CN102874277B - 车轮轨道相互作用力评估 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车轮轨道相互作用力评估。提供了一种评估铁路运输车轮和轨道之间接触应力的方法，用于确定例如脱轨可能性的信息。运输车车体的加速度采用位于车体上的适当点的运动传感器来测量。运输车侧架上的应力基于车体加速度和车体的预定参数来进行计算。基于车体加速度和预先设定的车体参数来计算运输车车轮的应力。这样基于为侧架和车轮计算的力来计算车轮和轨道之间的接触应力。该计算采用运输车系统的反相模型来进行。还描述了应用该方法的设备。

Description

车轮轨道相互作用力评估

本申请是申请日为2006年6月8日提交的、申请号为200680026068.0、发明名称为“车轮轨道相互作用力评估”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种评估铁路车辆车轮和铁轨之间相互作用的方法和装置，特别但不仅仅涉及评估由于轨道不规则表面引起的接触力。

背景技术

关于诸如运输车这样的轨道车辆的轮-轨相互作用的信息可以以多种方式被使用，例如用于提供车辆可能出轨的指示以及分析车轮或轨道的损害。但是，由于接触位置难以接近，所以一般不可能对轨道车辆的车轮和车轮在其上运动的轨道之间的相互作用力进行直接测量。

间接确定这些相互作用的一系列商业产品已经是可用的，例如已知的软件包。这些产品包括车辆轨道系统的前向动力学模型，其中首先测量轨道的不规则，然后利用运行速度和已知的车辆特征来预估接触力。但是，在整个技术中存在大量缺陷，包括提供轨道数据的测量系统的成本以及其对于维持正常全部车辆的困难。

采用（人工神经网络：ArtificialNeutralNetwork）ANN建模用于轨道车辆和相互作用力的一系列模拟包也是可获得的。这些也要求轨道几何形状和运行速度作为输入来计算车轮和轨道之间的相互作用。ANN模型要求足够的现场测试数据来为每种车型建立模拟模型。因此，处理过程是昂贵的，并且仍然存在以下限制，即其依赖于最新轨道数据来对车辆性能进行每日评估。

至今还没有一种成功的产品可以基于车辆参数和车辆运动测量来实时计算轮-轨力。这是涉及轮组（wheelset）中摩擦和衰减的非线性逆问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供改进系统来评估轨道车辆的车轮和轨道之间的接触力，或者至少提供对现有技术系统的替换。

在一个方面中，本发明因此可以被宽泛地认为涉及一种评估轨道运输车的车轮和运输车沿其运动的轨道之间的接触力的方法，包括：确定运输车的车体的加速度，基于运输车的车体的加速度和车体的预定参数来计算运输车的侧架上的力，基于运输车的车体的加速度和车体的预定参数来计算运输车的车轮上的力，基于为侧架和车轮所计算的力来计算车轮和轨道之间的接触力。

优选地，通过在运输车车体上与运输车质心间隔开的位置处安装运动传感器，并在也位于运输车上的处理器处从这些传感器接收数据来确定运输车车体的加速度。从运动传感器所接收的数据被转换为表示运输车的车体相对于质心的横向、竖向、倾斜（pitch）、滚转（roll）和偏航（yaw）的加速度。该计算基于包括利用赫兹弹簧和粘滞阻尼参数对运输车的车体、侧架和轮组的近似的模型。

在另一方面，本发明还提供一种评估轨道运输车的车轮和轨道之间的接触力的装置，包括：一组设置在多个相对于运输车质心的位置处的运动传感器，以及从这些传感器接收数据的处理器，其中处理器包含计算机程序代码，而计算机程序代码基于车体的加速度和车体的预定参数计算运输车的侧架上的应力，基于车体的加速度和车体的预定参数来计算运输车的车轮上的力，基于为侧架和车轮所计算的力来计算车轮和轨道之间的接触力。还可以包括发射器，用于将有关接触力的数据从处理器传送到收集站点。

本发明还包括在本说明书中所指出的特征的任何替换性组合。这些特征的所有等同特征不管是否被明确表述都被认为包括在本发明内。

附图说明

结合以下的附图将对于本发明的优选实施例进行介绍，其中：

附图1示意性地示出了有轨运输车，

附图2表示可能在轨道上产生的轮-轨力，

附图3是运输车或其他车辆上的轮组的简化模型图，

附图4表示可以被用于监视运输车运动的装置，

附图5显示该装置中的运动传感器的特性，

附图6显示运输车的反车辆动力学模型，

附图7显示运输车车体上惯性力的确定，

附图8显示装置中的程序代码的操作流程图，

附图9显示横向轮-轨接触力的典型变化，

附图10显示竖直轮-轨接触力的典型变化。

附图11显示附图9和10中的横向和竖向力的比率。

附图12显示所测的运输车车体的加速度。

附图13显示对于所测量的加速度的估计的竖向车轮力。

附图14显示对于所测量的加速度的估计的水平车轮力。

附图15显示对于所测量的加速度的横向力和竖直力的比率。

具体实施方式

参照附图可以理解，本发明可以以各种方式应用于各种车辆系统。这些实施例涉及轨道运输车并仅仅通过举例给出。

附图1显示具有车体10和两个转向架11的轨道运输车。在这个例子中，各转向架具有一对平行侧架12，其中每个侧架安装在垂直悬挂单元上，并支承一对车轮13。一个公共悬挂单元上的车轮被认为是负载分享组。侧架由支承梁14结合。轮组由轮轴的相对端上的车轮对构成。因此，每个转向架具有一对轮组。可以理解，各种运输车结构可以在实践中被使用。

附图2表示铁轨头处横向和竖向力向量L、V。它们表示在铁轨和车轮之间接触面处的接触力，并被用来量化运输车稳定性的两个重要标准。动力学的竖直力经常被表示为其静态值的百分比，从而指示轮重减载。横向力经常被表示为横向力/竖直力形式的与竖直力的比率。这个比率被称为“Nadal标准”或者“脱轨指数”或者“L/V率”，并且被用于指示车辆在车轮爬坡模式（wheelclimbmode）中的脱轨倾向。力作用点随着轮-轨运动学接触参数的变化而变化。

附图3显示数学物理模型如何使得能够通过相应弹力和阻尼力的和来描述竖向力。以下的分析涉及简化的由车轮和悬挂质量所构成的2自由度（DOF）系统，并将提供用于竖向车轮轨道接触力预测的基本概念。现实的物理模型更复杂，并具有更多的自由度，并且运输车车体运动通过三个平移加速度和三个旋转加速度来表示。

在本系统中，质量m₀的加速度被用于通过以下的等式来估计轮-轨接触力：

$m_o{a}_o+C_o({\stackrel{\·}{z}}_o-{\stackrel{\·}{z}}_w)+K_o(z_o-z_2)+F_{\mathrm{Df}}=0---\left(1\right)$

$m_w{\stackrel{\·\·}{z}}_w+C_w({\stackrel{\·}{z}}_w-{\stackrel{\·}{v}}_r)+K_w(z_w-v_r)=-m_o{a}_o---\left(2\right)$

其中，a₀表示质量m₀的加速度，表示重量m_w的加速度，线性阻尼器由C₀、C_w来限定，线性弹簧刚度由K_o、K_w来限定，质量m₀和m_w的竖直位移和速度分别是z0和z_w。v_r表示作为时间或距离的函数的竖直轨道不规则性，F_Df是位于质量m₀和m_w之间的非线性阻尼器（通常是摩擦）。

设

z_wr＝z_w-v_r(3)

则等式（2）变为：

$m_w{\stackrel{\·\·}{z}}_{\mathrm{wr}}+C_w{\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{wr}}+K_w{z}_{\mathrm{wr}}=-m_o{a}_o---\left(4\right)$

定义：

$F_{\mathrm{wr}}=C_w{\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{wr}}+K_w{z}_{\mathrm{wr}}---\left(5\right)$

为车轮轨道竖向接触力并需要预测。

惯性力m₀a₀和运行速度是等式（2）所描述的系统的输入。于是，系统可被数值地求解，以获得位移和速度z_wr和最终，通过等式（5），竖向轮-轨交互力可以被确定。存在很多种方法来应用于负载评估，但是它们对于预测车轮轨道接触力而言具有多种限制。

附图4显示了可以被用于监视轨道车辆运动并执行导致接触力评估的计算的装置的项目。该装置包括一组运动传感器40，诸如加速计或者速度传感器。它们被设置和安装在附图1所示运输车体的适当位置处，与总的质心间隔开，典型地位于运输车体的角部。总之，必须有三个或者更多的传感器位于车体上。监视装置41通常也位于运输车上，或者在包括运输车的列车上的其他任何可能位置处，并且通过有线或者无线连接而从传感器接收数据。该装置包括处理器42、发射器/天线43和电池44。电源45将功率从电池传送到处理器、发射器和传感器。电池优选地通过诸如太阳能电池46这样的列车上的源充电。所有的部件被构造为可以耐机械损害，并且被密封以防止尘土和水的进入。

附图5更详细地显示了运动传感器的布置和操作。这些传感器中所需的最小功能性是在三个位置中每一个处所测量的两个轴。运输车的每个端处的一个传感器测量横向和竖向的运动以允许计算竖向、横向、偏航和倾斜模式。一个端处的第三2轴运动传感器测量竖向和纵向的运动，以允许计算径向和滚转运动。通过各位置中的三轴加速计，可以获得更为精确的结果。在各位置中使用三轴加速计就允许正确地计算大角度运动，并包括运输车体弯曲的隐含平均。

原型的运动传感器是AnalogDiviceADXL202/10双轴加速度传感器。ADXL202/10测量两个正交轴中的加速度，并能够感测从DC到数千赫兹的频率。为了为运输车车体运动确保全部六个自由度，高达三个轴加速计被设置在运输车体的三个角部处。通过应用坐标转换，这些信号可以被转化为纵向、横向和竖向加速度，以及倾斜、滚转和偏航。在该优选实施例中，三个传感器装置被设置在运输车体上的某些位置处，从而可以观察运输车体的六自由度的运动。运动感测装置的设置不是唯一的，多种的设置都可以被用于观察运输车体的六自由度的运动。运动感测装置的设置的变化会导致确定运输车车体质心处加速度所需要的数学转换的变化。

运动感测装置可以用除加速计之外的其他装置来实现。陀螺仪或者角位置传感器或者角旋转传感器都可以被采用，并且加速度信号可以易于通过微分而根据它们的输出被确定。用于观察运输车车体的六自由度运动的运动感测装置的数量可以不是三个。运动传感器的输出可以由处理装置处理。在本优选实施例中，采用在40MHz操作、具有256KB的RAM的Rabbit3000处理器来实现车轮轨道相互作用力预测装置。车轮轨道力指示被从装置通过无线电发射机被传递。

附图6显示了用于形成通过原型装置求解以评估车轮轨道相互作用力的方程组的物理模型。模型优选地具有以下的特征：

·假定承梁固定到运输车体；

·忽略侧架的倾斜，从而相同转向架上的两个轮组的预计运动被认为是一样的。

·假定侧架与轮组接触而没有悬挂，使得侧架的质量被认为是接头（adapter）的点质量。

·赫兹刚度被用于模拟车轮轨道正常接触。

假定具有三片转向架的运输车（如在澳大利亚货运和重型拖运中广泛使用的），附图6中所显示的模型是一个简化的质量和连接集中在一起的运输车，如下：

·运输车体质量包括运输车体和承梁质量；

·轮组质量包括三片转向架的不支承在弹簧上的质量：即两个轮组和两个侧架。

·初级悬挂等同于三片转向架次级悬挂。

附图6中显示的模型具有如表1所列的13个自由度，并且应当注意，模型可以容易地被适配和调整适合于许多其他的转向架设计。

表1物理模型自由度

在应用中，运输车体的平移和角加速度可以在不同于点P处的质心（附图5所示）的一个点处被测量，在这种情况下，运输车车体质心的横向和竖向加速度可以通过以下的相对运动关系来获得：

$\left[\begin{array}{c}{a}_{x0}\\ a_{y0}\\ a_{z0}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ a_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\α}}_z& {\mathrm{\α}}_y\\ {\mathrm{\α}}_z& 0& -{\mathrm{\α}}_x\\ -{\mathrm{\α}}_y& {\mathrm{\α}}_x& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ H\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中，a_x0；a_y0；a_z0表示点O处质心在x、y和z方向上的加速度，a_x；a_y；a_z表示在点P处所测量的加速度，A、B、H表示质心到被测量点P之间在纵向、横向、竖向上的距离。因数α_x；α_y；α_z是关于x、y和z轴的角加速度。角加速度保持不变。

可以替换地，只有运输车体在纵向、横向和竖向上的平移加速度在运输车体的三个角部处（参见附图1和5）被测量，于是，运输车车体的质心角加速度可以被表示如下：

${\mathrm{\α}}_x=\frac{a_{z3}-a_{z2}}{2B}$

${\mathrm{\α}}_y=\frac{a_{z3}-a_{z1}}{2A}---\left(7\right)$

${\mathrm{\α}}_z=\frac{a_{y1}-a_{y2}}{2A}$

平移加速度为：

$a_{x0}=\frac{a_{x2}+a_{x3}}{2}-H\frac{a_{z3}-a_{z1}}{2A}$

$a_{y0}=\frac{a_{y1}+a_{y3}}{2}+H\frac{a_{z3}-a_{z2}}{2B}.---\left(8\right)$

$a_{z0}=\frac{a_{z1}+a_{z2}}{2}$

等式（6）、（7）、（8）的使用允许对于在运动传感器可以位于运输车上的位置的相当大的灵活性。一旦安装，运动传感器的位置被用于配置反向模型来对于该特定的运输车给出正确的结果。

轮车/轨道接触力是通过车轮和轨道之间的赫兹弹性来确定的。普通的车轮/轨道接触力由竖向力和塑性变形（creepage）确定，塑性变形被用于确定横向和纵向塑性变形力分量。如果轮组的横向摆动超过了法兰间隙（flangeclearance）δ，则还存在车轮法兰和轨道之间的接触。这导致突然恢复力F_T，其被称为法兰力。该力的现象描述是通过带有死区（deadband）的刚性线性弹簧来提供。

$F_T\left(y\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_0(y-\mathrm{\&delta;}),& \mathrm{\&delta;}<y,\\ 0,& -\mathrm{\&delta;}\&le;y\&le;\mathrm{\&delta;},\\ k_0(y+\mathrm{\&delta;}),& y<-\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中y表示轮组的横向位移，k₀表示法兰和车轮之间的冲击刚度；δ表示当轮组位于中心时轨距面（railguageface）和法兰之间的横向距离。因为运输车体在横向、竖向、倾斜和道路方向上的加速度是已知的，所以系统的自变量减少为8个。反相车辆模型可以被数学表示为：

$\left[M\right]{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{X}}_{\mathrm{wr}}+\left[K\right]X_{\mathrm{wr}}+\left[C\right]{\stackrel{\&CenterDot;}{X}}_{\mathrm{wr}}=F_w+F_a+F_n+F_t---\left(10\right)$

其中[M]表示质量矩阵，[K]是弹簧刚度矩阵，[C]是系统阻尼矩阵，F_w表示重力矢量，F_a是与运输车体的惯量和所测加速度二者相关的力矢量。F_n、F_t分别表示竖向和横向的车轮-轨道接触力。竖向力Fn由以下确定：

$F_n=\left[K_{\mathrm{wr}}\right]X_{\mathrm{wr}}+\left[C_{\mathrm{wr}}\right]{\stackrel{\&CenterDot;}{X}}_{\mathrm{wr}}---\left(11\right)$

其中[K_wr]表示车轮-轨道刚度矩阵，[C_wr]表示车轮-轨道阻尼矩阵，X_wr是自变量矢量，包括平移和角位移，并且被定义为：

其中，y_w1；z_w1；ψ_w1各自表示第一转向架的横向位移、竖向位移、滚转（绕y轴的角位移）和偏航（绕z轴的角位移）。类似的，y_w3；z_w3；ψ_w3是关于第二转向架的。

对于平移运动，惯性力是通过加速度乘以运输车车体质量来计算的，但是对于旋转运动，例如，如果运输车车体的滚转加速度是已知的，则横向和竖向上的支持力可以通过下面的方法来计算(参见附图7)：

其中

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{h}{b}=\frac{F_y}{F_z}\&CenterDot;---\left(14\right)$

I代表运输车的惯性矩，b，h分别代表从力作用点到质心的横向和竖向的距离。是滚转角加速度，在本例子中是绕x轴的(例如，滚转)。

附图8显示了采用诸如上述那样的监视装置来评估运输车模型的算法的功能流程。加速度数据首先以适当的采样率被获取。采样率必须足够高以防止混淆现象，因为车辆振动通常包括由导轨面和轮轴承输入(wheelbearinginputs)所导致的高频低幅振动。对于车辆动力学不重要的高频加速度分量必须首先被从加速度数据中滤除。在货运车辆上，高于20Hz的信号对于运输车动力学几乎没有影响。然后利用来自运动传感器的加速度数据和运动传感器位置相对于运输车体质心的已知测量来确定运输车体的加速度。然后利用所测得的加速度和运输车体的已知质量和惯量来计算施加于转向架的力。反相模型然后被用于计算施加在转向架处的竖向和横向力。这些结果被用于推断轮减载和L/V比率。在转向架倾斜和转向架偏航不能单纯从车体的运动传感器数据获得时，所计算的数值就代表转向架每侧上两个车轮-轨道接触上(即侧架上)的平均减载和L/V。

附图9-15显示了采用上述反相模型进行计算的结果。附图9、10、11是模型数据和来自VAMPIRE包的标准模拟的比较。VAMPIRE使用传统的前向模型，并且必须提供所有的轨道几何数据。从VAMPIRE模型(模拟在本实施例中从运动传感器所获得的数据)所获得的运输车响应数据被记录，并且然后被用作为反相模型的输入。反相模型然后被用于产生横向力数据(附图9)、竖向力数据(附图10)和L/V数据(附图11)。在所有三种情况下，在反相模型输出和VAMPIRE输出之间存在充分的一致，以证明将反相模型用作场器件来指示诸如较差的轨道-运输车交互作用、较差的轨道表面和脱轨特性是适当的。

附图12显示了由监视装置在轨道测试上所测量的滤波后的加速计输入。附图13、14、15显示使用来自运动传感器的所测得的加速计数据来计算轨道的竖向、横向和160m上的L/V。

在随后的权利要求书的范围中可以对发明进行多种变换。

Claims (11)

1.一种评估轨道运输车的车轮和运输车正沿其运动的轨道之间的接触力的方法，包括在监视装置(41)的控制之下：

提供运输车的车体(10)和转向架(11)的模型，其中支承在弹簧上的车体质量(m_o)被未支承在弹簧上的车轮质量(m_w)支撑；

确定运输车的车体(10)的加速度(a_x、a_y、a_z)；

基于车体的加速度(a_x、a_y、a_z)和车体的参数A、B、H，计算支承在弹簧上的车体质量的加速度(a_l、a_v、a_roll、a_pitch、a_yaw)；

基于支承在弹簧上的车体质量的加速度(a_l、a_v、a_roll、a_pitch、a_yaw)和车体的参数I、b、h，计算支承在弹簧上的质量对未支承在弹簧上的质量的力(F_y、F_z)；以及

基于支承在弹簧上的质量对未支承在弹簧上的质量的力(F_y、F_z)和模型的参数[M]、[K]、[C]，计算未支承在弹簧上的车轮质量和轨道之间的接触力(F_n、F_t)，

其中A、B、H表示质心到被测量点之间在纵向、横向、竖向上的距离，I代表运输车的惯性矩，b，h分别代表从力作用点到质心的横向和竖向的距离，[M]表示质量矩阵，[K]是弹簧刚度矩阵，[C]是系统阻尼矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，还包括基于未支承在弹簧上的车轮质量和轨道之间的接触力(F_n、F_t)，评估在轨道头部处的横向力(L)与纵向力(V)之比(L/V)。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述支承在弹簧上的车体质量(m_o)包括运输车的车体(10)和转向架的支承梁(14)。

4.如权利要求1所述的方法，其中每个未支承在弹簧上的车轮质量(m_w)包括车轮组和转向架的侧架(12)。

5.如权利要求4所述的方法，其中转向架的侧架(12)的倾斜旋转被忽略。

6.如权利要求1所述的方法，其中支承在弹簧上的车体质量的加速度(a_l、a_v、a_roll、a_pitch、a_yaw)与车体绕运输车质心的横向、纵向、倾斜、滚转和偏航运动有关。

7.一种用于评估轨道运输车的车轮和轨道之间的接触力的设备，包括：

一组运动传感器(40)，与运输车的质心(O)间隔开；以及

监视装置(41)，其被配置为从传感器接收数据，并通过以下操作评估轨道运输车的车轮和轨道之间的接触力：

提供运输车的车体(10)和转向架(11)的模型，其中支承在弹簧上的车体质量(m_o)被未支承在弹簧上的车轮质量(m_w)支撑；

确定运输车的车体(10)的加速度(a_x、a_y、a_z)；

基于车体的加速度(a_x、a_y、a_z)和车体的参数A、B、H，计算支承在弹簧上的车体质量的加速度(a_l、a_v、a_roll、a_pitch、a_yaw)；

基于支承在弹簧上的车体质量的加速度(a_l、a_v、a_roll、a_pitch、a_yaw)和车体的参数I、b、h，计算支承在弹簧上的质量对未支承在弹簧上的质量的力(F_y、F_z)；以及

基于支承在弹簧上的质量对未支承在弹簧上的质量的力(F_y、F_z)和模型的参数[M]、[K]、[C]，计算未支承在弹簧上的车轮质量和轨道之间的接触力(F_n、F_t)，

其中A、B、H表示质心到被测量点之间在纵向、横向、竖向上的距离，I代表运输车的惯性矩，b，h分别代表从力作用点到质心的横向和竖向的距离，[M]表示质量矩阵，[K]是弹簧刚度矩阵，[C]是系统阻尼矩阵。

8.如权利要求7所述的设备，还包括基于针对未支承在弹簧上的车轮质量的接触力(F_n、F_t)，评估在轨道头部处的横向力(L)与纵向力(V)之比(L/V)。

9.如权利要求7所述的设备，其中所述支承在弹簧上的车体质量(m_o)包括运输车的车体(10)和转向架的支承梁(14)。

10.如权利要求7所述的设备，其中每个未支承在弹簧上的车轮质量(m_w)包括车轮组和转向架的侧架(12)。

11.如权利要求10所述的设备，其中转向架的侧架(12)的倾斜旋转被忽略。