SE538909C2 - 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

FöRFARANDE ocH ANoRDNuvc-z FöR ATT BESTÄMMA sTRukTuRELLA PARAMETRAR FöR ETTJÄRNvÄGssPÅR Föreliggande uppfinning hänför sig till att övervaka järnvägsspår. Genom att undersöka enimplicit uppmätt nedböjningskurva under en belastad axel, och jämföra med ennedböjningskurva från en modell, kan strukturella parametrar för spåret bestämmas.

BAKGRUND Ett järnvägsspår har flera egenskaper som behöver övervakas för att säkerställa säker resa,varvid vissa av dem är geometriska och vissa är strukturella. Säkerligen finns det länkarmellan strukturella och geometriska parametrar. Spårgeometrikvalitet är en uppsättningparametrar som beskriver rådande geometri för spåret, såsom vertikala och lateralaoregelbundenheter/spårfel (vertikala oregelbundenheter kallas ofta ”surface” i USA, och"longitudinal level" i Europa), spårvidd, rälsförhöjning, och kurvatur. I resten av textenanvänds uttrycket " geometrisk parameter(-rar)" för vertikala och lateralaoregelbundenheter.

Spårgeometrikvalitet mäts med spårlägesmätvagnar, eller genom oövervakade system, somär monterade på ordinarie vagnar. I\/lätfrekvens kan sträcka sig från t.ex. 1-20 gånger per år,beroende på säkerhetsregler och underhållsdriftsstrategi.

Exempel på strukturella parametrar är spårstyvhet/modul (både vertikal och lateral);fastspänningskraft hos befästningen mellan sliper och räls; spänningsfri temperatur förrälsen; och skjuvvågshastighet för marken. Alla dessa parametrar påverkarnedböjningskurvan för rälsen under en given belastning.

Industriell relevans och förut känd teknik för spänningsfri temperatur (SFT) och lateral styvhet[resistans Solkurvor är bildandet av stora sidoförskjutningar i järnvägsspår, ibland resulterande itågurspårningar. Solkurvor orsakas typiskt genom en kombination av tre huvudfaktorer:höga tryckkrafter, försvagade spårtillstånd, och fordonsbelastningar (tågdynamik).

Tryckkrafter härrör från spänningar som induceras i en infäst räls av temperaturer över dess"spänningsfria" tillstånd, och av mekaniska källor såsom tågbromsning och acceleration.

Temperaturen hos rälsen vid det spänningsfria tillståndet är känd som den spänningsfriatemperaturen (SFT) (d.v.s. temperaturen vid vilken rälsen erfar noll longitudinell kraft).Initialt är rälsens installationstemperatur eller förankringstemperatur rälsens SFT. Vidrälstemperaturer över den neutrala alstras sålunda tryckkrafter, och vid temperaturer underden neutrala utvecklas dragkrafter. Spårunderhållspraxis hanterar problemet med högtermisk belastning genom att förankra rälsen vid en (neutral) temperatur av 10 - 40 ° C,beroende på årlig medeltemperatur. SFT kan ändras över tid beroende på exempelvisspårunderhåll, geometrisk spårdegradering och lateral spårförskjutning i kurvor.

Försvagade spårtillstånd som påverkar solkurve-potentialen innefattar: reduceratsidomotstånd, laterala spårfel, och sänkt räls SFT. Sidomotstånd är förmågan hos ballasten,sliprar och befästningar att åstadkomma |atera| och longitudinell hållfasthet för attupprätthålla spårstabilitet. Sidomotståndet sänks om ballast är försvunnen under ellermellan sliprarna, eller från ballastskuldran. En full ballastsektion är viktig speciellt i kurvor.Sidomotstånd sänks när ballasten är rubbad. lhoppackning (spårriktning), sliperutbyte ochunderskärningsförfaranden försvagar sidomotståndet i hög grad. Att åstadkommalongitudinell resistans till räls/sliperstrukturen genom att adekvat förankra rälsen är viktigtför att förhindra rälsvandring och sålunda minska rälsens neutrala temperatur.

För att förhindra solkurvor måste SFT och sidomotstånd övervakas. För närvarande finns ettpar förfaranden att övervaka SFT, nämligen 0 Kap-metod (Rälsen skärs av och mellanrummet är en uppskattning av SFT) Detta ärett destruktivt förfarande, en ny svets behövs. 0 Ett förfarande varvid befästningar frigörs och rälsen lyfts. Lyftkraften är proportionellmot 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 mellanmätningar bli utsträckta (både i tid och position längs spåret).

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

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

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

Industriell relevans och förut känd teknik, som hänför sig till fastspänningskraften hoskwfiiètfffiec- För att hålla en kontinuerligt svetsad räls på plats vid korrekt spårvidd, spänns rälsen fastmot sliprarna med ett befästningssystem. I\/långa befästningssystem använder en elastiskklämma, som håller rälsen med en viss kraft. Ibland kan fastklämningskraften reduceras ochklämman kan t.o.m. gå sönder. Om flera klämmor efter varandra missas, kan det vara ensäkerhetsfråga med tågurspårning som det värsta scenariot.

En viktig egenskap hos befästningen är att den ökar rälsböjningsstyvheten.

I\/|issade klämmor övervakas traditionellt genom manuell visuell inspektion. Till dags datoexisterar ett par automatiserade system, baserade på kameror och bildbearbetning för attfinna missade klämmor.

Industriell relevans och förut känd teknik för mätning av kontaktkraft hjul-räls.

I\/Iätningar av kontaktkraft hjul-räls används i olika applikationer. Sådana mätningar kananvändas för att finna diskontinuiteter i rälsen, såsom en skarp kant vid en svets, eller vidkorsningsspetsen för en spårväxel. Det används också ofta vid godkännandeförfarandet förnya järnvägsfordon för att bevisa säker och komfortabel resa, och för att begränsainteraktionskrafter 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 iolika konfigurationer.

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

SE 535848C2 beskriver ett kontinuerligt förfarande för att bestämmaspårstyvhet/nedböjning under användning av spårgeometrikvalitetsparametrar uppmättafrån en spårregistreringsvagn. Två olika mätsystem för spårgeometrikvalitet används, ochgenom attjämföra dem kan nedböjning hittas.

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

US 2006144129 anger ett beröringsfritt mätsystem för mätning av den vertikala styvhetenhos ett järnvägsspår. Systemet omfattar första och andra optiska emittrar som är monteradepå ett mätfordon och konfigurerade att emittera ljusstrålar som är detekterbara på denunderliggande ytan. En kamera är monterad på fordonet för att registrera avståndet mellanljusstrålarna när fordonet rör sig längs ytan. Avståndet mellan ljusstrålarna, som är enfunktion 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 starteller landning på landningsbanor) kan ett höghastighetsfenomen äga rum. När hastighetennärmar sig eller överskrider den kritiska våghastigheten för den sammanlagda strukturenspår-mark, ändrar spårresponsen dramatiskt karakteristika. Utbredande chockvågor alstrasav belastningen i rörelse. Detta orsakar intensiv vibration och stor nedböjning av marken.Den kortvariga lösningen är att begränsa högre hastighet genom påverkade områden. För attlösa problemet kan olika förfaranden att förstärka jorden användas.

Nuvarande förfaranden att detektera och kvantifiera vibrationsfenomen vid hög hastighetinnefattar t.ex. geodynamisk testning för att bestämma jordens skjuvvågshastighet ochstyvhet/modul, såväl som mätning av vibration när ett höghastighetståg passerar. Allanuvarande förfaranden instrumenterar emellertid spåret och/ellerjorden vid en specifiklokalisering, och kan inte användas på ett tåg i rörelse, för att övervaka större avstånd.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Som visats i bakgrundsavsnittet finns ett antal förut kända förfaranden för att bestämmanågra av de strukturella parametrarna förjärnvägsspår. Dessa förfaranden är emellertidantingen komplexa (dvs. kräver mer än en mätning), destruktiva (dvs. kräver ett snitt i rälsenför att bestämma rälsens spänningstillstånd), tidskonsumerande (icke-kontinuerligaförfaranden, där endast en position längs spåret mäts) eller fokuserade på endast enparameter. Alla förut kända förfaranden bestämmer endast en strukturell parameter permetod, eller kräver mer än en mätning.

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

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

Uppfinningen baseras på betraktande av och jämförande av reaktionen hos spåret i termerav rälsnedböjningskurva under påverkan av olika belastningar. Belastningar är i samtliga fallinteraktionsbelastningen mellan tåg-spår från mätfordonshjulet (s), och (om den strukturellaparametern rälsens spännings-tillstånd avses) även temperaturinducerade krafter ellerbelastningar i räls-stålmaterialet. Jämförelse görs med den teoretiska nedböjningskurvan hosen modell, som definieras genom strukturella parametrar. Genom att variera parametrarnahos 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 vidbara ett tillfälle, dvs. det är inte nödvändigt att genomföra mätningar vid olika tidpunkteroch/eller temperaturer.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig 1 visar ett exempel på ett system innefattande en sensorrad av laser/kameror anordnadeunder en järnvägsvagnskorg; Fig 2 är en illustration av geometriska oregelbundenheter (vertikala spårfel) (punktstreckadlinje) 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) frånfyra olika sensorer vid olika avstånd från det belastade hjulet; Fig 4 är en illustration av teoretisk nedböjningskurva och uppmätt nedböjningskurva vid enposition; Fig 5 visar den longitudinella kraftresultanten i vertikal riktning från geometriskaoregelbundenheter, s(x) (punktstreckad linje), och nedböjning, w(x) beroende av enbelastning i position 0 (heldragen linje) vid en temperatur av 30 ° C över SFT; och Fig 6 är ett flödesdiagram över förfarandet enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning hänför sig till ett förfarande för bestämning av strukturellaparametrar för ett järnvägsspår, omfattande en sensorrad som är konfigurerad att mätanedböjningskurvan hos rälsen, vilken är under påverkan av en eller flera krafter, tillsammansmed geometriska oregelbundenheter. Företrädesvis är sensorerna monterade undervagnskorgen hos ett järnvägsfordon vilket gör kontinuerliga mätningar längs rälsen möjliga.Nedböjningskurvan kan också skapas med en modell där olika parametrar påverkarnedböjningskurvan.

Uppfinningen är således i en första aspekt ett förfarande för att bestämma strukturellaparametrar för ett rälsspår under användning av ett mätsystem, som omfattar en sensorradkonfigurerad till att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheternahos en räls under påverkan av olika belastningar vid ett flertal punkter längs rälsen, och vidolika avstånd från belastningen/hjulet. Sensorraden ger också signaler som motsvararnämnda rälsoregelbundenheter, varvid sensorraden är positionerad i en järnvägsvagn intillkontaktpunkten mellan ett hjul och en räls; och en processor utformad till att bearbetasignalerna från sensorraden. Förfarandet omfattar vidare att mäta åtminstone de vertikalaoch/eller laterala oregelbundenheterna hos rälsen med sensorraden längs rälsen, ochdärigenom åstadkomma signaler motsvarande de geometriska oregelbundenheterna vidolika avstånd från hjul-belastning dvs under olika belastningspåverkan. En modellåstadkommes som beskriver nedböjningskurvan hos en räls varvid nedböjningskurvan ärberoende av strukturella parametrar för rälsen, och på belastningarna på rälsen, varvidmodellen lagras i processorn. I processorn jämföres nämnda geometriskaoregelbundenheter under olika belastningspåverkan, för att separera nedböjning beroendepå hjulbelastning(ar) från icke-belastade geometriska oregelbundenheter, och sålundagenerera en uppmätt nedböjningskurva. Ãtminstone en teoretisk rälsnedböjningskurvagenereras under användning av modellen genom att variera de strukturella parametrarnaoch belastningen i modellen. Ãtminstone en av nämnda teoretiska nedböjningskurvornajämföres med den uppmätta nedböjningskurvan för varje punkt hos rälsen, och destrukturella parametrarna för den teoretiska nedböjningskurvan som bäst matchar denuppmätta nedböjningskurvan fastställes.

Belastningarna är hjulbelastningar och temperaturinducerade longitudinella belastningar irälsen.

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

I\/|odellen som beskriver nedböjningskurvan hos en räls är företrädesvis vald bland linjär ellericke-linjär balkmodell med underlag, eller linjär eller ickelinjär FEI\/I-modell.

I en annan aspekt åstadkommer uppfinningen en anordning för bestämning av strukturellaparametrar för ett järnvägsspår med ett mätsystem som omfattatar en sensorrad konfigurerad till att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheternahos en räls under påverkan av olika belastningar vid ett flertal punkter längs rälsen, och vidolika avstånd från belastningen/hjulet, och att åstadkomma signaler motsvaranderälsoregelbundenheterna. Sensorraden är positionerad i en järnvägsvagn intillkontaktpunkten mellan ett hjul och en räls; och en processor konfigurerad till att bearbetasignalerna från sensorraden. Processorn är konfigurerad till att genomföra förfarandet enligtnågot av patentkraven 1- 8, genom att den är anordnad till att köra ett program. I enföredragen utföringsform omfattar sensorraden sensorer på båda sidorna av hjulen ilongitudinell riktning.

En statisk modell som är användbari uppfinningen kan innefatta följande parametrar: - Hjul- räls kraft - Rälsens böjstyvhet med extra påverkan av klämkraft hos befästning (proportionellmot 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 nedböjningmot tid) Kritisk hastighet för spåret.

Genom attjämföra nedböjningskurvan uppmätt med sensorerna med nedböjningskurvanberäknad 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 avspårmodul för att separera mellanläggsstyvheten hos befästningen från ballast ochundergrundsmodul.

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

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

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

Ett exempel på en mätuppställning allmänt betecknad 10 visas i fig 1 (rörelseriktning är x-riktningen). Uppställningen omfattar en sensorrad 12, som omfattar en uppställning av lasrar och kameror anordnade framför ett hjulpar 14. De fyra vertikala pilarna 16 illustrerarlinjelasrar som belyser en tvärsektion av rälsen 18 och de streckade linjerna 20 illustrerarkameravyn av laserlinjen. Sensorraden 12 är kopplad till en processor 22 konfigurerad attbearbeta signaler från sensorerna enligt ett program för bestämning av strukturellaparametrar för rälsen.

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

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

En beröringsfri temperatursensor, såsom en infraröd-termometer, används för att mätarälstemperaturen. Sensorn eller termometern kan riktas mot rälslivet eller rälsfoten.Temperatursensorn (T,,,,-,) används till att relatera bestämt spänningstillstånd (P/ong) hosrälsen till SFT (Tsft) enligt ekv 2.

De influerande huvudkrafterna som skapar en nedböjningskurva utgår från hjulen. Enmindre influerande kraft som tas i beaktande enligt denna uppfinning är den vertikala (z) ochlaterala (y) resultanten som kommer från longitudinella (x) krafter, när rälstemperaturenskiljer sig från SFT. Denna resultantkraft är proportionell mot andra derivatan av dengeometriska 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 somskiljer sig från SFT, såsom visas i ekv 1. d4v1/(x) dzva/(x) d2s(x)751? + Bong ¶ + HWOC) = QOÛÖ (X0) _ Bong TC; (1)Plong 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 somicke-belastad geometri. - y anger ökning av rälsböjningsstyvhet beroende på befästningar som sammanbinderrälsen och sliprarna.

- E är den elastiska modulen för rälsstålet.

- I är areatröghetsmomentet för rälsens tvärsektion (olika i vertikal och lateralriktning).

- P/ong är den longitudinella kraften (temperaturberoende spänningstillstånd) hosrälsen, som visar sig när rälstemperaturen, T,,,,-, ,skiljer sig från den spänningsfriatemperaturen Tsft (visad i ekv 2). - p anger spårmodulen.

- Q anger kraften mellan hjul-räls. - 6(x0) anger dirac-funktionen, som säkerställer att Q endast verkar vid hjulpositionen X0.- oz är värmeutvidgningskoefficienten för rälsstålet.- A är tvärsnittsarean hos rälsen.

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

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

Det existerar lösningari sluten form för ekv 1, om de okända strukturella parametrarna y, p,och P/Ong betraktas som konstanter som ger en linjär differentialekvation. Laplace/Fourier-tekniker kan också användas för att lösa ekvationen och jämföra/korrelera med uppmättnedböjning.

Med varierande okända termer blir ekv 1 icke-linjär, och icke-linjära numeriska lösningarbehövs.

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

En illustration av avläsningarna från alla fyra sensorer visas i fig 3. En specifik position ispåret, motsvarande positionen för sensor 1 vid x = 9,5m i fig 2, illustreras för alla fyrasensor med fyrkant (sensor 1), romb (sensor 2) stjärna (sensor 3) och ring (sensor 4). Det ärklart att belastningspåverkan från hjulet ökar när sensorer är placerade närmare hjulet.Avläsningarna från denna position, som bildar en nedböjningskurvemätning, illustreras i fig4, där också en teoretisk nedböjningskurva från modellen enligt ekv 1, visas som enheldragen linje. Som ett första försökjusteras alla fyra sensoravläsningarna så att sensor 1har en noll-avläsning.

När mätfordonet rör sig får varje position längs spåret ett mätprov per sensor, såsomillustreras i fig 3 - 4. Varje position längs spåret har sålunda mätningar med olika påverkanfrån belastningen. Detta är basen för att separera geometriska oregelbundenheter s(x) frånnedböjning w(x).

Om rälstemperaturen skiljer sig från SFT, kommer longitudinella krafter vara närvarande irälsen. 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 avoregelbundenheter/nedböjningskurva såsom visas i ekv 1. Fig 5 visar ett exempel påvertikalkraftresultant 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 attbestämma den strukturella parametern för rälsspänningstillstånd och SFT.

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

En möjlig dynamisk modell beskrivs genom differentialekvationen (3) 64 , 62 , Û ,I w(xt)+m w(xt)+c w(xt) VE av* 6:2 a: + kw(x, t) = Q6(x - vt) (3) w(x,t) är nu beroende av både position (x) och tid (t). Variabler som inte redan tidigarenämnts är: - m: ekvivalent massa för spåret per meter.- c: spårdämpning- v: fordonshastighet Att lösa den kritiska hastigheten med känd teknik ger relationen:2 2var = ä kEI (4) Ett flertal passager vid olika hastigheter krävs ofta för att se ökande asymmetri inedböjningskurvan och av detta bestämma de okända termerna för ekv 3 och 4.

Kalibrering De geometriska oregelbundenheterna som uppmätts med sensorraden skiljer sig från tid tilltid av olika skäl. Hjul-räls kontaktpositionen varierar och orsakar små höjdvariationer mellanvagnskorgen där sensorer är monterade och rälsen. Upphängningssystemet för vagnens hjuloch boggi orsakar också höjdvariationer. Till viss grad kan en tröghetsmätplattform nära sensorraden med accelerometrar och gyros kompensera för detta. En noggrann kalibreringär viktig där det säkerställes att hela sensorraden har samma höjdreferens. Detta kanexempelvis göras med en stållinjal med definierad rakhet kombinerad med enprecisionsinklinometer. 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 attanpassa modellen till mätningar och på detta sätt beräkna parametrarna. Ett sådantförfarande är Kalman-filtret, som förekommer i flera olika varianter beroende påmodellkomplexitet och linearitet/icke-linearitet. Exempel på andra förfaranden är familjenadaptiva filter och efterföljande I\/|onte Carlo-förfaranden.

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

Ett Kalman-filter som bestämmer de strukturella parametrarna enligt ekv 1-2 beskrivs i ekv 5- 14. Grundekvationen (ekv 5) beskriver positionsuppdateringen ()_<(n+1)) som löser nästaposition längs spåret och mätuppdateringen (v(n)). I denna implementation ärpositionsuppdateringen linjär med överföringsmatrisen F, och processtörning v(n).I\/lätuppdateringen är icke-linjär för vissa tillstånd och linjär för andra. Detta beskrivs medden icke-linjära funktionen h() som är beroende av filtertillstånden >_<(n) och mätbruset e(n).Understrykning anger en vektor och en linje över symbolen betecknar en matris. ao +1>=Eo1>+yXo1>= hooaøfø) (S) Kovariansen av v(n) betecknas Qwv(n)och kovariansen av e(n) betecknas Rc,,\,(n).Tillståndsvektorn >_<(n) innehåller följande tillstånd: šoflfllloo ëoo :Snow gon gon gon] <6) Vektorerna Ä/(n) och §(n) innehåller nödvändiga derivata vid positioner/sampel som spänneröver hela avståndet för sensorraden enligt: ¶(n)T = [m/(n) w"(n) WG) (n) w(n -1)....w(n - m) w"(n - m) WW (n - m)] (7) 501V = [son v(n) s(n-1) s"(n-1) ..... Hsçn-m) fln-m) ] (s) 11 Sökta parametervektorerISfi, g, y, Qspänner också över intervallet mellan n och n-m, såsomvisas för modulen g i ekv 9. g(fl)T=lM(fl) /101-1) /101-2) ----- --M(fl-m+1) LLM-m) l (9) I ett exempel enligt uppfinningen är n positionen 3,5 m till höger om hjulet, vid förstasensorpositionen, 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 10samplingar per meter, An = 0.1 m, blir antalet tillstånd, x, 279 (fl- 93 tillstånd, §- 62tillstånd, Isff -31 tillstånd, g -31 tillstånd, y- 31 tillstånd, Q- 31b tilllstånd) Positionsuppdateringsmatrisen f består av ett antal submatriser, visade i ekv 10.

"HI|| (10) oo oo tzq|o 00F-T000 oo oo OëootufloooOflhqloo ooQfi1|o oo oo E 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) + 120,4) (n)w”(n + 2) + w”(n) WG) (n + 1)An2 w”(n + 1) = 2 2 2 + 120,2) (n) (12)Wm + 1) I w(n2+ 2) + wên) _ w”(n :2)An2 _ w”(:1l)An2 + w(4)(n: 1)An4 + 170m) (n)ochs”(n + 1) = s”(n) + v52 (n)S01 + 1) I s(n - 1) + s(n + 1) _ s”(n)An2 + www) (13) 2 2 2 som ger grunden för E(w) och E(s).

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

I\/lätuppdateringen innefattar både linjära och icke-linjära uppdateringar. Den linjäramätuppdateringen är naturligt mätningar från sensorerna såsom i ekv 14. Med An = 0,1 m 12 motsvarar 10 samplingar en meter, och såsom framgår av ekvationen är sensorernaplacerade på en meters avstånd från varandra i detta exempel. 31101) = w(n) + S01) + 8101)y2(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 avnedböjning (w(n)) och geometriska oregelbundenheter (s(n)) tillsammans med ett mätfel (601))- I\/|ätningar av hjulkraften kan lätt inkorporeras som en mätuppdatering om sensorer förmätning av hjulkraft är tillgängliga.

Slutligen binder de icke-linjära uppdateringarna modellen från ekv 1 ihop med beräknadevärden på nedböjning och geometriska oregelbundenheter. Detta kan verkställas för varjeposition som omfattas av sensorraden, eller för att reducera beräkningskomplexiteten,endast vid positionerna för sensorerna som visas i ekv 15 y5 (n) = y(n)EIw(4) (n) + aEA(Tsft(n) - T(n))w”(n) +u(n)w(n) + aEA(Tsf1(n) - T(n))S”(n) + 8501) 11601) = 1/(11 - 10)E1w<4>(11 - 10) + aEA(TSft(11 - 10) - m1 - 10))w”(n - 10) +”(11 - 10)w(11 - 10) + aEA(TSft(11 - 10) - m1 - 10))S”(11 - 10) + e6(11)y7(11) = 1/(11 - 20)E1w<4>(11 - 20) + aEA(TSft(11 - 20) - m1 - 20))w”(11 - 20) +;1(n - 20)w(n - 20) + aEA(Tsft(n - 20) - T(n - 20))s”(n - 20) + e7(n)y8(11) = 1/(11 - 30)E1w<4>(11 - 30) + aEA(TSft(11 - 30) - 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 1implementeras som en mätuppdatering. Ett annat alternativ är att sträcka ut ekvationernamed 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 positionsuppdateringenoch mätuppdateringens fortskrider. Normalt behövs ca 10 - 20 meter för att separeranedböjning från geometeriska oregelbundenheter och ge adekvat bestämning av strukturellaparametrar. (15)

Claims (11)

:

1. Förfarande för bestämning av strukturella parametrar för ett järnvägsspår underanvändning av ett mätsystem som omfattar en sensorrad utformad till att mätaåtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos en räls underpåverkan av olika belastningar vid ett flertal punkter längs rälsen och vid olika avståndfrån belastningen/hjulet, och att åstadkomma signaler som motsvarar nämndarälsoregelbundenheter, varvid sensorraden positioneras i en järnvägsvagn intillkontaktpunkten mellan ett hjul och en räls; och en processor konfigurerad till attbearbeta signalerna från sensorraden, vilket förfarande innefattar att mäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos rälsenmed sensorraden längs rälsen, varigenom signaler åstadkommes som motsvarar degeometriska oregelbundenheterna vid olika avstånd från hjulet-belastningen, dvs underolika belastningspåverkan; att åstadkomma en modell som beskriver nedböjningskurvan hos en räls, varvidnedböjningskurvan är beroende av strukturella parametrar för rälsen och påbelastningar på rälsen, varvid modellen lagras i processorn; ochatt i processorn jämföra de geometriska oregelbundenheterna under påverkan av olikabelastningspåverkan, för att separera nedböjning beroende på hjulbelastning(ar) frånicke-belastade geometriska oregelbundenheter, varigenom en uppmättnedböjningskurva alstras; att alstra åtminstone en teoretisk rälsnedböjningskurva under användning avmodellen genom att variera de strukturella parametrarna och belastningen i modellen; att jämföra åtminstone en av de teoretiska nedböjningskurvorna med den uppmättanedböjningskurvan för varje punkt hos rälsen; och bestämma de strukturella parametrarna för den teoretiska nedböjningskurvan sombäst matchar nämnda uppmätta nedböjningskurva.

2. Förfarande enligt krav 1, där belastningarna är hjulbelastningar ochtemperaturinducerade longitudinella belastningar i rälsen.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, där de strukturella parametrarna är valda blandspårmodul, spänningsfri temperatur för rälsen, rälsens böjmoment, spårdämpning,kritisk hastighet för marken.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, där sensorraden för mätning av nämndaoregelbundenheter omfattar något av lasrar, laser och kamera, laser-doppler förhastighet, radar.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, där modellen som beskrivernedböjningskurvan hos en räls är vald bland linjär eller icke-linjär balkmodell medunderlag eller en linjär eller icke-linjär FEI\/I-modell. 10. 11. Förfarande enligt något av föregående krav, därjämförelsesteget omfattar användningav något av Kalman-filter, adaptiva filter, eller sekventiella I\/|onte Carlo-förfaranden. Förfarande enligt något av föregående krav, där det för att jämföra nedböjningskurvaföre och efter hjulet eller boggin för bestämning av kritisk hastighet, finns en liknandesensorrad monterad på den andra sidan av hjulet/boggin i longitudinell riktning, ochmäta oregelbundenheterna och således möjliggöra att detektera icke-symmetrisknedböjningskurva vid jämförelse mellan nedböjningskurva före och efter hjulet. Förfarande enligt krav 1 och 3, där spänningstillståndet för den strukturella parameternrelateras till spänningsfri temperatur genom att mäta rälstemperaturen med entermometer 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 attmäta åtminstone de vertikala och/eller laterala oregelbundenheterna hos en räls underpåverkan av olika belastningar vid ett flertal punkter längs rälsen (18) och vid olikaavstånd från belastningen/hjulet (14), och att åstadkomma signaler som motsvararnämnda rälsoregelbundenheter, varvid sensorraden (12) är positionerad i enjärnvägsvagn intill kontaktpunkten mellan ett hjul och en räls; och en processor (22)konfigurerad till att bearbeta signalerna från sensorraden, varvid processorn ärkonfigurerad till att genomföra förfarandet enligt något av kraven 1 - 8. Anordning enligt krav 9, där sensorraden omfattar sensorer på båda sidorna av hjulen ilongitudinell riktning. Anordning enligt krav 9 eller 10, ytterligare innefattande en termometer för mätning avrälstemperaturen.