SE1450463A1 - Förfarande och anordning för att bestämma strukturella parametrar för ett järnvägsspår - Google Patents

Abstract

SAl\/l l\/IANDRAG Uppfinningen hänför sig till ett förfarande för att bestämma strukturella parametrarför ett järnvägsspår och omfattar en sensorrad. Förfarandet omfattar att mätaåtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos rälsen medsensorraden längs rälsen, varigenom signaler åstadkommes som motsvarar degeometriska oregelbundenheterna vid olika avstånd från hjul-belastningen. Enmodell åstadkommes som beskriver nedböjningskurvan hos en räls, varvidnedböjningskurvan är beroende på strukturella parametrar hos rälsen och påbelastningar på rälsen, varvid modellen är lagrad i processorn. I processorn jämföresde geometriska oregelbundenheterna under olika belastningspåverkan för alstrandetav en uppmätt nedböjningskurva. Ãtminstone alstras en teoretiskrälsnedböjningskurva under användning av modellen genom att variera destrukturella parametrarna och belastningen i modellen. Ãtminstone en av dessateoretiska nedböjningskurvorjämföres med den uppmätta nedböjningskurvan förvarje punkt hos rälsen, och de strukturella parametrarna för den teoretiskanedböjningskurvan som bäst matchar den uppmätta nedböjningskurvan, bestäms. Enanordning som är konfigurerad för att genomföra förfarandet åstadkommes också. (fis 6)

Description

10 15 20 25 30 35 Försvagade spårtillstånd som påverkar solkurve-potentialen innefattar: reducerat sidomotstånd, laterala spårfel, och sänkt räls SFT. Sidomotstånd är förmågan hos ballasten, sliprar och befästningar att åstadkomma lateral och longitudinell hållfasthet för att upprätthålla spårstabilitet. Sidomotståndet sänks om ballast är försvunnen under eller mellan sliprarna, eller från ballastskuldran. En full ballastsektion är viktig speciellt i kurvor.

Sidomotstånd sänks när ballasten är rubbad. lhoppackning (spårriktning), sliperutbyte och underskärningsförfaranden försvagar sidomotståndet i hög grad. Att åstadkomma longitudinell resistans till räls/sliperstrukturen genom att adekvat förankra rälsen är viktigt för att förhindra rälsvandring och sålunda minska rälsens neutrala temperatur.

För att förhindra solkurvor måste SFT och sidomotstånd övervakas. För närvarande finns ett par förfaranden att övervaka SFT, nämligen 0 Kap-metod (Rälsen skärs av och mellanrummet är en uppskattning av SFT) Detta är ett destruktivt förfarande, en ny svets behövs. 0 Ett förfarande varvid befästningar frigörs och rälsen lyfts. Lyftkraften är proportionell mot SFT Vanligt för de flesta förut kända förfarandena är att mätningar görs vid en position i taget.

Detta gör att förfarandena blir tidskonsumerande, och sålunda kan intervall mellan mätningar bli utsträckta (både i tid och position längs spåret).

SE 534724C2 beskriver ett kontinuerligt förfarande för att beräkna SFT och spårresistans genom mätning av spårgeometri och rälstemperatur. Två omgångar av mätningar används från olika tillfällen för att få en temperaturdifferens.

Föreliggande uppfinning skiljer sig från detta genom att endast en mätning vid en rälstemperatur behövs.

US 5 386 727 beskriver ett ultraljudbaserat förfarande för att bestämma den longitudinella spänningen i en rälssektion baserat på förändringen av en ultraljudsignal som transmitteras genom nämnda räls.

Industriell relevans och förut känd teknik, som hänför sig till fastspänningskraften hos För att hålla en kontinuerligt svetsad räls på plats vid korrekt spårvidd, spänns rälsen fast mot sliprarna med ett befästningssystem. Många befästningssystem använder en elastisk klämma, som håller rälsen med en viss kraft. Ibland kan fastklämningskraften reduceras och klämman kan t.o.m. gå sönder. Om flera klämmor efter varandra missas, kan det vara en säkerhetsfråga med tågurspårning som det värsta scenariot.

En viktig egenskap hos befästningen är att den ökar rälsböjningsstyvheten.

I\/lissade klämmor övervakas traditionellt genom manuell visuell inspektion. Till dags dato existerar ett par automatiserade system, baserade på kameror och bildbearbetning för att finna missade klämmor. 10 15 20 25 30 35 Industriell relevans och förut känd teknik för mätning av kontaktkraft hiul-räls.

Mätningar av kontaktkraft hjul-räls används i olika applikationer. Sådana mätningar kan användas för att finna diskontinuiteteri rälsen, såsom en skarp kant vid en svets, eller vid korsningsspetsen för en spårväxel. Det används också ofta vid godkännandeförfarandet för nya järnvägsfordon för att bevisa säker och komfortabel resa, och för att begränsa interaktionskrafter tåg-spår inom vissa gränser.

Kontaktkrafter hjul-räls kan mätas med töjningsmätare monterade på hjulen.

Belastningsgivare och/ eller accelerometrar monterade i hjul-set eller boggi kan användas i olika konfigurationer.

Industriell relevans och förut känd teknik för mätning av spårstyvhet och spårbäddmodul Spårstyvhet och spårbäddmodul beskriver hur mycket spåret nedböjer vid en given belastning. Spårnedböjning måste vara inom vissa gränser. Snabba ändringar av spårstyvhet längs spåret kan ofta förklara underhållsproblem.

SE 535848C2 beskriver ett kontinuerligt förfarande för att bestämma spårstyvhet/nedböjning under användning av spårgeometrikvalitetsparametrar uppmätta från en spårregistreringsvagn. Två olika mätsystem för spårgeometrikvalitet används, och genom att jämföra dem kan nedböjning hittas.

US 6 119 353 beskriver ett kontinuerligt förfarande för att bestämma spårnedböjning under användning av Doppler laser teknik.

US 2006144129 anger ett beröringsfritt mätsystem för mätning av den vertikala styvheten hos ett järnvägsspår. Systemet omfattar första och andra optiska emittrar som är monterade på ett mätfordon och konfigurerade att emittera ljusstrålar som är detekterbara på den underliggande ytan. En kamera är monterad på fordonet för att registrera avståndet mellan ljusstrålarna när fordonet rör sig längs ytan. Avståndet mellan ljusstrålarna, som är en funktion av ytstyvheten, mäts sedan under användning av bildigenkänningstekniker.

Industriell relevans och förut känd teknik för bestämning av kritisk hastighet.

Under visst förhållande med mjuk jord och hög rörelsehastighet för tåg (eller flygplans start eller landning på landningsbanor) kan ett höghastighetsfenomen äga rum. När hastigheten närmar sig eller överskrider den kritiska våghastigheten för den sammanlagda strukturen spår-mark, ändrar spårresponsen dramatiskt karakteristika. Utbredande chockvågor alstras av belastningen i rörelse. Detta orsakar intensiv vibration och stor nedböjning av marken.

Den kortvariga lösningen är att begränsa högre hastighet genom påverkade områden. För att lösa problemet kan olika förfaranden att förstärka jorden användas.

Nuvarande förfaranden att detektera och kvantifiera vibrationsfenomen vid hög hastighet innefattar t.ex. geodynamisk testning för att bestämma jordens skjuvvågshastighet och styvhet/modul, såväl som mätning av vibration när ett höghastighetståg passerar. Alla nuvarande förfaranden instrumenterar emellertid spåret och/eller jorden vid en specifik lokalisering, och kan inte användas på ett tåg i rörelse, för att övervaka större avstånd. 10 15 20 25 30 35 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Som visats i bakgrundsavsnittet finns ett antal förut kända förfaranden för att bestämma några av de strukturella parametrarna för järnvägsspår. Dessa förfaranden är emellertid antingen komplexa (dvs. kräver mer än en mätning), destruktiva (dvs. kräver ett snitt i rälsen för att bestämma rälsens spänningstillstånd), tidskonsumerande (icke-kontinuerliga förfaranden, där endast en position längs spåret mäts) ellerfokuserade på endast en parameter. Alla förut kända förfaranden bestämmer endast en strukturell parameter per metod, eller kräver mer än en mätning.

I beaktande av bristerna hos förut kända förfaranden som hänför sig till att bestämma strukturella parametrar förjärnvägsspår, har uppfinnaren uppfunnit ett förbättrat förfarande, med vilket ett antal strukturella parametrar bestäms på precis samma gång.

Föreliggande uppfinning hänför sig sålunda till bestämmandet av ett antal strukturella parametrar för ett järnvägsspår på samma gång med endast en passage överjärnvägsspåret med ett mätfordon.

Uppfinningen baseras på betraktande av och jämförande av reaktionen hos spåret i termer av rälsnedböjningskurva under påverkan av olika belastningar. Belastningar är i samtliga fall interaktionsbelastningen mellan tåg-spår från mätfordonshjulet (s), och (om den strukturella parametern rälsens spännings-tillstånd avses) även temperaturinducerade krafter eller belastningar i räls-stålmaterialet. Jämförelse görs med den teoretiska nedböjningskurvan hos en modell, som definieras genom strukturella parametrar. Genom att variera parametrarna hos modellen till bästa möjliga anpassning, bestäms de strukturella parametrarna för spåret.

Uppfinningen definieras genom patentkrav 1.

En huvudfördel över förut kända förfaranden är att föreliggande förfarande genomförs vid bara ett tillfälle, dvs. det är inte nödvändigt att genomföra mätningar vid olika tidpunkter och/eller temperaturer.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig 1 visar ett exempel på ett system innefattande en sensorrad av laser/kameror anordnade under en järnvägsvagnskorg; Fig 2 är en illustration av geometriska oregelbundenheter (vertikala spårfel) (punktstreckad linje) nedböjning beroende på hjulbelastning Q (heldragen linje) och kombination av de två (streckad linje); Fig 3 är en illustration av uppmätta geometriska oregelbundenheter (vertikala spårfel) från fyra olika sensorer vid olika avstånd från det belastade hjulet; Fig 4 är en illustration av teoretisk nedböjningskurva och uppmätt nedböjningskurva vid en position; Fig 5 visar den longitudinella kraftresultanten i vertikal riktning från geometriska oregelbundenheter, s(x) (punktstreckad linje), och nedböjning, w(x) beroende av en belastning i position 0 (heldragen linje) vid en temperatur av 30 ° C över SFT; och 10 15 20 25 30 35 40 Fig 6 är ett flödesdiagram över förfarandet enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning hänför sig till ett förfarande för bestämning av strukturella parametrarför ett järnvägsspår, omfattande en sensorrad som är konfigurerad att mäta nedböjningskurvan hos rälsen, vilken är under påverkan av en eller flera krafter, tillsammans med geometriska oregelbundenheter. Företrädesvis är sensorerna monterade under vagnskorgen hos ett järnvägsfordon vilket gör kontinuerliga mätningar längs rälsen möjliga.

Nedböjningskurvan kan också skapas med en modell där olika parametrar påverkar nedböjningskurvan.

Uppfinningen är således i en första aspekt ett förfarande för att bestämma strukturella parametrar för ett rälsspår under användning av ett mätsystem, som omfattar en sensorrad konfigurerad till att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos en räls under påverkan av olika belastningar vid ett flertal punkter längs rälsen, och vid olika avstånd från belastningen/hjulet. Sensorraden ger också signaler som motsvarar nämnda rälsoregelbundenheter, varvid sensorraden är positionerad i en järnvägsvagn intill kontaktpunkten mellan ett hjul och en räls; och en processor utformad till att bearbeta signalerna från sensorraden. Förfarandet omfattar vidare att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos rälsen med sensorraden längs rälsen, och därigenom åstadkomma signaler motsvarande de geometriska oregelbundenheterna vid olika avstånd från hjul-belastning dvs under olika belastningspåverkan. En modell åstadkommes som beskriver nedböjningskurvan hos en räls varvid nedböjningskurvan är beroende av strukturella parametrar för rälsen, och på belastningarna på rälsen, varvid modellen lagras i processorn. I processorn jämföres nämnda geometriska oregelbundenheter under olika belastningspåverkan, för att separera nedböjning beroende på hjulbelastning(ar) från icke-belastade geometriska oregelbundenheter, och sålunda generera en uppmätt nedböjningskurva. Ãtminstone en teoretisk rälsnedböjningskurva genereras under användning av modellen genom att variera de strukturella parametrarna och belastningen i modellen. Ãtminstone en av nämnda teoretiska nedböjningskurvorna jämföres med den uppmätta nedböjningskurvan för varje punkt hos rälsen, och de strukturella parametrarna för den teoretiska nedböjningskurvan som bäst matchar den uppmätta nedböjningskurvan fastställes.

Belastningarna är hjulbelastningar och temperaturinducerade longitudinella belastningar i rälsen.

De strukturella parametrarna som bestäms är valda bland spårmodul, spänningsfri temperatur hos rälsen, böjmoment för rälsen, spårdämpning, kritisk hastighet för marken.

I\/lodellen som beskriver nedböjningskurvan hos en räls ärföreträdesvis vald bland linjär eller icke-linjär balkmodell med underlag, eller linjär eller ickelinjär FEI\/I-modell.

I en annan aspekt åstadkommer uppfinningen en anordning för bestämning av strukturella parametrar för ett järnvägsspår med ett mätsystem som omfattatar en sensorrad 10 15 20 25 30 35 konfigurerad till att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos en räls under påverkan av olika belastningar vid ett flertal punkter längs rälsen, och vid olika avstånd från belastningen/hjulet, och att åstadkomma signaler motsvarande rälsoregelbundenheterna. Sensorraden är positionerad i en järnvägsvagn intill kontaktpunkten mellan ett hjul och en räls; och en processor konfigurerad till att bearbeta signalerna från sensorraden. Processorn är konfigurerad till att genomföra förfarandet enligt något av patentkraven 1- 8, genom att den är anordnad till att köra ett program. I en föredragen utföringsform omfattar sensorraden sensorer på båda sidorna av hjulen i longitudinell riktning.

En statisk modell som är användbari uppfinningen kan innefatta följande parametrar: - Hjul- räls kraft - Rälsens böjstyvhet med extra påverkan av klämkraft hos befästning (proportionell mot 4:e derivatan av nedböjningen) - Temperaturinducerad kraft hos rälsen, när rälstemperaturen skiljer sig från SFT (proportionell mot 2:a derivatan av nedböjningen) - Spårmodul (proportionell mot nedböjningen) En dynamisk modell användbar i uppfinningen kan dessutom innefatta: - Fordonshastighet - Tröghetstermer - Spår och befästningsdämpning (proportionell mot 1:a derivatan av nedböjning mot tid) Kritisk hastighet för spåret.

Genom att jämföra nedböjningskurvan uppmätt med sensorerna med nedböjningskurvan beräknad från modellen, variera parametrarna hos modellen till bästa möjliga anpassning, kan de strukturella parametrarna för spåret bestämmas.

Andra parametrar kan också innefattas i modellen, dvs. en mera detaljerad modell av spårmodul för att separera mellanläggsstyvheten hos befästningen från ballast och undergrundsmodul.

Eftersom olika strukturella parametrar är proportionella mot olika ordningar av nedböjningskurvans derivator, blir korrelationen mellan uppmätt nedböjning och korrelerande modellnedböjning inte underbestämd och sålunda lösbar.

Sensorerna kan vara av olika slag, punktlasrar, linjelasrar med kamera och optisk triangulering, rutnätslasrar med kamera och optisk triangulering, laser-Doppler som mäter hastighet (som kan integreras till förskjutning) avståndsradar, etc.

Sensorer kan placeras i lådor/fixturer, där den relativa rörelsen hos fixturerna jämfört med rälsen mäts med accelerometrar och gyros.

Ett exempel på en måtuppställning allmänt betecknad 10 visas i fig 1 (rörelseriktning är x- riktningen). Uppställningen omfattar en sensorrad 12, som omfattar en uppställning av lasrar 10 15 20 25 30 35 och kameror anordnade framför ett hjulpar 14. De fyra vertikala pilarna 16 illustrerar linjelasrar som belyser en tvärsektion av rälsen 18 och de streckade linjerna 20 illustrerar kameravyn av laserlinjen. Sensorraden 12 är kopplad till en processor 22 konfigurerad att bearbeta signaler från sensorerna enligt ett program för bestämning av strukturella parametrarför rälsen.

I figuren visas endast en räls, men naturligtvis kan båda rälerna övervakas på samma gång med två sensorrader.

Den beskrivna mätuppställning används för att bestämma strukturella parametrar utgående från en statisk modell (som beskrivits ovan). När nedböjningskurvan är symmetrisk runt hjulet (eller boggin) behöver bara en sida av hjulet/boggin övervakas.

En beröringsfri temperatursensor, såsom en infraröd-termometer, används för att mäta rälstemperaturen. Sensorn eller termometern kan riktas mot rälslivet eller rälsfoten.

Temperatursensorn (Tmfi) används till att relatera bestämt spänningstillstånd (Piong) hos rälsen till SFT (Tsft) enligt ekv 2.

De influerande huvudkrafterna som skapar en nedböjningskurva utgår från hjulen. En mindre influerande kraft som tas i beaktande enligt denna uppfinning är den vertikala (z) och laterala (y) resultanten som kommerfrån longitudinella (x) krafter, när rälstemperaturen skiljer sig från SFT. Denna resultantkraft är proportionell mot andra derivatan av den geometriska avvikelsen med avseende på x, rälsens longitudinella förlängning.

En statisk modell som kan användas för att beskriva nedböjningskurvan är Euler-Bernoulli- balk på en Winklerbädd med tillägget av longitudinell kraft från en rälstemperatur som skiljer sig från SFT, såsom visas i ekv 1. dálw/(x) dzw/(x) d2s(x) 7131? Pzong ï + HWUC) = QÛÛÖÛCO) _ Pzong ¶ (1) Rang I aEA(Traíl _ - w(x) anger nedböjningskurva (antingen vertikal eller lateral). - s(x) anger vertikala eller laterala geometriska avvikelser. s(x) enligt ekv 1 anses som icke-belastad geometri. - y anger ökning av rälsböjningsstyvhet beroende på befästningar som sammanbinder rälsen och sliprarna.

- E är den elastiska modulen för rälsstålet. - lär areatröghetsmomentet för rälsens tvärsektion (olika i vertikal och lateral riktning).

- P/ong är den longitudinella kraften (temperaturberoende spänningstillstånd) hos rälsen, som visar sig när rälstemperaturen, T,f,,-, ,skiljer sig från den spänningsfria temperaturen Tsft (visad i ekv 2). 10 15 20 25 30 35 - u anger spårmodulen.

- Q anger kraften mellan hjul-räls. - 6(x°) anger dirac-funktionen, som säkerställer att Q endast verkar vid hjulpositionen xo. - oz är värmeutvidgningskoefficienten för rälsstålet.

- A är tvärsnittsarean hos rälsen.

E, I, A och oz anses vara materialkonstanter, fastän I och A ändras något om rälsen är sliten.

Mer avancerade modeller kan också användas exempelvis mer avancerad balkteori, finita element, diskreta stöd för rälsen med massor, fjädrar och dämpare vid sliperpositionerna, fordonshastighet, kritisk hastighet för jorden, och en lämplig fordonsmodell för att representera hjulkraften, för att nämna några möjliga utvidgningar.

Det existerar lösningari sluten form för ekv 1, om de okända strukturella parametrarna y, p, och Pkmg betraktas som konstanter som ger en linjär differentialekvation. Laplace/Fourier- tekniker kan också användas för att lösa ekvationen och jämföra/korrelera med uppmätt nedböjning. l\/led varierande okända termer blir ekv 1 icke-linjär, och icke-linjära numeriska lösningar behövs.

Förskjutningssensorraden mäter en kombination av de icke-belastade geometriska oregelbundenheterna (vertikal och/ eller lateral inriktning) och den strukturella nedböjningen, såsom illustreras med cirklar i fig 2 för en mätrad med sensorer på avstånden (0,5, 1,5, 2,5, 3,5) meter från hjulet. Den punkt-streckade linjen representerar de obelastade vertikala spårfelen, som är de geometriska oregelbundenheterna hos rälsen innan tåget kommer. Den streckade linjen representerar de belastade vertikala spårfelen när hjulbelastningen är vid positionen x = 6m. Den heldragna linjen är nedböjningen på grund av belastningen vid position x = 6m och naturligtvis skillnaden mellan de obelastade och belastade vertikala spårfelen.

En illustration av avläsningarna från alla fyra sensorer visas i fig 3. En specifik position i spåret, motsvarande positionen för sensor 1 vid x = 9,5m i fig 2, illustreras för alla fyra sensor med fyrkant (sensor 1), romb (sensor 2) stjärna (sensor 3) och ring (sensor 4). Det är klart att belastningspåverkan från hjulet ökar när sensorer är placerade närmare hjulet.

Avläsningarna från denna position, som bildar en nedböjningskurvemätning, illustreras i fig 4, där också en teoretisk nedböjningskurva från modellen enligt ekv 1, visas som en heldragen linje. Som ett första försök justeras alla fyra sensoravläsningarna så att sensor 1 har en noll-avläsning.

När mätfordonet rör sig får varje position längs spåret ett mätprov per sensor, såsom illustreras i fig 3 - 4. Varje position längs spåret har sålunda mätningar med olika påverkan från belastningen. Detta är basen för att separera geometriska oregelbundenheters(x) från nedböjning w(x). 10 15 20 25 30 Om rälstemperaturen skiljer sig från SFT, kommer longitudinella krafter vara närvarande i rälsen. Både geometriska oregelbundenheter och nedböjningskurva beroende på en hjulbelastning orsakar att den longitudinella rälskraften får vertikala och laterala resultanter.

Resultanterna är proportionella mot andra derivatan av oregelbundenheter/nedböjningskurva såsom visas i ekv 1. Fig 5 visar ett exempel på vertikalkraftresultant med basen från fig 2 och en rälstemperatur 30°C över rådande SFT.

Dessa extra krafter orsakar också en mindre extra nedböjning, som gör det möjligt att bestämma den strukturella parametern för rälsspänningstillstånd och SFT.

En annan mätuppställning kan användas för att bestämma kritisk hastighet för spåret. När ett tåg närmar sig kritisk hastighet blir nedböjningskurvan under ett hjul eller boggi inte symmetrisk. För att jämföra nedböjningskurva före och efter hjulet eller boggin för bestämning av kritisk hastighet, är en liknande sensorrad monterad på andra sidan av hjulet/boggin, och sålunda möjliggöra att detektera icke-symmetrisk nedböjningskurva vid jämförelse av nedböjningskurva före och efter hjulet. Den aktuella hastigheten för mätfordonet mäts på samma gång för att relatera den icke-symmetriska nedböjningskurvan med kritisk hastighet. Strukturella parametrar bestäms i detta fall med hjälp av en dynamisk modell (beskriven ovan).

En möjlig dynamisk modell beskrivs genom differentialekvationen (3) 84 ,t 62 ,1: â ,t wrx >+m w VE] av* 6:2 a: + kw(x, t) = Qå(x - vt) (3) w(x,t) är nu beroende av både position (x) och tid (t). Variabler som inte redan tidigare nämnts är: - m: ekvivalent massa för spåret per meter. - c: spårdämpning - v: fordonshastighet Att lösa den kritiska hastigheten med känd teknik ger relationen: 2 2 var = ä kEI (4) Ett flertal passager vid olika hastigheter krävs ofta för att se ökande asymmetri i nedböjningskurvan och av detta bestämma de okända termerna för ekv 3 och 4.

Kalibrering De geometriska oregelbundenheterna som uppmätts med sensorraden skiljer sig från tid till tid av olika skäl. Hjul-räls kontaktpositionen varierar och orsakar små höjdvariationer mellan vagnskorgen där sensorer är monterade och rälsen. Upphängningssystemet för vagnens hjul och boggi orsakar också höjdvariationer. Till viss grad kan en tröghetsmätplattform nära 10 15 20 25 10 sensorraden med accelerometrar och gyros kompensera för detta. En noggrann kalibrering är viktig där det säkerställes att hela sensorraden har samma höjdreferens. Detta kan exempelvis göras med en stållinjal med definierad rakhet kombinerad med en precisionsinklinometer. Ãterstående variationer kan inkluderas som ett feltillstånd i den numeriska lösningen.

Numerisk lösning/ implementation av uppfinningen Det existerar en rad förfaranden för att göra parameterjusteringar hos en modell för att anpassa modellen till mätningar och på detta sätt beräkna parametrarna. Ett sådant förfarande är Kalman-filtret, som förekommer i flera olika varianter beroende på modellkomplexitet och linearitet/icke-linearitet. Exempel på andra förfaranden är familjen adaptiva filter och efterföljande I\/lonte Carlo-förfaranden.

Ett Kalman-filter arbetar på diskreta data. Standardbeteckningen för ett Kalman- filtertillstånd ärx. I fortsättningen betecknar n ätskiljandet av positionen längs spåret, och x betecknar KaIman-filtertillståndet.

Ett Kalman-filter som bestämmer de strukturella parametrarna enligt ekv 1-2 beskrivs i ekv 5 - 14. Grundekvationen (ekv 5) beskriver positionsuppdateringen (x(n+1)) som löser nästa position längs spåret och mätuppdateringen (v(n)). I denna implementation är positionsuppdateringen linjär med överföringsmatrisen F, och processtörning v(n).

Ivlätuppdateringen är icke-linjär för vissa tillstånd och linjär för andra. Detta beskrivs med den icke-linjära funktionen h() som är beroende av filtertillstånden )_<(n) och mätbruset g(n).

Understrykning anger en vektor och en linje över symbolen betecknar en matris. m +1> = Fm) + m) m) = hl?nxgon) (S) Kovariansen av v(n) betecknas Qwv(n)och kovariansen av e(n) betecknas Rc,,\,(n).

Tillståndsvektorn )_<(n) innehåller följande tillstånd: xwßlmn) § :am gm) gon goal <6) Vektorerna ?/(n) och §(n) innehåller nödvändiga derivata vid positioner/sampel som spänner över hela avståndet för sensorraden enligt: É(n)T = w"(n) WW w(n -1)....w(n - m) w"(n - m) WW (n - (7) g(n)f=[s(n) v(n) Soi-n s"(n-1) ..... Hun-m) sun-m) ] (s) 10 15 11 Sökta parametervektorerïsffuii, y, Qspänner också över intervallet mellan n och n-m, såsom visas för modulen g i ekv 9. g(n)T=l/1(n) M?-ï) 1101-2) ----- --H(?-m+1) LLM-m) l (9) I ett exempel enligt uppfinningen är n positionen 3,5 m till höger om hjulet, vid första sensorpositionen, och n-m är positionen vid 0,5 m till höger om hjulet vid fjärde (sista) sensorn. Dessa fyra sensorpositioner indikeras i fig 1 och 2. Om samplingsfrekvensenfs är 10 samplingar per meter, An = 0.1 m, blir antalet tillstånd, x, 279 (?- 93 tillstånd, §- 62 tillstånd, Isf: -31 tillstånd, g -31 tillstånd, y- 31 tillstånd, Q- 31b tilllstånd) Positionsuppdateringsmatrisen F består av ett antal submatriser, visade i ekv 10. (10) oo oo Dmc 0 0 F-T o o o oo oo Oë oošq|ooo Ofhqloo oo (Sulo oo oo m and F_y byggs på den symmetriska numeriska dubbelderiveringen: (11) Att ta positionsuppdateringen (från x(n) till x(n+1)) och utveckla deriveringarna leder till: w”(n) = fsz (w(n + 1)- 2w(n) + w(n - 1) WG) (n + 1) = WG) (n + 1) + v(w4) (n) w”(n + 2) + w" (n) WG) (n + 1)An2 w”(n + 1) = 2 2 2 + WWZ) (n) (12) Wm + 1) I w(n2+ 2) + wgn) _ w”(n :2)An2 _ w”(:1L)An2 + WÜÛÜL: 1)An4 + vo/Vo?n) och s”(n + 1) = s”(n) + 125201) _ H 2 sm + 1) I s(n 1) + s(n + 1) _ s (n)An + 173001) (13) 2 2 2 som ger grunden för E(w) och E(s).

Kvarvarande submatriser av F kan vara enhetsmatriser, för en adekvat positionsuppdatering är sista beräkningen.

Mätuppdateringen innefattar både linjära och icke-linjära uppdateringar. Den linjära mätuppdateringen är naturligt mätningar från sensorerna såsom i ekv 14. Med An = 0,1 m 10 15 20 12 motsvarar 10 samplingar en meter, och såsom framgår av ekvationen är sensorerna placerade på en meters avstånd från varandra i detta exempel. 31101) = WÛI) + S01) + 6101) yz (n) = w(n - 10) + s(n - 10) + e2(n) y3 (n) = w(n - 20) + s(n - 20) + e3(n) y4(n) = w(n - 30) + s(n - 30) + e4(n) (14) Som kan ses av ekvationen och även av fig 2-4, är sensormätningarna en kombination av nedböjning (w(n)) och geometriska oregelbundenheter (s(n)) tillsammans med ett mätfel (601))- Mätningar av hjulkraften kan lätt inkorporeras som en mätuppdatering om sensorer för mätning av hjulkraft är tillgängliga.

Slutligen binder de icke-linjära uppdateringarna modellen från ekv 1 ihop med beräknade värden på nedböjning och geometriska oregelbundenheter. Detta kan verkställas för varje position som omfattas av sensorraden, eller för att reducera beräkningskomplexiteten, endast vid positionerna för sensorerna som visas i ekv 15 y5 (n) = y(n)E1w(4) (n) + aEA(Tsft(n) - T(n))w”(n) + u(n)w(n) + aEA(TSf1(n) - T(n))ß”(n) + 8501) 11601) = 1/(11 - 10)E1w<4>(11 - 10) + aEA(TSf.(11 - 10) - m1 - 10))w”(11 - 10) + 1101 - 10)w(11 - 10) + aEA(TS,t(11 - 10) - m1 - 10))s"(11 - 10) + 11601) y7(11) = 101 - 20)E1w<4>(11 - 20) + aEA(TSf,.(11 - 20) - m1 - 20))w”(11 - 20) + ;1(n - 20)w(n - 20) + aEA(Tsf,g.(n - 20) - T(n - 20))s” (n - 20) + e7(n) 11801) = 1/(11 - 30)E1w<4>(11 - 30) + aEA(TSft(11 - 210)- m1 - 30))w"(11 - 30) + ;1(n - 30)w(n - 30) + aEA(Tsft(n - 30) - T(n - 30))s” (n - 30) + e8(n) I\/lätuppdateringarna y5(n) - y8(n) formas så de summerar till noll.

För att få hjulkraften att direkt influera mätekvationen, kan en lösning i sluten form av ekv 1 implementeras som en mätuppdatering. Ett annat alternativ är att sträcka ut ekvationerna med tillstånd att innefatta även hjulposition.

Den icke-linjära mätuppdateringen implementeras med exempelvis ett Extended Kalman- filter eller ett Unscented Kalman-filter.

Från en initial beräkning förbättrar Kalman-filtret beräkningen när positionsuppdateringen och mätuppdateringens fortskrider. Normalt behövs ca 10 - 20 meter för att separera nedböjning från geometeriska oregelbundenheter och ge adekvat bestämning av strukturella parametrar. (15 )

Claims (11)

13 PATENTKRAV:

1. Förfarande för bestämning av strukturella parametrar för ett järnvägsspår under 10 15 20 25 30 35 40 användning av ett mätsystem som omfattar en sensorrad utformad till att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos en räls under påverkan av olika belastningar vid ett flertal punkter längs rälsen och vid olika avstånd från belastningen/hjulet, och att åstadkomma signaler som motsvarar nämnda rälsoregelbundenheter, varvid sensorraden positioneras i en järnvägsvagn intill kontaktpunkten mellan ett hjul och en räls; och en processor konfigurerad till att bearbeta signalerna från sensorraden, vilket förfarande innefattar att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos rälsen med sensorraden längs rälsen, varigenom signaler åstadkommes som motsvarar de geometriska oregelbundenheterna vid olika avstånd från hjulet-belastningen, dvs under olika belastningspåverkan; att åstadkomma en modell som beskriver nedböjningskurvan hos en räls, varvid nedböjningskurvan är beroende av strukturella parametrar för rälsen och på belastningar på rälsen, varvid modellen lagras i processorn; och att i processorn jämföra de geometriska oregelbundenheterna under påverkan av olika belastningspåverkan, för att separera nedböjning beroende på hjulbelastning(ar) från icke-belastade geometriska oregelbundenheter, varigenom en uppmätt nedböjningskurva alstras; att alstra åtminstone en teoretisk rälsnedböjningskurva under användning av modellen genom att variera de strukturella parametrarna och belastningen i modellen; attjämföra åtminstone en av de teoretiska nedböjningskurvorna med den uppmätta nedböjningskurvan för varje punkt hos rälsen; och bestämma de strukturella parametrarna för den teoretiska nedböjningskurvan som bäst matchar nämnda nedböjningskurva. Förfarande enligt krav 1, där belastningarna är hjulbelastningar och temperaturinducerade longitudinella belastningari rälsen. Förfarande enligt krav 1 eller 2, där de strukturella parametrarna är valda bland spårmodul, spänningsfri temperatur för rälsen, rälsens böjmoment, spårdämpning, kritisk hastighet för marken. Förfarande enligt något av föregående krav, där sensorraden för mätning av nämnda oregelbundenheter omfattar något av lasrar, laser och kamera, laser-doppler för hastighet, radar. Förfarande enligt något av föregående krav, där modellen som beskriver nedböjningskurvan hos en räls är vald bland linjär eller icke-linjär balkmodell med underlag eller en linjär eller icke-linjär FEM-modell. 10 15 20 25 30 10. 11. 14 Förfarande enligt något av föregående krav, därjämförelsesteget omfattar användning av något av Kalman-filter, adaptiva filter, eller sekventiella |\/|onte Carlo-förfaranden. Förfarande enligt något av föregående krav, där det för att jämföra nedböjningskurva före och efter hjulet eller boggin för bestämning av kritisk hastighet, finns en liknande sensorrad monterad på den andra sidan av hjulet/boggin i longitudinell riktning, och mäta oregelbundenheterna och således möjliggöra att detektera icke-symmetrisk nedböjningskurva vid jämförelse mellan nedböjningskurva före och efter hjulet. Förfarande enligt krav 1 och 3, där spånningstillståndet för den strukturella parametern relateras till spänningsfri temperatur genom att mäta rälstemperaturen med en termometer och jämföra med ett spänningsfritt tillstånd enligt ekvation 2. Anordning för bestämning av strukturella parametrar för ett järnvägsspår (18), innefattande ett mätsystem (10) som omfattar en sensorrad (12) konfigurerad till att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos en räls under påverkan av olika belastningar vid ett flertal punkter längs rälsen (18) och vid olika avstånd från belastningen/hjulet (14), och att åstadkomma signaler som motsvarar nämnda rälsoregelbundenheter, varvid sensorraden (12) är positionerad i en järnvägsvagn intill kontaktpunkten mellan ett hjul och en räls; och en processor (22) konfigurerad till att bearbeta signalerna från sensorraden, varvid processorn är konfigurerad till att genomföra förfarandet enligt något av kraven 1 - 8. Anordning enligt krav 9, där sensorraden omfattar sensorer på båda sidorna av hjulen i longitudinell riktning. Anordning enligt krav 9 eller 10, ytterligare innefattande att den vidare omfattar en termometer för mätning av rälstemperaturen.