车轮-轨头作用力测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。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，如附图说明图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FL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FL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FV。在图3中，用曲线300总体地表示了AOA、FL以及FV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FL对FV的比值为纵坐标。当FL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FL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，FL对FL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。2.专利技术概述本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。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表示了本专利技术中用于求出信号的数学矩阵关系；图17表示了图16矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：MA德姆波斯基，KD哈斯，
申请(专利权)人：运输技术中心公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]