CN101571432B - 一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,包括步骤:a.取单根轨枕上方的一段钢轨作为轮轨垂直力测量的弹性体;b.在弹性体中和轴上选择两组合适的应变输出,在相同垂直力应变输出平面上得到弹性体感应区不同纵向作用点位置对应的由两个轨枕支撑基准状态下应变输出确定的各直线的斜率;c.测量车轮通过弹性体感应区的应变输出,识别垂直力作用点纵向位置,以b步骤中得到的对应斜率的负值为组合系数,组合b步骤中选定的两组应变输出得到组合应变输出,组合应变输出与轨枕支撑状态无关;d.由有效测区的组合应变输出得到垂直力大小。一种测量装置,包括相连接的弹性体选取单元、应变选择及参数获取单元、纵向位置识别及应变组合单元及输出单元。

Description

一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法及装置
技术领域
本发明关于轨道车辆运行安全的地面评估方法,尤其有关一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法及装置。
背景技术
当今,轨道车辆运行安全日益受到重视。在地面安全评估方法中,评估列车自身运行安全最直接、最可靠的方法即是轮轨力测量,特别是轮轨力连续测量。
受限于轨枕上方的钢轨应变受轨枕支撑状态影响很大而难以稳定测得轨枕上方的轮轨垂直力,现有的轮轨垂直力测量通常采用基于钢轨应变的跨中剪力法来实现,如我国铁路现行行业标准《轮轨水平力、垂直力地面测量方法》(TB/T 2489-94)。跨中剪力法以两根轨枕之间跨中部分的一段对称的钢轨为弹性体、在弹性体端部轨腰两侧中和轴粘贴剪切应变片,测量轮轨垂直力作用下的两端部剪切应变差输出,根据标定值(曲线)换算得到轮轨垂直力的大小。为保证跨中剪力法的测量结果不受轨枕支撑状态的影响,弹性体的纵向尺寸一般取220mm左右,仅能准确得到弹性体上方较小范围(考虑到测量噪声的影响,有效测区一般取不小于标定曲线最大值80%的区域,或标称值的±10%)内的轮轨垂直力,无法实现长距离的轮轨垂直力连续测量,难以捕捉到车辆蛇行运动的特征值,不利于全面评估列车的动力学性能。
为克服轮轨垂直力间断测量方法的不足,一部分轮轨垂直力在线监测设备通过采用安装在钢轨上的剪力传感器和垫置在钢轨、轨枕之间的测力垫板相结合的方法,较好地解决了轨枕支撑刚度变化对测量结果影响的问题,稳定地获得了连续的轮轨垂直力数据。但这种轮轨垂直力连续测量方法在钢轨及轨枕之间引入了特殊的测力垫板,会对轨道结构以及轨道-列车系统的响应产生一定影响,使用范围受到限制,适用于监测对象异常运行特征明显的情况如空货车的蛇行。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法及装置,能长距离、连续、稳定地测量轮轨垂直力,不会对轨道结构及轨道-列车系统的响应产生影响,得到的结果不受轨枕支撑状态影响。
本发明的关键,是在不改变轨道结构的前提下,实现轨枕上方轮轨垂直力的稳定测量,结果不受轨枕支撑状态影响,且能有效地沿轨道扩展,独立或与现有方法结合实现长距离连续轮轨垂直力的稳定测量。
本发明解决关键问题的思路是:垂直力与轨枕支撑状态共同决定了钢轨的应变;对于轨枕上方的钢轨,很难选择某种应变仅与垂直力有关而与轨枕支撑状态无关;若在轨枕上方的钢轨上选择两组不同的应变,构成关于垂直力、轨枕支撑状态的方程组,理论上存在通过方程组求解获得与轨枕支撑状态无关的垂直力结果的可能;直接列出并求解应变关于垂直力、轨枕支撑物理参数的方程组是非常困难的,需要在合理选择应变组的基础上,通过其他技术途径(如‘隐式’的方程组求解)进行解决。
本发明提供的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,包括以下步骤:
a.取单根轨枕上方的一段钢轨作为轮轨垂直力测量的弹性体;
b.在弹性体中和轴上选择两组合适的应变输出,在相同垂直力应变输出平面上得到弹性体感应区不同纵向作用点位置对应的由两个轨枕支撑基准状态下应变输出确定的各直线的斜率;
c.测量车轮通过弹性体感应区的应变输出,识别垂直力作用点纵向位置,以b步骤中得到的对应斜率的负值为组合系数,组合b步骤中选定的两组应变输出得到组合应变输出,组合应变输出与轨枕支撑状态无关;以及
d.由有效测区的组合应变输出得到垂直力大小。
若有效测区段的长度不满足测量区段长度要求:
在获得的单根轨枕上方钢轨上的组合应变输出的有效测区的长度不小于1倍跨距的情况下,沿轨道执行步骤a、b、c,以获得各轨枕上方钢轨上的各组合应变输出,直至满足测量区段长度要求;然后将得到的全部轨枕上方钢轨上的各有效测区的组合应变输出再进行组合得到全测区组合应变输出,再通过全测区组合应变输出的算法及参数选择使得全测区组合应变输出标定曲线波动满足需求;最后由全测区组合应变输出除以对应纵向位置的全测区组合应变输出的标定值得到垂直力大小。
在获得的单根轨枕上方钢轨上的组合应变输出的有效测区长度小于1倍跨距的情况下,沿轨道执行步骤a、b、c,以获得各轨枕上方钢轨上的各组合应变输出,同时采用跨中剪力法获得各跨中钢轨上与轨枕支撑状态无关的跨中剪切应变差输出,直至满足测量区段长度要求;然后将得到的全部轨枕上方钢轨上的各个有效测区的组合应变输出和全部跨中钢轨上与轨枕支撑状态无关的跨中剪切应变差输出再进行组合得到全测区组合应变输出,再通过全测区组合应变输出的算法及参数选择使得全测区组合应变输出标定曲线波动满足需求;最后由全测区组合应变输出除以对应纵向位置的全测区组合应变输出的标定值得到垂直力大小。
本发明提供的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量装置,包括:
弹性体选取单元,用于选取单根轨枕上方的一段钢轨作为轮轨垂直力测量的弹性体;
应变选择及参数获取单元,与所述弹性体选取单元相连接,用于在弹性体中和轴上选择两组合适的应变输出,在相同垂直力应变输出平面上得到不同纵向作用点位置对应的由两个轨枕支撑基准状态下应变输出确定的各直线的斜率;
纵向位置识别及应变组合单元,与所述应变选择及参数获取单元相连接,用于测量车轮通过弹性体感应区的应变输出,识别垂直力作用点纵向位置,以应变选择及参数获取单元得到的对应斜率的负值为组合系数,组合应变选择及参数获取单元选定的两组应变输出得到组合应变输出,组合应变输出与轨枕支撑状态无关;以及
输出单元,与所述纵向位置识别及应变组合单元相连接,用于由有效测区的组合应变输出得到垂直力大小,输出测量结果。
本发明相对于现有技术的效果是显著的:
一、本发明的测量方法及装置,能测得列车通过轨枕上方时的轮轨垂直力,结果不受轨枕支撑状态影响,并且组合系数一般可视为常数,实施比较简单,当最终的组合应变输出特性良好或测量目的(如称重、超偏载等)对单点精度要求不高时,还可以不进行全面的纵向位置识别,处理简洁。
二、本发明的测量方法及装置,在实施时对轨道结构及轨道-列车系统的响应没有影响,该方法可以独立或与现有跨中剪力法结合实现长距离、连续轮轨垂直力的稳定测量,长距离、连续、稳定地得到轮轨垂直力,测区长度理论上可以无限长,测量结果不受轨枕支撑状态的影响,在监测对象运行特征明显和不明显的情况下,数据均精确有效,能为车辆特别是高速车辆的动力学性能试验、研究以及安全性的评估、监测提供了有效手段,具有很强的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的测量方法的流程图。
图2为本发明实施方式1中弹性体的应变输出点的布置示意图(单侧),|表示压缩应变位置,×表示剪切应变位置,均在中和轴上且在钢轨内外侧对称布置以最小化横向力及附加弯矩影响。
图3为本发明中弹性体中和轴应变的线性状态特性示意图,由于弹性体端部的弯矩对中和轴应变影响可以忽略,此处没有画出。
图4为实施方式1中弹性体中和轴的不同纵向位置、不同轨枕支撑状态、相同垂直力下二维应变输出图,横坐标为弹性体中和轴两端的剪切应变差,纵坐标为沿中和轴纵向分布的压缩应变和,其中+点表示标准支撑状态(i=1)下输出、o点表示支撑为零状态(i=0)下输出、连线两点对应同一纵向位置,*点表示0.5倍标准支撑刚度状态(i=0.5)下输出。
图5为实施方式1中弹性体的相同垂直力下应变及组合应变输出图,横坐标为距弹性体端部的纵向距离,其中*-线为标准支撑下剪切应变差输出、+-线为标准支撑下压缩应变和输出、.-线为标准支撑下组合应变输出、*线为支撑为零下剪切应变差输出、+线为支撑为零下压缩应变和输出、o线为支撑为零下组合应变输出,可以看到:相同垂直力、不同轨枕支撑状态下最终的组合应变输出(也即标定曲线).-线和o线重合,验证了本发明轮轨垂直力测量结果与轨枕支撑状态无关的技术特征。
图6为本发明实施方式1的应变片测试结果,连续布置了两跨,左跨轨枕支撑刚度正常,右跨轨枕空吊、支撑刚度为零,为使作用过程更加清晰O1,i,z×XSz乘了-1。
图7为本发明实施方式2中获得长距离、连续、稳定的轮轨垂直力的流程示意图。
图8~10为本发明实施方式2中不同轴距要求下的应变输出点布置示意(单周期),实际运用中,沿钢轨顺序布置即可。
图11为本发明实施方式3中在适合所有常规车辆条件下的应变输出点布置示意图。
图12为本发明实施方式3中获得长距离、连续、稳定的轮轨垂直力的流程示意图。
图13为本发明的测量装置的方块图。
具体实施方式
实施方式1
如图1所示,本发明提供一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,本实施方式旨在提供列车通过单根轨枕上方、较短区段内连续的轮轨垂直力稳定测量方法,包括如下步骤:
步骤a:如图2所示,取单根轨枕1上方一段对称的钢轨作为轮轨垂直力测量的弹性体2,弹性体2的长度L通常不小于2倍轨枕支撑长度且不大于2倍跨距减2倍轨枕支撑长度,在此选取弹性体2的长度L等于一个跨距L0
研究及以下的数据表明:可以在弹性体2中和轴上找到一系列的应变(如后面提到的两端的剪切应变差与沿纵向对称分布的压缩应变和等),对于这些应变,在任意轨枕支撑状态i下的输出可以等效为其在两个基准支撑状态下输出的线性组合(线性状态特性),比例系数为Xi,z,Xi,z与轨枕支撑状态i及垂直力F纵向作用点位置z有关,如图3所示。
一般地这两个基准支撑状态选择为弹性体标准轨枕支撑状态及弹性体下方轨枕支撑刚度为零状态,显然弹性体下方轨枕支撑刚度为零状态可以用撤去轨枕1或轨枕垫板等方法进行模拟,实际操作容易。
这样,轨枕支撑状态i下的弹性体中和轴上第j种具有线性状态特性的应变输出OJ,i,z可以表达为其在两个基准支撑状态下同种应变输出Oj,0,z及Oj,1,z的组合:
Oj,i,z=Kj,i,z×F=Oj,0,z×(1-Xi,z)+Oj,1,z×Xi,z=Kj,0,z×(1-Xi,z)×F+Kj,1,z×Xi,z×F,
其中:下标j为弹性体中和轴上满足线性状态特性的应变输出编号,下标i为轨枕支撑状态编号,i=1及i=0分别对应标准轨枕支撑状态及弹性体下轨枕支撑刚度为零状态,下标z表示该项是垂直力作用点纵向位置z的函数,z为垂直力F作用点距弹性体2端部的距离,以下相同,显然i=1对应的标准支撑状态下组合比例函数恒为1即X1,z≡1,i=0对应的支撑为零状态下组合比例函数恒为0即X0,z≡0。
步骤b:如图2、4所示,优选弹性体2端部中和轴位置的剪切应变差O1,i,z及沿弹性体2中和轴纵向分布的压缩应变和O2,i,z为待组合的两组应变输出 O 1 , i , z = K 1 , i , z × F O 2 , i , z = K 2 , i , z × F , 选择弹性体2的标准支撑状态及支撑为零状态为基准状态,在单位垂直力应变输出O1-O2平面上,得到相同垂直力F、不同纵向作用点位置z对应的两个基准状态下的应变输出(K1,1,z×F,K2,1,z×F)、(K1,0,z×F,K2,0,z×F)确定的多条直线的斜率kz=(K2,0,Z-K2,1,z)/(K1,0,z-K1,1,z),由每个纵向位置z在两基准状态下输出确定的各条直线的斜率kz相近,特别是在应变输出较大的纵向区域,斜率kz的负值记为XSz=-(K2,1,z-K2,0,z)/(K1,1,z-K1,0,z),也近似为常数。
其中,两个基准状态除了选择为相同纵向位置z标准支撑状态(i=1)及支撑为零状态(i=0)以外,从图4还可以看到:还可以选取相同纵向位置z标准支撑状态(i=1)和0.5倍标准支撑刚度状态(i=0.5),也可以选取相同纵向位置支撑为零状态(i=0)和0.5倍标准支撑刚度状态(i=0.5),得到的斜率相同,也就是说相同纵向位置z的0.5倍标准支撑刚度状态(i=0.5)下的组合应变输出位于标准支撑状态(i=1)及支撑为零状态(i=0)的组合应变输出的连线上,可见:弹性体中和轴应变具有线性状态特性,把任意轨枕支撑状态i下弹性体2的应变输出,视为弹性体2在两个基准状态下应变输出的线性组合是可行的、与实际情况相符;由于弹性体中和轴应变具有线性状态特性,XSz决定于中和轴上应变输出的选取而与基准支撑状态的选取无关,基准状态的选择是灵活的,只要便于实际实施即可。
其中,获得弹性体2在两个基准状态下受相同垂直力F作用下的两组应变输出可以通过直接测量的方式获得,此时,两个基准状态选择为相同纵向位置z标准支撑状态(i=1)及支撑为零状态(i=0)将使测量过程易于实现,图2中,×表示在钢轨上粘贴的剪切应变片3,|表示压缩应变片4,因此×即对应剪切应变位置、|对应压缩应变位置,通过剪切应变片3和压缩应变片4即可测得两组应变输出,当然在测量时,不局限采用应变片,其它例如光纤光栅、传感器或密栅云纹等能测得应变输出的测量器具均可采用。一般地随着压缩应变片4数量的增加,标定值函数波动减小。另外,由于目前钢轨有限元的计算结果已与实际测量结果很接近,两组应变输出也可通过仿真计算的方式获得,此时,基准状态的选择合理即可。
步骤c:测量车轮通过弹性体感应区的应变输出,识别垂直力作用点纵向位置z,以步骤b中得到的斜率的负值XSz为组合系数组合步骤b中选定的输出。
依据步骤a中表述的线性状态特性,可以得到关于垂直力F、轨枕支撑i比例系数Xi,z的非线性方程组 O 1 , i , z = K 1 , i , z × F = K 1,0 , z × ( 1 - X i , z ) × F + K 1,1 , z × X i , z × F O 2 , i , z = K 2 , i , z × F = K 2,0 , z × ( 1 - X i , z ) × F + K 2,1 , z × X i , z × F , 直接求解不方便,由于不关心Xi,z的大小,希望能直接消去该变量,考察组合应变输出Oi,z=O1,i,z×XSz+O2,i,z有:
O i , z = O 1 , i , z × XS z + O 2 , i , z
= [ K 1,0 , z × ( 1 - X i , z ) × F + K 1,1 , z × X i , z × F ] × XS z + [ K 2,0 , z × ( 1 - X i , z ) × F + K 2,1 , z × X i , z × F ]
= ( K 1,0 , z × XS z + K 2,0 , z ) × F + [ ( K 1,1 , z - K 1,0 , z ) × XS z + ( K 2,1 , z - K 2,0 , z ) ] × X i , z × F
= ( K 1,0 , z × XS z + K 2,0 , z ) × F + [ ( K 1,1 , z - K 1,0 , z ) × - ( K 2,1 , z - K 2,0 , z ) ( K 1,1 , z - K 1,0 , z ) + ( K 2,1 , z - K 2,0 , z ) ] × X i , z × F
= ( K 1,0 , z × XS z + K 2,0 , z ) × F
= ( K 1,1 , z × XS z + K 2,1 , z ) × F
可以看到,获得的组合应变输出Oi,z仅与垂直力作用位置z(通过XSz与K1,1,z、K2,1,z或K1,0,z、K2,0,z表征)及垂直力F的大小有关而与轨枕支撑状态(通过Xi,z表征)无关,根据该方法能稳定地测得列车通过轨枕1上方时的轮轨垂直力。
为计算简单本实施方式取XSz为常数,此时垂直力作用点纵向位置z的识别在d步骤之前实施即可。
当XSz视为常数时,可以直接根据相同垂直力作用下两基准状态组合应变输出相等的条件得到XSz,这使得本方式实施简单。
步骤d:由最终获得的有效测区的组合应变输出得到垂直力大小,具体是将组合应变输出除以对应纵向位置组合应变输出的标定值(图5的.-线或o线除以施加的恒定垂直力)得到垂直力F的大小。“有效测区”是公知的术语,是指以一预定标定值(标称值)为中心在上下许可波动值范围内波动的区段,考虑到测量噪声的影响,有效测区波动范围一般取为10%。在本发明的实施方式2、3中将要讲到的,是由相邻轨枕上方钢轨上的组合应变输出相组合以获得全测区组合应变输出,因此实施方式2、3中对单根轨枕1上方钢轨上的组合应变输出的有效测区的许可波动范围为降低要求的45%,此时最终的全测区组合波动[1-(1-0.45)*2=0.1]的范围与10%相当。
图6是某轮对通过连续两个测区的应变片实测结果,第一测区轨枕支撑正常,第二测区轨枕支撑刚度为零,XSz取为常数,可以看到虽然不同轨枕支撑对应测区的应变分量O1,0,z×XSz、O2,0,z与O1,1,z×XSz、O2,1,z差别很大,但最终的组合应变输出O1,z与O0,z很接近,本测量方法的结果不受轨枕支撑影响。
显然,若最终获得的组合应变输出波动满足测量精度要求,可以不进行全面的纵向位置识别。
实施方式2
如图1所示,本发明提供一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,本实施方式旨在提供稳定的、长测区的轮轨垂直力连续测量方法,如图7~10所示,该实施方式以实施方式1为基础,实施方式1仅执行一次步骤a、b、c,实施方式2在实施方式1的基础之上:
在步骤d中,若有效测区的长度不满足测量区段长度要求,在获得的单根轨枕1上方钢轨上的组合应变输出的有效测区长度不小于1倍跨距的情况下,则在步骤c、d之间还包括步骤:
c1.沿钢轨反复执行步骤a、b、c,直至满足测量区段长度要求,获得各轨枕1上方钢轨与轨枕支撑状态无关的单跨组合应变输出,步骤c1的实施,仅受测试设备能力的影响,理论上可以实现任意长度的轮轨垂直力连续、稳定测量。
c2.对步骤c1中得到的全部轨枕上方钢轨上与轨枕支撑状态无关的组合应变输出再进行组合得到全测区组合应变输出,此处全测区组合应变输出的算法及参数的选择应使得全测区组合应变输出标定曲线的波动满足需求。
步骤d的具体操作步骤是将步骤c2中的全测区组合应变输出除以对应纵向位置的全测区组合应变输出的标定值得到垂直力大小,即根据图7中从上至下的单跨的组合应变输出的标定函数61、全测区组合应变输出的标定函数62、单跨组合应变输出63、作用点位置识别函数64,由全测区组合应变输出算法就可以连续、稳定得到轮轨垂直力。
由本发明获得的锯齿形线条显示的轮轨垂直力测量曲线53(即垂直力结果)与光滑曲线表示的实际垂直力曲线54基本重合,误差很小。
为计算简单,本实施例取XSz为常数,垂直力作用点纵向位置z的识别是在得到单跨组合输出之后、垂直力输出之前实施,即是在以b步骤中得到的对应斜率的负值为组合系数,组合b步骤中选定的两组应变输出得到与轨枕支撑状态无关的组合应变输出以后,再识别垂直力作用点纵向位置。
在位置识别的过程中,相邻组合应变输出63的交点就是对应钢轨跨中中点51,相邻两个跨中中点51之间即是轨枕中心52,其余位置根据速度特性由插值法生成。
在本实施方式的步骤a中,如图8所示,弹性体2的长度L也选择等于一个跨距L0,只是压缩应变片4的数量相对方式1的实施例有所减少,此时标定值的波动有所增加,但对测量结果的精度没有明显影响,压缩应变片4的数量可以根据精度要求合理选择,适合所有常规车辆条件下实现垂直力连续、稳定测量,1跨为1周期,循环布置时弹性体2端部重叠的跨中剪切应变片3只保留一组。
对在步骤c2中全测区组合应变输出的算法中抵消的应变输出可以不进行测量,这样,在不明显影响测量结果的前提下可以实现系统简化。如图9所示,对于轴距大于3倍跨距车辆实现垂直力连续、稳定测量时,可以以2跨为1周期,因总长2跨长度的两个弹性体2相对接的端部重叠处的跨中剪切应变输出将在相应的连续算法中抵消,可不必测量,因此1周期内的跨间无剪切应变片3,全部布置压缩应变片4,在循环布置时端部重叠的跨中剪切应变片3只保留一组;如图10所示,对于轴距大于4倍跨距车辆实现垂直力连续、稳定测量时,可以以3跨为1周期、1周期内的跨间无剪切应变片3,循环布置时端部重叠的跨中剪切应变片3只保留一组;根据具体需要还可采取混合周期布置的方式,如依次采用图8、图9的方式进行测量,以简化系统。
显然,若最终获得的全测区组合应变输出波动满足测量精度要求,可以不进行全面的纵向位置识别,而是根据具体实际要求仅进行各别特征点的纵向位置识别。
实施方式3
如图1所示,本发明提供一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,与实施方式2一样,本实施方式旨在提供稳定的、长测区的轮轨垂直力连续测量方法,与实施方式2不同的是实施方式3中单跨组合应变输出的有效测区(如实施方式1中所述,此处为降低要求的单跨有效测区)长度小于1倍跨距(一般对应弹性体2的长度L小于一个跨距L0),且两跨间实施传统的跨中垂直力测量,如图11所示。
实施方式3以实施方式1为基础,实施方式1仅执行一次步骤a、b、c,本实施方式在实施方式1的基础之上:
在步骤d中,若有效测区的长度不满足测量区段长度要求,在获得的单根轨枕1上方钢轨上的组合应变输出的有效测区长度小于1倍跨距的情况下,则在步骤c、d之间还包括步骤:
c3.沿钢轨反复执行步骤a、b、c,直至满足测量区段长度要求,获得各轨枕1上方钢轨与轨枕支撑状态无关的单跨组合应变输出;与此同时,采用传统跨中剪力法获得各跨中钢轨上与轨枕支撑状态无关的跨中剪切应变差输出。
c4.对步骤c3中得到的全部轨枕上方钢轨上与轨枕支撑状态无关的组合应变输出和全部跨中钢轨上与轨枕支撑状态无关的跨中剪切应变差输出再进行组合得到全测区组合应变输出,此处全测区组合应变输出的算法及参数选择应使得全测区组合应变输出标定曲线的波动满足需求。
步骤d的具体操作步骤是将步骤c4中的全测区组合应变输出除以对应纵向位置的全测区组合应变输出的标定值得到垂直力大小,即如图12,根据传统跨中剪力法得到的标定函数61-1(跨间组合系数已考虑)、本发明实施方式1得到的单跨的组合应变输出的标定函数61-2、连续算法对应的全测区组合应变输出的标定函数62、传统跨中剪力法的跨中应变输出63-1(跨间组合系数已考虑)、本发明实施方式1的组合应变输出63-2、作用点位置识别函数64,由全测区组合应变输出算法再进行组合,同样能够获得适合所有常规车辆条件下的连续、稳定得到轮轨垂直力。
为计算简单,本实施例也取XSz为常数,垂直力作用点纵向位置z的识别也是在组合b步骤中选定的两组应变输出得到与轨枕支撑状态无关的组合应变输出之后、步骤d垂直力输出之前实施。
为与传统方法更好过渡,本实施例在测区边缘附加实施了跨中剪力法的测量,这对实施方式3没有本质的影响。
实施方式3能在一定程度上减少应变片的使用,且能在传统方法与本发明方法间保持良好的过渡。
显然,若最终获得的全测区组合应变输出波动满足测量精度要求,可以不进行全面的纵向位置识别,而是根据具体实际要求仅进行各别特征点的纵向位置识别。
实施方式4
如图13所示,该实施方式提供了一种实施前述方法的基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量装置7,包括:
弹性体选取单元71,用于选取单根轨枕1上方的一段钢轨作为力的弹性体2;
应变选择及参数获取单元72,与弹性体选取单元71相连接,用于在弹性体中和轴2上选择两组合适的应变输出例如弹性体2端部中和轴位置的剪切应变差O1,i,z及沿弹性体2纵向分布的压缩应变和O2,i,z,在相同垂直力应变输出平面上得到不同纵向作用点位置对应的由两个轨枕支撑基准状态下应变输出确定的各直线的斜率kz
纵向位置识别及应变组合单元73,与应变选择及参数获取单元72相连接,用于测量车轮通过弹性体感应区的应变输出,识别垂直力作用点z纵向位置,以应变选择及参数获取单元72得到的对应斜率kz的负值为组合系数XSz,组合应变选择及参数获取单元72中选定的两组应变输出,得到的组合应变输出Oi, z仅与垂直力F大小及作用位置z有关而与轨枕支撑状况无关;以及
输出单元74,与纵向位置识别及应变组合单元73相连接,用于由有效测区的组合应变输出得到垂直力大小,具体是将组合应变输出Oi,z除以对应纵向位置组合应变输出的标定值得到垂直力大小,输出测量结果。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,不能以此限定本发明实施的范围,凡依本发明的发明内容所作的等同变化与修饰,都应属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,包括以下步骤:
a.取单根轨枕上方的一段钢轨作为轮轨垂直力测量的弹性体;
b.在弹性体中和轴上选择两组合适的应变输出,在相同垂直力应变输出平面上得到弹性体感应区不同纵向作用点位置对应的由两个轨枕支撑基准状态下应变输出确定的各直线的斜率;
c.测量车轮通过弹性体感应区的应变输出,识别垂直力作用点纵向位置,以b步骤中得到的对应斜率的负值为组合系数,组合b步骤中选定的两组应变输出得到组合应变输出,组合应变输出与轨枕支撑状态无关;以及
d.由有效测区的组合应变输出得到垂直力大小。
2.如权利要求1所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:在步骤d中,若有效测区的长度不满足测量长度要求,在获得的单根轨枕上方钢轨上的组合应变输出的有效测区的长度不小于1倍跨距的情况下,在步骤c、d之间还包括步骤:
c1.沿钢轨执行步骤a、b、c,以获得各轨枕上方钢轨上的各组合应变输出,直至满足测量长度要求;
c2.对步骤c1中得到的全部轨枕上方钢轨上的各组合应变输出再进行组合得到全测区组合应变输出,此处全测区组合应变输出的算法及参数的选择应使得全测区组合应变输出标定曲线的波动满足需求;
而在步骤d中:将步骤c2中的全测区组合应变输出除以对应纵向位置的全测区组合应变输出的标定值得到垂直力大小。
3.如权利要求1所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:在步骤d中,若有效测区的长度不满足测量长度要求,在获得的单根轨枕上方钢轨上的组合应变输出的有效测区长度小于1倍跨距的情况下,在步骤c、d之间还包括步骤:
c3.沿钢轨反复执行步骤a、b、c,直至满足测量长度要求,以获得各轨枕上方钢轨上的各组合应变输出;与此同时,采用传统跨中剪力法获得各跨中钢轨上与轨枕支撑状态无关的跨中剪切应变差输出;
c4.对步骤c3中得到的全部轨枕上方钢轨上与轨枕支撑状态无关的组合应变输出和全部跨中钢轨上与轨枕支撑状态无关的跨中剪切应变差输出再进行组合得到全测区组合应变输出,此处全测区组合应变输出的算法及参数选择应使得全测区组合应变输出标定曲线的波动满足需求;
而在步骤d中:将步骤c4中的全测区组合应变输出除以对应纵向位置的全测区组合应变输出的标定值得到垂直力大小。
4.如权利要求2所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:依据连续测量长度要求以及测量车辆的轴距情况,对在步骤c2中全测区组合应变输出的变算法中抵消的组合应变输出不进行测量,在不影响测量结果的前提下实现系统简化。
5.如权利要求1所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:在步骤c中,把任意轨枕支撑状态下弹性体中和轴上的组合应变输出等效为弹性体中和轴上在两个基准状态下的两个应变输出的线性组合。
6.如权利要求5所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:所述两个基准状态是标准支撑状态及支撑为零的状态。
7.如权利要求1所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:b步骤中的两组应变输出是弹性体端部中和轴对应的剪切应变差及沿弹性体纵向分布的中和轴压缩应变和。
8.如权利要求1所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:b步骤中通过直接测量或仿真计算的方式获得弹性体在两个基准状态下受相同垂直力作用下的两组应变输出。
9.如权利要求1所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:在b步骤中对应每个纵向作用位置的两个基准状态下受力的两组应变输出确定的直线的斜率近似为常数。
10.如权利要求1所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:在步骤c中,进行作用点位置识别时仅直接进行特征点的识别,其它点依据速度情况插值生成。
11.如权利要求9所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:根据相同垂直力作用下两基准支撑状态组合应变输出相等的条件得到斜率。
12.如权利要求9所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:在步骤c中,先测量车轮通过弹性体感应区的应变输出,再以b步骤中得到的对应斜率的负值为组合系数,组合b步骤中选定的两组应变输出得到与轨枕支撑状态无关的组合应变输出以后,再识别垂直力作用点纵向位置。
13.如权利要求9所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:若最终获得的组合应变输出波动满足测量精度要求,则根据要求仅进行个别特征点的纵向位置识别。
14.如权利要求1所述的一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量方法,其特征是:在步骤a中选取的一段钢轨以所述单根轨枕为中心对称分布。
15.一种基于钢轨应变的轮轨垂直力连续测量装置,其特征在于,包括:
弹性体选取单元,用于选取单根轨枕上方的一段钢轨作为轮轨垂直力测量的弹性体;
应变选择及参数获取单元,与所述弹性体选取单元相连接,用于在弹性体中和轴上选择两组合适的应变输出,在相同垂直力应变输出平面上得到弹性体感应区不同纵向作用点位置对应的由两个轨枕支撑基准状态下应变输出确定的各直线的斜率;
纵向位置识别及应变组合单元,与所述应变选择及参数获取单元相连接,用于测量车轮通过弹性体感应区的应变输出,识别垂直力作用点纵向位置,以应变选择及参数获取单元得到的对应斜率的负值为组合系数,组合应变选择及参数获取单元选定的两组应变输出得到组合应变输出,组合应变输出与轨枕支撑状态无关;及
输出单元,与纵向位置识别及应变组合单元相连接,用于由有效测区的组合应变输出得到垂直力大小,输出测量结果。
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