CN114878055B - 一种无损列车轮轨力监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无损列车轮轨力监测系统，包括：应变采集模块，包括若干个粘贴在车轮端面上的应变片，每两个应变片形成一个应变组，每个应变组布置在以车轮端面的中心为圆心的不同半径的圆弧线上的四等分或八等分位置，处于同一圆弧线上的所有应变组构成两个全桥结构，用于采集应变信息；无线信号发送模块，用于将所述应变采集模块采集的应变信息发送至数据处理模块；数据处理模块，用于根据接收的应变信息计算能够兼顾到角度信息的应变参数后，再根据应变参数计算车轮上的横向力和垂向力；无线供能模块，用于对无损列车轮轨力监测系统进行无线供能。

Description

一种无损列车轮轨力监测系统
技术领域
本发明涉及轮轨力监测领域，特别涉及一种无损列车轮轨力监测系统。
背景技术
当今社会，轨道交通是人们生产生活中必不可少的交通工具之一，但是随着轨道交通的运量日益增大，行驶的速度的提高，人们对轨道交通的安全性提出的更高的要求，而对轨道交通而言，轮轨之间的作用力是衡量运行安全的基本参数之一。
传统的轮轨力的检测方案主要包括两种，第一种是通过检测铁轨变形来推测轮轨力，如公开号为CN109084922A的中国专利公开的一种基于轮轨力连续测试反推直线电机垂直力的方法，其中包括轮轨力的测量方法，包括以下步骤：在感应板对应的钢轨上布置测点，测点位于距离跨中150mm的轨腰中和轴处；(2)、用打磨机对每个测点以及分段点对应位置处的两侧轨腰进行打磨，打磨完后用酒精擦拭干净；(3)、待酒精挥发干后，在每个测点处粘贴应变片，应变片粘贴完毕后用硅胶封闭，测点应变片粘贴方法是，每个测点轨腰中和轴两侧各设两片相互垂直，并与钢轨纵向成45°角的应变片；(4)、对粘贴的应变片进行测试桥路的组装；(5)、将各测点组装好的桥路接入应变轮轨力连续测试系统，进行轮轨力应变的采集。
又如公开号为CN104260752A的轮轨力的综合测试方法及装置中国专利中公开的轮轨力的综合测试方法，包括步骤S101，在待检测钢轨的安装扣件底部设置第一垂向力传感器，在扣件的弹条螺栓连接部内设置第二垂向力传感器；步骤S1011，将所述第一垂向力传感器嵌入无砟轨道扣件的支撑垫板上或嵌入混凝土轨枕的轨下橡胶垫板内；步骤S1012，将所述第二垂向力传感器装在铁轨两侧紧固弹条的螺栓上或平垫圈与螺母之间；步骤S102，在所述待检测钢轨的安装扣件侧方设置横向力传感器；步骤S103，将检测车辆施加于所述待检测钢轨的上方，通过所述第一垂向力传感器测试获取钢轨下压力R；通过所述第二垂向力传感器传感器获取双侧弹条作用于所述待检测钢轨上的弹条作用力T1、T2，通过所述横向力传感器获取所述待检测钢轨双侧横向力H1、H2；步骤S104，根据上述钢轨下压力R、弹条作用力T1、T2，及公式P＝R+T1+T2，获取所述待检测钢轨的垂直力P；根据上述双侧横向力H1、H2及公式H＝H1+H2，获取所述待检测钢轨的横向力H。
上述两篇专利提供的通过检测铁轨的形变来推测轮轨力的测量方法需要在铁轨上设置大量的检测点，且在列车运动时不能跟随列车实时检测轮轨力。
现有技术中另一种监测轮轨力的方法是在车轮两侧通过打孔的方式对称式的安装若干个应变片对轮轨力进行测量，但是此种测量方法不仅安装应变片十分的困难，而且依据此种安装方法无法实现随车轮旋转的高频数据采集。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种无损列车轮轨力监测系统。
一种无损列车轮轨力监测系统，包括：
应变采集模块，包括若干个粘贴在车轮端面上的应变片，每两个应变片形成一个应变组，每个应变组布置在以车轮端面的中心为圆心的不同半径的圆弧线上的四等分或八等分位置，处于同一圆弧线上的所有应变组构成两个全桥结构，用于采集应变信息；
无线信号发送模块，用于将所述应变采集模块采集的应变信息发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于根据接收的应变信息计算能够兼顾到角度信息的应变参数后，再根据应变参数计算车轮所受的横向力和垂向力；
无线供能模块，用于对无损列车轮轨力监测系统进行无线供能。
具体的，通过粘贴的方式将应变片粘贴在车轮端面(靠近另一车轮的一侧的端面)上的结构，不需要在车轮上打孔即可实现应变片的安装，使得应变片的拆装更加的方便，此外，在车轮的一个端面上粘贴应变片，应变片用于收集径向应变信息，利用无线传输的方式进行数据的传输、利用无线供能的方式进行供能，能够进一步实现轮轨力的无损监测。
优选的，所述圆弧线的半径根据车轮包括的车轴半径r和制动盘半径R确定，R＞r，确定方式为：
以车轴半径r作为最内圈圆弧线的半径R1，即R1＝r，此圆弧线上的应变组布置在四等分或八等分位置；
针对除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线，沿车轮的径向方向，圆弧线的半径差按照逐渐增加的方式确定，且除最内圈以外的其他圆弧线的应变组均布置在八等分位置。
具体的，由于车轴半径较小，因此以车轴半径为半径的圆弧线在四等分点设置应变片组成全桥即可满足监测精度，在八等份点设置应变片组成全桥采集得到的应变信息精度更高；而除最内圈以外的其他圆弧线上的应变组，因为半径较大，各个方位上应变量和应变角度都有较大区别，故均需在八等分点上设置应变片以满足监测精度。
优选的，当除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线优选为2条圆弧线时，R2＝r+K1(R-r)，R3＝r+K2(R-r)；
当除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线优选为3条圆弧线时；
R2＝r+K1(R-r)，R3＝r+K2(R-r)，R4＝r+K3(R-r)；
其中，K1，K2，K3分别为半径比例系数，且，K1＝0.42-0.44，K2＝0.62-0.64，K3＝0.92-0.94。
优选的，所述处于同一圆弧线上的所有应变组构成两个全桥结构，包括：
当应变组布置在圆弧线上的四等分位置时，处于同一圆弧线上相对设置的两个应变组组成一个全桥结构，剩下相对设置的两个应变组组成另一个全桥结构；
当应变组布置在圆弧线上的八等分位置时，将处于同一圆弧线上的所有应变组以每相邻两个应变组为一个单元进行划分，抽取单个单元中每个应变组中的一个应变片组成由两个应变片组成的并联结构作为全桥的桥臂，四个并联结构组成一个全桥结构；所有单元中的剩下的应变片按照相同的方式组成另外一个全桥结构。
具体的，当应变组布置在圆弧线上的四等分位置时，处于同一圆弧线上相对设置的两个应变组组成一个全桥结构，另外的两个应变组也处于向相对的位置且组成一个全桥结构，两个全桥相隔90°；
当应变组布置在圆弧线上的八等分位置时，将处于同一圆弧线上的所有应变组以每相邻两个应变组为一个单元进行划分，抽取单个单元中每个应变组中的一个应变片组成由两个应变片组成的并联结构作为全桥的桥臂，四个并联结构组成一个全桥结构；所有单元中的剩下的应变片属于相邻的应变组中的应变片组成的并联结构作为全桥的桥臂，四个并联结构组成一个全桥结构。
优选的，当应变组布置在圆弧线上的四等分位置，处于同一圆弧线上相对设置的两个应变组组成一个全桥结构时，处于同一应变组的两个应变片处于全桥结构的相对位置；
当应变组布置在圆弧线上的八等分位置，四个并联结构组成一个全桥结构时，相邻单元对应的并联结构处于全桥结构的相对位置。
具体的，此种组桥下，每一个全桥结构采集的应变信息都是该圆弧线内的车轮的整体的径向应变信息，采集得到的应变信息精度高。
优选的，根据最内圈的三个圆弧线上的六个全桥结构采集的应变信息计算横向力和垂向力，包括：
利用六个全桥采集得到六个应变信息：ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6，其中，ε1、ε2和ε3、ε4以及ε5、ε6分别为同一圆弧线上的两个全桥采集的应变信息；
基于采集的应变信息转换得到应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6，其中：
γ1＝[(ε1)2+(ε2)2]0.5，γ2＝ε1-ε2
γ3＝[(ε3)2+(ε4)2]0.5，γ4＝ε3-ε4
γ5＝[(ε5)2+(ε6)2]0.5，γ6＝ε5-ε6
将应变参数带入到横向力计算公式和垂向力计算公式中计算得到车轮所受的横向力和垂向力。
所述横向力F1和垂向力F2的计算公式如下：
F1＝m1(θ)*γ1+m2(θ)*γ2+m3(θ)*γ3+m4(θ)*γ4+m5(θ)*γ5+m6(θ)*γ6
F2＝n1(θ)*γ1+n2(θ)*γ2+n3(θ)*γ3+n4(θ)*γ4+n5(θ)*γ5+n6(θ)*γ6
其中，m1(θ)、m2(θ)、m3(θ)、m4(θ)、m5(θ)、m6(θ)为应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6在横向力计算中的系数；n1(θ)、n2(θ)、n3(θ)、n4(θ)、n5(θ)、n6(θ)为应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6在垂向力计算中的系数。
应变信息可以连续采集或间断采集，连续采集时，实时计算每个角度的输出量并计算出横向力和垂向力；间断采集时每隔一定时间或角度采集一次信号并计算横向力和垂向力。
此外，横向力系数和垂向力系数通过试验标定获得，具体方案如下：
逐级(4吨，8吨，12吨，16吨)加载垂向力，逐级卸载
在垂向力加载到预设载荷后，逐级加载横向力，逐级卸载横向力，逐级卸载垂向力。
通过试验找到加载载荷与通道输出量的对应关系，求解横向力和垂向力系数。
优选的，根据最外圈的三个圆弧线上的六个全桥结构采集的应变信息计算横向力和垂向力，包括：
利用六个全桥采集得到六个应变信息：ε3、ε4、ε5、ε6、ε7、ε8，其中，ε3、ε4和ε5、ε6以及ε7、ε8分别为同一圆弧线上的两个全桥采集的应变信息；
基于采集的应变信息得到应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8，其中：
γ3＝[(ε3)2+(ε4)2]0.5，γ4＝ε3-ε4
γ5＝[(ε5)2+(ε6)2]0.5，γ6＝ε5-ε6
γ7＝[(ε7)2+(ε8)2]0.5，γ8＝ε7-ε8
将应变参数带入到横向力计算公式和垂向力计算公式中计算得到车轮所受的横向力和垂向力。
所述横向力F1和垂向力F2的计算公式如下：
F1＝m3(θ)*γ3+m4(θ)*γ4+m5(θ)*γ5+m6(θ)*γ6+m7(θ)*γ7+m8(θ)*γ8
F2＝n3(θ)*γ3+n4(θ)*γ4+n5(θ)*γ5+n6(θ)*γ6+n7(θ)*γ7+n8(θ)*γ8
其中，m3(θ)、m4(θ)、m5(θ)、m6(θ)、m7(θ)、m8(θ)为应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8在横向力计算中的系数；n3(θ)、n4(θ)、n5(θ)、n6(θ)、n7(θ)、n8(θ)为应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8在垂向力计算中的系数。
具体的，将应变片粘贴在车轴端面上虽然监测精度较高，但是由于材料的限制粘贴的难度较大，因此，在实际监测过程中，会选择最外圈的三个圆弧线上的六个全桥结构(应变片均粘贴在制动盘的端面上)用于采集应变信息。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
将应变片粘贴的车轮端面的结构，不仅安装方便，而且在列车行进时，应变片能实时监测轮轨力；粘贴在车轮端面上的应变片布置在以车轮端面的中心为圆心的不同半径的圆弧线上的四等分或八等分位置，且处于同于圆弧线上的所有应变片组成两个全桥结构用于采集应变信息，此种结构能显著提高采集的应变信息的精度；通过采集全桥输出的应变信息，将应变信息转换后的到应变参数，将应变参数带入到横向力和垂向力计算公式中计算的到车轮所受的横向力和垂向力；同时对垂向力公式进行四级傅里叶展开之后再进行计算能显著提高计算的到的横向力和垂向力的准确度。
附图说明
图1为本发明提供的无损列车轮轨力监测系统的模块示意图；
图2为本发明提供的无损列车轮轨力监测系统的应变片粘贴分布示意图；
图3为本发明提供的无损列车轮轨力监测系统的第一种组桥方式示意图；
图4为本发明提供的无损列车轮轨力监测系统的另一种组桥方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，无损列车轮轨力监测系统，包括：
应变采集模块200，包括若干个粘贴在车轮端面上的应变片100，每两个应变片100形成一个应变组，每个应变组布置在以车轮端面的中心为圆心的不同半径的圆弧线上的四等分或八等分位置，处于同一圆弧线上的所有应变组构成两个全桥结构，用于采集应变信息；
无线信号发送模块300，用于将所述应变采集模块200采集的应变信息发送至数据处理模块400；
数据处理模块400，用于根据接收的应变信息计算能够兼顾到角度信息的应变参数后，再根据应变参数计算车轮上的横向力和垂向力；
无线供能模块500，用于对无损列车轮轨力监测系统进行无线供能。
如图2所示，所述圆弧线的半径根据车轮包括的车轴半径r和制动盘半径R确定，R＞r，确定方式为：
以车轴半径r作为最内圈圆弧线的半径R1，即R1＝r，此圆弧线上的应变组布置在四等分或八等分位置；
针对除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线，沿车轮的径向方向，圆弧线的半径差按照逐渐增加的方式确定，且除最内圈以外的其他圆弧线的应变组均布置在八等分位置。
由于车轴半径较小，因此以车轴半径为半径的圆弧线在四等分点设置应变片100组成全桥即可满足监测精度；在八等份点设置应变片100组成全桥采集得到的应变信息精度更高；而除最内圈以外的其他圆弧线上的应变组，因为半径较大，各个方位上应变量和应变角度都有区别较大，故均需在八等分点上设置应变片100以满足监测精度。
当除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线优选为2条圆弧线时，
R2＝r+K1(R-r)，R3＝r+K2(R-r)；
当除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线优选为3条圆弧线时；
R2＝r+K1(R-r)，R3＝r+K2(R-r)，R4＝r+K3(R-r)；
其中，K1，K2，K3分别为半径比例系数，且，K1＝0.42-0.44，K2＝0.62-0.64，K3＝0.92-0.94。
所述处于同一圆弧线上的所有应变组构成两个全桥结构，包括：
如图3所示，当应变组布置在圆弧线上的四等分位置时，处于同一圆弧线上相对设置的两个应变组组成一个全桥结构，另外的两个应变组也处于向相对的位置且组成一个全桥结构，两个全桥相隔90°；
如图4所示，当应变组布置在圆弧线上的八等分位置时，将处于同一圆弧线上的所有应变组以每相邻两个应变组为一个单元进行划分，抽取单个单元中每个应变组中的一个应变片100组成由两个应变片100组成的并联结构作为全桥的桥臂，四个并联结构组成一个全桥结构；所有单元中的剩下的应变片100属于相邻的应变组中的应变片100组成的并联结构作为全桥的桥臂，四个并联结构组成一个全桥结构。
当应变组布置在圆弧线上的四等分位置，处于同一圆弧线上相对设置的两个应变组组成一个全桥结构时，处于同一应变组的两个应变片100处于全桥结构的相对位置；
当应变组布置在圆弧线上的八等分位置，四个并联结构组成一个全桥结构时，相邻单元对应的并联结构处于全桥结构的相对位置。
此种组桥下，每一个全桥结构采集的应变信息都是该圆弧线内的车轮的整体的径向应变信息，采集得到的应变信息精度高。
依据上述监测系统可采用两种监测方法，
方法一：
根据最内圈的三个圆弧线上的六个全桥结构采集的应变信息计算横向力和垂向力，包括：
利用六个全桥采集得到六个应变信息：ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6，其中，ε1、ε2和ε3、ε4以及ε5、ε6分别为同一圆弧线上的两个全桥采集的应变信息；
且，ε1＝a1+a5-a9-b13；ε2＝a6+a10-a14-a2
ε3＝b1+b3+b5+b7-b9-b11-b13-b15；ε4＝b6+b8+b10+b12-b14-b16-d18-d20
ε5＝c1+c3+c5+c7-c9-c11-c13-c15；ε6＝c6+c8+c10+c12-c14-c16-c18-c20
基于采集的应变信息转换得到应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6，
其中：
γ1＝[(ε1)2+(ε2)2]0.5，γ2＝ε1-ε2
γ3＝[(ε3)2+(ε4)2]0.5，γ4＝ε3-ε4
γ5＝[(ε5)2+(ε6)2]0.5，γ6＝ε5-ε6
将应变参数带入到横向力计算公式和垂向力计算公式中计算得到车轮所受的横向力和垂向力。
所述横向力F1和垂向力F2的计算公式如下：
F1＝m1(θ)*γ1+m2(θ)*γ2+m3(θ)*γ3+m4(θ)*γ4+m5(θ)*γ5+m6(θ)*γ6
F2＝n1(θ)*γ1+n2(θ)*γ2+n3(θ)*γ3+n4(θ)*γ4+n5(θ)*γ5+n6(θ)*γ6
其中，m1(θ)、m2(θ)、m3(θ)、m4(θ)、m5(θ)、m6(θ)为应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6在横向力计算中的系数；n1(θ)、n2(θ)、n3(θ)、n4(θ)、n5(θ)、n6(θ)为应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6在垂向力计算中的系数。
在实际应用中，非线性系数无法获得理论表达式，通过傅里叶级数展开将mi(θ),ni(θ)进行四级傅里叶展开，从而将系数矩阵线性化；得到线性化后的横向力计算公式和垂向力计算公式，
横向力计算公式：
F1＝m11*γ1+m12*γ2+m13*γ3+m14*γ4+m15*γ5+m16*γ6+m21*γ1*COS(θ/2π)+m22*γ2*COS(θ/2π)+m23*γ3*COS(θ/2π)+m24*γ4*COS(θ/2π)+m25*γ5*COS(θ/2π)+m26*γ6*COS(θ/2π)+m31*γ1*sin(θ/2π)+m32*γ2*sin(θ/2π)+m33*γ3*sin(θ/2π)+m34*γ4*sin(θ/2π)+m35*γ5*sin(θ/2π)+m36*γ6*sin(θ/2π)+m41*γ1*cos(2*θ/2π)+m42*γ2*cos(2*θ/2π)+m43*γ3*cos(2*θ/2π)+m44*γ4*cos(2*θ/2π)+m45*γ5*cos(2*θ/2π)+m36*γ6*cos(2*θ/2π)+m 51*γ1*sin(2*θ/2π)+m52*γ2*sin(2*θ/2π)+m53*γ3*sin(2*θ/2π)+m54*γ4*sin(2*θ/2π)+m 55*γ5*sin(2*θ/2π)+m56*γ6*sin(2*θ/2π)
……+m81*γ1*cos(4*θ/2π)+m82*γ2*cos(4*θ/2π)+m83*γ3*cos(4*θ/2π)+m84*γ4*cos(4*θ/2π)+m85*γ5*cos(4*θ/2π)+m86*γ6*cos(4*θ/2π)+m91*γ1*sin(4*θ/2π)+m92*γ2*sin(4*θ/2π)+m93*γ3*sin(4*θ/2π)+m94*γ4*sin(4*θ/2π)+m95*γ5*sin(4*θ/2π)+m96*γ6*sin(4*θ/2π)
垂向力计算公式：
F1＝n11*γ1+n12*γ2+n13*γ3+n14*γ4+n15*γ5+n16*γ6+n21*γ1*COS(θ/2π)+n22*γ2*COS(θ/2π)+n23*γ3*COS(θ/2π)+n24*γ4*COS(θ/2π)+n25*γ5*COS(θ/2π)+n26*γ6*COS(θ/2π)+n31*γ1*sin(θ/2π)+n32*γ2*sin(θ/2π)+n33*γ3*sin(θ/2π)+n34*γ4*sin(θ/2π)+n35*γ5*sin(θ/2π)+n36*γ6*sin(θ/2π)+n41*γ1*cos(2*θ/2π)+n42*γ2*cos(2*θ/2π)+n43*γ3*cos(2*θ/2π)+n44*γ4*cos(2*θ/2π)+n45*γ5*cos(2*θ/2π)+n36*γ6*cos(2*θ/2π)+n51*γ1*sin(2*θ/2π)+n52*γ2*sin(2*θ/2π)+n53*γ3*sin(2*θ/2π)+n54*γ4*sin(2*θ/2π)+n55*γ5*sin(2*θ/2π)+n56*γ6*sin(2*θ/2π)……+n81*γ1*cos(4*θ/2π)+n82*γ2*cos(4*θ/2π)+n83*γ3*cos(4*θ/2π)+n84*γ4*cos(4*θ/2π)+n85*γ5*cos(4*θ/2π)+n86*γ6*cos(4*θ/2π)+n91*γ1*sin(4*θ/2π)+n92*γ2*sin(4*θ/2π)+n93*γ3*sin(4*θ/2π)+n94*γ4*sin(4*θ/2π)+n95*γ5*sin(4*θ/2π)+n96*γ6*sin(4*θ/2π)
其中，其中mij和nij分别为横向力和垂向力的系数；
应变信息可以连续采集或间断采集，连续采集时，实时计算每个角度的输出量并计算出横向力和垂向力；间断采集时每隔一定时间或角度采集一次信号并计算横向力和垂向力。
此外，横向力系数和垂向力系数通过试验标定获得，具体方案如下：
逐级(4吨，8吨，12吨，16吨)加载垂向力，逐级卸载
在垂向力加载到预设载荷后，逐级加载横向力，逐级卸载横向力，逐级卸载垂向力。
通过试验找到加载载荷与通道输出量的对应关系，求解横向力和垂向力系数。
方法二：
根据最外圈的三个圆弧线上的六个全桥结构采集的应变信息计算横向力和垂向力，包括：
利用六个全桥采集得到六个应变信息：ε3、ε4、ε5、ε6、ε7、ε8，其中，ε3、ε4和ε5、ε6以及ε7、ε8分别为同一圆弧线上的两个全桥采集的应变信息；
ε3＝b1+b3+b5+b7-b9-b11-b13-b15；ε4＝b6+b8+b10+b12-b14-b16-d18-d20
ε5＝c1+c3+c5+c7-c9-c11-c13-c15；ε6＝c6+c8+c10+c12-c14-c16-c18-c20
ε7＝d1+d3+d5+d7-d9-d11-d13-d15；ε8＝d6+d8+d10+d12-d14-d16-d18-d20
基于采集的应变信息得到应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8，其中：
γ3＝[(ε3)2+(ε4)2]0.5，γ4＝ε3-ε4
γ5＝[(ε5)2+(ε6)2]0.5，γ6＝ε5-ε6
γ7＝[(ε7)2+(ε8)2]0.5，γ8＝ε7-ε8
将应变参数带入到横向力计算公式和垂向力计算公式中计算得到车轮所受的横向力和垂向力。
所述横向力F1和垂向力F2的计算公式如下：
F1＝m3(θ)*γ3+m4(θ)*γ4+m5(θ)*γ5+m6(θ)*γ6+m7(θ)*γ7+m8(θ)*γ8
F2＝n3(θ)*γ3+n4(θ)*γ4+n5(θ)*γ5+n6(θ)*γ6+n7(θ)*γ7+n8(θ)*γ8
其中，m3(θ)、m4(θ)、m5(θ)、m6(θ)、m7(θ)、m8(θ)为应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8在横向力计算中的系数；n3(θ)、n4(θ)、n5(θ)、n6(θ)、n7(θ)、n8(θ)为应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8在垂向力计算中的系数。
将应变片100粘贴在车轴端面上虽然监测精度较高，但是由于材料的限制粘贴的难度较大，因此，在实际监测过程中，会选择最外圈的三个圆弧线上的六个全桥结构(应变片均粘贴在制动盘的端面上)用于采集应变信息，采用此种方法得到的横向力和垂向力计算公式亦可进行四级傅里叶展开得到线性化后的横向力和垂向力计算公式。

Claims (7)

1.一种无损列车轮轨力监测系统，其特征在于，包括：
应变采集模块，包括若干个粘贴在车轮端面上的应变片，每两个应变片形成一个应变组，每个应变组布置在以车轮端面的中心为圆心的不同半径的圆弧线上的四等分或八等分位置，处于同一圆弧线上的所有应变组构成两个全桥结构，用于采集应变信息；
无线信号发送模块，用于将所述应变采集模块采集的应变信息发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于根据接收的应变信息计算能够兼顾到角度信息的应变参数后，再根据应变参数计算车轮所受的横向力和垂向力；
无线供能模块，用于对无损列车轮轨力监测系统进行无线供能；
所述圆弧线的半径根据车轮包括的车轴半径r和制动盘半径R确定，R＞r，确定方式为：
以车轴半径r作为最内圈圆弧线的半径R1，即R1＝r，此圆弧线上的应变组布置在四等分或八等分位置；
针对除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线，沿车轮的径向方向，圆弧线的半径差按照逐渐增加的方式确定，且除最内圈以外的其他圆弧线的应变组均布置在八等分位置；
当除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线为2条圆弧线时，
R2＝r+K1(R-r)，R3＝r+K2(R-r)；
当除最内圈圆弧线以外的其他圆弧线为3条圆弧线时；
R2＝r+K1(R-r)，R3＝r+K2(R-r)，R4＝r+K3(R-r)；
其中，K1，K2，K3分别为半径比例系数，且，K1＝0.42-0.44，K2＝0.62-0.64，K3＝0.92-0.94。
2.根据权利要求1所述的无损列车轮轨力监测系统，其特征在于，所述处于同一圆弧线上的所有应变组构成两个全桥结构，包括：
当应变组布置在圆弧线上的四等分位置时，处于同一圆弧线上相对设置的两个应变组组成一个全桥结构，剩下相对设置的两个应变组组成另一个全桥结构；
当应变组布置在圆弧线上的八等分位置时，将处于同一圆弧线上的所有应变组以每相邻两个应变组为一个单元进行划分，抽取单个单元中每个应变组中的一个应变片组成由两个应变片组成的并联结构作为全桥的桥臂，四个并联结构组成一个全桥结构；所有单元中的剩下的应变片按照相同的方式组成另外一个全桥结构。
3.根据权利要求2所述的无损列车轮轨力监测系统，其特征在于，
当应变组布置在圆弧线上的四等分位置，处于同一圆弧线上相对设置的两个应变组组成一个全桥结构时，处于同一应变组的两个应变片处于全桥结构的相对位置；
当应变组布置在圆弧线上的八等分位置，四个并联结构组成一个全桥结构时，相邻单元对应的并联结构处于全桥结构的相对位置。
4.根据权利要求1所述的无损列车轮轨力监测系统，其特征在于，根据最内圈的三个圆弧线上的六个全桥结构采集的应变信息计算横向力和垂向力，包括：
利用六个全桥采集得到六个应变信息：ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6，其中，ε1、ε2和ε3、ε4以及ε5、ε6分别为同一圆弧线上的两个全桥采集的应变信息；
基于采集的应变信息转换得到应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6，其中：
γ1＝[(ε1)2+(ε2)2]0.5，γ2＝ε1-ε2
γ3＝[(ε3)2+(ε4)2]0.5，γ4＝ε3-ε4
γ5＝[(ε5)2+(ε6)2]0.5，γ6＝ε5-ε6
将应变参数带入到横向力计算公式和垂向力计算公式中计算得到车轮所受的横向力和垂向力。
5.根据权利要求4所述的无损列车轮轨力监测系统，其特征在于，所述横向力F1和垂向力F2的计算公式如下：
F1＝m1(θ)*γ1+m2(θ)*γ2+m3(θ)*γ3+m4(θ)*γ4+m5(θ)*γ5+m6(θ)*γ6
F2＝n1(θ)*γ1+n2(θ)*γ2+n3(θ)*γ3+n4(θ)*γ4+n5(θ)*γ5+n6(θ)*γ6
其中，m1(θ)、m2(θ)、m3(θ)、m4(θ)、m5(θ)、m6(θ)为应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6在横向力计算中的系数；n1(θ)、n2(θ)、n3(θ)、n4(θ)、n5(θ)、n6(θ)为应变参数γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6在垂向力计算中的系数。
6.根据权利要求1所述的无损列车轮轨力监测系统，其特征在于，根据最外圈的三个圆弧线上的六个全桥结构采集的应变信息计算横向力和垂向力，包括：
利用六个全桥采集得到六个应变信息：ε3、ε4、ε5、ε6、ε7、ε8，其中，ε3、ε4和ε5、ε6以及ε7、ε8分别为同一圆弧线上的两个全桥采集的应变信息；
基于采集的应变信息得到应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8，其中：
γ3＝[(ε3)2+(ε4)2]0.5，γ4＝ε3-ε4
γ5＝[(ε5)2+(ε6)2]0.5，γ6＝ε5-ε6
γ7＝[(ε7)2+(ε8)2]0.5，γ8＝ε7-ε8
将应变参数带入到横向力计算公式和垂向力计算公式中计算得到车轮所受的横向力和垂向力。
7.根据权利要求6所述的无损列车轮轨力监测系统，其特征在于，所述横向力F1和垂向力F2的计算公式如下：
F1＝m3(θ)*γ3+m4(θ)*γ4+m5(θ)*γ5+m6(θ)*γ6+m7(θ)*γ7+m8(θ)*γ8
F2＝n3(θ)*γ3+n4(θ)*γ4+n5(θ)*γ5+n6(θ)*γ6+n7(θ)*γ7+n8(θ)*γ8
其中，m3(θ)、m4(θ)、m5(θ)、m6(θ)、m7(θ)、m8(θ)为应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8在横向力计算中的系数；n3(θ)、n4(θ)、n5(θ)、n6(θ)、n7(θ)、n8(θ)为应变参数γ3、γ4、γ5、γ6、γ7、γ8在垂向力计算中的系数。
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