專利名稱：車輪－軌頭作用力測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高精度測(cè)力系統(tǒng)及方法的范疇，其中的作用力是指在具有一定緩彎的下鋪軌道、從而存在攻角時(shí)在鐵路輪對(duì)與軌道軌頭之間的作用力。
當(dāng)AOA為零度時(shí)，輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度110與該輪對(duì)所連接的車輛的平動(dòng)速度120大小相等、方向也相同。這就使得車輪發(fā)生純轉(zhuǎn)動(dòng)，該純轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕喫B接車輛的純前進(jìn)速度。而在AOA很大的另一種極端情況下，如

圖1所示，則鐵路車輛的平動(dòng)速度120是轉(zhuǎn)動(dòng)速度110和橫向速度130的合速度。在此情形中，橫向力FL是很大的，這就可能造成損壞、導(dǎo)致高維修成本，甚至可能導(dǎo)致脫軌，其中的橫向力FL如圖2所示是車輪50橫向速度130的函數(shù)。圖2還表示出了車輪50作用在外軌10上的垂直力FV。
在圖3中，用曲線300總體地表示了AOA、FL以及FV之間的一般關(guān)系。該曲線300是公知的，例如可在如下的參考文件中找到該曲線由美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)出版的《滾動(dòng)接觸(Rolling Contact)的一般問題AMD-40》中第77-92頁的、由Kalker撰寫的“輪軌滾動(dòng)接觸理論綜述(Review of Wheel-Rail RollingContact Theories)”一文中。在該圖線中，AOA為水平軸，且FL對(duì)FV的比值為縱坐標(biāo)。當(dāng)FL為零且AOA為零時(shí)，輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度直接轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕v的前進(jìn)速度。這樣的情況表示在圖3中的310點(diǎn)。在330區(qū)間，發(fā)生了橫向蠕滑，且橫向力FL隨著AOA數(shù)值的增大而增大。橫向蠕滑可被定義為平動(dòng)速度120和橫向速度130相減差值與平動(dòng)速度100的百分比。在區(qū)間320中，車輪與鋼軌表面之間的摩擦作用使得輪對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重的滑動(dòng)。也就是說，F(xiàn)L對(duì)FL的比值達(dá)到了飽和值u1，在曲線300中，該飽和值即為摩擦系數(shù)350。例如，曲線340對(duì)應(yīng)于對(duì)鋼軌進(jìn)行潤(rùn)滑的情況，其具有較低的摩擦系數(shù)。
在圖1中，軌道10、20具有一定的曲率，且AOA隨曲率成比例地增大。對(duì)于北美鐵路的三大件式轉(zhuǎn)向架，一種確定AOA的經(jīng)驗(yàn)方法是軌道一度的曲率對(duì)應(yīng)于AOA值的1毫弧度。例如，在曲率為6度的彎道曲線上，轉(zhuǎn)向架前軸的AOA為6毫弧度。對(duì)于緩彎(也就是說曲率半徑大于1公里的、曲率為兩度或更小的彎道)的情況，由于AOA很小，所以橫向力也較小。測(cè)量緩彎中AOA的困難在于出現(xiàn)了相干影響。相干影響是由作用在軌頭上的垂直載荷和軌頭的形狀引起的。對(duì)于曲率為四度或更大的彎道，隨著相干影響變?yōu)樽钚?，?duì)橫向力的測(cè)量能達(dá)到很高的精度(基于AAR130型鋼軌和普通的橫伏式三大件轉(zhuǎn)向架)。
用于測(cè)量AOA的系統(tǒng)是已有的。美國(guó)專利5,368,260中就公開了一種路旁測(cè)距器，該測(cè)距器采用一束射向車輪的激光束，從而可測(cè)量圖1中所示的、車輪平面60與軌道10切線70之間的夾角AOA1。為了能完成此測(cè)量，需要在軌道上放置車輪檢測(cè)器，其可檢測(cè)到車輪的通過，從而啟動(dòng)和停止測(cè)距器的工作。另外，還能測(cè)量平均速度。當(dāng)每個(gè)車輪經(jīng)過該路旁測(cè)距器時(shí)，該測(cè)距器能產(chǎn)生一個(gè)完整的輪廓圖像。從該圖像就可以計(jì)算出AOA。加拿大魁北克省H3Z 1L5地區(qū)韋斯特蒙市4390 De Maisonneuve地方的路旁檢測(cè)設(shè)備公司生產(chǎn)的這樣一種系統(tǒng)采用了一個(gè)在軌道旁精確定位的激光器，并基于反射回來的激光而仔細(xì)地確定出AOA。這些系統(tǒng)聲稱能將攻角測(cè)量值精確到1毫弧度(也就是3.44分的角度)。但是，這樣的系統(tǒng)是非常昂貴的，且需要不斷地進(jìn)行保養(yǎng)和檢查，同時(shí)還易于被損壞。
另一種現(xiàn)有技術(shù)方案采用了一對(duì)垂直應(yīng)變片，來對(duì)經(jīng)過應(yīng)變片所在位置處鋼軌的輪對(duì)進(jìn)行測(cè)量。在1992年8月期的《技術(shù)摘要》(書號(hào)TD 92-010)中，Otter和Martin提出了一種用于測(cè)量攻角和橫向軌頭位移的耐用的傳感器。在AOA測(cè)量系統(tǒng)中采用應(yīng)變片就使得系統(tǒng)價(jià)格降低，并易于維護(hù)，且相比于激光型系統(tǒng)不容易被損壞。但這樣的應(yīng)變片系統(tǒng)在測(cè)量AOA方面精度沒有激光系統(tǒng)高，通常的精度在3-4毫弧度之間。
除了上面討論的這兩種系統(tǒng)之外，還可利用車載型系統(tǒng)對(duì)在軌道上行駛的軌道車輛的具體某一輪對(duì)的AOA進(jìn)行測(cè)量。在1995年2月期的《技術(shù)摘要》(書號(hào)TD 95-004)中，Mace等人提出了一種車載型攻角測(cè)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)被安裝在各個(gè)輪對(duì)上，因而并不適于用在軌道旁測(cè)量列車所有輪對(duì)的AOA。
現(xiàn)有的光學(xué)激光式和應(yīng)變片式路旁測(cè)量系統(tǒng)及方法是針對(duì)攻角的靜態(tài)測(cè)量的，該測(cè)量沒有考慮隨著輪對(duì)的經(jīng)過而產(chǎn)生鋼軌失準(zhǔn)、或當(dāng)路旁測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)位置失準(zhǔn)時(shí)的動(dòng)態(tài)情況，這些動(dòng)態(tài)情況是由于土壤、軌道或枕木換轍器(tieshifting)受濕度、溫度、列車橫向力的影響而產(chǎn)生的。
需要能有這樣一種測(cè)量AOA的系統(tǒng)和方法，其便宜、耐用、不易損壞、并易于維護(hù)，且AOA的測(cè)量精度能達(dá)到在±50毫弧度的范圍內(nèi)誤差在1到3毫弧度之間。另外，還需要這樣的系統(tǒng)和方法具有動(dòng)態(tài)測(cè)量的能力，從而可補(bǔ)償位置失準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差。
另一個(gè)需求是去除AOA測(cè)量系統(tǒng)在緩彎測(cè)量時(shí)的相干影響，以提高測(cè)量的精度。盡管上述的要求是針對(duì)AOA測(cè)量系統(tǒng)，但可以理解對(duì)于任何其它用來測(cè)量鐵路輪對(duì)與下鋪軌道軌頭之間作用力的系統(tǒng)和方法來講，都存在去除相干影響的需求。
2.發(fā)明概述本發(fā)明提出了一種測(cè)量軌行車輛轉(zhuǎn)向架上前輪對(duì)和后輪對(duì)AOA的系統(tǒng)和方法。其中的方法通過如下步驟對(duì)攻角時(shí)間抽樣數(shù)據(jù)求導(dǎo)、定出導(dǎo)數(shù)中的峰值、根據(jù)所定出峰值而確定出攻角值，從而得到攻角的精確測(cè)量值，該方法能精確地定出鐵路輪對(duì)經(jīng)過攻角傳感器上方的時(shí)間。
本發(fā)明的另一方面提供了一種系統(tǒng)和方法，其用于確定所有輪對(duì)的原始攻角，并只選出那些橫向力與垂直力的比值在預(yù)定范圍內(nèi)的軌行轉(zhuǎn)向架的原始攻角，在該范圍內(nèi)的數(shù)值表明轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)向行為良好，在所選出的原始攻角的基礎(chǔ)上計(jì)算出動(dòng)態(tài)角偏差值，然后將所有的原始攻角減去該動(dòng)態(tài)角偏差值，從而得到各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角。
更具體來講，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法具有如下的特征。在軌道外軌上的一個(gè)第一點(diǎn)處，用一個(gè)第一垂直應(yīng)變片測(cè)量出垂向力，用一個(gè)第一橫向應(yīng)變片測(cè)量出橫向力，且用一個(gè)第一AOA應(yīng)變片測(cè)得一個(gè)外側(cè)攻角時(shí)標(biāo)信號(hào)。在內(nèi)側(cè)軌上重復(fù)此過程，從而在速度的基礎(chǔ)上得到每個(gè)輪對(duì)的原始攻角值。外車輪的橫向力與垂直力比值被用來選擇那些使轉(zhuǎn)向架具有良好行駛狀態(tài)的原始攻角值，并對(duì)這些攻角值取平均值而獲得一個(gè)與任何位置失準(zhǔn)相關(guān)的平均角偏差。為得到各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角值，使每個(gè)原始攻角值減去該平均角偏差，這樣就可以得到各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角。
本發(fā)明還提出了一種系統(tǒng)和方法，其用于去除某些系統(tǒng)和方法在測(cè)量緩彎軌道時(shí)的相干影響，其中的系統(tǒng)和方法用于測(cè)量鐵路輪對(duì)與下鋪軌道的軌頭之間的作用力，這樣的系統(tǒng)和方法例如(但并不限于)是在AOA測(cè)量中用到的。
圖11(a)表示了對(duì)垂直力的測(cè)量；圖11(b)表示了在圖11(a)中測(cè)量垂直力的同時(shí)對(duì)橫向力進(jìn)行的測(cè)量；圖12(a)表示了對(duì)多個(gè)車輪的垂直力測(cè)量結(jié)果；圖12(b)表示了與圖12(a)中的車輪測(cè)量相對(duì)應(yīng)的橫向力測(cè)量結(jié)果；圖13(a)表示了對(duì)攻角的測(cè)量結(jié)果；圖13(b)表示的是對(duì)圖13(a)中的測(cè)量值求導(dǎo)后的結(jié)果；圖14(a)表示了確定一個(gè)兩軸轉(zhuǎn)向架的攻角時(shí)的情形；圖14(b)表示了在相對(duì)兩軌上的AOA測(cè)量?jī)x之間可能出現(xiàn)的失準(zhǔn)現(xiàn)象；圖15表示了位置應(yīng)變片在軌道上的布置；圖16表示了本發(fā)明中用于求出信號(hào)的數(shù)學(xué)矩陣關(guān)系；圖17表示了圖16矩陣關(guān)系式的逆陣；圖18中的圖線表示了用本發(fā)明的位置傳感器測(cè)得的垂直載荷對(duì)軌頭的作用效果。
路旁單元410包括一個(gè)計(jì)算機(jī)412，其可接收從模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器414a、414b、414c、414d、414e、414f、414g以及414h輸送來的信號(hào)。這些A/D轉(zhuǎn)換器414從安裝在外軌10或內(nèi)軌20上的如下一些應(yīng)變片接收信號(hào)FLO(“外側(cè)”橫向應(yīng)變片)、FLI(“內(nèi)側(cè)”橫向應(yīng)變片)、FVO(“外側(cè)”垂直應(yīng)變片)、FVI(“內(nèi)側(cè)”垂直應(yīng)變片)、AOAO(“外側(cè)”攻角應(yīng)變片)、AOAI(“內(nèi)側(cè)”攻角應(yīng)變片)、POSo(外側(cè)位置應(yīng)變片)以及POSi(內(nèi)側(cè)位置應(yīng)變片)。這些數(shù)字?jǐn)?shù)值被計(jì)算機(jī)412處理后儲(chǔ)存在一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫416中。該數(shù)據(jù)庫416能永久或臨時(shí)地儲(chǔ)存這些數(shù)值。為進(jìn)行儲(chǔ)存，計(jì)算機(jī)412可對(duì)這些從轉(zhuǎn)換器414輸入的數(shù)值進(jìn)行預(yù)處理，或者也可以對(duì)這些數(shù)值執(zhí)行完全的處理。
在遠(yuǎn)程系統(tǒng)430中，有一計(jì)算機(jī)432通過通訊路徑440與路旁單元410中的計(jì)算機(jī)412保持通訊。可采用多種不同的通訊協(xié)議來完成此通訊。該通訊通路440根據(jù)一個(gè)呼叫協(xié)議等的協(xié)定進(jìn)行工作，其可以是定期接通的，也可以是不定期接通的。計(jì)算機(jī)432訪問數(shù)據(jù)庫434，并可選地與一普通的監(jiān)視器436、一普通的鍵盤(或者是鼠標(biāo)和觸摸屏)438、或者一常規(guī)的打印機(jī)439相互連。容易理解這些外圍設(shè)備436、438、439可組成用于使用戶向計(jì)算機(jī)432輸入指令、數(shù)據(jù)等信息、以及從計(jì)算機(jī)輸出信息的任何合適的外圍裝置。事實(shí)上，該計(jì)算機(jī)432也可以反過來通過另外的通訊路徑(例如為互聯(lián)網(wǎng))與一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程系統(tǒng)(圖中未示出)進(jìn)行通訊。圖4中所示的路旁單元410和遠(yuǎn)程系統(tǒng)430只是可被用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明設(shè)計(jì)的多種實(shí)施形式中的一種。
下文將介紹應(yīng)變傳感器是如何布置到常規(guī)軌道上的詳細(xì)內(nèi)容。在圖5中，外軌10和內(nèi)軌20上安裝了AOAO和AOAI兩個(gè)應(yīng)變片。這些應(yīng)變片是沿直線80布置的，該直線與外軌10的切線70垂直，外軌與內(nèi)軌20的距離為DR。
在圖6中表示出了外軌10，在該鋼軌軌頭14和軌底18之間的軌腰12的相對(duì)兩側(cè)面上安裝了AOAo應(yīng)變片600和610。應(yīng)變片600和610被設(shè)置成直線80從它們的中心垂直穿過(如圖1和圖5所示)。這些應(yīng)變片最好是焊接到鋼軌上的、對(duì)環(huán)境條件有耐受力的剪切型應(yīng)變片。直線620是鋼軌10的中間軸，直線630與直線80和620垂直。這樣，如圖6所示，這對(duì)AOAO應(yīng)變片600和610就精確地位于三條直線80、620、630的交點(diǎn)上。該交點(diǎn)被標(biāo)記為點(diǎn)640。應(yīng)變片600和610是用微焊/粘接的方法固定到鋼軌10上的，并用防水保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。AOA應(yīng)變片被連接到電路中，以輸出一個(gè)AOAO信號(hào)，該信號(hào)被輸送到A/D電路414e中。圖中未表示出那對(duì)布置在內(nèi)軌20上的AOAI應(yīng)變片，這兩個(gè)應(yīng)變片也以圖6所示的方式在直線80上定位，并產(chǎn)生一個(gè)輸送到A/D電路414f中的AOAI信號(hào)。應(yīng)變片AOAO和AOAI可以是任何合適的傳感器，只要它們能測(cè)量車輪經(jīng)過點(diǎn)640時(shí)的垂直剪切力即可。
在圖7中，表示出了現(xiàn)有技術(shù)中為測(cè)量外軌10的FVO力所設(shè)置的垂直應(yīng)變片。該垂直應(yīng)變片包括四個(gè)分開的應(yīng)變片700、710、720和730。應(yīng)變片700和710以相對(duì)的位置關(guān)系安裝在軌腰12的兩相對(duì)側(cè)面上，應(yīng)變片720和730也是這樣布置的。應(yīng)變片700和710、以及應(yīng)變片720和730都是以中軸線620為中心對(duì)稱布置的。在一種優(yōu)選實(shí)施例中，兩對(duì)應(yīng)變片距離直線650的距離740是相同的，直線650是框格(crib)的中心線(也就是位于兩相鄰枕木之間的直線)，其中的距離例如是在約3.5英寸到8.5英寸之間，且框格的標(biāo)稱值約為五英寸。應(yīng)變片對(duì)還被布置成距離鋼軌墊板(圖中未示出)的距離750有一最小值，例如距離墊板(圖中未示出)至少為兩英寸。由于在枕木之間的鋼軌會(huì)發(fā)生彎曲，所以這樣進(jìn)行布置是很重要的。這些應(yīng)變片與電路相連接，以向A/D電路414c發(fā)送一個(gè)FVO信號(hào)。內(nèi)軌20的垂直應(yīng)變片(圖中未示出)以相同的方式圍繞直線80在內(nèi)軌上定位、布置，并被連接到電路中而向A/D電路414d發(fā)送信號(hào)FVI。
在圖8中，表示了安裝在外軌10上、用于測(cè)量FLO的橫向應(yīng)變片。一對(duì)應(yīng)變片800、810被安裝在軌底16的相對(duì)兩側(cè)，且應(yīng)變片對(duì)820和830也這樣進(jìn)行安裝。每對(duì)應(yīng)變片都被布置在距離框格中心線650預(yù)定的距離處，其中的距離對(duì)應(yīng)于上述針對(duì)垂直應(yīng)變片對(duì)的布置進(jìn)行介紹時(shí)的距離740。它們也被布置在對(duì)應(yīng)于上述距離值750的預(yù)定位置上。這些應(yīng)變片被連接到電路中，從而可產(chǎn)生一個(gè)FLO信號(hào)，此信號(hào)被輸送到A/D電路414a中。內(nèi)軌20上的垂直應(yīng)變片(圖中未示出)也以相同的方式圍繞直線80定位、布置，且也被連接到電路中，以產(chǎn)生一個(gè)輸入到A/D電路414b中的信號(hào)FLI。
在圖15中表示了安裝在外軌10上用于測(cè)量POSo的位置應(yīng)變片。一對(duì)應(yīng)變片1500和1510被安裝到軌腰12的相對(duì)兩側(cè)面上，且應(yīng)變片1520和1530也這樣進(jìn)行安裝。每對(duì)應(yīng)變片都位于離中心線630為預(yù)定距離1540的位置處，其中的距離例如為五英寸(可以是任何尺寸，但最好能大于三英寸)。如圖4所示，這些應(yīng)變片是用來測(cè)量POSo的傳感器，它們連接到A/D電路414g上。用在內(nèi)軌上的位置應(yīng)變片POSi(圖中未示出)是以與上述方式相同的方式定位、布置在內(nèi)軌20上，并向A/D電路414h發(fā)送信號(hào)。
參見圖6、7、8以及圖15，無論是在外軌上還是在內(nèi)軌上，用于測(cè)量FV、FL、AOA和POS的各個(gè)應(yīng)變片傳感器都是以直線80上的點(diǎn)640為中心布置的。根據(jù)本發(fā)明，這些傳感器被精確地安裝到外軌10和內(nèi)軌20上。
各個(gè)應(yīng)變片的信號(hào)從鋼軌10、20處輸送到路旁單元410的途徑可以有很多種，且該傳輸是如何實(shí)現(xiàn)的也不是本發(fā)明的主題所在。在當(dāng)前的優(yōu)選例中，A/D電路被布置在路旁單元410中的一塊電路板上。在其它變型形式中，A/D電路414可位于軌道上的任何其它位置處。
本發(fā)明的方案需要確定出速度S。在圖5以及其它的常規(guī)方法中，在軌腰12上安裝了兩個(gè)應(yīng)變片S1和S2，用于檢測(cè)車輪何時(shí)從它們上面滾過。由于兩應(yīng)變片S1和S2之間的距離DS是已知的，所以用很普通的方法就可以得到速度S。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，也可以采用其它許多種用于測(cè)量速度的常規(guī)技術(shù)。下文中將結(jié)合圖10對(duì)本發(fā)明中采用應(yīng)變片測(cè)量速度的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行討論。
總之，圖5-8表示了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的各個(gè)應(yīng)變片在軌道上的安裝布置。容易理解在本發(fā)明的教導(dǎo)下，可以采用任何其它適于用在鐵路場(chǎng)合中的普通應(yīng)變片傳感器。另外，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，應(yīng)變片傳感器和它們對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器之間也可以采用任何合適的電路連接形式。
下文針對(duì)本發(fā)明中的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例介紹本發(fā)明的工作方法。如所要闡述的那樣，本發(fā)明的工作方法包括一種獨(dú)特的措施來更為精確地確定出車輪是在何時(shí)滾到點(diǎn)640處的那個(gè)AOA應(yīng)變片的正上方的，并提供了一種獨(dú)特的過程，來確定出由于應(yīng)變片位置失準(zhǔn)而產(chǎn)生的任何偏差值，這樣就可以得到一個(gè)動(dòng)態(tài)的攻角值。
在圖9中，表示了一種優(yōu)選實(shí)施例中用于確定攻角值的方法。在900步驟，計(jì)算機(jī)一最好是計(jì)算機(jī)432從數(shù)據(jù)庫434中得到FVO、FVI、FLO、FLI、AOAO、AOAI、POSo和POSi。容易理解這些數(shù)值是通過常規(guī)過程先前從計(jì)算機(jī)輸入到數(shù)據(jù)庫434中的。這些數(shù)值對(duì)應(yīng)于應(yīng)變片416a、416b、416c、416d、416e、416f、416g和416h的輸出量。它們是從A/D轉(zhuǎn)換器414輸出的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)。所有這些應(yīng)變片416都利用大小已知的力作了回零標(biāo)定。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選應(yīng)用形式中，沿輪軌1000按照已知的間距設(shè)置了幾個(gè)路旁單元410a、410b和410c。這樣的設(shè)計(jì)可參見圖10，各個(gè)路旁單元(WU)通過通訊路徑440與遠(yuǎn)程系統(tǒng)430保持通訊。容易理解可以用合適的理想間距設(shè)置任何數(shù)目的路旁單元(WU)，本發(fā)明的技術(shù)方案也并不僅限于圖10所示的情形。
可在所設(shè)置的應(yīng)變片F(xiàn)L、FV和AOA的基礎(chǔ)上計(jì)算出列車的速度S，其中，此過程或者是利用各單個(gè)應(yīng)變片，或者是將這些應(yīng)變片組合起來進(jìn)行分析。如圖10所示，在該優(yōu)選實(shí)施例中，垂直應(yīng)變片F(xiàn)V被用來求得速度S。這樣的測(cè)量方法就代替了先前在對(duì)圖5所示實(shí)施例進(jìn)行討論時(shí)、用單個(gè)應(yīng)變片416e進(jìn)行測(cè)量的方法。同樣，可以理解，速度S可用任何合適的常規(guī)方法來測(cè)得，這些方法包括此處具體討論的兩種方法。
采用了幾個(gè)由應(yīng)變片組成的“框格”1020，它們以已知的間距布置著。一個(gè)“框格”至少包括在外軌10和內(nèi)軌20上都布置著的兩組垂直力應(yīng)變片F(xiàn)V和橫向力應(yīng)變片F(xiàn)L。由該“框格”的長(zhǎng)度、以及每個(gè)車輪經(jīng)過這些垂直應(yīng)變片所用的時(shí)間就可以算出速度S。每個(gè)垂直應(yīng)變片被設(shè)置成可檢測(cè)到出現(xiàn)最大垂直力的時(shí)刻。從該時(shí)間值就可以得到車輪通過這兩個(gè)垂直應(yīng)變片所用的時(shí)間差。路旁系統(tǒng)410可具有幾個(gè)由應(yīng)變片直接相連組成的“框格”1020。其中至少有一個(gè)“框格”具有一對(duì)AOA應(yīng)變片。
在另一種變型中，以很大的間距分開設(shè)置了三個(gè)路旁系統(tǒng)410。每個(gè)路旁系統(tǒng)都具有至少兩個(gè)或多個(gè)“框格”。且所有的路旁系統(tǒng)都將數(shù)據(jù)發(fā)送向其中的一個(gè)路旁系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為一個(gè)主數(shù)據(jù)整理系統(tǒng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圖10中的路旁單元可通過通訊路徑1010(圖中以虛線表示)與其它路旁單元進(jìn)行通訊。在該實(shí)施形式中，WU1和WU3沒有通過通訊路徑440a和440c連接向遠(yuǎn)程系統(tǒng)430。在本發(fā)明教導(dǎo)下，可以有很多種可能的變型形式。對(duì)于其中的一種變型形式，WU2作為一個(gè)遠(yuǎn)程系統(tǒng)而與WU1和WU3直接進(jìn)行通訊，這樣就取消了遠(yuǎn)程系統(tǒng)430。另外，一個(gè)路旁系統(tǒng)中也可以包括多個(gè)路旁單元。
在圖9的910步驟中，對(duì)FV數(shù)值進(jìn)行處理來確定出垂直力的峰值。當(dāng)車輪經(jīng)過垂直應(yīng)變橋時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單峰值，如圖7所示，其中的應(yīng)變橋是由應(yīng)變片700、710、720和730組成的。在圖11(a)中表示了FV數(shù)據(jù)的示例圖線。圖11(a)中表示的當(dāng)車輪經(jīng)過圖7所示垂直應(yīng)變片時(shí)的情況。圖中橫軸為合適的時(shí)間單位，此單位例如為采樣數(shù)，豎軸的單位為千磅(KIPS)。在圖11、12和13中，數(shù)據(jù)的采樣率為每秒500次。圖11(a)中的曲線代表在本發(fā)明中所產(chǎn)生的FV數(shù)據(jù)的形式。在圖12(a)中，曲線1100也表示的是FV，但卻是由其它車輪壓過時(shí)測(cè)得的。因而，在圖12(a)中，兩輛相鄰的軌道車輛之間就用一個(gè)區(qū)域1210隔開，軌道車輛1220具有兩個(gè)轉(zhuǎn)向架1222和1224。在步驟910中，本發(fā)明的處理過程確定出在時(shí)間點(diǎn)1140時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)FVO峰值1130(即外軌10的峰值)。該峰值大致上對(duì)應(yīng)于車輪壓過圖7所示垂直應(yīng)變片700、710、720和730的中間點(diǎn)640時(shí)的時(shí)間。
這樣，在步驟910中，確定出了圖11(a)中表示為1130點(diǎn)的FVO峰值，再由該峰值1130定出時(shí)間點(diǎn)1140。在得到該時(shí)間1140的情況下，確定出對(duì)應(yīng)的橫向力FLO值(即外軌10的橫向力)。在圖11(b)中，表示了橫向力FLO的曲線1200，橫向力是從圖8中的橫向應(yīng)變片800、810、820和830得到的。在時(shí)間1140時(shí)，橫向力FLO的值為1210。該橫向力值對(duì)應(yīng)于垂直力達(dá)到峰值點(diǎn)1130時(shí)的同一時(shí)刻1140。以這樣的方式，就可確定出外軌10、內(nèi)軌20上的FL和FV，并為每一車輪、每一鋼軌計(jì)算出橫向力與垂直力的比值(即FL除以FV)。
在步驟920中，確定出每個(gè)輪對(duì)的速度S。如上文提到的那樣，圖10所示的該優(yōu)選實(shí)施例中，沿輪軌1000以已知的間距設(shè)置了路旁單元410的各個(gè)垂直應(yīng)變片F(xiàn)V1-FV12。利用此信息，就可以計(jì)算出各個(gè)輪對(duì)的速度S。在步驟920中確定出速度對(duì)求出AOA是很重要的。該速度信息還被用在其它的工作中，例如用于計(jì)算軸距或車廂的類型等等。由于在經(jīng)過各個(gè)路旁工作單元410的各對(duì)應(yīng)變片時(shí)速度可能是不同的，所以要計(jì)算出每一輪對(duì)的速度S。這樣，就確定出了每一輪對(duì)的速度S。
在步驟930中，對(duì)車廂的類型進(jìn)行識(shí)別。在此步驟中，計(jì)算機(jī)訪問一個(gè)車廂類型查詢數(shù)據(jù)庫940，該數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存著所有相關(guān)車型的軸距、空車重量和重車重量。在各個(gè)輪對(duì)速度的基礎(chǔ)上，根據(jù)垂直應(yīng)變片的峰值之間的精確時(shí)間就可以確定出轉(zhuǎn)向架中輪對(duì)之間的間距(見圖12(a)，圖中用箭頭1250代表此間距)?；诖司_的間距值，就可以從車型數(shù)據(jù)庫940中查出車輛的車型。輪對(duì)間距等車型數(shù)據(jù)通常是可得到的，或者是按照本發(fā)明的教導(dǎo)車型數(shù)據(jù)是由各個(gè)車型的實(shí)際讀取數(shù)據(jù)匯編而成的。對(duì)后者的情況，由于車型是基于實(shí)際測(cè)量的基礎(chǔ)上得到的，所以后者的方法是優(yōu)選的。
在步驟950中，本發(fā)明的計(jì)算機(jī)按照如下的過程找出AOA峰值。在圖13(a)中，表示了一種示例的AOA應(yīng)變片(見圖6)輸出隨時(shí)間的變化關(guān)系。在步驟950中，按照本發(fā)明的方法對(duì)曲線1300進(jìn)行了求導(dǎo)運(yùn)算。這樣就形成了圖13(b)所示的曲線1310和一個(gè)峰值1320。按照所示的采樣率時(shí)標(biāo)，得到了圖13(a)中的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)1302。本發(fā)明利用從AOA應(yīng)變片得到的、且表示在圖13(a)中的數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)而得到圖13(b)中的對(duì)應(yīng)各點(diǎn)1312。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)1312并不能指明峰值1320的位置點(diǎn)1340，所以在各個(gè)峰值1320周圍都用一個(gè)時(shí)間窗口1330來找出導(dǎo)數(shù)最大值所在的時(shí)間點(diǎn)TP。該導(dǎo)數(shù)點(diǎn)1340對(duì)應(yīng)于信號(hào)1310具有最大陡度1350的位置，該點(diǎn)反過來對(duì)應(yīng)于當(dāng)車輪剛好滾過點(diǎn)640處的AOA應(yīng)變片正上方的時(shí)刻。
參見圖13(b)，可以注意到點(diǎn)1340位于兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)1312(e)和1312(f)之間。在步驟950中，本發(fā)明的方法采用了常規(guī)的多項(xiàng)式擬合對(duì)窗口1330中峰值1320周圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而求出位于時(shí)間TP時(shí)的該數(shù)值1340。容易理解也可以用其它的數(shù)學(xué)對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)1312進(jìn)行處理而找出該峰值點(diǎn)1340。另外，不難理解采樣率越高，曲線1300的精度越高。對(duì)在每一條鋼軌上的每一個(gè)車輪，以及每一個(gè)AOA應(yīng)變片的每一個(gè)峰值1340都執(zhí)行這種確定數(shù)值1340的過程。
在步驟950中，本發(fā)明的方法將圖13(a)中的曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋵?dǎo)數(shù)曲線1310，并用多項(xiàng)式擬合的算法來估算出曲線1300的最大陡度1350。由于信號(hào)是采樣測(cè)量的，而不是連續(xù)的，所以必須要采用估算的方法。總而言之，本發(fā)明的方法可測(cè)出外軌10和內(nèi)軌20上的輪對(duì)40、50的攻角值。這是通過測(cè)得(通過傳感器AOLO和AOLI)輪對(duì)中每個(gè)車輪的攻角時(shí)間采樣數(shù)據(jù)900而實(shí)現(xiàn)的。然后，對(duì)各個(gè)車輪的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)作求導(dǎo)運(yùn)算(見圖13(b))。定出峰值點(diǎn)1320，并選定位于一預(yù)定窗口1330中的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)1312，這樣就可以利用多項(xiàng)式擬合等的方法計(jì)算出真實(shí)的峰值點(diǎn)1340。這就確定出了時(shí)間點(diǎn)TP950，從而可如下文討論的那樣確定出AOA原始值。
在960步驟中，確定出兩相對(duì)鋼軌10、20上的每對(duì)AOA應(yīng)變片的攻角原始值。再返回來參見圖1。該原始攻角被定為直線80和90之間的夾角。在圖1中，車輪50(當(dāng)列車在M方向前進(jìn)時(shí)為前導(dǎo)車輪)將首先壓過外軌10上安裝的AOA應(yīng)變片。當(dāng)此情形發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)確定出精確的時(shí)間TPO(車輪50滾過外軌10上的AOA應(yīng)變片所在點(diǎn)640的時(shí)間)。然后本發(fā)明的系統(tǒng)檢測(cè)并確定出時(shí)間TPI(車輪40滾過內(nèi)軌20上的應(yīng)變片所在點(diǎn)640的時(shí)間)。從這兩個(gè)時(shí)間之間的時(shí)間差、內(nèi)軌10與外軌20的距離DR(見圖5)以及輪對(duì)的速度S就可以計(jì)算出原始攻角，該計(jì)算是通過常規(guī)的小角近似方法(即當(dāng)小角度時(shí)，θ角的正切值等于θ角的弧度值)進(jìn)行的。對(duì)每一輪對(duì)(即每一車軸)都確定出該AOA原始值。
在步驟990中，通過從步驟900得出的每個(gè)數(shù)值中去除掉相干影響值而得到高精度的FV、FL和POS值。圖16表示了由各個(gè)應(yīng)變片測(cè)得的信號(hào)與鋼軌上的力、位置的實(shí)際值之間的關(guān)系。在一個(gè)理想的系統(tǒng)中，aVV＝aLL＝aPP＝1，且其它的項(xiàng)都為0。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，信號(hào)值就直接等于它們對(duì)應(yīng)的作用力和位置。但在實(shí)際的系統(tǒng)中，aVV＝aLL＝aPP＝1，但其它的項(xiàng)不為零。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，信號(hào)值是FV、FL和POS按一定百分比組成的合值。
如果相干項(xiàng)始終為常數(shù)，也就是說不會(huì)隨FV、FL或POS的大小而變化，則就可以利用圖16中的矩陣、并如圖17中所示的FV、FL和POS值求解式那些將各個(gè)信號(hào)解成高精度的數(shù)值。在圖16中，“信號(hào)”是指從應(yīng)變片得到電壓值，其中FV、FL、POS代表力和位置的實(shí)際值；以及aij等于FV、FI、POS之間的相干項(xiàng)(例如，aVP，aLP等)。
如果各相干影響項(xiàng)不是線性的，則上述的方法就是不完備的了，在這樣的情況下，就要采用諸如普通的迭代方法等更為復(fù)雜的算法。
相干影響項(xiàng)—無論是如圖16中那樣為矩陣中的常數(shù)項(xiàng)、還是其它更為復(fù)雜的關(guān)系式，都必須要在圖8所示的情形中通過對(duì)每一對(duì)信號(hào)(416a到416h)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)來確定。該標(biāo)定過程是通過在軌頭上的各個(gè)位置點(diǎn)處施加垂直載荷和橫向載荷來進(jìn)行的。系統(tǒng)對(duì)這些載荷的響應(yīng)圖線就展現(xiàn)出了相干影響關(guān)系。
圖18是一個(gè)示意圖，表示了某條鋼軌上的一對(duì)應(yīng)變片輸出的POS信號(hào)。其中的應(yīng)變片例如為圖15所示外軌上的POSo。在圖18中，在軌頭表面上施加了兩個(gè)不同的垂直載荷。作為第一載荷的重量A要大于一個(gè)重量B的第二載荷。當(dāng)重量A或B被精確地作用在軌頭的中線上時(shí)(即“在鋼軌上的位置”為零)，“位置信號(hào)”等于零。隨著載荷移向軌頭的任一側(cè)，如圖所示那樣，“位置信號(hào)”增加，且“位置信號(hào)”與軌頭由于受負(fù)載重壓而發(fā)生彎折的程度成比例。如從圖18中可看出，較重的載荷A產(chǎn)生的“位置信號(hào)”的值較大。例如，在位置點(diǎn)1800處，重量B的位置信號(hào)值為1810，而重量A的位置值為1820。軌頭1860表面1860的形狀也對(duì)“位置信號(hào)”的值有影響，且在標(biāo)定過程中，要對(duì)針對(duì)該形狀進(jìn)行校正。例如，利用一個(gè)液壓泵在表面1860上的多個(gè)(例如為四個(gè))點(diǎn)處施加垂直載荷，該載荷從0連續(xù)增大到25,000磅，同時(shí)測(cè)量輸出的POS信號(hào)。在作用有一系列固定大小的垂直力條件下，在軌頭上的多個(gè)點(diǎn)處施加用于執(zhí)行標(biāo)定的橫向力。
圖9中的步驟990被用來提高測(cè)得信號(hào)的精度，以支持步驟970和980的工作，該步驟取決于對(duì)FL＝FV的精確估算。對(duì)于緩彎(半徑大于1,000米)或很輕的車輛，步驟990是非常重要的，其中對(duì)于輕車輛，是由于FV在數(shù)值上很小而需要步驟990的。步驟990可用在任何測(cè)量鐵路輪對(duì)與下鋪輪軌的軌頭之間橫向力、垂直力和/或AOA力的系統(tǒng)和方法中。步驟990將相干影響從各個(gè)垂直力、橫向力和/或AOA傳感器的原始檢測(cè)數(shù)據(jù)中去除掉。本發(fā)明并不僅限于去除AOA測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量緩彎時(shí)的相干影響—不論它們是靜態(tài)AOA系統(tǒng)還是本文中討論的動(dòng)態(tài)AOA系統(tǒng)。
在970步驟中確定出動(dòng)態(tài)的角度失準(zhǔn)。在實(shí)際的鐵路環(huán)境中，鋼軌10和20可能會(huì)響應(yīng)于土壤的松動(dòng)、熱膨脹、缺陷車輪、牽引力、以及鋼軌自身的實(shí)際物理位移等因素而移動(dòng)，其中鋼軌的物理移動(dòng)是由于鋼軌受車輛及其所裝載載荷(也可能是空車，對(duì)于一列車廂，各個(gè)車廂中的裝載情況是不同的)的作用而產(chǎn)生的。這樣，參見圖5可看出，應(yīng)變片AOAO和AOAI可能并不是沿直線80精確對(duì)齊的。而是如下文將要討論的那樣，隨車軸與車軸的不同而有很大的動(dòng)態(tài)變化。
在圖14(b)中，表示了實(shí)際情況中應(yīng)變片AOAO和AOAI的位置，它們的位置可能并不沿直線80精確地對(duì)齊，事實(shí)上，它們可能是沿兩條平行的直線80a和80b排列著，從而形成一個(gè)角偏差A(yù)O或失準(zhǔn)誤差。此現(xiàn)象的原因是多樣的例如是由于列車通過而出現(xiàn)的縱向移動(dòng)、軌道下方的地面松移、溫度變化、牽引力作用、鋼軌10和20變形、由車輪滾過軌道1400產(chǎn)生振動(dòng)造成的動(dòng)態(tài)位移等。當(dāng)變形且裝載著很大載荷的轉(zhuǎn)向架1400通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械振動(dòng)，所以上述原因中的最后者肯定會(huì)造成應(yīng)變儀移動(dòng)。上述基于預(yù)定范圍提出的準(zhǔn)則的目的在于根據(jù)在預(yù)定范圍內(nèi)的各個(gè)輪對(duì)(例如為圖14(a)中的輪對(duì)1410和1420)得到一個(gè)AO平均值。數(shù)據(jù)被加到一起，并取平均數(shù)而得到一個(gè)數(shù)值，該數(shù)值近似于由于角偏差A(yù)O而產(chǎn)生的任何失準(zhǔn)，其中的角偏差或者是永久性的—例如是結(jié)構(gòu)的變形，或者是動(dòng)態(tài)的—例如是應(yīng)變儀在縱向上位移。將該AO平均值應(yīng)用于所經(jīng)過列車上的每個(gè)輪對(duì)求，就可確定出各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)AOA。經(jīng)過的列車可具有任何數(shù)目個(gè)車廂，例如具有八十五個(gè)車廂。對(duì)于下一列列車，將為該列車確定一個(gè)新的AO平均值。
步驟960中獲得的原始AOA包含此由于應(yīng)變片失準(zhǔn)(或動(dòng)態(tài)角偏差)的影響成分。在步驟970中，方法對(duì)列車中的所有“轉(zhuǎn)向架”(也就是說，一個(gè)被定義為具有兩個(gè)車軸、四個(gè)車輪以及其它相關(guān)部件的轉(zhuǎn)向架)進(jìn)行檢查，以識(shí)別出那些轉(zhuǎn)向架的行為是良好的。當(dāng)其AOA工作點(diǎn)在靠近圖3中點(diǎn)310位置時(shí)，轉(zhuǎn)向架的行為是正確的。對(duì)于這些轉(zhuǎn)向良好的轉(zhuǎn)向架的后軸，取它們?cè)糀OA的平均值。該平均值就近似等于動(dòng)態(tài)角偏差，該偏差是由于AOA應(yīng)變片(即圖5中的AOAI和AOAO)的動(dòng)態(tài)角失準(zhǔn)而產(chǎn)生的。然后，所有軸的原始AOA值都減去該平均值，由此來消除該角偏差的影響。盡管上述的過程是優(yōu)選的，但其它的實(shí)施方式也能接近于圖線300中的點(diǎn)310、或者是為列車的不同段提供不同的平均值。
在本優(yōu)選實(shí)施例的教導(dǎo)下，有兩種可能的方式能找到那些具有良好轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向架。當(dāng)轉(zhuǎn)向不良的轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)，由于曲線軌道的外側(cè)軌受到的橫向力很大，所以要采用外軌10上前輪(即圖14(a)中轉(zhuǎn)向架1400的車輪1422)的FL∶FV值。在該優(yōu)選實(shí)施例中，采用了如下兩條選擇準(zhǔn)則1.當(dāng)前軸1423在外軌10上的車輪1422的FL∶FV小于0.1，就將該轉(zhuǎn)向架選擇為轉(zhuǎn)向良好的，或者2.當(dāng)前軸1423在外軌10上的車輪1422的FL∶FV大于0.1，但小于0.17，且后輪的FL∶FV與前輪的FL∶FV的比值小于0.5，就將該轉(zhuǎn)向架選擇為轉(zhuǎn)向良好的。
將所有符合上述預(yù)定條件的轉(zhuǎn)向架的后軸1413的原始AOA值加起來，且從該總和計(jì)算出平均值，該平均值對(duì)應(yīng)于由于失準(zhǔn)而引起的動(dòng)態(tài)角偏差。在步驟970中，該平均值是通過用選出后軸1413的數(shù)目去除總和值來得到的。
用上述兩條準(zhǔn)則來選出轉(zhuǎn)向架的理論基礎(chǔ)如下所述1.如果轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)向是適當(dāng)?shù)?，則其前軸1423和后軸1413 FL∶FV都應(yīng)當(dāng)是很小的值，且前軸1423的FL∶FV要大于后軸1413的FL∶FV值。如果前軸1423低于某個(gè)選擇閾值時(shí)，則其后軸1413就將是轉(zhuǎn)向良好的，且在實(shí)際上垂直于外軌10和內(nèi)軌20。FL∶FV等于0.1的閾值條件就滿足這一原則。
2.如果前軸1423的FL∶FV高于上述步驟中的閾值0.1，但低于一個(gè)稍高的閾值(例如為0.17)，如果后軸1413的FL∶FV小于前軸FL∶FV的一半，且轉(zhuǎn)向架仍然能被選擇。
不難理解上述的兩方面內(nèi)容代表了一種優(yōu)選實(shí)施方式，且在某些實(shí)施例中，可單獨(dú)選擇采用第一個(gè)選擇范圍或第二個(gè)選擇范圍。另外，在實(shí)際工作中，還可根據(jù)列車/軌道的設(shè)計(jì)而改變上述的范圍值0.1、0.17和比值0.5，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于其它國(guó)家的鐵路尤其需要這樣。
范圍值0.1、0.17和比值0.5都受系統(tǒng)所分析的FL和FV實(shí)際值的影響。如果FL和/或FV是很小的值，則由于在它們之間存在相干影響，它們可能在同一個(gè)大小的數(shù)量級(jí)上。因而，步驟990能選擇出可用來確定動(dòng)態(tài)角偏差的合適的車軸。步驟970動(dòng)態(tài)地確定出由于圖5所示的應(yīng)變片AOAO和AOAI的位置失準(zhǔn)而引起的平均角偏差。盡管在此處采用的是平均值算法，但也可以用其它的數(shù)學(xué)方法來估算該角偏差值。
在步驟980中，本發(fā)明的方法用該步驟中確定出的、由動(dòng)態(tài)失準(zhǔn)引起的平均角偏差來確定各個(gè)車軸的實(shí)際動(dòng)態(tài)AOA值?，F(xiàn)在，只要使步驟950中得到的各個(gè)原始AOA值減去該平均角偏差值就能得到各個(gè)車軸的動(dòng)態(tài)AOA值。
可以理解盡管圖9中展示出了本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，但該圖中提出的各個(gè)步驟之間的實(shí)際次序是可以改變的，且這些步驟可以是在不同的循環(huán)進(jìn)程中完成的—例如是在兩個(gè)循環(huán)進(jìn)程中完成。
圖14(a)中表示了一軌道車輛的轉(zhuǎn)向架1400，其具有一個(gè)前軸輪對(duì)1420和一個(gè)后軸輪對(duì)1410。輪對(duì)1410具有一個(gè)外側(cè)車輪1412和一個(gè)內(nèi)側(cè)車輪1414。輪對(duì)1420具有一個(gè)外側(cè)車輪1422和一個(gè)內(nèi)側(cè)車輪1424。在圖14(a)中，在M方向上前進(jìn)的轉(zhuǎn)向架1400上的后輪對(duì)1410形成了一個(gè)攻角AOA，該攻角是由上述討論的應(yīng)變片AOLO和AOAI確定出的。轉(zhuǎn)向架1400上的前輪對(duì)1420在較早時(shí)形成一個(gè)攻角AOA，該攻角由應(yīng)變片AOAO和AOAI測(cè)得。
可從時(shí)間的觀點(diǎn)來以另一種方式對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行表述；TRAW＝TAOA+TAO公式1式中TRAW為在圖14(a)的情形中，外側(cè)車輪滾過AOAO的時(shí)間與同軸的內(nèi)側(cè)車輪滾過AOAI的時(shí)間之間的時(shí)間差。
TAO是AOAO和AOAI由于如圖14(b)中所示那樣位置失準(zhǔn)而造成的時(shí)間差。
TAOA為由攻角引起的時(shí)間差。
TAOA＝TRAW-TAO公式2如公式2所示，根據(jù)本發(fā)明的方法，由于位置失準(zhǔn)而造成的時(shí)間差可被估算出來，并從原始時(shí)間中減去該時(shí)間差。余下的時(shí)間差就是由攻角引起的。由于隨著速度的增大，由攻角而造成的滯后時(shí)間越小，所以該滯后也是速度的函數(shù)。如果速度和時(shí)間的數(shù)據(jù)已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成了角度值，則公式1和公式2也可以表達(dá)成角度的形式。
容易理解也可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等其它方案來得到一個(gè)中間值，在本發(fā)明的公開范圍內(nèi)，可采用任何數(shù)學(xué)方法來對(duì)由AOAO和AOAI位置失準(zhǔn)造成的角偏差進(jìn)行估算。
一旦估算確定出了圖13(b)中的峰值點(diǎn)1320(即對(duì)應(yīng)于圖13(a)中的最大陡度點(diǎn)1350)、從而定出數(shù)據(jù)點(diǎn)TP之后，就可以估算出AO效應(yīng)和速度S。預(yù)定范圍(即選出準(zhǔn)則)假定這些車軸屬于小攻角、小橫向力的轉(zhuǎn)向良好情況。這也就隱含著反向的逆假設(shè)(即小橫向力就具有小攻角)，但該逆假設(shè)并不是必然成立，這是因?yàn)樯踔猎诖蠊ソ堑那闆r中，小重量或低摩擦也會(huì)減小橫向力。但是，本發(fā)明的方法是選擇那些小橫向力的車輪，并從滯后時(shí)間角度估算出一個(gè)零攻角，由此來得到一個(gè)由軌道上的AOAO和AOAI位置失準(zhǔn)而產(chǎn)生的平均AO值，其中的位置失準(zhǔn)或者是靜態(tài)的、或者是動(dòng)態(tài)的，也可以是二者兼之的。然后，將該平均AO值用于整個(gè)列車的測(cè)量中。
總而言之，本發(fā)明公開了用于測(cè)量軌行車輛轉(zhuǎn)向架上前輪對(duì)和后輪對(duì)動(dòng)態(tài)攻角的方法。在其中的優(yōu)選實(shí)施例中，在步驟960中確定出所有輪對(duì)的原始攻角。然后，步驟990中利用POS去除相干影響而使FV和FL的估計(jì)值精確化，從而進(jìn)一步提高精度。然后，在步驟970中，選擇那些橫向力與垂直力比值在設(shè)定范圍(或數(shù)值)內(nèi)的轉(zhuǎn)向架的原始攻角。選擇出的這些轉(zhuǎn)向架在軌道上具有良好的轉(zhuǎn)向行為。然后，在所選擇出的原始攻角的基礎(chǔ)上計(jì)算出動(dòng)態(tài)角偏差。之后，步驟980使所有輪對(duì)的原始攻角值減去該角偏差，從而得到各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角。
不難理解盡管上述的討論是針對(duì)具有四根車軸的鐵路車輛。但本發(fā)明的教導(dǎo)也適用于六軸的機(jī)車以及其它類型的軌行車輛。
上述中去除相干影響的方法可用在任何用于測(cè)量垂直和/或橫向力的系統(tǒng)和方法中，其中的橫向和/或垂直力是在鐵路輪對(duì)和下鋪軌道的軌頭之間產(chǎn)生的?？傊?，本發(fā)明提出了對(duì)鐵路車輛的輪對(duì)與下鋪軌道的軌頭之間的作用力進(jìn)行測(cè)量的方法。本發(fā)明在下鋪軌道的一個(gè)已知位置點(diǎn)處獲得軌道車輛各輪對(duì)中至少一個(gè)車輪的力數(shù)據(jù)。在下鋪軌道上的得到力數(shù)據(jù)的該位置點(diǎn)處，還同時(shí)檢測(cè)位置數(shù)據(jù)。檢測(cè)到的位置數(shù)據(jù)用此位置點(diǎn)處的軌頭表面的形狀以及軌道車輛的重量進(jìn)行標(biāo)定，這樣就能去除掉所測(cè)得力數(shù)據(jù)中的相干影響，去除掉相干影響的該力值是高精度的。
上文中公開了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例。但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解在本發(fā)明的教導(dǎo)和范圍內(nèi)，還可以有多種其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)置形式或?qū)嵤┬问健M管這些形式在本文中沒有具體闡述，其中，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅由所附的權(quán)利要求進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量軌行輪對(duì)的攻角的方法，所說方法包括步驟測(cè)得輪對(duì)上每個(gè)車輪攻角的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)；對(duì)每個(gè)車輪的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算；定出各個(gè)時(shí)間采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)數(shù)中的峰值；在所定位出的峰值的基礎(chǔ)上，確定出一個(gè)攻角值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中測(cè)得攻角時(shí)間采樣數(shù)據(jù)的步驟中還包括步驟在軌道的外軌上的一個(gè)第一點(diǎn)處，以設(shè)定的時(shí)間采樣率檢測(cè)外側(cè)的攻角作用力；在軌道的內(nèi)軌上的一個(gè)第二點(diǎn)處，以所說的設(shè)定時(shí)間采樣率檢測(cè)內(nèi)側(cè)的攻角作用力，其中的內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)位于一條垂直于外軌切線的直線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中定出各個(gè)峰值所在時(shí)間點(diǎn)的步驟包括選擇在各個(gè)峰值周圍的一個(gè)預(yù)定窗口內(nèi)的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于用多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)各個(gè)預(yù)定窗口內(nèi)的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而定出峰值點(diǎn)。
5.一種用于測(cè)量軌行輪對(duì)的攻角的方法，所說方法包括步驟測(cè)得輪對(duì)上每個(gè)車輪攻角的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)；對(duì)每個(gè)車輪的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算；定出各個(gè)時(shí)間采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)數(shù)中的峰值；選擇在各個(gè)所說峰值周圍的一個(gè)預(yù)定窗口內(nèi)的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)；在各個(gè)預(yù)定窗口內(nèi)，根據(jù)所選擇的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個(gè)定出峰值所在的時(shí)間點(diǎn)；在所確定出的已定峰值的時(shí)間點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定出一個(gè)攻角值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于其中的計(jì)算步驟采用了多項(xiàng)式擬合的方法。
7.一種用于測(cè)量軌行軌道車輛轉(zhuǎn)向架的前輪對(duì)和后輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角的方法，所說方法包括步驟確定出所有輪對(duì)的原始攻角；只選擇上一步驟的所有原始攻角值中的某些攻角值，這些攻角值對(duì)應(yīng)于橫向力與垂直力比在一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的軌行轉(zhuǎn)向架的數(shù)值，在此情況中，所選擇轉(zhuǎn)向架具有良好的轉(zhuǎn)向行為；在所選擇出的轉(zhuǎn)向良好轉(zhuǎn)向架的原始攻角的基礎(chǔ)上計(jì)算出一個(gè)動(dòng)態(tài)角偏差；使所確定出的所有輪對(duì)的原始攻角值都減去計(jì)算出的動(dòng)態(tài)角偏差，從而得到各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于其中確定原始攻角的步驟包括在軌道外軌上的一個(gè)第一點(diǎn)處，當(dāng)外側(cè)車輪從該第一點(diǎn)正上方通過時(shí)，用一個(gè)第一攻角傳感器測(cè)量各個(gè)外側(cè)輪的外攻角值；在軌道內(nèi)軌上的一個(gè)第二點(diǎn)處，當(dāng)內(nèi)側(cè)車輪從該第二點(diǎn)正上方通過時(shí)，用一個(gè)第二攻角傳感器測(cè)量各個(gè)內(nèi)側(cè)輪的內(nèi)攻角值，其中的第二點(diǎn)位于一條垂直于第一點(diǎn)處外軌切線的直線上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，外側(cè)輪位于第一點(diǎn)正上方以及內(nèi)側(cè)車輪位于第二點(diǎn)正上方的時(shí)間是這樣確定出的對(duì)從對(duì)應(yīng)攻角傳感器獲得的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)；在一個(gè)設(shè)定的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)窗口內(nèi)定位出導(dǎo)數(shù)的峰值時(shí)間，從而就可得到在該峰值時(shí)間時(shí)的攻角值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于定位峰值的過程采用了多項(xiàng)式擬合的方法。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于其中的選擇過程包括步驟在軌道外軌的一個(gè)第一點(diǎn)上，(1)用一個(gè)第一垂直應(yīng)變片測(cè)量垂直力，(2)并用一個(gè)第一橫向應(yīng)變片測(cè)量橫向力；確定出每個(gè)轉(zhuǎn)向架的每一前輪對(duì)的外側(cè)車輪在該第一點(diǎn)上時(shí)，測(cè)得的橫向力與測(cè)得的垂直力之間的比值；判斷所說比值是否在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)，如果在該范圍內(nèi)，就對(duì)與那些在設(shè)定范圍內(nèi)比值相對(duì)應(yīng)的所有其它前輪所連接的后輪的攻角值作平均運(yùn)算，從而得到一個(gè)平均角偏差。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所說設(shè)定范圍為小于0.1的范圍。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所說設(shè)定范圍還包括如果比值在0.1到0.17之間，但后輪的力比值與前輪力比值的比值小于0.5。
14.一種用于測(cè)量在外軌和內(nèi)軌上行駛的輪對(duì)的攻角的方法，該方法包括步驟在軌道外軌的一個(gè)第一點(diǎn)上，(1)用一個(gè)第一垂直應(yīng)變片測(cè)量垂直力，(2)用一個(gè)第一橫向應(yīng)變片測(cè)量橫向力，(3)當(dāng)外側(cè)車輪滾過第一點(diǎn)的正上方時(shí)，用一個(gè)第一攻角傳感器測(cè)量外側(cè)車輪的外攻角值；在軌道內(nèi)軌的一個(gè)第二點(diǎn)上，(1)用一個(gè)第二垂直應(yīng)變片測(cè)量垂直力，(2)用一個(gè)第二橫向應(yīng)變片測(cè)量橫向力，(3)當(dāng)內(nèi)側(cè)車輪滾過第二點(diǎn)的正上方時(shí)，用一個(gè)第二攻角傳感器測(cè)量?jī)?nèi)側(cè)車輪的內(nèi)攻角值，第二點(diǎn)位于與第一點(diǎn)處的外軌切線垂直的直線上；測(cè)量各個(gè)輪對(duì)的速度；在速度、外側(cè)攻角值和內(nèi)側(cè)攻角值的基礎(chǔ)上確定出該輪對(duì)的原始攻角值；確定出當(dāng)外側(cè)車輪在第一點(diǎn)上時(shí)、測(cè)得的橫向力與測(cè)得的垂直力之間的比值；判斷該比值是否在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)，如果在該范圍內(nèi)，就對(duì)與那些對(duì)應(yīng)比值在該設(shè)定范圍內(nèi)的所有其它輪對(duì)的攻角值作平均運(yùn)算，從而得到一個(gè)平均角偏差；通過使各個(gè)原始攻角值減去所說平均角偏差而得到對(duì)應(yīng)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角值，就計(jì)算出了各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于外側(cè)輪位于第一點(diǎn)正上方以及內(nèi)側(cè)車輪位于第二點(diǎn)正上方的時(shí)間是這樣確定出的對(duì)從對(duì)應(yīng)攻角應(yīng)變片獲得的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)；定位出導(dǎo)數(shù)的峰值時(shí)間，從而就可得到在該峰值時(shí)間時(shí)的攻角值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于定位峰值時(shí)間的過程采用了多項(xiàng)式擬合的方法。
17.一種用于測(cè)量在外軌和內(nèi)軌上行駛的軌道車輛轉(zhuǎn)向架上前輪對(duì)和后輪對(duì)攻角的方法，該方法包括步驟在軌道外軌的一個(gè)第一點(diǎn)上，(1)用一個(gè)第一垂直應(yīng)變片測(cè)量垂直力，(2)用一個(gè)第一橫向應(yīng)變片測(cè)量橫向力，(3)當(dāng)外側(cè)車輪滾過第一點(diǎn)的正上方時(shí)，用一個(gè)第一攻角傳感器測(cè)量外側(cè)車輪的外攻角值；在軌道內(nèi)軌的一個(gè)第二點(diǎn)上，(1)用一個(gè)第二垂直應(yīng)變片測(cè)量垂直力，(2)用一個(gè)第二橫向應(yīng)變片測(cè)量橫向力，(3)當(dāng)內(nèi)側(cè)車輪滾過第二點(diǎn)的正上方時(shí)，用一個(gè)第二攻角傳感器測(cè)量?jī)?nèi)側(cè)車輪的內(nèi)攻角值，第二點(diǎn)位于與第一點(diǎn)處的外軌切線垂直的直線上；測(cè)量各個(gè)輪對(duì)的速度；在速度、外側(cè)攻角值和內(nèi)側(cè)攻角值的基礎(chǔ)上確定出該輪對(duì)的原始攻角值；確定出當(dāng)各個(gè)轉(zhuǎn)向架前輪對(duì)的外側(cè)車輪在第一點(diǎn)上時(shí)、測(cè)得的橫向力與測(cè)得的垂直力之間的比值；判斷所說比值是否在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)，如果在該范圍內(nèi)，就對(duì)與那些在設(shè)定范圍內(nèi)比值相對(duì)應(yīng)的所有其它前輪所連接的后輪的攻角值作平均運(yùn)算，從而得到一個(gè)平均角偏差；通過使各個(gè)原始攻角值減去所說平均角偏差而得到對(duì)應(yīng)各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角值，就計(jì)算出各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所說設(shè)定范圍為小于0.1的范圍。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所說設(shè)定范圍還包括如果比值在0.1到0.17之間、但后輪的力比值與前輪力比值的比值小于0.5的情況。
20.一種用于測(cè)量軌道車輛的輪對(duì)與下鋪軌道的軌頭之間作用力的方法，所說方法包括步驟在下鋪軌道的一個(gè)位置點(diǎn)處，對(duì)所說輪對(duì)中的至少一個(gè)車輪測(cè)量力數(shù)據(jù)；檢測(cè)下鋪軌道上所說位置點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，用該位置處的軌頭表面形狀以及在該位置處的軌道車輛的重力作用來對(duì)檢測(cè)到的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定；在所檢測(cè)到的位置數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，去除所測(cè)得力數(shù)據(jù)中的相干影響；在去除相干影響的基礎(chǔ)上得到一個(gè)力值。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所說力數(shù)據(jù)是由位于下鋪軌道的所說位置處的一個(gè)垂直力應(yīng)變片傳感器測(cè)得的垂直力。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所說力數(shù)據(jù)是由位于下鋪軌道的所說位置處的一個(gè)水平力應(yīng)變片傳感器測(cè)得的水平力。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于還包括步驟從布置在下鋪軌道的所說位置處的水平應(yīng)變片、垂直應(yīng)變片和攻角應(yīng)變片中的至少之一接收力數(shù)據(jù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于還包括步驟用作用在軌頭表面上的已知力對(duì)檢測(cè)出的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
25.一種用于測(cè)量軌行車輛輪對(duì)攻角的方法，其中的軌道具有以個(gè)緩彎，所說方法包括在下鋪軌道的一個(gè)位置處，測(cè)得在具有緩彎曲線的軌道上行駛的輪對(duì)的每個(gè)車輪的攻角數(shù)據(jù)；檢測(cè)下鋪軌道上所說位置點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，用該位置處的軌頭表面形狀以及在該位置處的軌道車輛的重力作用來對(duì)檢測(cè)到的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；在所檢測(cè)到的位置數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，去除所測(cè)得的攻角數(shù)據(jù)中的相干影響；在去除相干影響的攻角數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到一個(gè)攻角值。
26.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于測(cè)數(shù)據(jù)過程是指測(cè)得時(shí)間采樣數(shù)據(jù)的過程。
27.一種用于測(cè)量軌行車輛的前輪對(duì)和后輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角的方法，所說方法包括步驟確定所有輪對(duì)的原始攻角；從測(cè)得的原始攻角中去除相干影響；只選擇上一步驟的所有原始攻角值中的某些攻角值，這些攻角值對(duì)應(yīng)于橫向力與垂直力比在一個(gè)預(yù)定范圍內(nèi)的軌行轉(zhuǎn)向架的數(shù)值，在此情況中，所選擇轉(zhuǎn)向架具有良好的轉(zhuǎn)向行為；在所選擇出的轉(zhuǎn)向良好轉(zhuǎn)向架的原始攻角的基礎(chǔ)上計(jì)算出一個(gè)動(dòng)態(tài)角偏差；使所確定出的所有輪對(duì)的原始攻角值都減去計(jì)算出的動(dòng)態(tài)角偏差，從而得到各個(gè)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)攻角。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于確定原始攻角的過程還包括步驟在軌道外軌的一個(gè)第一點(diǎn)上，當(dāng)外側(cè)車輪滾過第一點(diǎn)的正上方時(shí)，用一個(gè)第一攻角傳感器測(cè)量外側(cè)車輪的外攻角值；在軌道內(nèi)軌的一個(gè)第二點(diǎn)上，當(dāng)各個(gè)內(nèi)側(cè)車輪滾過第二點(diǎn)的正上方時(shí)，用一個(gè)第二攻角傳感器測(cè)量?jī)?nèi)側(cè)車輪的內(nèi)攻角值，第二點(diǎn)位于與第一點(diǎn)處的外軌切線垂直的直線上；測(cè)量各個(gè)輪對(duì)的速度；在速度、外側(cè)攻角值和內(nèi)側(cè)攻角值的基礎(chǔ)上確定出輪對(duì)的原始攻角值。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于外側(cè)輪位于第一點(diǎn)正上方以及內(nèi)側(cè)車輪位于第二點(diǎn)正上方的時(shí)間是這樣確定出的對(duì)從對(duì)應(yīng)攻角應(yīng)變片獲得的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)；在一個(gè)設(shè)定的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)窗口內(nèi)定位出導(dǎo)數(shù)的峰值時(shí)間，從而就可得到在該峰值時(shí)間時(shí)的攻角值。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于定位峰值的過程采用了多項(xiàng)式擬合的方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于對(duì)輪對(duì)與下鋪軌道的軌頭之間的作用力進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)和方法，例如是用在攻角測(cè)量中的方法和系統(tǒng)。在一個(gè)路旁系統(tǒng)中對(duì)行駛在軌道上的車輛的轉(zhuǎn)向架前輪對(duì)和后輪對(duì)的攻角進(jìn)行測(cè)量。在外軌的一個(gè)第一點(diǎn)處，用一個(gè)第一垂直應(yīng)變片對(duì)垂直力進(jìn)行測(cè)量，用一個(gè)第一橫向應(yīng)變片對(duì)橫向力進(jìn)行測(cè)量，并用一個(gè)第一攻角應(yīng)變片對(duì)外側(cè)攻角時(shí)標(biāo)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。在內(nèi)軌上重復(fù)此過程，從而在速度和時(shí)間差的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)地得到各個(gè)輪對(duì)的原始攻角值。用位置應(yīng)變片測(cè)得的位置信號(hào)來去除掉相干影響，從而進(jìn)一步提高精度。所檢測(cè)出的位置信號(hào)用作用在軌頭上的已知力進(jìn)行標(biāo)定。
文檔編號(hào)G01D21/02GK1455227SQ0214152
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2002年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月29日
發(fā)明者M·A·德姆波斯基, K·D·哈斯 申請(qǐng)人:運(yùn)輸技術(shù)中心公司