CN116956569A - 轮轨横向力确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮轨横向力确定方法及装置，该方法包括：获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。本发明能够实现对轮轨横向力的评估、对轮轨相互作用状态的精确评估及对线路状态的辅助评判。
Description
技术领域
本发明涉及高速铁路工务工程技术领域，尤其涉及一种轮轨横向力确定方法及装置。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
轮轨之间的相互作用是轨道交通的重要特征，轮轨之间的作用力是衡量铁路运行安全的基本参数。因此，如何对高铁运行中轮轨力进行监测并基于监测数据对轨道-车辆系统进行状态评判是高铁基础理论和方法研究的关键技术之一。轮轨作用力同振动加速度一样，受行车速度、车辆和轨道状态等影响。同时测力轮对的制作过程、周期、运用比较复杂，当采用测力轮对测量时，还需要专门的标定装置，安装维护也比较复杂。因此现有技术只有少数轨检车安装测力轮对设备，仅在情况比较复杂，用于对轨道不平顺影响确认。如果我们能够找到一种更容易的方式获得轮轨力，那么就可以大大提高高速铁路的检测能力，直接的从轮轨力方面进行安全评判。
现有技术中对于轮轨力的评估辨识方法很多，例如基于车辆轮轨力的辨识方法，但该方法并不是基于车辆响应，不适用于实时系统；或是基于轴箱加速度的轮轨接触力辨识方法，该方法受系统的强非线性影响，建立的动态模型使用的线性冲击响应，对于横向力的计算结果相关系数略低；或是建立轮对-轨道耦合模型，寻找轴箱加速度与轨道不平顺的关系，然后基于系统辨识模型，辨识出轮轨力，此方法建立的评估模型计算大规模系统时，不能得到精确解。
对于垂向力的评估显而易见比较好实现，但是横向力就没有这么容易了。现有技术中利用反向模型计算轮轨横向力(LWRF)，通过响应计算输入量，由于在计算过程中会存在误差的累积，导致计算精度降低。还通过分析施加在悬挂在轮对上的力来建立力和力矩的平衡方程，测量轴箱加速度和悬挂系统的相对位移，从轮对的惯性力和悬挂力中得出未知的轮轴横向力和轮轨垂向力。但与纵向和垂向力相比，测得的横向力精度较低，因为其来自其他两个方向的干扰误差较大。
综合以上研究可以看出，基于加速度进行轮轨力的载荷辨识已经有了不少相关的研究，特别是基于仿真模型的轮轨力辨识，研究众多。然而无论是在仿真环境下还是在实际计算评估过程中，对于轮轨横向力的辨识，研究都比较有限。为了实现对于轮轨相互作用状态的评估以及对线路状态的辅助评判，有必要研究一种新的方法利用车辆响应数据实现对横向力的评估辨识。现有技术虽然在利用系统载荷辨识方面开展了不少研究工作，但是如何利用动态响应信号实现垂向轮轨接触力的评估方面还未见相关文献报道和专利说明。
发明内容
本发明实施例提供一种轮轨横向力确定方法，能够实现对轮轨横向力的精确评估，有利于对轮轨相互作用状态的评估及对线路状态的辅助评判，该方法包括：
获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；
根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；
根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；
根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；
根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。
本发明实施例提供一种轮轨横向力评估装置，能够实现对轮轨横向力的精确评估，有利于对轮轨相互作用状态的评估及对线路状态的辅助评判，该装置包括：
获取模块，用于获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；
模型建立模块，用于根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；
轮轨垂向力确定模块，用于根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；
轮轨接触角确定模块，用于根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；
轮轨横向力确定模块，用于根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述轮轨横向力确定方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述轮轨横向力确定方法。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述轮轨横向力确定方法。
本发明实施例中，获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。与现有技术中利用反向模型计算轮轨横向力的方案相比，本发明能够实现对轮轨横向力的精确评估，有利于对轮轨相互作用状态的评估及对线路状态的辅助评判。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中轮轨横向力确定方法的流程图；
图2为本发明实施例中轮轨横向力确定方法的具体实例的流程图；
图3为本发明实施例中动态响应中轮对受力示意图；
图4为本发明实施例中轮轨横向力确定方法的具体实例的流程图；
图5为本发明实施例中多断面车辆动态检测系统的示意图；
图6为本发明实施例中轴箱、构架加速度传感器安装位置仿真示意图；
图7为本发明实施例中轮对坐标系示意图；
图8为本发明实施例中轮对接触面坐标系示意图；
图9为本发明实施例中确定轮轨接触点方法的示意图；
图10为本发明实施例中轮对相对于轨道的横移量与左右轮接触半径差的变换关系图；
图11为本发明实施例中轮对相对于轨道的横移量与轮轨接触角的变换关系图；
图12为本发明实施例中发生轮对相对钢轨横移时的轮轨接触示意图；
图13为本发明实施例中发生轮对相对钢轨的横移时的几何简图；
图14为本发明实施例中轮对相对于轨道的横移量数据示意图；
图15为本发明实施例中某一区段的轮轨接触角数据示意图；
图16为本发明实施例中某一区段的法向力在横向上的分量数据示意图；
图17为本发明实施例中某一区段的实际横向速度动态数据示意图；
图18为本发明实施例中某一区段的测量值与计算值频谱图；
图19为本发明实施例中系统开发结构图；
图20为本发明实施例中基于轮轨横向力确定方法的评估结果示意图；
图21为本发明实施例中基于轮轨横向力确定方法的评估结果放大示意图；
图22为本发明实施例中轮轨横向力确定装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为了满足利用车载设备对横向轮轨接触力进行在线计算的要求，以及对铁路的状态监测和及时维护。本发明实施例提出了一种基于动态响应的轮轨横向力确定方法及装置，实现多自由度轮轨垂向作用力辨识模型的建立，引进基于动力学模型和车辆响应数据的接触角计算方法，获取车辆相对于轨道的接触角，引进基于蠕滑理论的横向蠕滑力计算方法，使用matlab、C#或其他联合编程方法实现轮轨垂向力的在线评估，形成基于动态响应的轮轨横向力的在线评估系统。
图1为本发明实施例中轮轨横向力确定方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤101，获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；
步骤102，根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；
步骤103，根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；
步骤104，根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；
步骤105，根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。
图2为本发明实施例中轮轨横向力确定方法的具体实例的流程图，如图2所示，本发明实施例提出的基于动态响应的轮轨横向力确定方法，详细步骤如下：建立多自由度轮轨横向力辨识模型；使用实测轴箱、构架加速度辨识出轮轨垂向力；利用轮轨垂向力计算出法向力的横向分量；通过轮对的垂向位移计算车辆的侧滚角及接触角；利用在计算过程中获得的接触参数、陀螺仪测量数据及蠕滑理论计算的横向蠕滑力；叠加横向蠕滑力、静平衡力及法向力的横向分量，计算结果即为轮轨横向力。
接下来将详细介绍基于动态响应的轮轨横向力评估的关键技术，包括多自由度轮轨横向力辨识模型的建立、多断面加速度检测系统、基于轴箱加速度的接触角计算方法、横向蠕滑力计算方法、基于动态响应的轮轨垂横力在线评估系统。
第一部分是建立多自由轮轨横向力辨识模型，轮对的受力如图3所示，假设轮对的质量为m，侧滚转动惯量为I，侧滚角为φ，左右接触法向力分别为NL、NR，左右接触角分别为δL、δR，左右横向蠕滑力分别为FCL、FCR，左右横向力、垂向力分别为FL、FR，VL、VR，左右轮接触半径分别为rL、rR，左右轮接触点距轮对中心法平面的距离为RL、RR，左右悬挂横向力、垂向力分别为FSYL、FSYR，FSZL、FSZR，左右悬挂横向力、垂向力距轮对质心水平面、轮对质心法平面的距离分别为RSYL、RSYR，RSZL、RSZR。给出轮对横移的运动方程如式(1)所示。
此处左右横向力FL和FR是分别左右横向蠕滑力和左右横向轮轨力分量的和，即：
FL＝CFL+FCL，FR＝CFR+FCR (1)
在忽略蠕滑力的条件下，垂向轮轨力(VWRF)和横向轮轨力分量CFL，CFR之间满足以下条件：
这样，只要计算出垂向轮轨力和接触角δL及δR便可确定横向轮轨力分量。
根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力。那么剩下的工作就是关于δL及δR的确定了。但是本身这两个接触角是不那么容易获取的，所以，可以考虑通过其他方式进行计算。比较容易确定的是接触半径差及接触角和轴箱相对于轮对的横移(lateral displacement of the wheelset to rail，LDWR)之间的关系，所以，可以考虑先通过建立动力学仿真模型，利用仿真模型计算出两者和LDWR的变化曲线，然后利用动态响应数据计算得到车辆运行过程中接触半径差的动态数值，进而获取LDWR动态数值，再将其带入接触角和LDWR之间关系式中便可得到轮轨之间的动态接触角。动态接触角确定之后，横向轮轨力的便可顺势得出，详细流程如图4所示。
在一个实施例中，根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角，包括：根据动力学仿真模型确定轮轨接触半径差与轮对到钢轨的横向位移LDWR之间的变化关系；根据轮轨接触半径差数据、及轮轨接触半径差与LDWR之间的变化关系，确定LDWR数据；根据动力学仿真模型确定轮轨接触角与LDWR之间的变化关系；根据LDWR数据、及轮轨接触角与LDWR之间的变化关系，确定轮轨接触角。
第二部分是建立多断面加速度检测系统，多断面车辆动态检测系统如图5所示，可实时采集车体、构架和轴箱加速度，用于辅助分析轨道的平顺性状态。系统采用多通道分布式网络化测试技术，用计算机远程控制分布在不同地点的测试设备同步工作，CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)输入并通过网络传输数据和同步信息，具有测量数据量大，地域分散，测试的实时性和可靠性高，远距离协同操作等特点。系统具备在线采集及处理原始信号、存储中间数据和最后结果、在线显示波形图、通过网络传输数据、输出超限报表、修正里程、对存储的数据进行事后回放、输出波形图数据及相应地点和速度等功能。实现数据采集，原始数据存盘和数据有效性判断和波形显示。
在本实施例中，多自由度轮轨垂向力辨识模型中使用的动态响应信号主要为轴箱和构架加速度，其安装位置如图6所示，图6为仿真软件作图，在同一转向架左右侧轴箱端部分别安装两个三向轴箱加速度传感器，在其正上方左右侧分别安装两个三向构架加速度传感器，分别具有测量横向、垂向、纵向振动加速度的功能。
第三部分是基于轴箱加速度和动力学模型进行接触角的计算，轴箱相对于轮对的横移量是一个比较难以测量的量，但是其与轮轨接触角之间的关系比较明确。为了得到两者之间的关系，考虑建立一个动力学仿真模型进行获取。这样一旦得到了两者之间的变化曲线，轴箱相对于轮对的横移量将会非常简单的计算出来。
在本实施例中，假设轮对以等速沿直线轨道运动，基于车辆动力学理论，建立四组笛卡尔坐标系，平衡坐标系x″′,y″′,z″′的原点在轨道中心线路上，以等速度v相对于固定的惯性参考系运动。坐标系x″,y″,z″为一中间坐标系，它相当于z″′轴转动一个角度坐标轴x′,y′,z′构成轮对本体坐标系，其原点在轮对质心，坐标系x,y,z为整体坐标系，Y0、Z0为轨道中心线路的位移量(其值为轨道中心线的位移量，不是一个定值，对于我们来讲也是一个未知量)，如图7所示。此外，采用两个坐标系e1L,e2L,e3L和e1R,e2R,e3R，它们依次固定在左右两个瞬时性的轮对接触点上，如图8所示。
各坐标轴之间的变换方式如下：
对于φ和上式可以写成
式中，i′，j′，k′，i″，j″，k″和i″′，j″′，k″′代表与三个坐标系相对应的单位矢量。
同轮对本体坐标系之间的变换式为：
由于钢轨对轮对的约束，轮对相对钢轨有两个自由度：轮对横移及摇头。轮轨接触几何各项参数可以看作是这两个变量的函数。
以下推导中使用的坐标为：x-轮对质心在整体坐标系的纵向位移；y-轮对质心在整体坐标系的横向位移；z-轮对质心在整体坐标系的垂向位移；φ-绕x″轴的测滚角位移；绕y″轴的测滚角位移；β-绕y′轴标称角速度Ω的扰动角位移，此处Ω＝v/r0，r0为轮对的标称滚动圆半径。
左右轮接触点距轮对中心法平面的距离为LL和LR，左右横向力、垂向力分别为FL，FR，VL，VR。
考虑到测量方便等因素，通常对左右轴箱加速度进行检测，因此把轮对质心的垂向加速度用左右轴箱的垂向加速度进行代替。同样用左右轴箱的位移、速度、加速度代替轮对的测滚角、角速度、角加速度。那么，在平衡坐标系中，横向、垂向及测滚方程分别为：
垂向方程：
横向方程：
测滚方程：
其中，WA为轮对自身重力；RRy、RRz、RLy、RLz分别为平衡坐标系的左右两侧轮轨垂向力和横向力的力臂；RBZL、RBZR分别为左右两侧一系悬挂力的力臂；MLx、MRx分别为左右接触点处的横向蠕滑力力矩；因为yLB、yRB、/>分别为左右轴箱横向加速度、左右轴箱相对于构架运动的横向位移、速度；/>zLB、zRB、/>分别为左右轴箱垂向加速度、左右轴箱相对于构架运动的垂向位移、速度，可以由加速度直接或间接获得，而KZL、CZL、KZR、CZR，KYL、CYL、KYR、CYR为悬挂参数，是已知量。目前有三个方程，同时有左右横向力、左右垂向力、左右接触半径、左右接触角等十余个未知数，因此该问题是一个不适定问题，此处引入轮轨蠕滑理论，寻求横向力与垂向力、接触半径、左右接触角的关系，缩减未知量。
如图9所示，针对仅有横移的情况，把空间问题转化为平面问题，首先求出接触点坐标，利用下面几何条件求出：轮轨接触点处轮和轨的垂向距离为零，非接触点处轮轨表面的垂向距离大于零。给出一个位移，并旋转一个角度，按照上述原则逐步迭代求解。
找到接触点后，可进一步求得各接触几何参数。左右车轮实际滚动圆半径可根据车轮上接触点位置求出。轮对侧滚角为各次迭代时侧滚角的代数和。
钢轨接触角：
其中，WL(yRLmin)和WR(yRLmin)分别为左右轮上的接触点横坐标。
如果假设轮轨密贴，轮对在轨道上的运动状态可以看作是轮对在平衡坐标系x′″，y′″，z′″上的横移量y′″的函数。轮对横移量y′″和轮对在整体坐标系下的位移、左右车轮的位移是有区别的，它们分别为不同坐标系下的定义。由轮对的横移量y′″可以求出接触半径、接触角等接触参数。选用A型磨耗型车轮踏面和60kg/m型钢轨踏面计算，得到接触角及接触半径随横移量的变换曲线如图10和图11所示。根据经验，轮对相对轨道的横移量一般在8mm之内。对于不同的钢轨和车辆踏面，图10和图11中的关系会存在一些变化。
假设轮对始终紧贴钢轨，未发生脱离。根据轮轨接触理论可以得知，当车辆发生横移时，轮对相对于钢轨也存在横移，然而由于轮轨接触点的变化，如图11所示，左右轮接触半径也发生了相应的变化。而该变化不仅体现在轮对的横移上，还会体现在高低变化上。在理想情况下，倘若轨道没有高低不平顺存在，那么左右侧轴箱的垂向位移和接触半径差及侧滚角之间的关系如图12所示，发生轮对相对钢轨的横移时的几何简图如图13所示。
其中rL和rR分别为左右轮对接触半径，Δr为左右轮对接触半径之差，ΔP为左右高低之差，L为轴箱长度，φ为轴箱与轨道平面之间的夹角。ΔP和L之间满足以下关系式：
从而可以推出，左右轮接触半径差可以由左右高低差ΔP和车辆轴箱长度L计算得出。轮对相对于轨道的横移量数据如图14所示，某一区段的轮轨接触角数据如图15所示。
第四部分为横向蠕滑力计算方法，根据第三部分的计算结果，横向力分量并非检测意义下的轮轨横向力，所以其值基本上是正的，也就是说都是朝向轨道内侧的。其原因与计算过程中接触角的取值有很大关系，如图15所示，接触角的取值基本上都是在0.08rad到0.16rad之间。因tanδL和tanδR的存在，所以计算的结果基本上均为同方向的值，而且波形底部产生了平滑的削峰现象。因此，为了获取检测意义下轮轨横向作用力，需要加入蠕滑力及静平衡力进行计算结果的修正。图16为本发明实施例中某一区段的法向力在横向上的分量数据示意图，如图16所示，某一区段的法向力在横向上的分量计算值与检测值(指测力轮对检测系统中的结果)相差较大。
在一个实施例中，轮轨横向力确定方法还包括：根据动态响应数据确定轮对静平衡力数据及轮轨横向蠕滑力数据；根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力之后，还包括：根据轮对静平衡力数据及轮轨横向蠕滑力数据对轮轨横向力进行修正。
在一个实施例中，根据动态响应数据确定轮轨横向蠕滑力数据，包括：根据动态响应数据确定横向蠕滑率及自旋蠕滑率；根据横向蠕滑率及自旋蠕滑率确定轮轨横向蠕滑力数据。
因为静平衡力一般为一个常数，只进行横向蠕滑力的计算。
关于蠕滑力-蠕滑率的线性关系式，对于垂向蠕滑力FCLx为
FCLx＝-f33ξx (16)
对于横向蠕滑力FCLy为
FCLy＝-f11ξy-f12ξsp (17)
对于自旋蠕滑力矩MCLz为
MCLz＝f12ξy-f22ξsp (18)
f11，f12，f22，及f33为蠕滑系数：
其中，ξx，ξy，ξsp分别为纵向、横向、自旋蠕滑率；a为接触椭圆沿滚动方向的半轴；b为接触椭圆沿横向的半轴；G为刚性模量；Cij为蠕滑及自旋系数，只与泊松比σ及接触椭圆半轴比(a/b)相关，当a和b确定之后，其值可以通过查表获取。
G和σ可用GW，GR，σW及σR表示为
G＝(2GWGR)/(GW+GR) (20)
σ＝[G(GWσR+GRσW]/(GWGR) (2)
GW为车轮材料的剪切刚性模量；GR为钢轨材料的剪切刚性模量；G为车轮钢轨材料的组合剪切刚性模量；σ车轮钢轨材料泊松比σW和σR的组合泊松比
需要计算的是横向蠕滑力，所以未知量仅剩下ξy、ξsp及a、b。
横向蠕滑率ξy为：
自旋蠕滑率ξsp定义为接触面上两物体绕垂直于接触面的法线而旋转的转速之差：
实际横向速度和上物体的角速度及车轮的角速度，可以通过对轴箱横向和纵向速度进行积分求得。由于滚动的前进速度和名义滚动速度一般为常值。纯滚动的横向速度可以通过在左右轴箱上安装陀螺仪获得。由于钢轨是静止的，所以下物体的角速度为0。这样，横向和自旋蠕滑率ξy，ξsp可以使用动态数据获取。以实际横向速度为例，其在某一区段的动态波形如图17所示。
接触椭圆沿滚动方向和横向的半轴a，b通过下式给出：
a＝m[3πN(K1+K2)/4K3]1/3 (5)
b＝n[3πN(K1+K2)/4K3]1/3 (6)
式中，N为总的正压力，可以通过轮轨垂向力计算得出VWRF；
式中，R1为车轮主滚动圆半径；R′1为接触点处车轮型面横向主曲率半径；R2为接触点处钢轨主滚动圆半径(对于钢轨来说，R2＝∞)；R′2为接触点处钢轨型面横向主曲率半径；σW和σR分别为车轮、钢轨材料的泊松比；EW和ER分布为车轮、钢轨材料的杨氏弹性模量。
在式(24)和式(25)中的系数m和n取决于比值K4/K3，其中K4定义为
式中，ψ含曲率1/R1和1/R2的法平面间的夹角，一般来说，其值很小且趋向于0。
系数m和n以θ的函数的形式给出，可通过查表获取。θ定义为：
θ＝arccosK4/K3 (28)
当接触角以及轮轨相对于钢轨的横移量获取之后，R′1和R′2很容易获取。这样，m和n可以通过查表获取，而其他值为常数或可以通过动态响应数据计算得到。
将ξy，ξsp，a和b的值带入等式(17)及(19)，横向蠕滑力FCLy便可计算得到。
图18为加入静平衡力和横向蠕滑力修正之后的结果，与图16相比，无论是在趋势上还是在高频细节上都有了精确提升，其对应的功率密度谱(PSD)如图18所示。可以看出，计算值和测力轮对的测量值之间在频域上也有很好的对应关系。当然，也有一小部分能量是存在差异的，但是基本上在工程上是可以接受的。如果想要严格的一一对应，那么可能需要调整在计算过程中的很多参数，因为在计算时使用的多数都是理论值或者设计值。
第五部分为基于动态响应的轮轨横向力的在线评估，为了更好地轮轨横向力的在线评估，将前述基于动态响应轮轨横向力评估方法进行算法实现，并将算法集成到同一个软件中，利用Matlab、C++等混合编程形成基于动态响应的轮轨横向力的在线评估系统。
在一个实施例中，根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型，包括：利用编程软件根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型。
在一个实施例中，轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力利用编程软件确定。
考虑到系统需要快速批量处理大量的动态响应数据，以及应用系统的安全性、适应性、可伸缩性、可维护性，可以在Windows系统上使用.Net Framework平台开发，总体设计架构分为表现层、业务逻辑层、数据访问层，具体架构设计如图19所示。
图20为本发明实施例中基于轮轨横向力确定方法的评估结果示意图，图21为本发明实施例中基于轮轨横向力确定方法的评估结果放大示意图。图20给出了一段50公里长的评估结果，从图中可以看出，基于动态响应的轮轨横向力确定方法能够较好的进行线路的轮轨力的评估。图21为图20中的结果的区段放大波形，从图中可以看出，其对图16中的结果产生了明显了转变，无论是在趋势上还是在高频细节上都有了精确提升。
综上所述，在本发明实施例提出的方法中，本发明实施例中，获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。与现有技术中利用反向模型计算轮轨横向力的方案相比，本发明能够实现对轮轨横向力的精确评估，有利于对轮轨相互作用状态的评估及对线路状态的辅助评判。
本发明实施例还提出一种轮轨横向力确定装置，其原理与轮轨横向力确定方法类似，这里不再赘述。
图22为本发明实施例中轮轨横向力确定装置的示意图，如图22所示，轮轨横向力确定装置包括：
获取模块201，用于获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；
模型建立模块202，用于根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；
轮轨垂向力确定模块203，用于根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；
轮轨接触角确定模块204，用于根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；
轮轨横向力确定模块205，用于根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。
在一个实施例中，轮轨接触角确定模块204具体用于：
根据动力学仿真模型确定轮轨接触半径差与轮对到钢轨的横向位移LDWR之间的变化关系；
根据轮轨接触半径差数据、及轮轨接触半径差与LDWR之间的变化关系，确定LDWR数据；
根据动力学仿真模型确定轮轨接触角与LDWR之间的变化关系；
根据LDWR数据、及轮轨接触角与LDWR之间的变化关系，确定轮轨接触角。
在一个实施例中，轮轨横向力确定装置还包括：修正模块，用于根据动态响应数据确定轮对静平衡力数据及轮轨横向蠕滑力数据；根据轮对静平衡力数据及轮轨横向蠕滑力数据对轮轨横向力进行修正。
在一个实施例中，修正模块具体用于：根据动态响应数据确定横向蠕滑率及自旋蠕滑率；根据横向蠕滑率及自旋蠕滑率确定轮轨横向蠕滑力数据。
在一个实施例中，模型建立模块202具体用于：
利用编程软件根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型。
在一个实施例中，轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力利用编程软件确定。
综上所述，在本发明实施例提出的装置中，获取模块用于获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；模型建立模块用于根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；轮轨垂向力确定模块用于根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；轮轨接触角确定模块用于根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；轮轨横向力确定模块用于根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。
本发明的有益效果在于：在轨道检测车上安装加速度检测系统，利用实测的车辆加速度数据，通过多自由度辨识模型动态评估轮轨横向力，与轮轨力检测系统检测数据的对比结果表明，基于动态响应的评估方法能有效实现轮轨横向力的计算，这将在设备生产、安装、维护方面节省很大的支出，产生明显的经济效益，同时将为辅助轨道状态的评判、养护维修提供提供有力的技术支撑。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述轮轨横向力确定方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述轮轨横向力确定方法。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述轮轨横向力确定方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种轮轨横向力确定方法，其特征在于，包括：
获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；
根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；
根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；
根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；
根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角，包括：
根据动力学仿真模型确定轮轨接触半径差与轮对相对于钢轨的横向位移LDWR之间的变化关系；
根据轮轨接触半径差数据、及轮轨接触半径差与LDWR之间的变化关系，确定LDWR数据；
根据动力学仿真模型确定轮轨接触角与LDWR之间的变化关系；
根据LDWR数据、及轮轨接触角与LDWR之间的变化关系，确定轮轨接触角。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据动态响应数据确定轮对静平衡力数据及轮轨横向蠕滑力数据；
根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力之后，还包括：根据轮对静平衡力数据及轮轨横向蠕滑力数据对轮轨横向力进行修正。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据动态响应数据确定轮轨横向蠕滑力数据，包括：
根据动态响应数据确定横向蠕滑率及自旋蠕滑率；
根据横向蠕滑率及自旋蠕滑率确定轮轨横向蠕滑力数据。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型，包括：
利用编程软件根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力利用编程软件确定。
7.一种轮轨横向力确定装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取轮对与钢轨之间相互作用的动态响应数据；所述动态响应数据包括轴箱加速度数据、构架加速度数据、轮轨接触半径差数据；
模型建立模块，用于根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型；
轮轨垂向力确定模块，用于根据轴箱加速度数据、构架加速度数据及轮轨垂向力辨识模型，确定轮轨垂向力；
轮轨接触角确定模块，用于根据轮轨接触半径差数据及动力学仿真模型，确定轮轨接触角；
轮轨横向力确定模块，用于根据轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力辨识模型确定轮轨横向力。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，轮轨接触角确定模块具体用于：
根据动力学仿真模型确定轮轨接触半径差与轮对到钢轨的横向位移LDWR之间的变化关系；
根据轮轨接触半径差数据、及轮轨接触半径差与LDWR之间的变化关系，确定LDWR数据；
根据动力学仿真模型确定轮轨接触角与LDWR之间的变化关系；
根据LDWR数据、及轮轨接触角与LDWR之间的变化关系，确定轮轨接触角。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：修正模块，用于根据动态响应数据确定轮对静平衡力数据及轮轨横向蠕滑力数据；
根据轮对静平衡力数据及轮轨横向蠕滑力数据对轮轨横向力进行修正。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，修正模块具体用于：
根据动态响应数据确定横向蠕滑率及自旋蠕滑率；
根据横向蠕滑率及自旋蠕滑率确定轮轨横向蠕滑力数据。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，模型建立模块具体用于：
利用编程软件根据轮对受力情况建立轮轨垂向力辨识模型、轮轨横向力辨识模型及动力学仿真模型。
12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述轮轨垂向力、轮轨接触角及轮轨横向力利用编程软件确定。
13.一种计算机设备，包括存储器、处理器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，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6任一所述方法。
14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一所述方法。
15.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一所述方法。
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