CN111417553A - 用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统及其相应方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定包括至少一个轮轴的轨道车辆的车轮‑轨道附着力值的系统，具有半径(R)的两个车轮耦接到轮轴，该系统包括：‑变形检测电路(10)，耦接到轮轴(1)，变形检测电路布置成检测由于从轮轴传递到轨道的纵向附着力(Flong)引起的轮轴的扭转变形；‑控制装置，布置成根据检测到的扭转变形来估计扭矩值，以将估计出的扭矩值根据车轮的半径(R)转换成纵向附着力(Flong)的值，并通过纵向附着力(Flong)值和轮轴施加在轨道上的法向载荷值之间的比率计算车轮‑轨道附着力值。还描述了一种用于确定轨道车辆的车轮‑轨道附着力值的方法。

Description

用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统及其相应 方法
技术领域
本发明总体上落入用于监测轨道车辆的车轮-轨道接触力的系统的领域；具体地，本发明涉及一种用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统及其相应方法。
现有技术
当在轨道上行驶时，轨道车辆通过车轮-轨道接触对地面施加力，这允许火车遵循轨道。交换的力取决于轨道的特性、火车的动态行为和火车正在传递的载荷。
近年来，用于监测车轮-轨道接触力的系统已经引起了铁路部门的各种角色(诸如，基础设施经理(IM)和铁路经营者(RU))的兴趣。这种兴趣尤其涉及实时监测运行中的轨道车辆的可能性，以及因此涉及向铁路经营者(RU)报告任何违规以便采取相关修正措施的可能性。
接触力监测系统可分为：
-安装在火车上的系统；
-轮轴和/或车轮变形测量系统；
-主要在轨道车辆批准时使用的系统；
-安装在地面上的系统；
-轨道变形测量系统；以及
-待用于中期至长期的主要用作诊断系统的系统。
车轮和轨道之间交换的接触力的量应符合标准UNI EN14363中确立的限制。该标准规定了用于轨道车辆批准目的的准静态和动态测试的性能。该标准提出的限制与以下内容直接相关：
-轨道必须提供的结构性能；
-与脱轨相关的安全性；
-随着时间的推移保持正确的轨道几何形状；以及
-旅行舒适度。
通过关注安装在火车上的测量系统，接触力可分解成三个空间方向，即，竖直力Fvert、横向力Flat和纵向力Flong(如图1所示)。
这些年来已经开发了用于测量接触力的多种方法。这些已知方法基本基于通过测量轮对在各个点处的变形来估计接触力。术语“轮对”用于表示包括两个车轮和连接它们的轮轴的组件。这样的点可定位在轮轴上或定位在车轮的中心上。因此，力的测量并非是直接的，而是需要校准操作以从变形测量确定接触力的值。
本领域中已知的是，在轨道车辆的轮轴和/或车轮上安装一个或多个应变仪(以各种构造：惠斯通电桥等)，以校准测量系统并从轮轴变形开始时估计接触力。
因此，目前，估计车轮-轨道接触力的唯一主要目的在于监测基础设施和轨道车辆以及其维修和/或修正操作的相对调度(如图2中的框图所示)。
因此，不利地，没有这样的已知系统或方法，其允许通过估计车轮-轨道接触力来获得对车轮-轨道附着力的估计。
例如，WO2013034698和EP2918459中存在用于测量车轮-轨道附着力的其它已知系统和方法。在这样的系统和方法中，仅通过间接测量(光学传感器、温度传感器或电导传感器等)或基于施加到轮轴上的制动力或牵引力通过附着力观测台来估计车轮-轨道附着力。
不利地，在这种附着力观测台中，从制动气缸上的压力来估计制动力不是非常精确和可靠的，这是因为制动气缸由于致动器的机械特性和效率而受到一系列误差(其根据误差传播理论传播)的影响、以及与取决于操作条件(垫片温度、盘温度、旋转速度、夹持力等)和环境条件(外界温度、湿度等)的垫片-盘摩擦系数相关的大的变化性。
类似地，对于任何典型的电动机，从由马达产生/再生的电流对牵引力/制动力进行估计会受到与电流和扭矩之间的转换相关的误差的影响。
此外，已知的系统未考虑以下事实，即，在附着力劣化(轨道上的污染物等)的情况下，并非所有施加的制动力或牵引力将传递到轨道(即，并非所有施加的制动力/牵引力将变为纵向附着力)。
这种系统的另一示例(其受到上述缺点的影响)是来自意大利法维莱运输公司的意大利专利申请第102016000034535号的“Method for the control and possiblerecovery of the adhesion of the wheels of controlled axles of a railwayvehicle(用于控制并可能恢复轨道车辆的受控轮轴的车轮的附着力的方法)”，其通过以下公式确定附着力：
Figure BDA0002516585900000041
其中：
Fm是制动力或牵引力的估计值。
在制动的情况下，可通过将施加到制动气缸的压力(系统已知)与气动致动器的典型压力转换系数、杠杆比和杠杆效率、以及在盘式制动器的情况下的垫片和盘之间的摩擦系数相乘而得到制动力Fm。类似地，在牵引或电动制动的情况下，可借助分别在牵引或制动时由马达供应/再生的电流值来得到制动力Fm。在混合制动(气动制动和电动制动两者的贡献之和)的情况下，通过它们各自系数的适当加权，将提供制动力Fm。
本发明的概述
因此，本发明的一个目的在于允许从轮轴的扭转变形开始估计从轮轴传递到轨道的纵向力。这种扭转变形用于根据传递到轨道的纵向力直接地估计车轮-轨道附着力值，即，估计用于制动或牵引轮轴的有效力，而不需要估计所施加的制动力或牵引力。
为了获得这样的结果，提出了一种用于确定包括至少一个轮轴的轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统，具有半径R的两个车轮耦接到轮轴。
该系统包括耦接到轨道车辆的轮轴的变形检测电路。
变形检测电路设置成检测由于从轮轴传递到轨道的力引起的轮轴的扭转变形。
用于确定车轮-轨道附着力值的系统进一步包括控制装置，该控制装置设置成根据由变形检测电路检测到的扭转变形来估计扭矩值。
所述控制装置进一步设置成将估计出的扭矩值根据车轮的半径R转换成纵向附着力值，并通过所述纵向附着力值和轮轴施加在轨道上的法向载荷值之间的比率计算车轮-轨道附着力值。
此外，提出了一种用于确定车轮-轨道附着力值的相应方法。
根据本发明的一个方面，通过具有权利要求1限定的特征的用于确定车轮-轨道附着力值的系统并通过具有权利要求6限定的特征的用于确定车轮-轨道附着力值的方法来实现上述和其它目的及优点。从属权利要求限定了本发明的优选实施例。
附图的简述
现在将描述根据本发明的用于确定车轮-轨道附着力的系统和方法的一些优选实施例的功能性和结构性特征。参考附图，其中：
-图1示出了当放置在轨道上时的轨道车辆的轮轴，并且其中示出了分解成三个空间方向的表示竖直力、横向力和纵向力的接触力；
-图2示出了框图，该框图示出了通常由根据现有技术构建的系统所执行的步骤；
-图3示出了轨道车辆的耦接有变形检测电路的轮轴；以及
-图4以示例的方式示出了在火车运动期间由经历扭转变形的变形检测电路产生的信号。
详述
在详细解释本发明的多个实施例之前，应阐明的是，本发明不在应用上限制于以下描述呈现的或附图中示出的部件的构造和配置的细节。本发明可采用其它实施例并能以本质上不同的方式来实施或实现。还应理解的是，措辞和术语具有描述性的目的而不应解释为限制。所使用的“包括”和“包含”及其变型应理解为包括其后所陈述的元素及其等效物和附加元素及其等效物。
此外，贯穿本描述以及在权利要求中，指示位置和取向的术语和表达(诸如“纵向”、“横向”、“竖直”或“水平”)应指代火车的行驶方向。
首先参考图3，以示例的方式示出了轨道车辆的轮轴1，属于根据本发明的用于确定车轮-轨道附着力值的系统的变形检测电路10耦接至该轮轴。
在本发明的一个实施例中，用于确定这样一种轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统包括耦接到轨道车辆的轮轴1的变形检测电路10，该轨道车辆包括至少一个轮轴1，其中具有半径R的两个车轮耦接至该轮轴。
变形检测电路设置成检测由于由轨道上的轮轴传递的纵向附着力Flong(沿着火车的行驶方向)而引起的轮轴的扭转变形。
用于确定车轮-轨道附着力值的这种系统进一步包括控制装置，控制装置设置成用于根据由变形检测电路检测到的扭转变形估计扭矩值。
控制装置进一步设置成将估计出的扭矩值根据车轮的半径R转换成纵向附着力Flong的值，并通过所述纵向附着力Flong的值和轮轴施加在轨道上的法向载荷值之间的比率计算车轮-轨道附着力值。
可通过作用在轮轴上的静态质量或通过已知的动载荷测量系统(例如，测压元件、悬挂压力等)来确定该法向载荷值。
将估计出的扭矩值转换成纵向附着力Flong的值可例如由所述控制装置借助估计出的扭矩值与车轮的半径R的值之间的比率完成。用于转换的公式可例如为以下公式：
附着力[N]＝扭矩[Nm]/R[m]；
控制装置可布置成例如局部地靠近变形检测电路10或直接位于变形检测电路中。替代地，控制装置可相对于变形检测电路10远程地布置在其它车载控制单元中，或布置在相对于轨道车辆的远程控制站中。因此，控制装置可通过特定线路或经由无线连接(遥测)从变形检测电路接收数据。
控制装置可以(但并非必须地)例如是控制单元、处理器或微控制器。
换句话说，参考图4，当提及扭转变形的评估时，轮轴所经受的扭转应力的平均值与轮轴的车轮和轨道之间交换的纵向力相关。
如果车辆静止并且不存在施加到轮轴上的外扭矩(例如，牵引扭矩或制动扭矩)，则由应变仪测量得到的扭转分量为零。
如果车辆正在移动并且轮轴没有经受牵引力或制动力(滑行状态)，则扭转分量的平均值为零，即使其具有与轮轴的旋转频率和固有频率(通常近似70Hz)相关的周期性震荡。
另一方面，如果外扭矩(诸如制动扭矩或牵引扭矩)施加到轮轴，则轮轴经受扭转应力。
来自变形检测电路10的输出信号将具有与从轮轴传递到轨道的纵向力Flong成比例的平均值，该平均值取决于牵引或制动而具有相反符号。
变形检测电路10可包括至少一个应变仪传感器装置和/或至少一个压电传感器装置。
例如，在刚才描述的情况下，变形检测电路可使用已知的惠斯通电桥构造制成。换句话说，变形检测电路10包括可用已知的“四分之一电桥”、“半电桥”或“全电桥”变型构造的应变仪传感器装置电桥。
为了改善测量精度，可存在多于一个应变仪传感器装置和/或压电传感器装置。
从轮轴传递到轨道的纵向力Flong是附着力。
附着系数μ由纵向附着力Flong和法向载荷力Fvert的比率限定。也就是说：
μ＝附着力/法向载荷力。
本发明还涉及一种用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的方法，该轨道车辆包括至少一个轮轴，具有半径R的两个车轮耦接至该轮轴，该方法包括以下步骤：
-检测由于从轮轴传递到轨道的纵向附着力Flong引起的轮轴的扭转变形；
-根据检测到的扭转变形估计扭矩值；
-将估计出的扭矩值根据车轮的半径R转换成纵向附着力Flong的值；
-通过所述纵向附着力Flong的值与轮轴施加在轨道上的法向载荷值之间的比率计算车轮-轨道附着力值。
将估计出的扭矩转换成纵向附着力Flong的值可例如借助估计出的扭矩值与车轮的半径R的值之间的比率完成。
本发明提供的优点在于，其允许从轮轴的扭转变形开始估计纵向力。
另一优点包括，允许根据传递到轨道的纵向力来获得对车轮-轨道附着力值的直接测量，即，通过估计用于制动或牵引轮轴的有效力，而不需要估计所施加的制动力或牵引力。
已经描述了根据本发明的用于确定车轮-轨道附着力值的系统和用于确定车轮-轨道附着力值的方法的各种方面和实施例。应当理解的是，每个实施例可与任何其它实施例结合。此外，本发明并非限制于所描述的实施例，而是可在由所附权利要求限定的范围内变化。

Claims (7)

1.一种用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统，所述轨道车辆包括至少一个轮轴，具有半径(R)的两个车轮耦接到所述轮轴，所述系统包括：
-变形检测电路(10)，耦接到所述轨道车辆的轮轴(1)；所述变形检测电路(10)布置成检测由于从所述轮轴传递到所述轨道的纵向附着力(Flong)引起的所述轮轴的扭转变形；
-控制装置，布置成根据由所述变形检测电路(10)检测到的所述扭转变形来估计扭矩值；所述控制装置进一步布置成将估计出的扭矩值根据所述车轮的所述半径(R)转换成纵向附着力(Flong)的值，并通过所述纵向附着力(Flong)的值和所述轮轴施加在所述轨道上的法向载荷值之间的比率计算车轮-轨道附着力值。
2.根据权利要求1所述的用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统，其中，由所述控制装置通过所述扭矩值与所述车轮的所述半径(R)的值之间的比率执行将所述扭矩值转换成纵向附着力(Flong)的值。
3.根据权利要求1或2所述的用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统，其中，所述变形检测电路(10)包括至少一个应变仪传感器装置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统，其中，所述变形检测电路(10)包括应变仪传感器装置的电桥。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的系统，其中，所述变形检测电路包括至少一个压电传感器装置。
6.一种用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的方法，所述轨道车辆包括至少一个轮轴，具有半径(R)的两个车轮耦接到所述轮轴，所述方法包括以下步骤：
-检测由于从所述轮轴传递到所述轨道的纵向附着力(Flong)引起的所述轮轴(1)的扭转变形；
-根据检测到的所述扭转变形估计扭矩值；
-将估计出的扭矩值根据所述车轮的所述半径(R)转换成纵向附着力(Flong)的值；
-通过所述纵向附着力(Flong)的值与由所述轮轴(1)施加在所述轨道上的法向载荷值之间的比率计算车轮-轨道附着力值。
7.根据权利要求6所述的用于确定轨道车辆的车轮-轨道附着力值的方法，其中，通过所述扭矩值与所述车轮的所述半径(R)的值之间的比率执行将估计出的扭矩值转换成纵向附着力的值。
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