CN1455227A - 车轮－轨头作用力测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对轮对与下铺轨道的轨头之间的作用力进行测量的系统和方法，例如是用在攻角测量中的方法和系统。在一个路旁系统中对行驶在轨道上的车辆的转向架前轮对和后轮对的攻角进行测量。在外轨的一个第一点处，用一个第一垂直应变片对垂直力进行测量，用一个第一横向应变片对横向力进行测量，并用一个第一攻角应变片对外侧攻角时标信号进行测量。在内轨上重复此过程，从而在速度和时间差的基础上动态地得到各个轮对的原始攻角值。用位置应变片测得的位置信号来去除掉相干影响，从而进一步提高精度。所检测出的位置信号用作用在轨头上的已知力进行标定。

Description

车轮—轨头作用力测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于高精度测力系统及方法的范畴，其中的作用力是指在具有一定缓弯的下铺轨道、从而存在攻角时在铁路轮对与轨道轨头之间的作用力。

背景技术

目前对铁路车辆轮对与下铺轨道之间的相互关系已经有了很充分的研究。攻角(AOA)一般被定义为在车轮与铁轨之间的偏角。对于评定铁路车辆的性能而言，AOA是一个关键因素。例如，在通过曲线时，较大的AOA就预示着会出现车轮爬轨的可能性，从而产生很大的扩轨距力。在图1中，轮对100的两个车轮40、50被连接到车轴30上，并在M方向上在外轨10和内轨20上滚动。前导车轮50在外轨10上，而后轮40则在内轨20上。其中的一种攻角测量方法为车轮50所在平面60与车轮50所接合的外轨10切线70之间的夹角(AOA₁)。如图所示，攻角还可以按照直线80与车轴中心线90的夹角(AOA₂)来测量，其中的直线80是与切线70垂直的法线。

当AOA为零度时，轮对的转动速度110与该轮对所连接的车辆的平动速度120大小相等、方向也相同。这就使得车轮发生纯转动，该纯转动能转变为车轮所连接车辆的纯前进速度。而在AOA很大的另一种极端情况下，如图1所示，则铁路车辆的平动速度120是转动速度110和横向速度130的合速度。在此情形中，横向力F_L是很大的，这就可能造成损坏、导致高维修成本，甚至可能导致脱轨，其中的横向力F_L如图2所示是车轮50横向速度130的函数。图2还表示出了车轮50作用在外轨10上的垂直力F_V。

在图3中，用曲线300总体地表示了AOA、F_L以及F_V之间的一般关系。该曲线300是公知的，例如可在如下的参考文件中找到该曲线：由美国机械工程师协会出版的《滚动接触(Rolling Contact)的一般问题AMD-40》中第77-92页的、由Kalker撰写的“轮轨滚动接触理论综述(Review of Wheel-Rail RollingContact Theories)”一文中。在该图线中，AOA为水平轴，且F_L对F_V的比值为纵坐标。当F_L为零且AOA为零时，轮对的转动速度直接转变为车辆的前进速度。这样的情况表示在图3中的310点。在330区间，发生了横向蠕滑，且横向力F_L随着AOA数值的增大而增大。横向蠕滑可被定义为平动速度120和横向速度130相减差值与平动速度100的百分比。在区间320中，车轮与钢轨表面之间的摩擦作用使得轮对出现严重的滑动。也就是说，F_L对F_L的比值达到了饱和值u₁，在曲线300中，该饱和值即为摩擦系数350。例如，曲线340对应于对钢轨进行润滑的情况，其具有较低的摩擦系数。

在图1中，轨道10、20具有一定的曲率，且AOA随曲率成比例地增大。对于北美铁路的三大件式转向架，一种确定AOA的经验方法是：轨道一度的曲率对应于AOA值的1毫弧度。例如，在曲率为6度的弯道曲线上，转向架前轴的AOA为6毫弧度。对于缓弯(也就是说曲率半径大于1公里的、曲率为两度或更小的弯道)的情况，由于AOA很小，所以横向力也较小。测量缓弯中AOA的困难在于出现了相干影响。相干影响是由作用在轨头上的垂直载荷和轨头的形状引起的。对于曲率为四度或更大的弯道，随着相干影响变为最小，对横向力的测量能达到很高的精度(基于AAR130型钢轨和普通的横伏式三大件转向架)。

用于测量AOA的系统是已有的。美国专利5,368,260中就公开了一种路旁测距器，该测距器采用一束射向车轮的激光束，从而可测量图1中所示的、车轮平面60与轨道10切线70之间的夹角AOA₁。为了能完成此测量，需要在轨道上放置车轮检测器，其可检测到车轮的通过，从而启动和停止测距器的工作。另外，还能测量平均速度。当每个车轮经过该路旁测距器时，该测距器能产生一个完整的轮廓图像。从该图像就可以计算出AOA。加拿大魁北克省H3Z 1L5地区韦斯特蒙市4390 De Maisonneuve地方的路旁检测设备公司生产的这样一种系统采用了一个在轨道旁精确定位的激光器，并基于反射回来的激光而仔细地确定出AOA。这些系统声称能将攻角测量值精确到1毫弧度(也就是3.44分的角度)。但是，这样的系统是非常昂贵的，且需要不断地进行保养和检查，同时还易于被损坏。

另一种现有技术方案采用了一对垂直应变片，来对经过应变片所在位置处钢轨的轮对进行测量。在1992年8月期的《技术摘要》(书号TD 92-010)中，Otter和Martin提出了一种用于测量攻角和横向轨头位移的耐用的传感器。在AOA测量系统中采用应变片就使得系统价格降低，并易于维护，且相比于激光型系统不容易被损坏。但这样的应变片系统在测量AOA方面精度没有激光系统高，通常的精度在3-4毫弧度之间。

除了上面讨论的这两种系统之外，还可利用车载型系统对在轨道上行驶的轨道车辆的具体某一轮对的AOA进行测量。在1995年2月期的《技术摘要》(书号TD 95-004)中，Mace等人提出了一种车载型攻角测量系统。这种系统被安装在各个轮对上，因而并不适于用在轨道旁测量列车所有轮对的AOA。

现有的光学激光式和应变片式路旁测量系统及方法是针对攻角的静态测量的，该测量没有考虑随着轮对的经过而产生钢轨失准、或当路旁测量系统出现位置失准时的动态情况，这些动态情况是由于土壤、轨道或枕木换辙器(tieshifting)受湿度、温度、列车横向力的影响而产生的。

需要能有这样一种测量AOA的系统和方法，其便宜、耐用、不易损坏、并易于维护，且AOA的测量精度能达到在±50毫弧度的范围内误差在1到3毫弧度之间。另外，还需要这样的系统和方法具有动态测量的能力，从而可补偿位置失准产生的误差。

另一个需求是去除AOA测量系统在缓弯测量时的相干影响，以提高测量的精度。尽管上述的要求是针对AOA测量系统，但可以理解：对于任何其它用来测量铁路轮对与下铺轨道轨头之间作用力的系统和方法来讲，都存在去除相干影响的需求。

发明内容

1.解决问题的方案

本发明利用其独特的系统和方法解决了上述的需求，本发明是通过用一种便宜、耐用、不易损坏且易于维护的系统来对AOA进行测量而实现的。本发明还去除了当系统和方法在缓弯轨道上进行测量时的的相干影响，其中的测量是对铁路轮对与下铺轨道的轨头之间的作用力进行测量，例如为AOA测量。相干影响去除使得该加力测量具有很高的精度。

2.发明概述

本发明提出了一种测量轨行车辆转向架上前轮对和后轮对AOA的系统和方法。其中的方法通过如下步骤：对攻角时间抽样数据求导、定出导数中的峰值、根据所定出峰值而确定出攻角值，从而得到攻角的精确测量值，该方法能精确地定出铁路轮对经过攻角传感器上方的时间。

本发明的另一方面提供了一种系统和方法，其用于确定所有轮对的原始攻角，并只选出那些横向力与垂直力的比值在预定范围内的轨行转向架的原始攻角，在该范围内的数值表明转向架的转向行为良好，在所选出的原始攻角的基础上计算出动态角偏差值，然后将所有的原始攻角减去该动态角偏差值，从而得到各个轮对的动态攻角。

更具体来讲，本发明的系统和方法具有如下的特征。在轨道外轨上的一个第一点处，用一个第一垂直应变片测量出垂向力，用一个第一横向应变片测量出横向力，且用一个第一AOA应变片测得一个外侧攻角时标信号。在内侧轨上重复此过程，从而在速度的基础上得到每个轮对的原始攻角值。外车轮的横向力与垂直力比值被用来选择那些使转向架具有良好行驶状态的原始攻角值，并对这些攻角值取平均值而获得一个与任何位置失准相关的平均角偏差。为得到各个轮对的动态攻角值，使每个原始攻角值减去该平均角偏差，这样就可以得到各个轮对的动态攻角。

本发明还提出了一种系统和方法，其用于去除某些系统和方法在测量缓弯轨道时的相干影响，其中的系统和方法用于测量铁路轮对与下铺轨道的轨头之间的作用力，这样的系统和方法例如(但并不限于)是在AOA测量中用到的。

附图说明

图1表示了在现有技术中轮对与轨道之间的攻角；

图2表示了在现有技术中车轮和钢轨在横向力和垂直力方面的相互关系；

图3也属于现有技术，表示了横向力与攻角之间的关系；

图4中的框图表示了根据本发明的系统；

图5表示了攻角应变片在外轨和内轨上的布置；

图6表示了攻角应变片在轨道上的布置方案；

图7表示了在现有技术中垂直应变片在轨道上的布置；

图8表示了在现有技术中横向应变片在轨道上的布置；

图9表示了在本发明方法流程图中的各个系统功能模块；

图10图解表示了用于确定速度的原理；

图11(a)表示了对垂直力的测量；

图11(b)表示了在图11(a)中测量垂直力的同时对横向力进行的测量；

图12(a)表示了对多个车轮的垂直力测量结果；

图12(b)表示了与图12(a)中的车轮测量相对应的横向力测量结果；

图13(a)表示了对攻角的测量结果；

图13(b)表示的是对图13(a)中的测量值求导后的结果；

图14(a)表示了确定一个两轴转向架的攻角时的情形；

图14(b)表示了在相对两轨上的AOA测量仪之间可能出现的失准现象；

图15表示了位置应变片在轨道上的布置；

图16表示了本发明中用于求出信号的数学矩阵关系；

图17表示了图16矩阵关系式的逆阵；

图18中的图线表示了用本发明的位置传感器测得的垂直载荷对轨头的作用效果。

具体实施方式

在图4中，表示了根据本发明一实施例的系统总体框图。布置在图1中轨道10和20所在的位置400处的是一个路旁单元410。布置在远离路旁单元位置420处的是一个远程系统430。路旁单元410通过任何数目的常规通讯路径与远程系统保持通讯。该通讯路径440例如可以是无线电线路、蜂窝通讯线路或卫星上行线路等无线路径，但这一点不对本发明的范围产生限定作用，通讯路径440也可以是硬件通讯链路。路旁单元410被设计成耐用、防水且抗破坏的。其还被设计成可在很大的温度和湿度变动范围内工作，并能工作在强振动、强电噪声的环境中。远程系统430可被布置在任何合适的位置处，并包括任何合适的计算机结构，该计算机结构是另一个路旁单元。

路旁单元410包括一个计算机412，其可接收从模/数(A/D)转换器414a、414b、414c、414d、414e、414f、414g以及414h输送来的信号。这些A/D转换器414从安装在外轨10或内轨20上的如下一些应变片接收信号：F_LO(“外侧”横向应变片)、F_LI(“内侧”横向应变片)、F_VO(“外侧”垂直应变片)、F_VI(“内侧”垂直应变片)、AOA_O(“外侧”攻角应变片)、AOA_I(“内侧”攻角应变片)、POSo(外侧位置应变片)以及POSi(内侧位置应变片)。这些数字数值被计算机412处理后储存在一个本地数据库416中。该数据库416能永久或临时地储存这些数值。为进行储存，计算机412可对这些从转换器414输入的数值进行预处理，或者也可以对这些数值执行完全的处理。

在远程系统430中，有一计算机432通过通讯路径440与路旁单元410中的计算机412保持通讯。可采用多种不同的通讯协议来完成此通讯。该通讯通路440根据一个呼叫协议等的协定进行工作，其可以是定期接通的，也可以是不定期接通的。计算机432访问数据库434，并可选地与一普通的监视器436、一普通的键盘(或者是鼠标和触摸屏)438、或者一常规的打印机439相互连。容易理解：这些外围设备436、438、439可组成用于使用户向计算机432输入指令、数据等信息、以及从计算机输出信息的任何合适的外围装置。事实上，该计算机432也可以反过来通过另外的通讯路径(例如为互联网)与一个或多个远程系统(图中未示出)进行通讯。图4中所示的路旁单元410和远程系统430只是可被用来实现本发明设计的多种实施形式中的一种。

下文将介绍应变传感器是如何布置到常规轨道上的详细内容。在图5中，外轨10和内轨20上安装了AOA_O和AOA_I两个应变片。这些应变片是沿直线80布置的，该直线与外轨10的切线70垂直，外轨与内轨20的距离为D_R。

在图6中表示出了外轨10，在该钢轨轨头14和轨底18之间的轨腰12的相对两侧面上安装了AOA_o应变片600和610。应变片600和610被设置成直线80从它们的中心垂直穿过(如图1和图5所示)。这些应变片最好是焊接到钢轨上的、对环境条件有耐受力的剪切型应变片。直线620是钢轨10的中间轴，直线630与直线80和620垂直。这样，如图6所示，这对AOA_O应变片600和610就精确地位于三条直线80、620、630的交点上。该交点被标记为点640。应变片600和610是用微焊/粘接的方法固定到钢轨10上的，并用防水保护罩进行保护。AOA应变片被连接到电路中，以输出一个AOA_O信号，该信号被输送到A/D电路414e中。图中未表示出那对布置在内轨20上的AOA_I应变片，这两个应变片也以图6所示的方式在直线80上定位，并产生一个输送到A/D电路414f中的AOA_I信号。应变片AOA_O和AOA_I可以是任何合适的传感器，只要它们能测量车轮经过点640时的垂直剪切力即可。

在图7中，表示出了现有技术中为测量外轨10的F_VO力所设置的垂直应变片。该垂直应变片包括四个分开的应变片700、710、720和730。应变片700和710以相对的位置关系安装在轨腰12的两相对侧面上，应变片720和730也是这样布置的。应变片700和710、以及应变片720和730都是以中轴线620为中心对称布置的。在一种优选实施例中，两对应变片距离直线650的距离740是相同的，直线650是框格(crib)的中心线(也就是位于两相邻枕木之间的直线)，其中的距离例如是在约3.5英寸到8.5英寸之间，且框格的标称值约为五英寸。应变片对还被布置成距离钢轨垫板(图中未示出)的距离750有一最小值，例如距离垫板(图中未示出)至少为两英寸。由于在枕木之间的钢轨会发生弯曲，所以这样进行布置是很重要的。这些应变片与电路相连接，以向A/D电路414c发送一个F_VO信号。内轨20的垂直应变片(图中未示出)以相同的方式围绕直线80在内轨上定位、布置，并被连接到电路中而向A/D电路414d发送信号F_VI。

在图8中，表示了安装在外轨10上、用于测量F_LO的横向应变片。一对应变片800、810被安装在轨底16的相对两侧，且应变片对820和830也这样进行安装。每对应变片都被布置在距离框格中心线650预定的距离处，其中的距离对应于上述针对垂直应变片对的布置进行介绍时的距离740。它们也被布置在对应于上述距离值750的预定位置上。这些应变片被连接到电路中，从而可产生一个F_LO信号，此信号被输送到A/D电路414a中。内轨20上的垂直应变片(图中未示出)也以相同的方式围绕直线80定位、布置，且也被连接到电路中，以产生一个输入到A/D电路414b中的信号F_LI。

在图15中表示了安装在外轨10上用于测量POSo的位置应变片。一对应变片1500和1510被安装到轨腰12的相对两侧面上，且应变片1520和1530也这样进行安装。每对应变片都位于离中心线630为预定距离1540的位置处，其中的距离例如为五英寸(可以是任何尺寸，但最好能大于三英寸)。如图4所示，这些应变片是用来测量POSo的传感器，它们连接到A/D电路414g上。用在内轨上的位置应变片POSi(图中未示出)是以与上述方式相同的方式定位、布置在内轨20上，并向A/D电路414h发送信号。

参见图6、7、8以及图15，无论是在外轨上还是在内轨上，用于测量F_V、F_L、AOA和POS的各个应变片传感器都是以直线80上的点640为中心布置的。根据本发明，这些传感器被精确地安装到外轨10和内轨20上。

各个应变片的信号从钢轨10、20处输送到路旁单元410的途径可以有很多种，且该传输是如何实现的也不是本发明的主题所在。在当前的优选例中，A/D电路被布置在路旁单元410中的一块电路板上。在其它变型形式中，A/D电路414可位于轨道上的任何其它位置处。

本发明的方案需要确定出速度S。在图5以及其它的常规方法中，在轨腰12上安装了两个应变片S₁和S₂，用于检测车轮何时从它们上面滚过。由于两应变片S₁和S₂之间的距离D_S是已知的，所以用很普通的方法就可以得到速度S。在本发明的技术方案中，也可以采用其它许多种用于测量速度的常规技术。下文中将结合图10对本发明中采用应变片测量速度的优选实施例进行讨论。

总之，图5-8表示了本发明优选实施例中的各个应变片在轨道上的安装布置。容易理解：在本发明的教导下，可以采用任何其它适于用在铁路场合中的普通应变片传感器。另外，在本发明的技术方案中，应变片传感器和它们对应的A/D转换器之间也可以采用任何合适的电路连接形式。

下文针对本发明中的一个优选实施例介绍本发明的工作方法。如所要阐述的那样，本发明的工作方法包括一种独特的措施来更为精确地确定出车轮是在何时滚到点640处的那个AOA应变片的正上方的，并提供了一种独特的过程，来确定出由于应变片位置失准而产生的任何偏差值，这样就可以得到一个动态的攻角值。

在图9中，表示了一种优选实施例中用于确定攻角值的方法。在900步骤，计算机一最好是计算机432从数据库434中得到F_VO、F_VI、F_LO、F_LI、AOA_O、AOA_I、POSo和POSi。容易理解：这些数值是通过常规过程先前从计算机输入到数据库434中的。这些数值对应于应变片416a、416b、416c、416d、416e、416f、416g和416h的输出量。它们是从A/D转换器414输出的时间采样数据。所有这些应变片416都利用大小已知的力作了回零标定。

在本发明的一种优选应用形式中，沿轮轨1000按照已知的间距设置了几个路旁单元410a、410b和410c。这样的设计可参见图10，各个路旁单元(WU)通过通讯路径440与远程系统430保持通讯。容易理解：可以用合适的理想间距设置任何数目的路旁单元(WU)，本发明的技术方案也并不仅限于图10所示的情形。

可在所设置的应变片F_L、F_V和AOA的基础上计算出列车的速度S，其中，此过程或者是利用各单个应变片，或者是将这些应变片组合起来进行分析。如图10所示，在该优选实施例中，垂直应变片F_V被用来求得速度S。这样的测量方法就代替了先前在对图5所示实施例进行讨论时、用单个应变片416e进行测量的方法。同样，可以理解，速度S可用任何合适的常规方法来测得，这些方法包括此处具体讨论的两种方法。

采用了几个由应变片组成的“框格”1020，它们以已知的间距布置着。一个“框格”至少包括在外轨10和内轨20上都布置着的两组垂直力应变片F_V和横向力应变片F_L。由该“框格”的长度、以及每个车轮经过这些垂直应变片所用的时间就可以算出速度S。每个垂直应变片被设置成可检测到出现最大垂直力的时刻。从该时间值就可以得到车轮通过这两个垂直应变片所用的时间差。路旁系统410可具有几个由应变片直接相连组成的“框格”1020。其中至少有一个“框格”具有一对AOA应变片。

在另一种变型中，以很大的间距分开设置了三个路旁系统410。每个路旁系统都具有至少两个或多个“框格”。且所有的路旁系统都将数据发送向其中的一个路旁系统，该系统作为一个主数据整理系统。

在另一个实施例中，图10中的路旁单元可通过通讯路径1010(图中以虚线表示)与其它路旁单元进行通讯。在该实施形式中，WU₁和WU₃没有通过通讯路径440a和440c连接向远程系统430。在本发明教导下，可以有很多种可能的变型形式。对于其中的一种变型形式，WU₂作为一个远程系统而与WU₁和WU₃直接进行通讯，这样就取消了远程系统430。另外，一个路旁系统中也可以包括多个路旁单元。

在图9的910步骤中，对F_V数值进行处理来确定出垂直力的峰值。当车轮经过垂直应变桥时就会产生一个单峰值，如图7所示，其中的应变桥是由应变片700、710、720和730组成的。在图11(a)中表示了F_V数据的示例图线。图11(a)中表示的当车轮经过图7所示垂直应变片时的情况。图中横轴为合适的时间单位，此单位例如为采样数，竖轴的单位为千磅(KIPS)。在图11、12和13中，数据的采样率为每秒500次。图11(a)中的曲线代表在本发明中所产生的FV数据的形式。在图12(a)中，曲线1100也表示的是F_V，但却是由其它车轮压过时测得的。因而，在图12(a)中，两辆相邻的轨道车辆之间就用一个区域1210隔开，轨道车辆1220具有两个转向架1222和1224。在步骤910中，本发明的处理过程确定出在时间点1140时产生的一个F_VO峰值1130(即外轨10的峰值)。该峰值大致上对应于车轮压过图7所示垂直应变片700、710、720和730的中间点640时的时间。

这样，在步骤910中，确定出了图11(a)中表示为1130点的F_VO峰值，再由该峰值1130定出时间点1140。在得到该时间1140的情况下，确定出对应的横向力F_LO值(即外轨10的横向力)。在图11(b)中，表示了横向力F_LO的曲线1200，横向力是从图8中的横向应变片800、810、820和830得到的。在时间1140时，横向力F_LO的值为1210。该横向力值对应于垂直力达到峰值点1130时的同一时刻1140。以这样的方式，就可确定出外轨10、内轨20上的F_L和F_V，并为每一车轮、每一钢轨计算出横向力与垂直力的比值(即F_L除以F_V)。

在步骤920中，确定出每个轮对的速度S。如上文提到的那样，图10所示的该优选实施例中，沿轮轨1000以已知的间距设置了路旁单元410的各个垂直应变片F_V1-F_V12。利用此信息，就可以计算出各个轮对的速度S。在步骤920中确定出速度对求出AOA是很重要的。该速度信息还被用在其它的工作中，例如用于计算轴距或车厢的类型等等。由于在经过各个路旁工作单元410的各对应变片时速度可能是不同的，所以要计算出每一轮对的速度S。这样，就确定出了每一轮对的速度S。

在步骤930中，对车厢的类型进行识别。在此步骤中，计算机访问一个车厢类型查询数据库940，该数据库中储存着所有相关车型的轴距、空车重量和重车重量。在各个轮对速度的基础上，根据垂直应变片的峰值之间的精确时间就可以确定出转向架中轮对之间的间距(见图12(a)，图中用箭头1250代表此间距)。基于此精确的间距值，就可以从车型数据库940中查出车辆的车型。轮对间距等车型数据通常是可得到的，或者是按照本发明的教导车型数据是由各个车型的实际读取数据汇编而成的。对后者的情况，由于车型是基于实际测量的基础上得到的，所以后者的方法是优选的。

在步骤950中，本发明的计算机按照如下的过程找出AOA峰值。在图13(a)中，表示了一种示例的AOA应变片(见图6)输出随时间的变化关系。在步骤950中，按照本发明的方法对曲线1300进行了求导运算。这样就形成了图13(b)所示的曲线1310和一个峰值1320。按照所示的采样率时标，得到了图13(a)中的一个时间点1302。本发明利用从AOA应变片得到的、且表示在图13(a)中的数据的导数而得到图13(b)中的对应各点1312。这些数据点1312并不能指明峰值1320的位置点1340，所以在各个峰值1320周围都用一个时间窗口1330来找出导数最大值所在的时间点T_P。该导数点1340对应于信号1310具有最大陡度1350的位置，该点反过来对应于当车轮刚好滚过点640处的AOA应变片正上方的时刻。

参见图13(b)，可以注意到点1340位于两个数据点1312(e)和1312(f)之间。在步骤950中，本发明的方法采用了常规的多项式拟合对窗口1330中峰值1320周围的数据进行处理，而求出位于时间T_P时的该数值1340。容易理解：也可以用其它的数学对各个数据点1312进行处理而找出该峰值点1340。另外，不难理解：采样率越高，曲线1300的精度越高。对在每一条钢轨上的每一个车轮，以及每一个AOA应变片的每一个峰值1340都执行这种确定数值1340的过程。

在步骤950中，本发明的方法将图13(a)中的曲线转变为其导数曲线1310，并用多项式拟合的算法来估算出曲线1300的最大陡度1350。由于信号是采样测量的，而不是连续的，所以必须要采用估算的方法。总而言之，本发明的方法可测出外轨10和内轨20上的轮对40、50的攻角值。这是通过测得(通过传感器AOL_O和AOL_I)轮对中每个车轮的攻角时间采样数据900而实现的。然后，对各个车轮的时间采样数据作求导运算(见图13(b))。定出峰值点1320，并选定位于一预定窗口1330中的时间采样数据1312，这样就可以利用多项式拟合等的方法计算出真实的峰值点1340。这就确定出了时间点T_P950，从而可如下文讨论的那样确定出AOA原始值。

在960步骤中，确定出两相对钢轨10、20上的每对AOA应变片的攻角原始值。再返回来参见图1。该原始攻角被定为直线80和90之间的夹角。在图1中，车轮50(当列车在M方向前进时为前导车轮)将首先压过外轨10上安装的AOA应变片。当此情形发生时，系统确定出精确的时间T_PO(车轮50滚过外轨10上的AOA应变片所在点640的时间)。然后本发明的系统检测并确定出时间T_PI(车轮40滚过内轨20上的应变片所在点640的时间)。从这两个时间之间的时间差、内轨10与外轨20的距离D_R(见图5)以及轮对的速度S就可以计算出原始攻角，该计算是通过常规的小角近似方法(即当小角度时，θ角的正切值等于θ角的弧度值)进行的。对每一轮对(即每一车轴)都确定出该AOA原始值。

在步骤990中，通过从步骤900得出的每个数值中去除掉相干影响值而得到高精度的F_V、F_L和POS值。图16表示了由各个应变片测得的信号与钢轨上的力、位置的实际值之间的关系。在一个理想的系统中，a_VV＝a_LL＝a_PP＝1，且其它的项都为0。对于这样的系统，信号值就直接等于它们对应的作用力和位置。但在实际的系统中，a_VV＝a_LL＝a_PP＝1，但其它的项不为零。对于这样的系统，信号值是F_V、F_L和POS按一定百分比组成的合值。

如果相干项始终为常数，也就是说不会随F_V、F_L或POS的大小而变化，则就可以利用图16中的矩阵、并如图17中所示的F_V、F_L和POS值求解式那些将各个信号解成高精度的数值。在图16中，“信号”是指从应变片得到电压值，其中：

F_V、F_L、POS代表力和位置的实际值；以及

a_ij等于F_V、F_I、POS之间的相干项(例如，a_VP，a_LP等)。

如果各相干影响项不是线性的，则上述的方法就是不完备的了，在这样的情况下，就要采用诸如普通的迭代方法等更为复杂的算法。

相干影响项—无论是如图16中那样为矩阵中的常数项、还是其它更为复杂的关系式，都必须要在图8所示的情形中通过对每一对信号(416a到416h)进行标定试验来确定。该标定过程是通过在轨头上的各个位置点处施加垂直载荷和横向载荷来进行的。系统对这些载荷的响应图线就展现出了相干影响关系。

图18是一个示意图，表示了某条钢轨上的一对应变片输出的POS信号。其中的应变片例如为图15所示外轨上的POSo。在图18中，在轨头表面上施加了两个不同的垂直载荷。作为第一载荷的重量A要大于一个重量B的第二载荷。当重量A或B被精确地作用在轨头的中线上时(即“在钢轨上的位置”为零)，“位置信号”等于零。随着载荷移向轨头的任一侧，如图所示那样，“位置信号”增加，且“位置信号”与轨头由于受负载重压而发生弯折的程度成比例。如从图18中可看出，较重的载荷A产生的“位置信号”的值较大。例如，在位置点1800处，重量B的位置信号值为1810，而重量A的位置值为1820。轨头1860表面1860的形状也对“位置信号”的值有影响，且在标定过程中，要对针对该形状进行校正。例如，利用一个液压泵在表面1860上的多个(例如为四个)点处施加垂直载荷，该载荷从0连续增大到25,000磅，同时测量输出的POS信号。在作用有一系列固定大小的垂直力条件下，在轨头上的多个点处施加用于执行标定的横向力。

图9中的步骤990被用来提高测得信号的精度，以支持步骤970和980的工作，该步骤取决于对F_L＝F_V的精确估算。对于缓弯(半径大于1,000米)或很轻的车辆，步骤990是非常重要的，其中对于轻车辆，是由于F_V在数值上很小而需要步骤990的。步骤990可用在任何测量铁路轮对与下铺轮轨的轨头之间横向力、垂直力和/或AOA力的系统和方法中。步骤990将相干影响从各个垂直力、横向力和/或AOA传感器的原始检测数据中去除掉。本发明并不仅限于去除AOA测量系统在测量缓弯时的相干影响—不论它们是静态AOA系统还是本文中讨论的动态AOA系统。

在970步骤中确定出动态的角度失准。在实际的铁路环境中，钢轨10和20可能会响应于土壤的松动、热膨胀、缺陷车轮、牵引力、以及钢轨自身的实际物理位移等因素而移动，其中钢轨的物理移动是由于钢轨受车辆及其所装载载荷(也可能是空车，对于一列车厢，各个车厢中的装载情况是不同的)的作用而产生的。这样，参见图5可看出，应变片AOA_O和AOA_I可能并不是沿直线80精确对齐的。而是如下文将要讨论的那样，随车轴与车轴的不同而有很大的动态变化。

在图14(b)中，表示了实际情况中应变片AOA_O和AOA_I的位置，它们的位置可能并不沿直线80精确地对齐，事实上，它们可能是沿两条平行的直线80a和80b排列着，从而形成一个角偏差AO或失准误差。此现象的原因是多样的：例如是由于列车通过而出现的纵向移动、轨道下方的地面松移、温度变化、牵引力作用、钢轨10和20变形、由车轮滚过轨道1400产生振动造成的动态位移等。当变形且装载着很大载荷的转向架1400通过时会产生很大的机械振动，所以上述原因中的最后者肯定会造成应变仪移动。上述基于预定范围提出的准则的目的在于根据在预定范围内的各个轮对(例如为图14(a)中的轮对1410和1420)得到一个AO平均值。数据被加到一起，并取平均数而得到一个数值，该数值近似于由于角偏差AO而产生的任何失准，其中的角偏差或者是永久性的—例如是结构的变形，或者是动态的—例如是应变仪在纵向上位移。将该AO平均值应用于所经过列车上的每个轮对求，就可确定出各个轮对的动态AOA。经过的列车可具有任何数目个车厢，例如具有八十五个车厢。对于下一列列车，将为该列车确定一个新的AO平均值。

步骤960中获得的原始AOA包含此由于应变片失准(或动态角偏差)的影响成分。在步骤970中，方法对列车中的所有“转向架”(也就是说，一个被定义为具有两个车轴、四个车轮以及其它相关部件的转向架)进行检查，以识别出那些转向架的行为是良好的。当其AOA工作点在靠近图3中点310位置时，转向架的行为是正确的。对于这些转向良好的转向架的后轴，取它们原始AOA的平均值。该平均值就近似等于动态角偏差，该偏差是由于AOA应变片(即图5中的AOA_I和AOA_O)的动态角失准而产生的。然后，所有轴的原始AOA值都减去该平均值，由此来消除该角偏差的影响。尽管上述的过程是优选的，但其它的实施方式也能接近于图线300中的点310、或者是为列车的不同段提供不同的平均值。

在本优选实施例的教导下，有两种可能的方式能找到那些具有良好转向的转向架。当转向不良的转向架通过曲线时，由于曲线轨道的外侧轨受到的横向力很大，所以要采用外轨10上前轮(即图14(a)中转向架1400的车轮1422)的F_L∶F_V值。在该优选实施例中，采用了如下两条选择准则：

1.当前轴1423在外轨10上的车轮1422的F_L∶F_V小于0.1，就将该转向架选择为转向良好的，或者

2.当前轴1423在外轨10上的车轮1422的F_L∶F_V大于0.1，但小于0.17，且后轮的F_L∶F_V与前轮的F_L∶F_V的比值小于0.5，就将该转向架选择为转向良好的。

将所有符合上述预定条件的转向架的后轴1413的原始AOA值加起来，且从该总和计算出平均值，该平均值对应于由于失准而引起的动态角偏差。在步骤970中，该平均值是通过用选出后轴1413的数目去除总和值来得到的。

用上述两条准则来选出转向架的理论基础如下所述：

1.如果转向架的转向是适当的，则其前轴1423和后轴1413 F_L∶F_V都应当是很小的值，且前轴1423的F_L∶F_V要大于后轴1413的F_L∶F_V值。如果前轴1423低于某个选择阈值时，则其后轴1413就将是转向良好的，且在实际上垂直于外轨10和内轨20。F_L∶F_V等于0.1的阈值条件就满足这一原则。

2.如果前轴1423的F_L∶F_V高于上述步骤中的阈值0.1，但低于一个稍高的阈值(例如为0.17)，如果后轴1413的F_L∶F_V小于前轴F_L∶F_V的一半，且转向架仍然能被选择。

不难理解：上述的两方面内容代表了一种优选实施方式，且在某些实施例中，可单独选择采用第一个选择范围或第二个选择范围。另外，在实际工作中，还可根据列车/轨道的设计而改变上述的范围值0.1、0.17和比值0.5，已经发现，对于其它国家的铁路尤其需要这样。

范围值0.1、0.17和比值0.5都受系统所分析的F_L和F_V实际值的影响。如果F_L和/或F_V是很小的值，则由于在它们之间存在相干影响，它们可能在同一个大小的数量级上。因而，步骤990能选择出可用来确定动态角偏差的合适的车轴。步骤970动态地确定出由于图5所示的应变片AOA_O和AOA_I的位置失准而引起的平均角偏差。尽管在此处采用的是平均值算法，但也可以用其它的数学方法来估算该角偏差值。

在步骤980中，本发明的方法用该步骤中确定出的、由动态失准引起的平均角偏差来确定各个车轴的实际动态AOA值。现在，只要使步骤950中得到的各个原始AOA值减去该平均角偏差值就能得到各个车轴的动态AOA值。

可以理解：尽管图9中展示出了本发明的一种优选实施例，但该图中提出的各个步骤之间的实际次序是可以改变的，且这些步骤可以是在不同的循环进程中完成的—例如是在两个循环进程中完成。

图14(a)中表示了一轨道车辆的转向架1400，其具有一个前轴轮对1420和一个后轴轮对1410。轮对1410具有一个外侧车轮1412和一个内侧车轮1414。轮对1420具有一个外侧车轮1422和一个内侧车轮1424。在图14(a)中，在M方向上前进的转向架1400上的后轮对1410形成了一个攻角AOA，该攻角是由上述讨论的应变片AOL_O和AOA_I确定出的。转向架1400上的前轮对1420在较早时形成一个攻角AOA，该攻角由应变片AOA_O和AOA_I测得。

可从时间的观点来以另一种方式对本发明的方法进行表述；

                T_RAW＝T_AOA+T_AO                公式1

式中：T_RAW为在图14(a)的情形中，外侧车轮滚过AOA_O的时间与同轴的内侧车轮滚过AOA_I的时间之间的时间差。

T_AO是AOA_O和AOA_I由于如图14(b)中所示那样位置失准而造成的时间差。

T_AOA为由攻角引起的时间差。

             T_AOA＝T_RAW-T_AO                公式2

如公式2所示，根据本发明的方法，由于位置失准而造成的时间差可被估算出来，并从原始时间中减去该时间差。余下的时间差就是由攻角引起的。由于随着速度的增大，由攻角而造成的滞后时间越小，所以该滞后也是速度的函数。如果速度和时间的数据已经被转换成了角度值，则公式1和公式2也可以表达成角度的形式。

容易理解：也可以用统计学方法等其它方案来得到一个中间值，在本发明的公开范围内，可采用任何数学方法来对由AOA_O和AOA_I位置失准造成的角偏差进行估算。

一旦估算确定出了图13(b)中的峰值点1320(即对应于图13(a)中的最大陡度点1350)、从而定出数据点T_P之后，就可以估算出AO效应和速度S。预定范围(即选出准则)假定这些车轴属于小攻角、小横向力的转向良好情况。这也就隐含着反向的逆假设(即小横向力就具有小攻角)，但该逆假设并不是必然成立，这是因为甚至在大攻角的情况中，小重量或低摩擦也会减小横向力。但是，本发明的方法是选择那些小横向力的车轮，并从滞后时间角度估算出一个零攻角，由此来得到一个由轨道上的AOA_O和AOA_I位置失准而产生的平均AO值，其中的位置失准或者是静态的、或者是动态的，也可以是二者兼之的。然后，将该平均AO值用于整个列车的测量中。

总而言之，本发明公开了用于测量轨行车辆转向架上前轮对和后轮对动态攻角的方法。在其中的优选实施例中，在步骤960中确定出所有轮对的原始攻角。然后，步骤990中利用POS去除相干影响而使FV和FL的估计值精确化，从而进一步提高精度。然后，在步骤970中，选择那些横向力与垂直力比值在设定范围(或数值)内的转向架的原始攻角。选择出的这些转向架在轨道上具有良好的转向行为。然后，在所选择出的原始攻角的基础上计算出动态角偏差。之后，步骤980使所有轮对的原始攻角值减去该角偏差，从而得到各个轮对的动态攻角。

不难理解：尽管上述的讨论是针对具有四根车轴的铁路车辆。但本发明的教导也适用于六轴的机车以及其它类型的轨行车辆。

上述中去除相干影响的方法可用在任何用于测量垂直和/或横向力的系统和方法中，其中的横向和/或垂直力是在铁路轮对和下铺轨道的轨头之间产生的。总之，本发明提出了对铁路车辆的轮对与下铺轨道的轨头之间的作用力进行测量的方法。本发明在下铺轨道的一个已知位置点处获得轨道车辆各轮对中至少一个车轮的力数据。在下铺轨道上的得到力数据的该位置点处，还同时检测位置数据。检测到的位置数据用此位置点处的轨头表面的形状以及轨道车辆的重量进行标定，这样就能去除掉所测得力数据中的相干影响，去除掉相干影响的该力值是高精度的。

上文中公开了本发明的多个实施例。但本领域技术人员可以理解：在本发明的教导和范围内，还可以有多种其它适当的设置形式或实施形式—尽管这些形式在本文中没有具体阐述，其中，本发明的范围应当仅由所附的权利要求进行限定。

Claims (30)

1.一种用于测量轨行轮对的攻角的方法，所说方法包括步骤：

测得轮对上每个车轮攻角的时间采样数据；

对每个车轮的时间采样数据进行求导运算；

定出各个时间采样数据导数中的峰值；

在所定位出的峰值的基础上，确定出一个攻角值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中测得攻角时间采样数据的步骤中还包括步骤：

在轨道的外轨上的一个第一点处，以设定的时间采样率检测外侧的攻角作用力；

在轨道的内轨上的一个第二点处，以所说的设定时间采样率检测内侧的攻角作用力，其中的内侧点和外侧点位于一条垂直于外轨切线的直线上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中定出各个峰值所在时间点的步骤包括：选择在各个峰值周围的一个预定窗口内的时间采样数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：用多项式拟合的方法对各个预定窗口内的时间采样数据进行处理而定出峰值点。

5.一种用于测量轨行轮对的攻角的方法，所说方法包括步骤：

测得轮对上每个车轮攻角的时间采样数据；

对每个车轮的时间采样数据进行求导运算；

定出各个时间采样数据导数中的峰值；

选择在各个所说峰值周围的一个预定窗口内的时间采样数据；

在各个预定窗口内，根据所选择的时间采样数据，计算出各个定出峰值所在的时间点；

在所确定出的已定峰值的时间点的基础上，确定出一个攻角值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：其中的计算步骤采用了多项式拟合的方法。

7.一种用于测量轨行轨道车辆转向架的前轮对和后轮对的动态攻角的方法，所说方法包括步骤：

确定出所有轮对的原始攻角；

只选择上一步骤的所有原始攻角值中的某些攻角值，这些攻角值对应于横向力与垂直力比在一个预定范围内的轨行转向架的数值，在此情况中，所选择转向架具有良好的转向行为；

在所选择出的转向良好转向架的原始攻角的基础上计算出一个动态角偏差；

使所确定出的所有轮对的原始攻角值都减去计算出的动态角偏差，从而得到各个轮对的动态攻角。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于其中确定原始攻角的步骤包括：

在轨道外轨上的一个第一点处，当外侧车轮从该第一点正上方通过时，用一个第一攻角传感器测量各个外侧轮的外攻角值；

在轨道内轨上的一个第二点处，当内侧车轮从该第二点正上方通过时，用一个第二攻角传感器测量各个内侧轮的内攻角值，其中的第二点位于一条垂直于第一点处外轨切线的直线上。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，外侧轮位于第一点正上方以及内侧车轮位于第二点正上方的时间是这样确定出的：

对从对应攻角传感器获得的时间采样数据进行求导；

在一个设定的时间采样数据窗口内定位出导数的峰值时间，从而就可得到在该峰值时间时的攻角值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：定位峰值的过程采用了多项式拟合的方法。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于其中的选择过程包括步骤：

在轨道外轨的一个第一点上，(1)用一个第一垂直应变片测量垂直力，(2)并用一个第一横向应变片测量横向力；

确定出每个转向架的每一前轮对的外侧车轮在该第一点上时，测得的横向力与测得的垂直力之间的比值；

判断所说比值是否在一个设定的范围内，如果在该范围内，就对与那些在设定范围内比值相对应的所有其它前轮所连接的后轮的攻角值作平均运算，从而得到一个平均角偏差。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所说设定范围为小于0.1的范围。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所说设定范围还包括：如果比值在0.1到0.17之间，但后轮的力比值与前轮力比值的比值小于0.5。

14.一种用于测量在外轨和内轨上行驶的轮对的攻角的方法，该方法包括步骤：

在轨道外轨的一个第一点上，(1)用一个第一垂直应变片测量垂直力，(2)用一个第一横向应变片测量横向力，(3)当外侧车轮滚过第一点的正上方时，用一个第一攻角传感器测量外侧车轮的外攻角值；

在轨道内轨的一个第二点上，(1)用一个第二垂直应变片测量垂直力，(2)用一个第二横向应变片测量横向力，(3)当内侧车轮滚过第二点的正上方时，用一个第二攻角传感器测量内侧车轮的内攻角值，第二点位于与第一点处的外轨切线垂直的直线上；

测量各个轮对的速度；

在速度、外侧攻角值和内侧攻角值的基础上确定出该轮对的原始攻角值；

确定出当外侧车轮在第一点上时、测得的横向力与测得的垂直力之间的比值；

判断该比值是否在一个设定的范围内，如果在该范围内，就对与那些对应比值在该设定范围内的所有其它轮对的攻角值作平均运算，从而得到一个平均角偏差；

通过使各个原始攻角值减去所说平均角偏差而得到对应轮对的动态攻角值，就计算出了各个轮对的动态攻角。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于外侧轮位于第一点正上方以及内侧车轮位于第二点正上方的时间是这样确定出的：

对从对应攻角应变片获得的时间采样数据进行求导；

定位出导数的峰值时间，从而就可得到在该峰值时间时的攻角值。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：定位峰值时间的过程采用了多项式拟合的方法。

17.一种用于测量在外轨和内轨上行驶的轨道车辆转向架上前轮对和后轮对攻角的方法，该方法包括步骤：

在轨道外轨的一个第一点上，(1)用一个第一垂直应变片测量垂直力，(2)用一个第一横向应变片测量横向力，(3)当外侧车轮滚过第一点的正上方时，用一个第一攻角传感器测量外侧车轮的外攻角值；

在轨道内轨的一个第二点上，(1)用一个第二垂直应变片测量垂直力，(2)用一个第二横向应变片测量横向力，(3)当内侧车轮滚过第二点的正上方时，用一个第二攻角传感器测量内侧车轮的内攻角值，第二点位于与第一点处的外轨切线垂直的直线上；

测量各个轮对的速度；

在速度、外侧攻角值和内侧攻角值的基础上确定出该轮对的原始攻角值；

确定出当各个转向架前轮对的外侧车轮在第一点上时、测得的横向力与测得的垂直力之间的比值；

判断所说比值是否在一个设定的范围内，如果在该范围内，就对与那些在设定范围内比值相对应的所有其它前轮所连接的后轮的攻角值作平均运算，从而得到一个平均角偏差；

通过使各个原始攻角值减去所说平均角偏差而得到对应各个轮对的动态攻角值，就计算出各个轮对的动态攻角。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所说设定范围为小于0.1的范围。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于所说设定范围还包括：如果比值在0.1到0.17之间、但后轮的力比值与前轮力比值的比值小于0.5的情况。

20.一种用于测量轨道车辆的轮对与下铺轨道的轨头之间作用力的方法，所说方法包括步骤：

在下铺轨道的一个位置点处，对所说轮对中的至少一个车轮测量力数据；

检测下铺轨道上所说位置点的位置数据，用该位置处的轨头表面形状以及在该位置处的轨道车辆的重力作用来对检测到的位置数据进行标定；

在所检测到的位置数据的基础上，去除所测得力数据中的相干影响；

在去除相干影响的基础上得到一个力值。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所说力数据是由位于下铺轨道的所说位置处的一个垂直力应变片传感器测得的垂直力。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所说力数据是由位于下铺轨道的所说位置处的一个水平力应变片传感器测得的水平力。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于还包括步骤：从布置在下铺轨道的所说位置处的水平应变片、垂直应变片和攻角应变片中的至少之一接收力数据。

24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于还包括步骤：用作用在轨头表面上的已知力对检测出的位置数据进行校正。

25.一种用于测量轨行车辆轮对攻角的方法，其中的轨道具有以个缓弯，所说方法包括：

在下铺轨道的一个位置处，测得在具有缓弯曲线的轨道上行驶的轮对的每个车轮的攻角数据；

检测下铺轨道上所说位置点的位置数据，用该位置处的轨头表面形状以及在该位置处的轨道车辆的重力作用来对检测到的位置数据进行校正；

在所检测到的位置数据的基础上，去除所测得的攻角数据中的相干影响；

在去除相干影响的攻角数据的基础上得到一个攻角值。

26.根据权利要求26所述的方法，其特征在于：测数据过程是指测得时间采样数据的过程。

27.一种用于测量轨行车辆的前轮对和后轮对的动态攻角的方法，所说方法包括步骤：

确定所有轮对的原始攻角；

从测得的原始攻角中去除相干影响；

只选择上一步骤的所有原始攻角值中的某些攻角值，这些攻角值对应于横向力与垂直力比在一个预定范围内的轨行转向架的数值，在此情况中，所选择转向架具有良好的转向行为；

在所选择出的转向良好转向架的原始攻角的基础上计算出一个动态角偏差；

使所确定出的所有轮对的原始攻角值都减去计算出的动态角偏差，从而得到各个轮对的动态攻角。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于确定原始攻角的过程还包括步骤：

在轨道外轨的一个第一点上，当外侧车轮滚过第一点的正上方时，用一个第一攻角传感器测量外侧车轮的外攻角值；

在轨道内轨的一个第二点上，当各个内侧车轮滚过第二点的正上方时，用一个第二攻角传感器测量内侧车轮的内攻角值，第二点位于与第一点处的外轨切线垂直的直线上；

测量各个轮对的速度；

在速度、外侧攻角值和内侧攻角值的基础上确定出轮对的原始攻角值。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于外侧轮位于第一点正上方以及内侧车轮位于第二点正上方的时间是这样确定出的：

对从对应攻角应变片获得的时间采样数据进行求导；

在一个设定的时间采样数据窗口内定位出导数的峰值时间，从而就可得到在该峰值时间时的攻角值。

30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于：定位峰值的过程采用了多项式拟合的方法。

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