專利名稱：車輪－軌頭作用力測量系統及測量方法
技術領域：
本發明屬于高精度測力系統及方法的范疇，其中的作用力是指在具有一定緩彎的下鋪軌道、從而存在攻角時在鐵路輪對與軌道軌頭之間的作用力。
當AOA為零度時，輪對的轉動速度110與該輪對所連接的車輛的平動速度120大小相等、方向也相同。這就使得車輪發生純轉動，該純轉動能轉變為車輪所連接車輛的純前進速度。而在AOA很大的另一種極端情況下，如

圖1所示，則鐵路車輛的平動速度120是轉動速度110和橫向速度130的合速度。在此情形中，橫向力FL是很大的，這就可能造成損壞、導致高維修成本，甚至可能導致脫軌，其中的橫向力FL如圖2所示是車輪50橫向速度130的函數。圖2還表示出了車輪50作用在外軌10上的垂直力FV。
在圖3中，用曲線300總體地表示了AOA、FL以及FV之間的一般關系。該曲線300是公知的，例如可在如下的參考文件中找到該曲線由美國機械工程師協會出版的《滾動接觸(Rolling Contact)的一般問題AMD-40》中第77-92頁的、由Kalker撰寫的“輪軌滾動接觸理論綜述(Review of Wheel-Rail RollingContact Theories)”一文中。在該圖線中，AOA為水平軸，且FL對FV的比值為縱坐標。當FL為零且AOA為零時，輪對的轉動速度直接轉變為車輛的前進速度。這樣的情況表示在圖3中的310點。在330區間，發生了橫向蠕滑，且橫向力FL隨著AOA數值的增大而增大。橫向蠕滑可被定義為平動速度120和橫向速度130相減差值與平動速度100的百分比。在區間320中，車輪與鋼軌表面之間的摩擦作用使得輪對出現嚴重的滑動。也就是說，FL對FL的比值達到了飽和值u1，在曲線300中，該飽和值即為摩擦系數350。例如，曲線340對應于對鋼軌進行潤滑的情況，其具有較低的摩擦系數。
在圖1中，軌道10、20具有一定的曲率，且AOA隨曲率成比例地增大。對于北美鐵路的三大件式轉向架，一種確定AOA的經驗方法是軌道一度的曲率對應于AOA值的1毫弧度。例如，在曲率為6度的彎道曲線上，轉向架前軸的AOA為6毫弧度。對于緩彎(也就是說曲率半徑大于1公里的、曲率為兩度或更小的彎道)的情況，由于AOA很小，所以橫向力也較小。測量緩彎中AOA的困難在于出現了相干影響。相干影響是由作用在軌頭上的垂直載荷和軌頭的形狀引起的。對于曲率為四度或更大的彎道，隨著相干影響變為最小，對橫向力的測量能達到很高的精度(基于AAR130型鋼軌和普通的橫伏式三大件轉向架)。
用于測量AOA的系統是已有的。美國專利5,368,260中就公開了一種路旁測距器，該測距器采用一束射向車輪的激光束，從而可測量圖1中所示的、車輪平面60與軌道10切線70之間的夾角AOA1。為了能完成此測量，需要在軌道上放置車輪檢測器，其可檢測到車輪的通過，從而啟動和停止測距器的工作。另外，還能測量平均速度。當每個車輪經過該路旁測距器時，該測距器能產生一個完整的輪廓圖像。從該圖像就可以計算出AOA。加拿大魁北克省H3Z 1L5地區韋斯特蒙市4390 De Maisonneuve地方的路旁檢測設備公司生產的這樣一種系統采用了一個在軌道旁精確定位的激光器，并基于反射回來的激光而仔細地確定出AOA。這些系統聲稱能將攻角測量值精確到1毫弧度(也就是3.44分的角度)。但是，這樣的系統是非常昂貴的，且需要不斷地進行保養和檢查，同時還易于被損壞。
另一種現有技術方案采用了一對垂直應變片，來對經過應變片所在位置處鋼軌的輪對進行測量。在1992年8月期的《技術摘要》(書號TD 92-010)中，Otter和Martin提出了一種用于測量攻角和橫向軌頭位移的耐用的傳感器。在AOA測量系統中采用應變片就使得系統價格降低，并易于維護，且相比于激光型系統不容易被損壞。但這樣的應變片系統在測量AOA方面精度沒有激光系統高，通常的精度在3-4毫弧度之間。
除了上面討論的這兩種系統之外，還可利用車載型系統對在軌道上行駛的軌道車輛的具體某一輪對的AOA進行測量。在1995年2月期的《技術摘要》(書號TD 95-004)中，Mace等人提出了一種車載型攻角測量系統。這種系統被安裝在各個輪對上，因而并不適于用在軌道旁測量列車所有輪對的AOA。
現有的光學激光式和應變片式路旁測量系統及方法是針對攻角的靜態測量的，該測量沒有考慮隨著輪對的經過而產生鋼軌失準、或當路旁測量系統出現位置失準時的動態情況，這些動態情況是由于土壤、軌道或枕木換轍器(tieshifting)受濕度、溫度、列車橫向力的影響而產生的。
需要能有這樣一種測量AOA的系統和方法，其便宜、耐用、不易損壞、并易于維護，且AOA的測量精度能達到在±50毫弧度的范圍內誤差在1到3毫弧度之間。另外，還需要這樣的系統和方法具有動態測量的能力，從而可補償位置失準產生的誤差。
另一個需求是去除AOA測量系統在緩彎測量時的相干影響，以提高測量的精度。盡管上述的要求是針對AOA測量系統，但可以理解對于任何其它用來測量鐵路輪對與下鋪軌道軌頭之間作用力的系統和方法來講，都存在去除相干影響的需求。
2.發明概述本發明提出了一種測量軌行車輛轉向架上前輪對和后輪對AOA的系統和方法。其中的方法通過如下步驟對攻角時間抽樣數據求導、定出導數中的峰值、根據所定出峰值而確定出攻角值，從而得到攻角的精確測量值，該方法能精確地定出鐵路輪對經過攻角傳感器上方的時間。
本發明的另一方面提供了一種系統和方法，其用于確定所有輪對的原始攻角，并只選出那些橫向力與垂直力的比值在預定范圍內的軌行轉向架的原始攻角，在該范圍內的數值表明轉向架的轉向行為良好，在所選出的原始攻角的基礎上計算出動態角偏差值，然后將所有的原始攻角減去該動態角偏差值，從而得到各個輪對的動態攻角。
更具體來講，本發明的系統和方法具有如下的特征。在軌道外軌上的一個第一點處，用一個第一垂直應變片測量出垂向力，用一個第一橫向應變片測量出橫向力，且用一個第一AOA應變片測得一個外側攻角時標信號。在內側軌上重復此過程，從而在速度的基礎上得到每個輪對的原始攻角值。外車輪的橫向力與垂直力比值被用來選擇那些使轉向架具有良好行駛狀態的原始攻角值，并對這些攻角值取平均值而獲得一個與任何位置失準相關的平均角偏差。為得到各個輪對的動態攻角值，使每個原始攻角值減去該平均角偏差，這樣就可以得到各個輪對的動態攻角。
本發明還提出了一種系統和方法，其用于去除某些系統和方法在測量緩彎軌道時的相干影響，其中的系統和方法用于測量鐵路輪對與下鋪軌道的軌頭之間的作用力，這樣的系統和方法例如(但并不限于)是在AOA測量中用到的。
圖11(a)表示了對垂直力的測量；圖11(b)表示了在圖11(a)中測量垂直力的同時對橫向力進行的測量；圖12(a)表示了對多個車輪的垂直力測量結果；圖12(b)表示了與圖12(a)中的車輪測量相對應的橫向力測量結果；圖13(a)表示了對攻角的測量結果；圖13(b)表示的是對圖13(a)中的測量值求導后的結果；圖14(a)表示了確定一個兩軸轉向架的攻角時的情形；圖14(b)表示了在相對兩軌上的AOA測量儀之間可能出現的失準現象；圖15表示了位置應變片在軌道上的布置；圖16表示了本發明中用于求出信號的數學矩陣關系；圖17表示了圖16矩陣關系式的逆陣；圖18中的圖線表示了用本發明的位置傳感器測得的垂直載荷對軌頭的作用效果。
路旁單元410包括一個計算機412，其可接收從模/數(A/D)轉換器414a、414b、414c、414d、414e、414f、414g以及414h輸送來的信號。這些A/D轉換器414從安裝在外軌10或內軌20上的如下一些應變片接收信號FLO(“外側”橫向應變片)、FLI(“內側”橫向應變片)、FVO(“外側”垂直應變片)、FVI(“內側”垂直應變片)、AOAO(“外側”攻角應變片)、AOAI(“內側”攻角應變片)、POSo(外側位置應變片)以及POSi(內側位置應變片)。這些數字數值被計算機412處理后儲存在一個本地數據庫416中。該數據庫416能永久或臨時地儲存這些數值。為進行儲存，計算機412可對這些從轉換器414輸入的數值進行預處理，或者也可以對這些數值執行完全的處理。
在遠程系統430中，有一計算機432通過通訊路徑440與路旁單元410中的計算機412保持通訊。可采用多種不同的通訊協議來完成此通訊。該通訊通路440根據一個呼叫協議等的協定進行工作，其可以是定期接通的，也可以是不定期接通的。計算機432訪問數據庫434，并可選地與一普通的監視器436、一普通的鍵盤(或者是鼠標和觸摸屏)438、或者一常規的打印機439相互連。容易理解這些外圍設備436、438、439可組成用于使用戶向計算機432輸入指令、數據等信息、以及從計算機輸出信息的任何合適的外圍裝置。事實上，該計算機432也可以反過來通過另外的通訊路徑(例如為互聯網)與一個或多個遠程系統(圖中未示出)進行通訊。圖4中所示的路旁單元410和遠程系統430只是可被用來實現本發明設計的多種實施形式中的一種。
下文將介紹應變傳感器是如何布置到常規軌道上的詳細內容。在圖5中，外軌10和內軌20上安裝了AOAO和AOAI兩個應變片。這些應變片是沿直線80布置的，該直線與外軌10的切線70垂直，外軌與內軌20的距離為DR。
在圖6中表示出了外軌10，在該鋼軌軌頭14和軌底18之間的軌腰12的相對兩側面上安裝了AOAo應變片600和610。應變片600和610被設置成直線80從它們的中心垂直穿過(如圖1和圖5所示)。這些應變片最好是焊接到鋼軌上的、對環境條件有耐受力的剪切型應變片。直線620是鋼軌10的中間軸，直線630與直線80和620垂直。這樣，如圖6所示，這對AOAO應變片600和610就精確地位于三條直線80、620、630的交點上。該交點被標記為點640。應變片600和610是用微焊/粘接的方法固定到鋼軌10上的，并用防水保護罩進行保護。AOA應變片被連接到電路中，以輸出一個AOAO信號，該信號被輸送到A/D電路414e中。圖中未表示出那對布置在內軌20上的AOAI應變片，這兩個應變片也以圖6所示的方式在直線80上定位，并產生一個輸送到A/D電路414f中的AOAI信號。應變片AOAO和AOAI可以是任何合適的傳感器，只要它們能測量車輪經過點640時的垂直剪切力即可。
在圖7中，表示出了現有技術中為測量外軌10的FVO力所設置的垂直應變片。該垂直應變片包括四個分開的應變片700、710、720和730。應變片700和710以相對的位置關系安裝在軌腰12的兩相對側面上，應變片720和730也是這樣布置的。應變片700和710、以及應變片720和730都是以中軸線620為中心對稱布置的。在一種優選實施例中，兩對應變片距離直線650的距離740是相同的，直線650是框格(crib)的中心線(也就是位于兩相鄰枕木之間的直線)，其中的距離例如是在約3.5英寸到8.5英寸之間，且框格的標稱值約為五英寸。應變片對還被布置成距離鋼軌墊板(圖中未示出)的距離750有一最小值，例如距離墊板(圖中未示出)至少為兩英寸。由于在枕木之間的鋼軌會發生彎曲，所以這樣進行布置是很重要的。這些應變片與電路相連接，以向A/D電路414c發送一個FVO信號。內軌20的垂直應變片(圖中未示出)以相同的方式圍繞直線80在內軌上定位、布置，并被連接到電路中而向A/D電路414d發送信號FVI。
在圖8中，表示了安裝在外軌10上、用于測量FLO的橫向應變片。一對應變片800、810被安裝在軌底16的相對兩側，且應變片對820和830也這樣進行安裝。每對應變片都被布置在距離框格中心線650預定的距離處，其中的距離對應于上述針對垂直應變片對的布置進行介紹時的距離740。它們也被布置在對應于上述距離值750的預定位置上。這些應變片被連接到電路中，從而可產生一個FLO信號，此信號被輸送到A/D電路414a中。內軌20上的垂直應變片(圖中未示出)也以相同的方式圍繞直線80定位、布置，且也被連接到電路中，以產生一個輸入到A/D電路414b中的信號FLI。
在圖15中表示了安裝在外軌10上用于測量POSo的位置應變片。一對應變片1500和1510被安裝到軌腰12的相對兩側面上，且應變片1520和1530也這樣進行安裝。每對應變片都位于離中心線630為預定距離1540的位置處，其中的距離例如為五英寸(可以是任何尺寸，但最好能大于三英寸)。如圖4所示，這些應變片是用來測量POSo的傳感器，它們連接到A/D電路414g上。用在內軌上的位置應變片POSi(圖中未示出)是以與上述方式相同的方式定位、布置在內軌20上，并向A/D電路414h發送信號。
參見圖6、7、8以及圖15，無論是在外軌上還是在內軌上，用于測量FV、FL、AOA和POS的各個應變片傳感器都是以直線80上的點640為中心布置的。根據本發明，這些傳感器被精確地安裝到外軌10和內軌20上。
各個應變片的信號從鋼軌10、20處輸送到路旁單元410的途徑可以有很多種，且該傳輸是如何實現的也不是本發明的主題所在。在當前的優選例中，A/D電路被布置在路旁單元410中的一塊電路板上。在其它變型形式中，A/D電路414可位于軌道上的任何其它位置處。
本發明的方案需要確定出速度S。在圖5以及其它的常規方法中，在軌腰12上安裝了兩個應變片S1和S2，用于檢測車輪何時從它們上面滾過。由于兩應變片S1和S2之間的距離DS是已知的，所以用很普通的方法就可以得到速度S。在本發明的技術方案中，也可以采用其它許多種用于測量速度的常規技術。下文中將結合圖10對本發明中采用應變片測量速度的優選實施例進行討論。
總之，圖5-8表示了本發明優選實施例中的各個應變片在軌道上的安裝布置。容易理解在本發明的教導下，可以采用任何其它適于用在鐵路場合中的普通應變片傳感器。另外，在本發明的技術方案中，應變片傳感器和它們對應的A/D轉換器之間也可以采用任何合適的電路連接形式。
下文針對本發明中的一個優選實施例介紹本發明的工作方法。如所要闡述的那樣，本發明的工作方法包括一種獨特的措施來更為精確地確定出車輪是在何時滾到點640處的那個AOA應變片的正上方的，并提供了一種獨特的過程，來確定出由于應變片位置失準而產生的任何偏差值，這樣就可以得到一個動態的攻角值。
在圖9中，表示了一種優選實施例中用于確定攻角值的方法。在900步驟，計算機一最好是計算機432從數據庫434中得到FVO、FVI、FLO、FLI、AOAO、AOAI、POSo和POSi。容易理解這些數值是通過常規過程先前從計算機輸入到數據庫434中的。這些數值對應于應變片416a、416b、416c、416d、416e、416f、416g和416h的輸出量。它們是從A/D轉換器414輸出的時間采樣數據。所有這些應變片416都利用大小已知的力作了回零標定。
在本發明的一種優選應用形式中，沿輪軌1000按照已知的間距設置了幾個路旁單元410a、410b和410c。這樣的設計可參見圖10，各個路旁單元(WU)通過通訊路徑440與遠程系統430保持通訊。容易理解可以用合適的理想間距設置任何數目的路旁單元(WU)，本發明的技術方案也并不僅限于圖10所示的情形。
可在所設置的應變片FL、FV和AOA的基礎上計算出列車的速度S，其中，此過程或者是利用各單個應變片，或者是將這些應變片組合起來進行分析。如圖10所示，在該優選實施例中，垂直應變片FV被用來求得速度S。這樣的測量方法就代替了先前在對圖5所示實施例進行討論時、用單個應變片416e進行測量的方法。同樣，可以理解，速度S可用任何合適的常規方法來測得，這些方法包括此處具體討論的兩種方法。
采用了幾個由應變片組成的“框格”1020，它們以已知的間距布置著。一個“框格”至少包括在外軌10和內軌20上都布置著的兩組垂直力應變片FV和橫向力應變片FL。由該“框格”的長度、以及每個車輪經過這些垂直應變片所用的時間就可以算出速度S。每個垂直應變片被設置成可檢測到出現最大垂直力的時刻。從該時間值就可以得到車輪通過這兩個垂直應變片所用的時間差。路旁系統410可具有幾個由應變片直接相連組成的“框格”1020。其中至少有一個“框格”具有一對AOA應變片。
在另一種變型中，以很大的間距分開設置了三個路旁系統410。每個路旁系統都具有至少兩個或多個“框格”。且所有的路旁系統都將數據發送向其中的一個路旁系統，該系統作為一個主數據整理系統。
在另一個實施例中，圖10中的路旁單元可通過通訊路徑1010(圖中以虛線表示)與其它路旁單元進行通訊。在該實施形式中，WU1和WU3沒有通過通訊路徑440a和440c連接向遠程系統430。在本發明教導下，可以有很多種可能的變型形式。對于其中的一種變型形式，WU2作為一個遠程系統而與WU1和WU3直接進行通訊，這樣就取消了遠程系統430。另外，一個路旁系統中也可以包括多個路旁單元。
在圖9的910步驟中，對FV數值進行處理來確定出垂直力的峰值。當車輪經過垂直應變橋時就會產生一個單峰值，如圖7所示，其中的應變橋是由應變片700、710、720和730組成的。在圖11(a)中表示了FV數據的示例圖線。圖11(a)中表示的當車輪經過圖7所示垂直應變片時的情況。圖中橫軸為合適的時間單位，此單位例如為采樣數，豎軸的單位為千磅(KIPS)。在圖11、12和13中，數據的采樣率為每秒500次。圖11(a)中的曲線代表在本發明中所產生的FV數據的形式。在圖12(a)中，曲線1100也表示的是FV，但卻是由其它車輪壓過時測得的。因而，在圖12(a)中，兩輛相鄰的軌道車輛之間就用一個區域1210隔開，軌道車輛1220具有兩個轉向架1222和1224。在步驟910中，本發明的處理過程確定出在時間點1140時產生的一個FVO峰值1130(即外軌10的峰值)。該峰值大致上對應于車輪壓過圖7所示垂直應變片700、710、720和730的中間點640時的時間。
這樣，在步驟910中，確定出了圖11(a)中表示為1130點的FVO峰值，再由該峰值1130定出時間點1140。在得到該時間1140的情況下，確定出對應的橫向力FLO值(即外軌10的橫向力)。在圖11(b)中，表示了橫向力FLO的曲線1200，橫向力是從圖8中的橫向應變片800、810、820和830得到的。在時間1140時，橫向力FLO的值為1210。該橫向力值對應于垂直力達到峰值點1130時的同一時刻1140。以這樣的方式，就可確定出外軌10、內軌20上的FL和FV，并為每一車輪、每一鋼軌計算出橫向力與垂直力的比值(即FL除以FV)。
在步驟920中，確定出每個輪對的速度S。如上文提到的那樣，圖10所示的該優選實施例中，沿輪軌1000以已知的間距設置了路旁單元410的各個垂直應變片FV1-FV12。利用此信息，就可以計算出各個輪對的速度S。在步驟920中確定出速度對求出AOA是很重要的。該速度信息還被用在其它的工作中，例如用于計算軸距或車廂的類型等等。由于在經過各個路旁工作單元410的各對應變片時速度可能是不同的，所以要計算出每一輪對的速度S。這樣，就確定出了每一輪對的速度S。
在步驟930中，對車廂的類型進行識別。在此步驟中，計算機訪問一個車廂類型查詢數據庫940，該數據庫中儲存著所有相關車型的軸距、空車重量和重車重量。在各個輪對速度的基礎上，根據垂直應變片的峰值之間的精確時間就可以確定出轉向架中輪對之間的間距(見圖12(a)，圖中用箭頭1250代表此間距)。基于此精確的間距值，就可以從車型數據庫940中查出車輛的車型。輪對間距等車型數據通常是可得到的，或者是按照本發明的教導車型數據是由各個車型的實際讀取數據匯編而成的。對后者的情況，由于車型是基于實際測量的基礎上得到的，所以后者的方法是優選的。
在步驟950中，本發明的計算機按照如下的過程找出AOA峰值。在圖13(a)中，表示了一種示例的AOA應變片(見圖6)輸出隨時間的變化關系。在步驟950中，按照本發明的方法對曲線1300進行了求導運算。這樣就形成了圖13(b)所示的曲線1310和一個峰值1320。按照所示的采樣率時標，得到了圖13(a)中的一個時間點1302。本發明利用從AOA應變片得到的、且表示在圖13(a)中的數據的導數而得到圖13(b)中的對應各點1312。這些數據點1312并不能指明峰值1320的位置點1340，所以在各個峰值1320周圍都用一個時間窗口1330來找出導數最大值所在的時間點TP。該導數點1340對應于信號1310具有最大陡度1350的位置，該點反過來對應于當車輪剛好滾過點640處的AOA應變片正上方的時刻。
參見圖13(b)，可以注意到點1340位于兩個數據點1312(e)和1312(f)之間。在步驟950中，本發明的方法采用了常規的多項式擬合對窗口1330中峰值1320周圍的數據進行處理，而求出位于時間TP時的該數值1340。容易理解也可以用其它的數學對各個數據點1312進行處理而找出該峰值點1340。另外，不難理解采樣率越高，曲線1300的精度越高。對在每一條鋼軌上的每一個車輪，以及每一個AOA應變片的每一個峰值1340都執行這種確定數值1340的過程。
在步驟950中，本發明的方法將圖13(a)中的曲線轉變為其導數曲線1310，并用多項式擬合的算法來估算出曲線1300的最大陡度1350。由于信號是采樣測量的，而不是連續的，所以必須要采用估算的方法。總而言之，本發明的方法可測出外軌10和內軌20上的輪對40、50的攻角值。這是通過測得(通過傳感器AOLO和AOLI)輪對中每個車輪的攻角時間采樣數據900而實現的。然后，對各個車輪的時間采樣數據作求導運算(見圖13(b))。定出峰值點1320，并選定位于一預定窗口1330中的時間采樣數據1312，這樣就可以利用多項式擬合等的方法計算出真實的峰值點1340。這就確定出了時間點TP950，從而可如下文討論的那樣確定出AOA原始值。
在960步驟中，確定出兩相對鋼軌10、20上的每對AOA應變片的攻角原始值。再返回來參見圖1。該原始攻角被定為直線80和90之間的夾角。在圖1中，車輪50(當列車在M方向前進時為前導車輪)將首先壓過外軌10上安裝的AOA應變片。當此情形發生時，系統確定出精確的時間TPO(車輪50滾過外軌10上的AOA應變片所在點640的時間)。然后本發明的系統檢測并確定出時間TPI(車輪40滾過內軌20上的應變片所在點640的時間)。從這兩個時間之間的時間差、內軌10與外軌20的距離DR(見圖5)以及輪對的速度S就可以計算出原始攻角，該計算是通過常規的小角近似方法(即當小角度時，θ角的正切值等于θ角的弧度值)進行的。對每一輪對(即每一車軸)都確定出該AOA原始值。
在步驟990中，通過從步驟900得出的每個數值中去除掉相干影響值而得到高精度的FV、FL和POS值。圖16表示了由各個應變片測得的信號與鋼軌上的力、位置的實際值之間的關系。在一個理想的系統中，aVV＝aLL＝aPP＝1，且其它的項都為0。對于這樣的系統，信號值就直接等于它們對應的作用力和位置。但在實際的系統中，aVV＝aLL＝aPP＝1，但其它的項不為零。對于這樣的系統，信號值是FV、FL和POS按一定百分比組成的合值。
如果相干項始終為常數，也就是說不會隨FV、FL或POS的大小而變化，則就可以利用圖16中的矩陣、并如圖17中所示的FV、FL和POS值求解式那些將各個信號解成高精度的數值。在圖16中，“信號”是指從應變片得到電壓值，其中FV、FL、POS代表力和位置的實際值；以及aij等于FV、FI、POS之間的相干項(例如，aVP，aLP等)。
如果各相干影響項不是線性的，則上述的方法就是不完備的了，在這樣的情況下，就要采用諸如普通的迭代方法等更為復雜的算法。
相干影響項—無論是如圖16中那樣為矩陣中的常數項、還是其它更為復雜的關系式，都必須要在圖8所示的情形中通過對每一對信號(416a到416h)進行標定試驗來確定。該標定過程是通過在軌頭上的各個位置點處施加垂直載荷和橫向載荷來進行的。系統對這些載荷的響應圖線就展現出了相干影響關系。
圖18是一個示意圖，表示了某條鋼軌上的一對應變片輸出的POS信號。其中的應變片例如為圖15所示外軌上的POSo。在圖18中，在軌頭表面上施加了兩個不同的垂直載荷。作為第一載荷的重量A要大于一個重量B的第二載荷。當重量A或B被精確地作用在軌頭的中線上時(即“在鋼軌上的位置”為零)，“位置信號”等于零。隨著載荷移向軌頭的任一側，如圖所示那樣，“位置信號”增加，且“位置信號”與軌頭由于受負載重壓而發生彎折的程度成比例。如從圖18中可看出，較重的載荷A產生的“位置信號”的值較大。例如，在位置點1800處，重量B的位置信號值為1810，而重量A的位置值為1820。軌頭1860表面1860的形狀也對“位置信號”的值有影響，且在標定過程中，要對針對該形狀進行校正。例如，利用一個液壓泵在表面1860上的多個(例如為四個)點處施加垂直載荷，該載荷從0連續增大到25,000磅，同時測量輸出的POS信號。在作用有一系列固定大小的垂直力條件下，在軌頭上的多個點處施加用于執行標定的橫向力。
圖9中的步驟990被用來提高測得信號的精度，以支持步驟970和980的工作，該步驟取決于對FL＝FV的精確估算。對于緩彎(半徑大于1,000米)或很輕的車輛，步驟990是非常重要的，其中對于輕車輛，是由于FV在數值上很小而需要步驟990的。步驟990可用在任何測量鐵路輪對與下鋪輪軌的軌頭之間橫向力、垂直力和/或AOA力的系統和方法中。步驟990將相干影響從各個垂直力、橫向力和/或AOA傳感器的原始檢測數據中去除掉。本發明并不僅限于去除AOA測量系統在測量緩彎時的相干影響—不論它們是靜態AOA系統還是本文中討論的動態AOA系統。
在970步驟中確定出動態的角度失準。在實際的鐵路環境中，鋼軌10和20可能會響應于土壤的松動、熱膨脹、缺陷車輪、牽引力、以及鋼軌自身的實際物理位移等因素而移動，其中鋼軌的物理移動是由于鋼軌受車輛及其所裝載載荷(也可能是空車，對于一列車廂，各個車廂中的裝載情況是不同的)的作用而產生的。這樣，參見圖5可看出，應變片AOAO和AOAI可能并不是沿直線80精確對齊的。而是如下文將要討論的那樣，隨車軸與車軸的不同而有很大的動態變化。
在圖14(b)中，表示了實際情況中應變片AOAO和AOAI的位置，它們的位置可能并不沿直線80精確地對齊，事實上，它們可能是沿兩條平行的直線80a和80b排列著，從而形成一個角偏差AO或失準誤差。此現象的原因是多樣的例如是由于列車通過而出現的縱向移動、軌道下方的地面松移、溫度變化、牽引力作用、鋼軌10和20變形、由車輪滾過軌道1400產生振動造成的動態位移等。當變形且裝載著很大載荷的轉向架1400通過時會產生很大的機械振動，所以上述原因中的最后者肯定會造成應變儀移動。上述基于預定范圍提出的準則的目的在于根據在預定范圍內的各個輪對(例如為圖14(a)中的輪對1410和1420)得到一個AO平均值。數據被加到一起，并取平均數而得到一個數值，該數值近似于由于角偏差AO而產生的任何失準，其中的角偏差或者是永久性的—例如是結構的變形，或者是動態的—例如是應變儀在縱向上位移。將該AO平均值應用于所經過列車上的每個輪對求，就可確定出各個輪對的動態AOA。經過的列車可具有任何數目個車廂，例如具有八十五個車廂。對于下一列列車，將為該列車確定一個新的AO平均值。
步驟960中獲得的原始AOA包含此由于應變片失準(或動態角偏差)的影響成分。在步驟970中，方法對列車中的所有“轉向架”(也就是說，一個被定義為具有兩個車軸、四個車輪以及其它相關部件的轉向架)進行檢查，以識別出那些轉向架的行為是良好的。當其AOA工作點在靠近圖3中點310位置時，轉向架的行為是正確的。對于這些轉向良好的轉向架的后軸，取它們原始AOA的平均值。該平均值就近似等于動態角偏差，該偏差是由于AOA應變片(即圖5中的AOAI和AOAO)的動態角失準而產生的。然后，所有軸的原始AOA值都減去該平均值，由此來消除該角偏差的影響。盡管上述的過程是優選的，但其它的實施方式也能接近于圖線300中的點310、或者是為列車的不同段提供不同的平均值。
在本優選實施例的教導下，有兩種可能的方式能找到那些具有良好轉向的轉向架。當轉向不良的轉向架通過曲線時，由于曲線軌道的外側軌受到的橫向力很大，所以要采用外軌10上前輪(即圖14(a)中轉向架1400的車輪1422)的FL∶FV值。在該優選實施例中，采用了如下兩條選擇準則1.當前軸1423在外軌10上的車輪1422的FL∶FV小于0.1，就將該轉向架選擇為轉向良好的，或者2.當前軸1423在外軌10上的車輪1422的FL∶FV大于0.1，但小于0.17，且后輪的FL∶FV與前輪的FL∶FV的比值小于0.5，就將該轉向架選擇為轉向良好的。
將所有符合上述預定條件的轉向架的后軸1413的原始AOA值加起來，且從該總和計算出平均值，該平均值對應于由于失準而引起的動態角偏差。在步驟970中，該平均值是通過用選出后軸1413的數目去除總和值來得到的。
用上述兩條準則來選出轉向架的理論基礎如下所述1.如果轉向架的轉向是適當的，則其前軸1423和后軸1413 FL∶FV都應當是很小的值，且前軸1423的FL∶FV要大于后軸1413的FL∶FV值。如果前軸1423低于某個選擇閾值時，則其后軸1413就將是轉向良好的，且在實際上垂直于外軌10和內軌20。FL∶FV等于0.1的閾值條件就滿足這一原則。
2.如果前軸1423的FL∶FV高于上述步驟中的閾值0.1，但低于一個稍高的閾值(例如為0.17)，如果后軸1413的FL∶FV小于前軸FL∶FV的一半，且轉向架仍然能被選擇。
不難理解上述的兩方面內容代表了一種優選實施方式，且在某些實施例中，可單獨選擇采用第一個選擇范圍或第二個選擇范圍。另外，在實際工作中，還可根據列車/軌道的設計而改變上述的范圍值0.1、0.17和比值0.5，已經發現，對于其它國家的鐵路尤其需要這樣。
范圍值0.1、0.17和比值0.5都受系統所分析的FL和FV實際值的影響。如果FL和/或FV是很小的值，則由于在它們之間存在相干影響，它們可能在同一個大小的數量級上。因而，步驟990能選擇出可用來確定動態角偏差的合適的車軸。步驟970動態地確定出由于圖5所示的應變片AOAO和AOAI的位置失準而引起的平均角偏差。盡管在此處采用的是平均值算法，但也可以用其它的數學方法來估算該角偏差值。
在步驟980中，本發明的方法用該步驟中確定出的、由動態失準引起的平均角偏差來確定各個車軸的實際動態AOA值。現在，只要使步驟950中得到的各個原始AOA值減去該平均角偏差值就能得到各個車軸的動態AOA值。
可以理解盡管圖9中展示出了本發明的一種優選實施例，但該圖中提出的各個步驟之間的實際次序是可以改變的，且這些步驟可以是在不同的循環進程中完成的—例如是在兩個循環進程中完成。
圖14(a)中表示了一軌道車輛的轉向架1400，其具有一個前軸輪對1420和一個后軸輪對1410。輪對1410具有一個外側車輪1412和一個內側車輪1414。輪對1420具有一個外側車輪1422和一個內側車輪1424。在圖14(a)中，在M方向上前進的轉向架1400上的后輪對1410形成了一個攻角AOA，該攻角是由上述討論的應變片AOLO和AOAI確定出的。轉向架1400上的前輪對1420在較早時形成一個攻角AOA，該攻角由應變片AOAO和AOAI測得。
可從時間的觀點來以另一種方式對本發明的方法進行表述；TRAW＝TAOA+TAO公式1式中TRAW為在圖14(a)的情形中，外側車輪滾過AOAO的時間與同軸的內側車輪滾過AOAI的時間之間的時間差。
TAO是AOAO和AOAI由于如圖14(b)中所示那樣位置失準而造成的時間差。
TAOA為由攻角引起的時間差。
TAOA＝TRAW-TAO公式2如公式2所示，根據本發明的方法，由于位置失準而造成的時間差可被估算出來，并從原始時間中減去該時間差。余下的時間差就是由攻角引起的。由于隨著速度的增大，由攻角而造成的滯后時間越小，所以該滯后也是速度的函數。如果速度和時間的數據已經被轉換成了角度值，則公式1和公式2也可以表達成角度的形式。
容易理解也可以用統計學方法等其它方案來得到一個中間值，在本發明的公開范圍內，可采用任何數學方法來對由AOAO和AOAI位置失準造成的角偏差進行估算。
一旦估算確定出了圖13(b)中的峰值點1320(即對應于圖13(a)中的最大陡度點1350)、從而定出數據點TP之后，就可以估算出AO效應和速度S。預定范圍(即選出準則)假定這些車軸屬于小攻角、小橫向力的轉向良好情況。這也就隱含著反向的逆假設(即小橫向力就具有小攻角)，但該逆假設并不是必然成立，這是因為甚至在大攻角的情況中，小重量或低摩擦也會減小橫向力。但是，本發明的方法是選擇那些小橫向力的車輪，并從滯后時間角度估算出一個零攻角，由此來得到一個由軌道上的AOAO和AOAI位置失準而產生的平均AO值，其中的位置失準或者是靜態的、或者是動態的，也可以是二者兼之的。然后，將該平均AO值用于整個列車的測量中。
總而言之，本發明公開了用于測量軌行車輛轉向架上前輪對和后輪對動態攻角的方法。在其中的優選實施例中，在步驟960中確定出所有輪對的原始攻角。然后，步驟990中利用POS去除相干影響而使FV和FL的估計值精確化，從而進一步提高精度。然后，在步驟970中，選擇那些橫向力與垂直力比值在設定范圍(或數值)內的轉向架的原始攻角。選擇出的這些轉向架在軌道上具有良好的轉向行為。然后，在所選擇出的原始攻角的基礎上計算出動態角偏差。之后，步驟980使所有輪對的原始攻角值減去該角偏差，從而得到各個輪對的動態攻角。
不難理解盡管上述的討論是針對具有四根車軸的鐵路車輛。但本發明的教導也適用于六軸的機車以及其它類型的軌行車輛。
上述中去除相干影響的方法可用在任何用于測量垂直和/或橫向力的系統和方法中，其中的橫向和/或垂直力是在鐵路輪對和下鋪軌道的軌頭之間產生的。總之，本發明提出了對鐵路車輛的輪對與下鋪軌道的軌頭之間的作用力進行測量的方法。本發明在下鋪軌道的一個已知位置點處獲得軌道車輛各輪對中至少一個車輪的力數據。在下鋪軌道上的得到力數據的該位置點處，還同時檢測位置數據。檢測到的位置數據用此位置點處的軌頭表面的形狀以及軌道車輛的重量進行標定，這樣就能去除掉所測得力數據中的相干影響，去除掉相干影響的該力值是高精度的。
上文中公開了本發明的多個實施例。但本領域技術人員可以理解在本發明的教導和范圍內，還可以有多種其它適當的設置形式或實施形式—盡管這些形式在本文中沒有具體闡述，其中，本發明的范圍應當僅由所附的權利要求進行限定。
權利要求
1.一種用于測量軌行輪對的攻角的方法，所說方法包括步驟測得輪對上每個車輪攻角的時間采樣數據；對每個車輪的時間采樣數據進行求導運算；定出各個時間采樣數據導數中的峰值；在所定位出的峰值的基礎上，確定出一個攻角值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于其中測得攻角時間采樣數據的步驟中還包括步驟在軌道的外軌上的一個第一點處，以設定的時間采樣率檢測外側的攻角作用力；在軌道的內軌上的一個第二點處，以所說的設定時間采樣率檢測內側的攻角作用力，其中的內側點和外側點位于一條垂直于外軌切線的直線上。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于其中定出各個峰值所在時間點的步驟包括選擇在各個峰值周圍的一個預定窗口內的時間采樣數據。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于用多項式擬合的方法對各個預定窗口內的時間采樣數據進行處理而定出峰值點。
5.一種用于測量軌行輪對的攻角的方法，所說方法包括步驟測得輪對上每個車輪攻角的時間采樣數據；對每個車輪的時間采樣數據進行求導運算；定出各個時間采樣數據導數中的峰值；選擇在各個所說峰值周圍的一個預定窗口內的時間采樣數據；在各個預定窗口內，根據所選擇的時間采樣數據，計算出各個定出峰值所在的時間點；在所確定出的已定峰值的時間點的基礎上，確定出一個攻角值。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于其中的計算步驟采用了多項式擬合的方法。
7.一種用于測量軌行軌道車輛轉向架的前輪對和后輪對的動態攻角的方法，所說方法包括步驟確定出所有輪對的原始攻角；只選擇上一步驟的所有原始攻角值中的某些攻角值，這些攻角值對應于橫向力與垂直力比在一個預定范圍內的軌行轉向架的數值，在此情況中，所選擇轉向架具有良好的轉向行為；在所選擇出的轉向良好轉向架的原始攻角的基礎上計算出一個動態角偏差；使所確定出的所有輪對的原始攻角值都減去計算出的動態角偏差，從而得到各個輪對的動態攻角。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于其中確定原始攻角的步驟包括在軌道外軌上的一個第一點處，當外側車輪從該第一點正上方通過時，用一個第一攻角傳感器測量各個外側輪的外攻角值；在軌道內軌上的一個第二點處，當內側車輪從該第二點正上方通過時，用一個第二攻角傳感器測量各個內側輪的內攻角值，其中的第二點位于一條垂直于第一點處外軌切線的直線上。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，外側輪位于第一點正上方以及內側車輪位于第二點正上方的時間是這樣確定出的對從對應攻角傳感器獲得的時間采樣數據進行求導；在一個設定的時間采樣數據窗口內定位出導數的峰值時間，從而就可得到在該峰值時間時的攻角值。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于定位峰值的過程采用了多項式擬合的方法。
11.根據權利要求7所述的方法，其特征在于其中的選擇過程包括步驟在軌道外軌的一個第一點上，(1)用一個第一垂直應變片測量垂直力，(2)并用一個第一橫向應變片測量橫向力；確定出每個轉向架的每一前輪對的外側車輪在該第一點上時，測得的橫向力與測得的垂直力之間的比值；判斷所說比值是否在一個設定的范圍內，如果在該范圍內，就對與那些在設定范圍內比值相對應的所有其它前輪所連接的后輪的攻角值作平均運算，從而得到一個平均角偏差。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于所說設定范圍為小于0.1的范圍。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于所說設定范圍還包括如果比值在0.1到0.17之間，但后輪的力比值與前輪力比值的比值小于0.5。
14.一種用于測量在外軌和內軌上行駛的輪對的攻角的方法，該方法包括步驟在軌道外軌的一個第一點上，(1)用一個第一垂直應變片測量垂直力，(2)用一個第一橫向應變片測量橫向力，(3)當外側車輪滾過第一點的正上方時，用一個第一攻角傳感器測量外側車輪的外攻角值；在軌道內軌的一個第二點上，(1)用一個第二垂直應變片測量垂直力，(2)用一個第二橫向應變片測量橫向力，(3)當內側車輪滾過第二點的正上方時，用一個第二攻角傳感器測量內側車輪的內攻角值，第二點位于與第一點處的外軌切線垂直的直線上；測量各個輪對的速度；在速度、外側攻角值和內側攻角值的基礎上確定出該輪對的原始攻角值；確定出當外側車輪在第一點上時、測得的橫向力與測得的垂直力之間的比值；判斷該比值是否在一個設定的范圍內，如果在該范圍內，就對與那些對應比值在該設定范圍內的所有其它輪對的攻角值作平均運算，從而得到一個平均角偏差；通過使各個原始攻角值減去所說平均角偏差而得到對應輪對的動態攻角值，就計算出了各個輪對的動態攻角。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于外側輪位于第一點正上方以及內側車輪位于第二點正上方的時間是這樣確定出的對從對應攻角應變片獲得的時間采樣數據進行求導；定位出導數的峰值時間，從而就可得到在該峰值時間時的攻角值。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于定位峰值時間的過程采用了多項式擬合的方法。
17.一種用于測量在外軌和內軌上行駛的軌道車輛轉向架上前輪對和后輪對攻角的方法，該方法包括步驟在軌道外軌的一個第一點上，(1)用一個第一垂直應變片測量垂直力，(2)用一個第一橫向應變片測量橫向力，(3)當外側車輪滾過第一點的正上方時，用一個第一攻角傳感器測量外側車輪的外攻角值；在軌道內軌的一個第二點上，(1)用一個第二垂直應變片測量垂直力，(2)用一個第二橫向應變片測量橫向力，(3)當內側車輪滾過第二點的正上方時，用一個第二攻角傳感器測量內側車輪的內攻角值，第二點位于與第一點處的外軌切線垂直的直線上；測量各個輪對的速度；在速度、外側攻角值和內側攻角值的基礎上確定出該輪對的原始攻角值；確定出當各個轉向架前輪對的外側車輪在第一點上時、測得的橫向力與測得的垂直力之間的比值；判斷所說比值是否在一個設定的范圍內，如果在該范圍內，就對與那些在設定范圍內比值相對應的所有其它前輪所連接的后輪的攻角值作平均運算，從而得到一個平均角偏差；通過使各個原始攻角值減去所說平均角偏差而得到對應各個輪對的動態攻角值，就計算出各個輪對的動態攻角。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于所說設定范圍為小于0.1的范圍。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于所說設定范圍還包括如果比值在0.1到0.17之間、但后輪的力比值與前輪力比值的比值小于0.5的情況。
20.一種用于測量軌道車輛的輪對與下鋪軌道的軌頭之間作用力的方法，所說方法包括步驟在下鋪軌道的一個位置點處，對所說輪對中的至少一個車輪測量力數據；檢測下鋪軌道上所說位置點的位置數據，用該位置處的軌頭表面形狀以及在該位置處的軌道車輛的重力作用來對檢測到的位置數據進行標定；在所檢測到的位置數據的基礎上，去除所測得力數據中的相干影響；在去除相干影響的基礎上得到一個力值。
21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于所說力數據是由位于下鋪軌道的所說位置處的一個垂直力應變片傳感器測得的垂直力。
22.根據權利要求20所述的方法，其特征在于所說力數據是由位于下鋪軌道的所說位置處的一個水平力應變片傳感器測得的水平力。
23.根據權利要求20所述的方法，其特征在于還包括步驟從布置在下鋪軌道的所說位置處的水平應變片、垂直應變片和攻角應變片中的至少之一接收力數據。
24.根據權利要求20所述的方法，其特征在于還包括步驟用作用在軌頭表面上的已知力對檢測出的位置數據進行校正。
25.一種用于測量軌行車輛輪對攻角的方法，其中的軌道具有以個緩彎，所說方法包括在下鋪軌道的一個位置處，測得在具有緩彎曲線的軌道上行駛的輪對的每個車輪的攻角數據；檢測下鋪軌道上所說位置點的位置數據，用該位置處的軌頭表面形狀以及在該位置處的軌道車輛的重力作用來對檢測到的位置數據進行校正；在所檢測到的位置數據的基礎上，去除所測得的攻角數據中的相干影響；在去除相干影響的攻角數據的基礎上得到一個攻角值。
26.根據權利要求26所述的方法，其特征在于測數據過程是指測得時間采樣數據的過程。
27.一種用于測量軌行車輛的前輪對和后輪對的動態攻角的方法，所說方法包括步驟確定所有輪對的原始攻角；從測得的原始攻角中去除相干影響；只選擇上一步驟的所有原始攻角值中的某些攻角值，這些攻角值對應于橫向力與垂直力比在一個預定范圍內的軌行轉向架的數值，在此情況中，所選擇轉向架具有良好的轉向行為；在所選擇出的轉向良好轉向架的原始攻角的基礎上計算出一個動態角偏差；使所確定出的所有輪對的原始攻角值都減去計算出的動態角偏差，從而得到各個輪對的動態攻角。
28.根據權利要求27所述的方法，其特征在于確定原始攻角的過程還包括步驟在軌道外軌的一個第一點上，當外側車輪滾過第一點的正上方時，用一個第一攻角傳感器測量外側車輪的外攻角值；在軌道內軌的一個第二點上，當各個內側車輪滾過第二點的正上方時，用一個第二攻角傳感器測量內側車輪的內攻角值，第二點位于與第一點處的外軌切線垂直的直線上；測量各個輪對的速度；在速度、外側攻角值和內側攻角值的基礎上確定出輪對的原始攻角值。
29.根據權利要求27所述的方法，其特征在于外側輪位于第一點正上方以及內側車輪位于第二點正上方的時間是這樣確定出的對從對應攻角應變片獲得的時間采樣數據進行求導；在一個設定的時間采樣數據窗口內定位出導數的峰值時間，從而就可得到在該峰值時間時的攻角值。
30.根據權利要求29所述的方法，其特征在于定位峰值的過程采用了多項式擬合的方法。
全文摘要
本發明公開了一種用于對輪對與下鋪軌道的軌頭之間的作用力進行測量的系統和方法，例如是用在攻角測量中的方法和系統。在一個路旁系統中對行駛在軌道上的車輛的轉向架前輪對和后輪對的攻角進行測量。在外軌的一個第一點處，用一個第一垂直應變片對垂直力進行測量，用一個第一橫向應變片對橫向力進行測量，并用一個第一攻角應變片對外側攻角時標信號進行測量。在內軌上重復此過程，從而在速度和時間差的基礎上動態地得到各個輪對的原始攻角值。用位置應變片測得的位置信號來去除掉相干影響，從而進一步提高精度。所檢測出的位置信號用作用在軌頭上的已知力進行標定。
文檔編號G01D21/02GK1455227SQ0214152
公開日2003年11月12日 申請日期2002年4月29日 優先權日2002年4月29日
發明者M·A·德姆波斯基, K·D·哈斯 申請人:運輸技術中心公司