lái)描述豎向力。以下的分析涉及簡(jiǎn)化的由車輪和懸掛質(zhì)量所構(gòu)成的2自由度(DOF)系統(tǒng)，并將提供用于豎向車輪軌道接觸力預(yù)測(cè)的基本概念。現(xiàn)實(shí)的物理模型更復(fù)雜，并具有更多的自由度，并且運(yùn)輸車車體運(yùn)動(dòng)通過(guò)三個(gè)平移加速度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)加速度來(lái)表示。在本系統(tǒng)中，質(zhì)量mQ的加速度被用于通過(guò)以下的等式來(lái)估計(jì)輪-軌接觸力m0a0 + C0(z0 -zw) + K0(z0 -zw) + F0f =Q(I)mjw +Cw(Zw^vr)+ Kw(zw-vr) = -m0ae(2)其中，aQ表示質(zhì)量mQ的加速度,f w表示重量mw的加速度，線性阻尼器由C。、Cw來(lái)限定，線性彈簧剛度由Hw來(lái)限定，質(zhì)量Hltl和Hlw的豎直位移和速度分別是I，ZO和八；Zw。Vr表示作為時(shí)間或距離的函數(shù)的豎直軌道不規(guī)則性，F(xiàn)m是位于質(zhì)量Hltl和Hlw之間的非線性阻尼器(通常是摩擦)。設(shè)zwr = Zw-Vr(3)則等式(2)變?yōu)?br> MwZwr +CwZwr + KwZwf ~ —m0ag(4)定義
Fwr =CwMvr +KwZwr(S)為車輪軌道豎向接觸力并需要預(yù)測(cè)。慣性力Hkiaci和運(yùn)行速度是等式(2)所描述的系統(tǒng)的輸入。于是，系統(tǒng)可被數(shù)值地求解，以獲得位移和速度和^胃。最終，通過(guò)等式(5)，豎向輪-軌交互力可以被確定。存在很多種方法來(lái)應(yīng)用于負(fù)載評(píng)估，但是它們對(duì)于預(yù)測(cè)車輪軌道接觸力而言具有多種限制。附圖4顯示了可以被用于監(jiān)視軌道車輛運(yùn)動(dòng)并執(zhí)行導(dǎo)致接觸力評(píng)估的計(jì)算的裝置的項(xiàng)目。該裝置包括一組運(yùn)動(dòng)傳感器40，諸如加速計(jì)或者速度傳感器。它們被設(shè)置和安裝在附圖I所示運(yùn)輸車體的適當(dāng)位置處，與總的質(zhì)心間隔開，典型地位于運(yùn)輸車體的角部。總之，必須有三個(gè)或者更多的傳感器位于車體上。監(jiān)視裝置41通常也位于運(yùn)輸車上，或者在包括運(yùn)輸車的列車上的其他任何可能位置處，并且通過(guò)有線或者無(wú)線連接而從傳感器接收數(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將功率從電池傳送到處理器、發(fā)射器和傳感器。電池優(yōu)選地通過(guò)諸如太陽(yáng)能電池46這樣的列車上的源充電。所有的部件被構(gòu)造為可以耐機(jī)械損害，并且被密封以防止塵土和水的進(jìn)入。附圖5更詳細(xì)地顯示了運(yùn)動(dòng)傳感器的布置和操作。這些傳感器中所需的最小功能性是在三個(gè)位置中每一個(gè)處所測(cè)量的兩個(gè)軸。運(yùn)輸車的每個(gè)端處的一個(gè)傳感器測(cè)量橫向和豎向的運(yùn)動(dòng)以允許計(jì)算豎向、橫向、偏航和傾斜模式。一個(gè)端處的第三2軸運(yùn)動(dòng)傳感器測(cè)量豎向和縱向的運(yùn)動(dòng)，以允許計(jì)算徑向和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)各位置中的三軸加速計(jì)，可以獲得更為精確的結(jié)果。在各位置中使用三軸加速計(jì)就允許正確地計(jì)算大角度運(yùn)動(dòng)，并包括運(yùn)輸車體彎曲的隱含平均。原型的運(yùn)動(dòng)傳感器是Analog Divice ADXL202/10雙軸加速度傳感器。ADXL202/10測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交軸中的加速度，并能夠感測(cè)從DC到數(shù)千赫茲的頻率。為了為運(yùn)輸車車體運(yùn)動(dòng)確保全部六個(gè)自由度，高達(dá)三個(gè)軸加速計(jì)被設(shè)置在運(yùn)輸車體的三個(gè)角部處。通過(guò)應(yīng)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這些信號(hào)可以被轉(zhuǎn)化為縱向、橫向和豎向加速度，以及傾斜、滾轉(zhuǎn)和偏航。在該優(yōu)選實(shí)施例中，三個(gè)傳感器裝置被設(shè)置在運(yùn)輸車體上的某些位置處，從而可以觀察運(yùn)輸車體的六自由度的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)感測(cè)裝置的設(shè)置不是唯一的，多種的設(shè)置都可以被用于 觀察運(yùn)輸車體的六自由度的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)感測(cè)裝置的設(shè)置的變化會(huì)導(dǎo)致確定運(yùn)輸車車體質(zhì)心處加速度所需要的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換的變化。運(yùn)動(dòng)感測(cè)裝置可以用除加速計(jì)之外的其他裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。陀螺儀或者角位置傳感器或者角旋轉(zhuǎn)傳感器都可以被采用，并且加速度信號(hào)可以易于通過(guò)微分而根據(jù)它們的輸出被確定。用于觀察運(yùn)輸車車體的六自由度運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)感測(cè)裝置的數(shù)量可以不是三個(gè)。運(yùn)動(dòng)傳感器的輸出可以由處理裝置處理。在本優(yōu)選實(shí)施例中，采用在40MHz操作、具有256KB的RAM的Rabbit 3000處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)車輪軌道相互作用力預(yù)測(cè)裝置。車輪軌道力指示被從裝置通過(guò)無(wú)線電發(fā)射機(jī)被傳遞。附圖6顯示了用于形成通過(guò)原型裝置求解以評(píng)估車輪軌道相互作用力的方程組的物理模型。模型優(yōu)選地具有以下的特征·假定承梁固定到運(yùn)輸車體；·忽略側(cè)架的傾斜，從而相同轉(zhuǎn)向架上的兩個(gè)輪組的預(yù)計(jì)運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是一樣的。 假定側(cè)架與輪組接觸而沒有懸掛，使得側(cè)架的質(zhì)量被認(rèn)為是接頭(adapter)的點(diǎn)質(zhì)量?！ず掌潉偠缺挥糜谀M車輪軌道正常接觸。假定具有三片轉(zhuǎn)向架的運(yùn)輸車(如在澳大利亞貨運(yùn)和重型拖運(yùn)中廣泛使用的)，附圖6中所顯示的模型是一個(gè)簡(jiǎn)化的質(zhì)量和連接集中在一起的運(yùn)輸車，如下·運(yùn)輸車體質(zhì)量包括運(yùn)輸車體和承梁質(zhì)量；·輪組質(zhì)量包括三片轉(zhuǎn)向架的不支承在彈簧上的質(zhì)量即兩個(gè)輪組和兩個(gè)側(cè)架。 初級(jí)懸掛等同于三片轉(zhuǎn)向架次級(jí)懸掛。附圖6中顯示的模型具有如表I所列的13個(gè)自由度，并且應(yīng)當(dāng)注意，模型可以容易地被適配和調(diào)整適合于許多其他的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種評(píng)估軌道運(yùn)輸車的車輪(13)和運(yùn)輸車正沿其運(yùn)動(dòng)的軌道之間的接觸力的方法，包括在監(jiān)視裝置(41)的控制之下 提供運(yùn)輸車的車體(10)和轉(zhuǎn)向架(11)的模型，其中支承在彈簧上的車體質(zhì)量(m。)被未支承在彈簧上的車輪質(zhì)量(mw)支撐； 確定運(yùn)輸車的車體(10)的加速度(ax、ay、az)； 基于車體的加速度(ax、ay、az)和車體的參數(shù)(A、B、H)，計(jì)算支承在彈簧上的車體質(zhì)量的加速度(a:、av、 3<roll、3pitch、^yaw^ 基于支承在彈簧上的車體質(zhì)量的加速度(七、av、aroll、apitch, ayaw)和車體的參數(shù)(I、b、h)，計(jì)算支承在彈簧上的質(zhì)量對(duì)未支承在彈簧上的質(zhì)量的力(Fy、Fz);以及 基于支承在彈簧上的質(zhì)量對(duì)未支承在彈簧上的質(zhì)量的力(Fy、Fz)和模型的參數(shù)([Μ]、[K], [C]),計(jì)算未支承在彈簧上的車輪質(zhì)量和軌道之間的接觸力(Fn、Ft)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括基于針對(duì)未支承在彈簧上的車輪質(zhì)量的接觸力(Fn、Ft),評(píng)估在軌道頭部處的橫向力(L)與縱向力(V)之比(L/V)。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述支承在彈簧上的車體質(zhì)量U。)包括運(yùn)輸車的車體(10)和轉(zhuǎn)向架的支承梁(14)。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中每個(gè)未支承在彈簧上的車輪質(zhì)量(mw)包括車輪組(13)和轉(zhuǎn)向架的側(cè)架(12)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中轉(zhuǎn)向架的側(cè)架(12)的傾斜旋轉(zhuǎn)被忽略。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中支承在彈簧上的車體質(zhì)量的加速度(^、av、aMll、apitch> a胃)與車體繞運(yùn)輸車質(zhì)心的橫向、縱向、傾斜、滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
7.一種用于評(píng)估軌道運(yùn)輸車的車輪(13)和軌道之間的接觸力的設(shè)備，包括 一組運(yùn)動(dòng)傳感器(40)，位于相對(duì)于運(yùn)輸車的質(zhì)心(O)的位置處；以及 監(jiān)視裝置(41)，其被配置為從傳感器接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)以下操作評(píng)估軌道運(yùn)輸車的車輪和軌道之間的接觸力 提供運(yùn)輸車的車體(10)和轉(zhuǎn)向架(11)的模型，其中支承在彈簧上的車體質(zhì)量(m。)被未支承在彈簧上的車輪質(zhì)量(mw)支撐； 確定運(yùn)輸車的車體(10)的加速度(ax、ay、az)； 基于車體的加速度(ax、ay、az)和車體的參數(shù)(A、B、H)，計(jì)算支承在彈簧上的車體質(zhì)量的加速度(a:、av、 3<roll、3pitch、^yaw^ 基于支承在彈簧上的車體質(zhì)量的加速度(七、av、aroll、apitch, ayaw)和車體的參數(shù)(I、b、h)，計(jì)算支承在彈簧上的質(zhì)量對(duì)未支承在彈簧上的質(zhì)量的力(Fy、Fz);以及 基于支承在彈簧上的質(zhì)量對(duì)未支承在彈簧上的質(zhì)量的力(Fy、Fz)和模型的參數(shù)([Μ]、[K], [C]),計(jì)算未支承在彈簧上的車輪質(zhì)量和軌道之間的接觸力(Fn、Ft)。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，還包括基于針對(duì)未支承在彈簧上的車輪質(zhì)量的接觸力(Fn、Ft),評(píng)估在軌道頭部處的橫向力(L)與縱向力(V)之比(L/V)。
9.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述支承在彈簧上的車體質(zhì)量U。)包括運(yùn)輸車的車體(10)和轉(zhuǎn)向架的支承梁(14)。
10.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中每個(gè)未支承在彈簧上的車輪質(zhì)量(HV)包括車輪組(13)和轉(zhuǎn)向架的側(cè)架(12)。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中轉(zhuǎn)向架的側(cè)架(12)的傾斜旋轉(zhuǎn)被忽略。
全文摘要
本發(fā)明涉及車輪軌道相互作用力評(píng)估。提供了一種評(píng)估鐵路運(yùn)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(yùn)輸車車體的加速度采用位于車體上的適當(dāng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)傳感器來(lái)測(cè)量。運(yùn)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(lái)進(jìn)行計(jì)算。基于車體加速度和預(yù)先設(shè)定的車體參數(shù)來(lái)計(jì)算運(yùn)輸車車輪的應(yīng)力。這樣基于為側(cè)架和車輪計(jì)算的力來(lái)計(jì)算車輪和軌道之間的接觸應(yīng)力。該計(jì)算采用運(yùn)輸車系統(tǒng)的反相模型來(lái)進(jìn)行。還描述了應(yīng)用該方法的設(shè)備。
文檔編號(hào)B61K9/08GK102874277SQ201210321228
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2006年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月8日
發(fā)明者夏福杰, P·J·沃爾夫斯 申請(qǐng)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(guó)立散裝鐵路運(yùn)輸股份有限公司, 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)