CN114486302B - 考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法及系统，通过分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩力之间的解算模型；测量待测车钩的表面应变，将待测车钩的表面应变输入到所述解算模型中，得到待测车钩力。相比现有技术，本发明考虑纵向偏心加载附加弯矩对车钩力的影响，并基于此构建解算模型，使得构建出的解算模型能更加准确的解算出车钩力，此外，本发明适用范围广，能为动力学的设计、评估与优化提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及轨道车辆车钩的力学研究领域，尤其考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法及系统。
背景技术
随着现代化水平的发展，特别是轨道交通、电力、钢铁及化学工业的发展，越来越多的交通出行及重型货物需要通过轨道车辆来运输，轨道车辆是输送人以及特殊重型货物的首要选项之一。
目前，针对轨道车辆及特殊的重载列车运输任务的安全监测对象主要包括列车纵向动力学性能参数以及车钩纵向力的测量，而缺少对轨道车辆及特殊的重载列车车钩的横向力、垂向力的测量与分析，而车钩的横向力、垂向力分析对重载列车的运输安全同样具有影响，如若不监测车钩的横向力、垂向力同样会对重载列车运输造成安全隐患。
此外，现有技术中，在计算车钩纵向力时，并未考虑纵向加载附加弯矩对其的影响，导致测量出的车钩纵向力并不十分准确，进而影响安全监测的效果。
因此，现有技术中缺少对轨道车辆及特殊的重载列车车钩的横向力及垂向力的测量与分析，且纵向力测量不够准确已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法及系统，用于解决目前缺少对轨道车辆及特殊的重载列车车钩的横向力及垂向力的测量与分析、且纵向力测量不够准确的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，包括以下步骤：
分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩力之间的解算模型；
测量待测车钩的表面应变，将待测车钩的表面应变输入到所述解算模型中，得到待测车钩力。
优选的，所述车钩力包括：车钩的钩舌纵向力、钩舌横向力以及钩舌垂向力中一种或任意几种的组合；
当测量车钩力包括钩舌纵向力时，所述解算模型包括：
其中，FL为钩舌纵向力；C(FL)为车钩纵向载荷与对心纵向加载应变的关系系数，通过数值仿真进行标定；εR为车钩左面测得的纵向应变；εL为车钩右面测得的纵向应变；εB为车钩底面测得的纵向应变；εT为车钩顶面测得的纵向应变；
当测量车钩力包括钩舌横向力时，所述解算模型包括：
其中，FH为钩舌横向力；C(FH)为车钩横向载荷与右侧面纵向应变的关系系数，通过数值仿真进行标定；C(ML)为车钩纵向载荷与附加弯矩加载应变的关系系数，通过数值仿真进行标定；
当测量车钩力包括钩舌垂向力时，所述解算模型包括：
其中，Fv为钩舌垂向力；C(FV)为车钩垂向载荷与底面纵向应变的关系系数，通过数值仿真进行标定。
优选的，所述车钩力包括车钩的三向力，所述三向力包括钩舌纵向力、钩舌横向力以及钩舌垂向力；分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩力之间的解算模型，包括以下步骤：
分析车钩纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变-载荷关系；
综合纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变-载荷关系，基于车钩各表面实际纵向应变是由三类载荷组合作用的原则，构建车钩各面的实际应变公式；联立车钩各面的实际应变公式求解所述车钩的表面应变与车钩的三向力之间的解算模型。
优选的，分析车钩纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变-载荷关系，包括以下步骤：
构建以车钩钩舌中心为坐标原点，以钩舌垂向方向为y轴，以钩舌横向方向为x轴，以钩舌纵向方向为z轴的坐标系，设偏心钩舌纵向力为FL，钩舌横向力为FH，钩舌垂向力为FV，由于纵向力FL与车钩中心线的横向偏心Δx，会产生一个绕y轴的正向附加弯矩ML(y)，该附加弯矩与横向力FH作用的摇头弯矩MH(y)耦合在同一平面；垂向力FV作用下，绕x轴的作用点头弯矩记为MV(x)；定义车钩各表面中：面法向为x轴的ABCD面为右面R面，EFGH面为左面L面；定义面法向为y轴的BCGF面为顶面T面，ADHE面为底面B面，2W为关注车钩截面宽度、2H为关注车钩截面高度；
分析钩舌纵向加载时，车钩的应变一载荷关系：
钩舌纵向加载时，纵向力可解耦为对心纵向加载及附加弯矩加载；
在纵向加载FL作用下，各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εR(FL)＝εL(FL)＝εT(FL)＝εB(FL)＝ε(FL) (1)
偏心纵向加载的附加弯矩ML(y)作用下，R面受拉、L面受压，车钩上下面沿x轴的z向应变应满足在左右面应变区间连续，且中间存在中性层，因此各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εT(ML)＝εB(ML)＝-x·εR(ML)/W＝x·εL(ML)/W (2)
式中，2W为车钩沿x轴的宽度尺寸，x为车钩上下面(T面、B面)沿x轴位置坐标，x∈[-W，W]，当x＝0时，为中性层位置，此处，记εR(ML)＝ε(ML)；
综上，纵向力引起的两种应变为ε(FL)和ε(ML)，由于偏心纵向载荷的作用位置固定，即弯矩的力臂不变，则等效附加弯矩的大小与纵向载荷大小成正比，因此有：
式中，C(FL)和C(ML)分别为车钩纵向载荷与对心纵向加载应变、附加弯矩加载应变的关系系数，可通过数值仿真进行标定。
分析钩舌横向加载时，车钩的应变-载荷关系：
水平横向力FH等效为绕y轴的摇头弯矩MH(y)作用，L面受拉、R面受压，车钩上下面沿x轴的z向应变应满足在左右面应变区间连续，且中间存在中性层，因此，各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εT(FH)＝εB(FH)＝-x·εR(FH)/W＝x·εL(FH)/W (4)
此处，记εR(FH)＝ε(FH)，该应变与横向载荷成正比关系，有：
ε(FH)＝C(FH)·FH (5)
式中，C(FH)为车钩横向载荷与右侧面纵向应变的关系系数，可通过数值仿真标定获取。
分析钩舌垂向加载时，车钩的应变-载荷关系：
垂向载荷FV等效为绕x轴的弯矩MV(x)作用，若垂向力沿正z轴竖直朝上，则B面受拉、T面受压，车钩左右面沿y轴的z向应变应满足在上下面应变区间连续，且中间存在中性层；因此各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εR(FV)＝εL(FV)＝-y·εB(FV)/H＝y·εT(FV)/H (6)
此处，记εB(FV)＝ε(FV)，该应变与垂向载荷成正比关系，有：
ε(FV)＝C(FV)·FV (7)
式中，C(FV)为车钩垂向载荷与底面纵向应变的关系系数，可通过数值仿真标定获取。
优选的，综合纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变-载荷关系，基于车钩各表面实际纵向应变是由三类载荷组合作用的原则，构建车钩各面的实际应变公式；联立车钩各面的实际应变公式求解所述车钩的表面应变与车钩的三向力之间的解算模型，包括以下步骤：
综合纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变一载荷关系，基于车钩各表面实际纵向应变是由三类载荷组合作用的原则，各车钩面的实际应变可表达为：
将公式(3)、(5)、(7)代入式(8)，得到应变表征的多元载荷形式为：
εR＝[C(FL)+C(ML)]·FL+C(FH)·FH-[y·C(FV)/H]·Fv (9)
εL＝[C(FL)-C(ML)]·FL-C(FH)·FH-[y·C(FV)/H]·Fv (10)
εT＝[C(FL)-x·C(ML)/W]·FL-[x·C(FH)/W]·FH-C(FV)·Fv (11)
εB＝[C(FL)-x·C(ML)/W]·FL-[x·C(FH)/W]·FH+C(FV)·Fv (12)
取各钩面中性层位置，令上式中x＝0、y＝0，通过最小二乘法可得：
将上式整理得：
优选的，测量待测车钩的表面应变，通过组合式的车钩多元多向载荷测量系统获取得到，所述测量系统包括：用于设置在车钩的钩体上的至少四个方向的表面上的至少两组电阻应变计，每组电阻应变计包括相互呈正交布置且首尾相靠组成正四边形的四个电阻应变计；两组电阻应变计内的每二或四个电阻应变计按照设定的全桥结构串联后组成四个桥臂首尾相连并配合放大器和无纸记录仪及电源；
所述电源，用于给所述放大器和无纸记录仪供电；所述无纸记录仪用于对接收到的电信号进行数字化处理，显示车钩的受力情况，并对数据进行存储。
优选的，所述设定的全桥结构包括纵向载荷全桥/横向载荷全桥/垂向载荷全桥：
纵向载荷全桥：第一表面的第一电阻应变计与第二表面的第一电阻应变计与第三表面的第一电阻应变计与第四表面的第一电阻应变计串联组成第一桥臂，第一表面的第二电阻应变计与第二表面的第二电阻应变计与第三表面的第二电阻应变计与第四表面的第二电阻应变计串联组成第二桥臂，第一表面的第三电阻应变计与第二表面的第三电阻应变计与第三表面的第三电阻应变计与第四表面的第三电阻应变计串联组成第三桥臂，第一表面的第四电阻应变计与第二表面的第四电阻应变计与第三表面的第四电阻应变计与第四表面的第四电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成纵向载荷全桥；
横向载荷全桥：第二表面的第一电阻应变计与第四表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第二表面的第二电阻应变计与第四表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第二表面的第三电阻应变计与第四表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第二表面的第四电阻应变计与第四表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成横向载荷全桥；
垂向载荷全桥：第一表面的第一电阻应变计与第三表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第一表面的第二电阻应变计与第三表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第一表面的第三电阻应变计与第三表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第一表面的第四电阻应变计与第三表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成垂向载荷全桥。
优选的，通过组合式的车钩多元多向载荷测量系统测量待测车钩的表面应变，包括以下步骤：
当识别纵向载荷时，采集纵向载荷全桥的输出电压，并通过以下公式计算待测车钩的表面应变：
式中，K是应变计灵敏度系数，UB是惠斯通电桥输入电压，U0为纵向载荷全桥的输出电压，v是泊松比；
当识别横向载荷时，采集横向载荷全桥的输出电压，并通过以下公式计算待测车钩的表面应变：
当识别垂向载荷时，采集垂向载荷全桥的输出电压，并通过以下公式计算待测车钩的表面应变：
一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法及系统，通过分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩力之间的解算模型；测量待测车钩的表面应变，将待测车钩的表面应变输入到所述解算模型中，得到待测车钩力。相比现有技术，本发明考虑纵向偏心加载附加弯矩对车钩力的影响，并基于此构建解算模型，使得构建出的解算模型能更加准确的解算出车钩力，此外，本发明适用范围广，能为动力学的设计、优化提供数据支撑。
2、在优选方案中，利用无纸记录仪对钩体表面应变感知采集的车钩多元多向载荷。通过把电阻式应变计沿车钩纵向、横向正交布置于钩体各表面中心部位，将钩体各表面应变计与其他表面应变计串联组合，设计不同的组桥运算顺序，以实现钩体各表面多向(纵向/横向/垂向)的车钩载荷的测量，以测量车钩在不同工况下的车钩力。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中的车钩简化力学模型图；
图2是本发明优选实施例的测量系统内部的应变组件钩体各表面电阻应变计布点位置及测量方法的示意图；
图3是本发明优选实施例的测试车钩纵向力的测量系统内部的应变组件的结构示意图；
图4是本发明优选实施例的测试车钩横向力的测量系统内部的应变组件的结构示意图；
图5是本发明优选实施例的测试车钩垂向力的测量系统内部的应变组件的结构示意图；
图6是本发明中的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法的流程图。未说明
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
本实施中公开了一种考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，包括以下步骤：
分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩力之间的解算模型；
测量待测车钩的表面应变，将待测车钩的表面应变输入到所述解算模型中，得到待测车钩力。
此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明中的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法及系统，通过分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩力之间的解算模型；测量待测车钩的表面应变，将待测车钩的表面应变输入到所述解算模型中，得到待测车钩力。相比现有技术，本发明考虑纵向偏心加载附加弯矩对车钩力的影响，并基于此构建解算模型，使得构建出的解算模型能更加准确的解算出车钩力，此外，本发明适用范围广，能为动力学的设计、优化提供数据支撑。
实施例二：
实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处，对考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法的具体步骤进行了细化，具体包括以下步骤：
步骤一：分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩的三向力之间的解算模型；
在本实施例中，车钩的三向力包括钩舌纵向力、钩舌横向力以及钩舌垂向力，如图1所示，构建以车钩钩舌中心为坐标原点，以钩舌垂向方向为y轴，以钩舌横向方向为x轴，以钩舌纵向方向为z轴的坐标系，设偏心钩舌纵向力为FL，钩舌横向力为FH，钩舌垂向力为FV，
由于纵向力FL与车钩中心线的横向偏心Δx，会产生一个绕y轴的正向附加弯矩ML(y)，该附加弯矩与横向力FH作用的摇头弯矩MH(y)耦合在同一平面；垂向力FV作用下，绕x轴的作用点头弯矩记为MV(x)。
定义面法向为x轴的ABCD面为右面R面，EFGH面为左面L面；定义面法向为y轴的BCGF面为顶面T面，ADHE面为底面B面，2W为关注车钩截面宽度、2H为关注车钩截面高度。后文理论模型的推导各车钩面均以该定义进行标识。
(1)纵向加载
钩舌纵向加载时，纵向力可解耦为对心纵向加载及附加弯矩加载。
对心纵向加载FL作用下，各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εR(FL)＝εL(FL)＝εT(FL)＝εB(FL)＝ε(FL) (1)
偏心纵向加载的附加弯矩ML(y)作用下，R面受拉、L面受压，车钩上下面沿x轴的z向应变应满足在左右面应变区间连续，且中间存在中性层。因此各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εT(ML)＝εB(ML)＝-x·εR(ML)/W＝x·εL(ML)/W (2)
式中，2W为车钩沿x轴的宽度尺寸，x为车钩上下面(T面、B面)沿x轴位置坐标，x∈[-W，W]，当x＝0时，为中性层位置。此处，记εR(ML)＝ε(ML)。
综上，纵向力引起的两种应变为ε(FL)和ε(ML)。由于偏心纵向载荷的作用位置固定，即弯矩的力臂不变，则等效附加弯矩的大小与纵向载荷大小成正比，因此有：
式中，C(FL)和C(ML)分别为车钩纵向载荷与对心纵向加载应变、附加弯矩加载应变的关系系数，可通过数值仿真进行标定。
(2)横向加载
水平横向力FH等效为绕y轴的摇头弯矩MH(y)作用，L面受拉、R面受压，车钩上下面沿x轴的z向应变应满足在左右面应变区间连续，且中间存在中性层。因此各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εT(FH)＝εB(FH)＝-x·εR(FH)/W＝x·εL(FH)/W (4)
此处，记εR(FH)＝ε(FH)，该应变与横向载荷成正比关系，有：
ε(FH)＝C(FH)·FH (5)
式中，C(FH)为车钩横向载荷与右侧面纵向应变的关系系数，可通过数值仿真标定获取。
(3)垂向加载
垂向载荷FV等效为绕x轴的弯矩MV(x)作用，若垂向力沿正y轴竖直朝上，则B面受拉、T面受压，车钩左右面沿y轴的z向应变应满足在上下面应变区间连续，且中间存在中性层。因此各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εR(FV)＝εL(FV)＝-y·εB(FV)/H＝y·εT(FV)/H (6)
此处，记εB(FV)＝ε(FV)，该应变与垂向载荷成正比关系，有：
ε(FV)＝C(FV)·FV (7)
式中，C(FV)为车钩垂向载荷与底面纵向应变的关系系数，可通过数值仿真标定获取。
(4)耦合载荷
综合纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变-载荷关系，基于车钩各表面实际纵向应变是由三类载荷组合作用的原则，各车钩面的实际应变可表达为：
将公式(3)、(5)、(7)代入式(8)，得到应变表征的多元载荷形式为：
εR＝[C(FL)+C(ML)]·FL+C(FH)·FH-[y·C(FV)/H]·Fv (9)
εL＝[C(FL)-C(ML)]·FL-C(FH)·FH-[y·C(FV)/H]·Fv (10)
εT＝[C(FL)-x·C(ML)/W]·FL-[x·C(FH)/W]·FH-C(FV)·Fv (11)
εB＝[C(FL)-x·C(ML)/W]·FL-[x·C(FH)/W]·FH+C(FV)·Fv (12)
取各钩面中性层位置，令上式中x＝0、y＝0，通过最小二乘法可得：
将上式整理得：
由最终的车钩三向力解耦模型可知，纵向拉伸载荷FL、垂向点头载荷FV可分别由四钩面应变和与底顶面应变差计算得到；而横向摇头载荷FH需要通过四钩面应变和与右左面应变差进行组合运算获取。因此，组桥仍然采用四钩面应变和、右左面应变差和底顶面应变差分别进行运算，得到的结果按(14)～(16)以及有限元仿真的关系系数进行三向力的识别。
步骤二：测量待测车钩的表面应变；
在本实施例中，测量待测车钩的表面应变，通过组合式的车钩多元多向载荷测量系统获取得到。
如图2所示，所述组合式的车钩多元多向载荷测量系统包括用于设置在车钩的钩体上的至少四个方向的表面上的至少两组电阻应变计，每组电阻应变计包括相互呈正交布置且首尾相靠组成正四边形的四个电阻应变计；两组电阻应变计内的每二或四个电阻应变计按照设定的全桥结构串联后组成四个桥臂首尾相连并配合放大器和无纸记录仪及电源。
通过钩体表面应变感知采集车钩多元多向载荷识别与测量。通过把电阻式应变计沿车钩纵向、横向正交布置于钩体各表面中心部位，将钩体各表面应变计与其他表面应变计串联组合，设计不同的组桥运算顺序并配合放大器和无纸记录仪及电源，以实现钩体各表面纵向/横向/垂向车钩载荷的解耦与识别，以测量车钩在不同工况下的纵向力和横向力或垂向力。
其中，
所述设定的全桥结构包括纵向载荷全桥、横向载荷全桥、垂向载荷全桥：
纵向载荷全桥：
如图3所示，本实施例选用钩体的横向截面为四边形，此时，第一表面为顶部表面，第三表面为底部表面，第二表面和第四表面分别为右部表面和左部表面或左部表面和右部表面；第一电阻应变计和第三电阻应变计与车钩纵向平行布置，第二电阻应变计和第四电阻应变计与车钩纵向呈正交布置。
在本实施例中，纵向载荷全桥结构为：第一表面的第一电阻应变计与第二表面的第一电阻应变计与第三表面的第一电阻应变计与第四表面的第一电阻应变计串联组成第一桥臂，第一表面的第二电阻应变计与第二表面的第二电阻应变计与第三表面的第二电阻应变计与第四表面的第二电阻应变计串联组成第二桥臂，第一表面的第三电阻应变计与第二表面的第三电阻应变计与第三表面的第三电阻应变计与第四表面的第三电阻应变计串联组成第三桥臂，第一表面的第四电阻应变计与第二表面的第四电阻应变计与第三表面的第四电阻应变计与第四表面的第四电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成纵向载荷全桥；
对应地，本实施例还提供一种对上述的一种考虑纵向加载附加弯矩的车钩多向力测量方法，根据对应的全桥结构，按照以下对应的解耦方式进行解耦：
当测量车钩纵向力时，对应图3的情形，测量系统内部为纵向载荷全桥，数据采集系统采用以下解耦方式：
应变计布置中，第一表面为钩体顶面：εT1与ε’T1沿车钩纵向布置、εT2与ε’T2沿与纵向正交方向布置；第二表面为钩体右面：εR1与ε’R1沿车钩纵向布置、εR2与ε’R2沿与纵向正交方向布置；第三表面为钩体底面：εB1与ε’B1沿车钩纵向布置、εB2与ε’B2沿与纵向正交方向布置；第四表面为钩体左面：εL1与ε’L1沿车钩纵向布置、εL2与ε’L2沿与纵向正交方向布置如图2所不。
惠斯通全桥应变计算如式(18)和(19)；(18)式方括号中第一项为钩体右面温度自补偿，第二项为钩体左面温度自补偿。
则纵向载荷识别方案中输出电压为U0计算式为：
这里K是应变计灵敏度系数，UB是惠斯通电桥输入电压。
利用泊松比
则输出电压U0：
这里εT，εB，εR，εL分别为车钩四个面测得的纵向应变，车钩横向载荷作用下，εR与εL分别会呈现相反的拉压应变值，在式(19)中直接抵消掉，εT与εB的输出应变不变；车钩横向载荷作用下，εT与εB分别会呈现相反的拉压应变值，在式(19)中直接抵消掉，εR与εL的输出应变不变；因此输出的仅为纵向力作用下的有效应变，可以抵消弯曲作用带来的应变干扰。实际运用中，通过标定纵向载荷与输出电压之间的关系，完成测试电桥输出与车钩纵向载荷之间的测量建模，即当识别纵向载荷时，采集纵向载荷全桥的输出电压，并通过公式(19)计算待测车钩的表面应变。
为配合测量方法，本实施例的测量系统还优选包括电源和无纸记录仪，电源用于给放大器及无纸记录仪供电，最后无纸记录仪进行在线记录，所述无纸记录仪用于对接收到的电信号进行数字化处理，显示车钩的受力情况并对数据进行储存。
横向载荷全桥：
参见图4，横向载荷全桥的结构为：第二表面的第一电阻应变计与第四表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第二表面的第二电阻应变计与第四表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第二表面的第三电阻应变计与第四表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第二表面的第四电阻应变计与第四表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成横向载荷全桥。在图2至图4中，本实施例选用钩体的横向截面为四边形，此时，第二表面为右部表面，第四表面为左部表面。第二表面以及第四表面：第一电阻应变计和第三电阻应变计与车钩纵向平行布置，第二电阻应变计和第四电阻应变计与车钩纵向呈正交布置。
当测量车钩横向力时，测量系统内部为横向载荷全桥，对应图4的情形，无纸记录仪采集系统采用以下解耦方式：
应变计布置中，第二表面为钩体右面：εR1与ε’R1沿车钩纵向布置、εR2与ε’R2沿与纵向正交方向布置；第四表面为钩体左面：εL1与ε’L1沿车钩纵向布置、εL2与ε’L2沿与纵向正交方向布置如图4所示。
惠斯通全桥应变计算如式(20)和(21)；(20)式方括号中第一项为钩体右面温度自补偿，第二项为钩体左面温度自补偿。
则横向载荷识别方案中输出电压为U0计算式为：
这里K是应变计灵敏度系数，UB是惠斯通电桥输入电压。
利用泊松比则输出电压U0为：
这里εR，εL；分别为车钩右面、左面两个面测得的纵向应变；车钩纵向力作用下，εR与εL分别会呈现相同的拉压应变值，在公式(21)中直接抵消；而在车钩垂向力作用下，左右侧面的输出应变不变，因此该方法可直接解耦出横向力作用下的电桥输出电压。
实际运用中，通过标定横向载荷与输出电压之间的关系，完成测试电桥输出与车钩横向载荷之间的测量建模。
垂向载荷全桥：
参见图5，垂向载荷全桥的结构为：第一表面的第一电阻应变计与第三表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第一表面的第二电阻应变计与第三表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第一表面的第三电阻应变计与第三表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第一表面的第四电阻应变计与第三表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成垂向载荷全桥。
当测量车钩垂向力时，测量系统内部为垂向载荷全桥，对应图5的情形，数据采集系统采用以下解耦方式：
应变计布置中，第一表面为钩体顶面：εT1与ε’T1沿车钩纵向布置、εT2与ε’T2沿表面正交方向布置；第三表面为钩体底面：εB1与ε’B1沿车钩纵向布置、εB2与ε’B2沿表面正交方向布置如图4所示。
惠斯通全桥应变计算如式(22)和(23)，(22)式方括号中第一项为钩体顶面温度自补偿，第二项为钩体底面温度自补偿。
则垂向载荷识别方案中输出电压为U0计算式为：
利用泊松比则输出电压U0为：
这里εT，εB分别为车钩顶面、底面两个面测得的纵向应变；车钩纵向力作用下，εT和εB分别会呈现相同的拉压应变值，在式(23)中直接抵消；而在车钩横向力作用下，顶面和底面的输出应变不变，因此该方法可直接解算出垂向力作用下的电桥输出电压。
实际运用中，通过标定垂向载荷与输出电压之间的关系，完成测试电桥输出与车钩垂向载荷之间的测量建模。
上述的测量系统内部的应变组件中，考虑到车钩不同面受光照影响的不均匀性，温度差异对于钩体各面的应变影响均不相同。上述的解耦方式均采用了温度自补偿，可以提高测量结果的精度，所测量数据更加接近实际情况，进行温度自补偿可以有效避免温度带来的影响及非线性误差。
步骤三：将待测车钩的表面应变输入到所述解算模型中，得到待测车钩的三向力。
综上所述，本发明中的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法及系统，通过分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩的三向力之间的解算模型；测量待测车钩的表面应变，将待测车钩的表面应变输入到所述解算模型中，得到待测车钩的三向力。相比现有技术，本发明考虑纵向偏心加载附加弯矩对车钩的三向力的影响，并基于此构建解算模型，使得构建出的解算模型能更加准确的解算出车钩的多元载荷，此外，本发明适用范围广，为动力学的设计、优化提供数据支撑。
在优选方案中，利用无纸记录仪对钩体表面应变感知采集的车钩多元多向载荷。通过把电阻式应变计沿车钩纵向、横向正交布置于钩体各表面中心部位，将钩体各表面应变计与其他表面应变计串联组合，设计不同的组桥运算顺序，以实现钩体各表面多向(纵向/横向/垂向)的车钩载荷的测量，以测量车钩在不同工况下的车钩力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩力之间的解算模型；
测量待测车钩的表面应变，将待测车钩的表面应变输入到所述解算模型中，得到待测车钩力；
所述车钩力包括：车钩的钩舌纵向力、钩舌横向力以及钩舌垂向力中一种或任意几种的组合；
当测量车钩力包括钩舌纵向力时，所述解算模型包括：
其中，FL为钩舌纵向力；C(FL)为车钩纵向载荷与对心纵向加载应变的关系系数，通过数值仿真进行标定；εR为车钩左面测得的纵向应变；εL为车钩右面测得的纵向应变；εB为车钩底面测得的纵向应变；εT为车钩顶面测得的纵向应变；
当测量车钩力包括钩舌横向力时，所述解算模型包括：
其中，FH为钩舌横向力；C(FH)为车钩横向载荷与右侧面纵向应变的关系系数，通过数值仿真进行标定；C(ML)为车钩纵向载荷与附加弯矩加载应变的关系系数，通过数值仿真进行标定；
当测量车钩力包括钩舌垂向力时，所述解算模型包括：
其中，FV为钩舌垂向力；C(FV)为车钩垂向载荷与底面纵向应变的关系系数，通过数值仿真进行标定。
2.根据权利要求1所述的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，其特征在于，所述车钩力包括车钩的三向力，所述三向力包括钩舌纵向力、钩舌横向力以及钩舌垂向力；分析考虑纵向加载附加弯矩的车钩的受力情况，并根据分析结果构建车钩的表面应变与车钩力之间的解算模型，包括以下步骤：
分析车钩纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变—载荷关系；
综合纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变—载荷关系，基于车钩各表面实际纵向应变是由三类载荷组合作用的原则，构建车钩各面的实际应变公式；联立车钩各面的实际应变公式求解所述车钩的表面应变与车钩的三向力之间的解算模型。
3.根据权利要求2所述的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，其特征在于，分析车钩纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变—载荷关系，包括以下步骤：
构建以车钩钩舌中心为坐标原点，以钩舌垂向方向为y轴，以钩舌横向方向为x轴，以钩舌纵向方向为z轴的坐标系，设偏心钩舌纵向力为FL，钩舌横向力为FH，钩舌垂向力为FV，由于纵向力FL与车钩中心线的横向偏心Δx，会产生一个绕y轴的正向附加弯矩ML(y)，该附加弯矩与横向力FH作用的摇头弯矩MH(y)耦合在同一平面；垂向力FV作用下，绕x轴的作用点头弯矩记为MV(x)；定义车钩各表面中：面法向为x轴的ABCD面为右面R面，EFGH面为左面L面；定义面法向为y轴的BCGF面为顶面T面，ADHE面为底面B面，2W为关注车钩截面宽度、2H为关注车钩截面高度；
分析钩舌纵向加载时，车钩的应变—载荷关系：
钩舌纵向加载时，纵向力可解耦为对心纵向加载及附加弯矩加载；
在纵向加载FL作用下，各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εR(FL) ＝ εL(FL) ＝ εT(FL) ＝ εB(FL) ＝ ε(FL) (1)
偏心纵向加载的附加弯矩ML(y)作用下，R面受拉、L面受压，车钩上下面沿x轴的z向应变应满足在左右面应变区间连续，且中间存在中性层，因此各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εT(ML) ＝ εB(ML) ＝ -x·εR(ML)/W ＝ x·εL(ML)/W (2)
式中，2W为车钩沿x轴的宽度尺寸，x为车钩上下面沿x轴位置坐标，x∈[-W,W]，当x＝0时，为中性层位置，此处，记εR(ML)＝ε(ML)；
综上，纵向力引起的两种应变为ε(FL)和ε(ML)，由于偏心纵向载荷的作用位置固定，即弯矩的力臂不变，则等效附加弯矩的大小与纵向载荷大小成正比，因此有：
式中，C(FL)和C(ML)分别为车钩纵向载荷与对心纵向加载应变、附加弯矩加载应变的关系系数，可通过数值仿真进行标定；
分析钩舌横向加载时，车钩的应变—载荷关系：
水平横向力FH等效为绕y轴的摇头弯矩MH(y)作用，L面受拉、R面受压，车钩上下面沿x轴的z向应变应满足在左右面应变区间连续，且中间存在中性层，因此，各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εT(FH) ＝ εB(FH) ＝ -x·εR(FH)/W ＝ x·εL(FH)/W (4)
此处，记εR(FH)＝ε(FH)，该应变与横向载荷成正比关系，有：
ε(FH) ＝C(FH) ·FH (5)
式中，C(FH)为车钩横向载荷与右侧面纵向应变的关系系数，可通过数值仿真标定获取；
分析钩舌垂向加载时，车钩的应变—载荷关系：
垂向载荷FV等效为绕x轴的弯矩MV(x)作用，若垂向力沿正z轴竖直朝上，则B面受拉、T面受压，车钩左右面沿y轴的z向应变应满足在上下面应变区间连续，且中间存在中性层；因此各面沿车钩长度z轴方向的应变满足：
εR(FV) ＝ εL(FV) ＝ -y·εB(FV)/H ＝ y·εT(FV)/H (6)
此处，记εB(FV)＝ε(FV)，该应变与垂向载荷成正比关系，有：
ε(FV) ＝C(FV) ·FV (7)
式中，C(FV)为车钩垂向载荷与底面纵向应变的关系系数，可通过数值仿真标定获取。
4.根据权利要求3所述的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，其特征在于，综合纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变—载荷关系，基于车钩各表面实际纵向应变是由三类载荷组合作用的原则，构建车钩各面的实际应变公式；联立车钩各面的实际应变公式求解所述车钩的表面应变与车钩的三向力之间的解算模型，包括以下步骤：
综合纵向偏心加载、横向加载和垂向加载的应变—载荷关系，基于车钩各表面实际纵向应变是由三类载荷组合作用的原则，各车钩面的实际应变可表达为：
将公式(3)、(5)、(7)代入式(8)，得到应变表征的多元载荷形式为：
εR ＝ [C(FL) + C(ML)] ·FL + C(FH) ·FH - [y·C(FV) /H] ·FV (9)
εL ＝ [C(FL) - C(ML)] ·FL - C(FH) ·FH - [y·C(FV) /H] ·FV (10)
εT ＝ [C(FL) - x·C(ML) /W] ·FL - [x·C(FH) /W] ·FH - C(FV) ·FV (11)
εB ＝ [C(FL) - x·C(ML) /W] ·FL - [x·C(FH) /W] ·FH + C(FV) ·FV (12)
取各钩面中性层位置，令上式中x＝0、y＝0，通过最小二乘法可得：
将上式整理得：
5.根据权利要求3所述的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，其特征在于，测量待测车钩的表面应变，通过组合式的车钩多元多向载荷测量系统获取得到，所述测量系统包括：用于设置在车钩的钩体上的至少四个方向的表面上的至少两组电阻应变计，每组电阻应变计包括相互呈正交布置且首尾相靠组成正四边形的四个电阻应变计；两组电阻应变计内的每二或四个电阻应变计按照设定的全桥结构串联后组成四个桥臂首尾相连并配合放大器和无纸记录仪及电源；
所述电源，用于给所述放大器和无纸记录仪供电；所述无纸记录仪用于对接收到的电信号进行数字化处理，显示车钩的受力情况，并对数据进行存储。
6.根据权利要求3所述的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，其特征在于，所述设定的全桥结构包括纵向载荷全桥/横向载荷全桥/垂向载荷全桥：
纵向载荷全桥：第一表面的第一电阻应变计与第二表面的第一电阻应变计与第三表面的第一电阻应变计与第四表面的第一电阻应变计串联组成第一桥臂，第一表面的第二电阻应变计与第二表面的第二电阻应变计与第三表面的第二电阻应变计与第四表面的第二电阻应变计串联组成第二桥臂，第一表面的第三电阻应变计与第二表面的第三电阻应变计与第三表面的第三电阻应变计与第四表面的第三电阻应变计串联组成第三桥臂，第一表面的第四电阻应变计与第二表面的第四电阻应变计与第三表面的第四电阻应变计与第四表面的第四电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成纵向载荷全桥；
横向载荷全桥：第二表面的第一电阻应变计与第四表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第二表面的第二电阻应变计与第四表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第二表面的第三电阻应变计与第四表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第二表面的第四电阻应变计与第四表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成横向载荷全桥；
垂向载荷全桥：第一表面的第一电阻应变计与第三表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第一表面的第二电阻应变计与第三表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第一表面的第三电阻应变计与第三表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第一表面的第四电阻应变计与第三表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成垂向载荷全桥。
7.根据权利要求6所述的考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法，其特征在于，通过组合式的车钩多元多向载荷测量系统测量待测车钩的表面应变，包括以下步骤：
当识别纵向载荷时，采集纵向载荷全桥的输出电压，并通过以下公式计算待测车钩的表面应变：
式中，K是应变计灵敏度系数，UB是惠斯通电桥输入电压，U0为纵向载荷全桥的输出电压，v是泊松比；
当识别横向载荷时，采集横向载荷全桥的输出电压，并通过以下公式计算待测车钩的表面应变：
当识别垂向载荷时，采集垂向载荷全桥的输出电压，并通过以下公式计算待测车钩的表面应变：
8.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现上述权利要求1至7任一方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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