一種測力輪對連續測量方法及解耦算法與流程

2023-05-09 19:46:17

本發明涉及軌道車輛輪軌力測量領域，具體涉及一種測力輪對輪軌作用力和接觸點位置連續測量方法及解耦算法。

背景技術：

輪軌作用力的測量對於動力學，脫軌機理、輪軌接觸理論研究和列車的安全檢測都具有十分重要的意義。鐵路運輸不斷向高速、重載，大運量和高精密度方向發展，對輪軌作用力的測量的精度提出了更高的要求。測力輪對方法是目前最直接、最準確的輪軌力測量技術，它以車輪作為輪軌力的檢測傳感器，通過測量車輪輻板有限點處的應變實現輪軌接觸力的連續檢測。車輛運行過程中，車輪受到軌道不平順作用，輪軌力是時變、非平穩的。輪軌力引起的輻板應變又被車輪轉角所調製。測力輪對技術在測量理論和數據處理方法上都需要進一步研究。

測力輪對技術經過幾十年的發展，在車輛動力學試驗中得到廣泛使用，但在輪軌力連續測量中仍存在很多問題。如專利申請號：200910244626.6中所提到的測力輪對連續測量方法，目前的連續測力輪對技術要求輪軌橫向力、垂向力產生的輻板應變組橋後沿圓周方向按正、餘弦分布，這不僅對輪對的均勻性和貼片工藝提出了很高的要求，實際上在輪對輻板大部分區域是根本做不到，電橋輸出中包含的高次諧波可能帶來很大的測量誤差。測力輪對存在的另一個問題是沒有考慮輪軌作用點位置變化對測量精度的影響。車輛在運行過程中，輪對與軌道的接觸點在滾動圓附近不停變化，尤其是在過曲線、道岔和蛇形運動時，接觸點位置遠離滾動圓。國內現有的測力輪對基本都沒有考慮接觸點位置變化，標定實驗、數據處理都假設接觸點在滾動圓上，測量結果誤差較大。

技術實現要素：

本發明的目的在於解決上述技術中所存在的不足，提供一種新穎的應變片組橋方案和輪軌作用力和接觸點位置解耦算法，通過此方案，不僅可以提高橫向力和垂向力的測量精度，而且可以測量輪軌作用點位置。

為了實現上述目的，本發明是通過以下技術方案來實現的：

一種測力輪對連續測量方法，包括第一組測量電橋、第二組測量電橋、第三組測量電橋和第四組測量電橋；

所述第一組測量電橋由一個關於軸對稱的、布置在軸上且輸出是正弦波的測量電橋和一個關於軸對稱的、布置在軸上且輸出是餘弦波的測量電橋組成，且測量輪對旋轉角度θ；

所述第二組測量電橋為兩個關於軸對稱的、貼在輻板內側且輸出只包含了奇次諧波的測量電橋，用於測量輪軌作用的作用力和作用點位置；；

所述第三組測量電橋和第四組測量電橋為貼在輻板內側且輸出只包含了奇次諧波的測量電橋，用於測量輪軌作用的作用力和作用點位置；

優選的，所述第一組測量電橋在所述的測力輪對旋轉360°的周期內，分別輸出一個正弦波形和一個餘弦波形。

優選的，所述第一組測量電橋與所述測力輪對軸連接，用於對所述測力輪對的旋轉角度進行測量；

第二組測量電橋、第三組測量電橋和第四組測量電橋與所述測力輪對輻板連接，用於對所述測力輪對的輪軌作用力和作用點位置進行測量；所述作用力包括橫向力和垂向力。

所述第二、三、四組測量電橋在測力輪對旋轉360°的周期內的輸出只包含了奇次諧波。

優選的，所述第一組測量電橋包括測量半橋a和測量半橋b，所述測量半橋a和測量半橋b中均設有應變片，所述應變片均布置在所述測力輪對軸上的同一個圓周上；

所述應變片為電橋臂；所述測量半橋a中的應變片包括第一應變片和第二應變片；所述第一應變片和第二應變片之間夾角為180°，且第一應變片和第二應變片關於軸對稱；

所述測量半橋b中的應變片包括第三應變片和第四應變片；第三應變片和第四應變片之間夾角為180°，且第三應變片和第四應變片關於軸對稱；

所述第一應變片和第三應變片之間夾角為90°。

優選的，所述第二組測量電橋包括測量半橋a和測量半橋b，所述測量半橋a和測量半橋b中均設有應變片，所述應變片均布置在所述測力輪對軸輻板內側的同一個半徑圓周上；

所述應變片為電橋臂；所述測量半橋a中的應變片包括第五應變片和第六應變片；所述第五應變片和第六應變片之間夾角為180°，且第五應變片和第六應變片關於軸對稱；

所述測量半橋b中的應變片包括第七應變片和第八應變片；第七應變片和第八應變片之間夾角為180°，且第七應變片和第八應變片關於軸對稱；

所述第五應變片和第七應變片之間夾角為90°。

優選的，所述第三組測量電橋包括測量半橋a和測量半橋b，所述測量半橋a和測量半橋b中均設有應變片，所述應變片均布置在所述測力輪對軸輻板內側的同一個半徑圓周上；

所述應變片為電橋臂；所述測量半橋a中的應變片包括第九應變片和第十應變片；所述第九應變片和第十應變片之間夾角為180°，且第九應變片和第十應變片關於軸對稱；

所述測量半橋b中的應變片包括第十一應變片和第十二應變片；所述第十一應變片和第十二應變片之間夾角為180°，且第十一應變片和第十二應變片關於軸對稱；

所述第九應變片和第十二應變片之間夾角為90°。

優選的，所述第四組測量電橋包括測量半橋a和測量半橋b，所述測量半橋a和測量半橋b中均設有應變片，所述應變片均布置在所述測力輪對軸輻板內側的同一個半徑圓周上；

所述應變片為電橋臂；所述測量半橋a中的應變片包括第十三應變片和第十四應變片；所述第十三應變片和第十四應變片之間夾角為180°，且第十三應變片和第十四應變片關於軸對稱；

所述測量半橋b中的應變片包括第十五應變片和第十六應變片；所述第十五應變片和第十六應變片之間夾角為180°，且第十五應變片和第十六應變片關於軸對稱；

所述第十三應變片和第十六應變片之間夾角為90°。

一種根據測力輪對連續測量方法所得出的測力輪對旋轉角度θ的解耦算法，所述第一組測量電橋測出的測力輪對旋轉角度θ作為已知條件，並採用kalman濾波的方法建立計算輪軌作用力和作用點位置的觀測方程組並來計算輪軌作用力和輪軌作用點位置。來計算測力輪對旋轉角度θ。

本發明測力輪對連續測量方法及解耦算法，其有益效果在於：用一組布置在測力輪對軸上的測量電橋，來準確的測量輪對旋轉角度θ，再用三組布置在測力輪對輻板上的測量電橋，來測得六組關於測力輪對的橫向力，垂向力和作用點位置的數據。由於輪對旋轉角是一組單獨的電橋在測量，且通過擴展kalman濾波來得到其估計值，在後續的橫向力，垂向力和作用點位置的解耦計算中，輪對旋轉角可以作為一個已知條件來對方程進行約束，使得後續的解耦計算相對簡單，且更加準確。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1所示為本發明實施例測量裝置的第一組測量電橋布置位置示意圖；

圖2所示為本發明實施例測量輪對旋轉角度的第一組測量電橋示意圖；

圖3所示為本發明實施例測量裝置的第二、三、四組電橋布置位置示意圖；

圖4所示為本發明實施例測量輪對橫向力、垂向力和作用點位置的第二、三、四組測量電橋示意圖；

圖5所示為本發明實施例解耦算法流程圖；

1-第一組測量電橋，2-第一應變片，3-第二應變片，4-第三應變片，5-第四應變片，6-第二組測量電橋，7-第三組測量電橋，8-第四組測量電橋，9-第五應變片，10-第六應變片，11-第七應變片，12-第八應變片，13-第九應變片，14-第十應變片，15-第十一應變片，16-第十二應變片，17-第十三應變片，18-第十四應變片，19-第十五應變片，20-第十六應變片。

具體實施方式

下面結合具體實施例及附圖來進一步詳細說明本發明。對本發明實施例中的技術方案，解耦算法進行清楚的、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分具體實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明實施例測量方法包括第一組測量電橋1，與測力輪對的軸相連接，用於對所述測力輪對的輪對旋轉角度進行測量；

第二組測量電橋6，與測力輪對的輻板相連接，用於對所述測力輪對的橫向力，垂向力和作用點位置進行測量。

還包括第三組測量電橋7，用於對所述測力輪對的橫向力，垂向力和作用點位置進行測量。

還包括第四組測量電橋8，用於對所述測力輪對的橫向力，垂向力和作用點位置進行測量。

第一組測量電橋1在測力輪對旋轉360°的周期內一個測量電橋的輸出為正弦波形，而另一個測量電橋的輸出為餘弦波形。

其中，第二、三、四組測量電橋在測力輪對旋轉360°的周期內的輸出只包含了奇次諧波。

由於輪對的結構多種多樣，輻板有曲輻板和直輻板之分，所以所述測量電橋的應變片在所述測力輪對上的具體布置要根據測力輪對的不同型號，通過計算機仿真來確定。

下邊通過RD2貨車輪對為實例來進行說明，本發明實施例不能列出所有類型的測力輪對，所以只舉一個例子說明如何具體的布置應變片，對於其他實施例，只要採用在輪對軸上布置測量電橋來測量輪對旋轉角度，在輻板上布置三組對稱電橋來測量輪軌作用力和作用點位置相結合的布橋方案，都在本發明實施例所述的布橋方案之內。

圖1所示為本發明實施例測量裝置的第一組測量電橋1布置位置示意圖；採用一個關於軸對稱的，布置在測力輪對軸上，距離輪對輻板的距離為47cm且輸出為正弦波的測量電橋，另外一個關於軸對稱的，布置在測力輪對軸上，距離輪對輻板的距離為47cm且輸出為正弦波的測量電橋所組成的第一組測量電橋1來測量輪對旋轉角度θ；

圖2所示為本發明實施例測量輪對旋轉角度θ的電橋示圖；如圖5,第一組測量電橋用於測量所述測量輪對的輪對旋轉角度θ。

所述第一組測量電橋1包括測量半橋1和測量半橋2，本組內的所用應變片，均布置在測力輪對軸上的同一個圓周上。

其中，測量半橋a包括，第一應變片2是一個電橋臂，第二應變片3是一個電橋臂，所述第一應變片1和第二應變片2之間的夾角為180°，所述第一應變片1和第二應變片2是關於軸對稱的；

其中，測量半橋b包括，第三應變片3是一個電橋臂，第四應變片4是一個電橋臂，所述第三應變片3和第四應變片4之間的夾角為180°，所述第三應變片3和第四應變片4是關於軸對稱的；

所述的第一應變片2和第三應變片4之間的夾角為90°；

由於在極短的時間內(一個採樣周期)車速不會發生明顯變化，即短時間內輪對轉動角速度不會發生明顯變化。實際上車輛在運行過程中車速的變化(加速、減速過程及速度隨機變化量)導致輪對轉動角速度存在一個隨機變化，設其模型如下:

θk＝θk-1+wk-1 (1)

其中，wk-1為服從高斯分布的隨機變化量。

本發明實施例在軸上0°和180°貼一組對稱橋，在90°和270°貼一組對稱橋。軸上的應變是周期為2π的一次諧波，在恆定載荷作用下，(0°,180°)的測量電橋輸出的應變信號為

ε(θ)＝Fcosθ

間隔90°的(90°,270°)的測量電橋輸出的應變信號為

F為與載荷成比例的係數

兩式相除：

yk＝θk+vk (2)

其中yk是輪對旋轉角度θ的正切觀測量，θk是輪對旋轉角度，vk是觀測噪聲。

式(1)和式(2)組成了測力輪對旋轉角度θ的狀態空間模型

根據kalman濾波器方程，其狀態方程和測量方程為：

Xk＝AXK-1+Wk-1

Yk＝CXk+Vk

其中，Xk為第k次採樣的狀態向量，Yk為測量值；Wk、Vk為過程噪聲和測量噪聲，A為狀態轉移矩陣，C為量測矩陣。由測力輪對旋轉角度θ的狀態空間模型可得：

Xk＝[θk-1],Yk＝[yk],

A＝[1]，C＝[1]

通過軸上的兩組間隔90°的測量電橋的輸出，可以估計出任意時刻的輪對旋轉角度θ，但是由於測量噪聲的影響，如圖5，本發明通過kalman濾波器503來利用前一時刻對當前時刻的預測值和當前時刻的觀測值更新狀態估計量，通過遞歸推算，得到輪對旋轉角度θ504的估計值。

圖3所示為本發明實施例測量裝置的第二、三、四組電橋布置位置示意圖；

所述第二組測量電橋6的測量應變片布置在測力輪對輻板內側，距離車輪中心302cm的圓周上，

所述第三組測量電橋7的測量應變片布置在測力輪對輻板內側，距離車輪中心228.5cm的圓周上、

所述第四組測量電橋8的測量應變片布置在測力輪對輻板內側，距離車輪中心148cm的圓周上

圖4所示為本發明實施例測量輪對橫向力、垂向力和作用點位置的第二、三、四組測量電橋示意圖；

如圖5,第二、三、四組測量電橋502用於測量所述測量輪對的橫向力Q,垂向力P，作用點位置Z。

如圖4所示，所述第二組測量電橋包括測量半橋a和測量半橋b，本組內的所用應變片，均布置在測力輪對同側輻板距離車輪中心302cm的圓周上。

其中，測量半橋a包括，第五應變片9是一個電橋臂，第六應變片10是一個電橋臂，所述第五應變片9和第六應變片10之間的夾角為180°，所述第五應變片9和第六應變片10是關於軸對稱的；

其中，測量半橋b包括，第七應變片11是一個電橋臂，第八應變片12是一個電橋臂，所述第七應變片11和第八應變片12之間的夾角為180°，所述第七應變片11和第八應變片12是關於軸對稱的；

所述的第五應變片9和第七應變片12之間的夾角為90°；

所述第三組測量電橋7包括測量半橋a和測量半橋b,本組內的所用應變片，均布置在測力輪對同側輻板距離車輪中心228.5cm的圓周上。

其中，測量半橋a包括，第九應變片13是一個電橋臂，第十應變片14是一個電橋臂，所述第九應變片13和第十應變片14之間的夾角為180°，所述第九應變片13和第十應變片14是關於軸對稱的；

其中，測量半橋b包括，第十一應變片15是一個電橋臂，第十二應變片16是一個電橋臂，所述第十一應變片15和第十二應變片16之間的夾角為180°，所述第十一應變片15和第十二應變片16是關於軸對稱的；

所述的第九應變片13和第十一應變片15之間的夾角為90°。

所述第四組測量電橋8包括測量半橋a和測量半橋b，本組內的所用應變片，均布置在測力輪對同側輻板距離車輪中心148cm的圓周上。

其中，測量半橋a包括，第十三應變片17是一個電橋臂，第十四應變片18是一個電橋臂,所述第十三應變片17和第十四應變片18之間的夾角為180°，所述第十三應變片17和第十四應變片18是關於軸對稱的；

其中，測量半橋b包括，第十五應變片19是一個電橋臂，第十六應變片20是一個電橋臂，

所述第十五應變片19和第十六應變片20之間的夾角為180°，所述第十五應變片19和第十六應變片20是關於軸對稱的；

所述的第十三應變片17和第十五應變片19之間的夾角為90°。

車輪輻板的應變是橫向力Q、垂向力P、作用點位置Z和輪對旋轉角度θ的函數s＝f(Q，P，Z，θ)。

本發明在輻板上採用應變片對稱布橋，即同一半徑上軸對稱的兩個應變片布置在電橋的相鄰臂上，在恆定載荷下，輻板某一點的應變是輪對旋轉角度θ的周期函數，周期函數可以分解為正、餘弦級數的和。由於輪對是均勻、軸對稱的，受到的載荷也是對稱的，因此，在某個半C徑上的應變大小隻與貼片位置與載荷作用點的角度有關。因而，與該點軸對稱的點的應變等於該點旋轉180°後的應變，因此，當組橋時將軸對稱的應變片放置在電橋相鄰臂上，兩個應變片的組合輸出是均值為零和偶諧波也為零的周期波。

輻板的應變，只與輪軌力的大小、作用點位置和輪對旋轉角度θ有關，在極短時間內，每個採樣點得到的輪軌力值相對於其前一個採樣點有微小變化。由於輪軌力受未知軌道激勵等各方面不確定因素的影響，其變化情況呈現出一定的隨機性。

QK＝QK-1+wQk-1 (3)

PK＝PK-1+wPk-1 (4)

同樣的，認為在極短的時間內(一個採樣周期)，輪軌接觸作用點在原作用點基礎上發生一個隨機變化。根據標定試驗，在車輛運行時(即使產生蛇形運動)時，作用點位置一般在名義滾動圓附近20mm以內擺動。設現在採樣時刻的作用點位置關於前一時刻的變化規律為：

ZK＝ZK-1+wZk-1 (5)

式(3)、(4)、(5)組成了測力輪對測量模型的狀態轉移方程，可以得到測量過程中三個狀態量Q、P、Z關於時間的關係。

將其寫成狀態向量形式x＝[Q，P，Z]T,可得

xK＝xK-1+wK-1 (6)

wK-1為觀測噪聲。

通過上訴實施例中的第二組，第三組，第四組測量電橋，得到一個觀測方程組505，將上述推算得到的θ估計值代入式s＝f(Q，P，Z，θ)，建立觀測方程組

其中，vik為其對應的觀測噪聲。

式(6)和(7)組成了測力輪對測量模型的狀態空間模型。根據kalman濾波器方程，其狀態方程和測量方程為：

Xk＝AXk-1+Wk-1

Yk＝CXk+Vk

其中，Xk為第k次採樣的狀態向量，Yk為測量值；Wk、Vk為過程噪聲和測量噪聲，A為狀態轉移矩陣，C為量測矩陣。由測力輪對測量模型的狀態空間模型可得：

n＝1，3，5，7

在測量輪軌力測量過程中，認為過程噪聲和測量噪聲是均值為0的高斯噪聲。使用擴展kalman濾波器中的時間更新方程和狀態更新方程，就可以通過遞歸推導得到較為準確輪軌作用的橫向力，垂向力和作用點位置。

作為本發明實施例的效果在於，用一組單獨布置在測力輪對軸上的測量電橋，來準確的測量輪對旋轉角度，再用三組布置在測力輪對輻板上的測量電橋，來測得六組關於測力輪對的橫向力，垂向力和作用點位置的數據，降低了對輪對的均勻性和貼片工藝的要求。由於輪對旋轉角是通過一組單獨電橋測得的，且通過kalman濾波來得到其估計值，在後續的橫向力，垂向力和做有點位置的解耦計算中，輪對旋轉角可以作為一個已知條件來對方程進行約束。同時，橫向力，垂向力和做有點位置的解耦計算也通過擴展kalman濾波計算的，使的測量更加準確。且整個發明實施例中，只用了16個應變片，降低了整個測量成本。

以上所述的具體實施方式，對於本發明的技術路線，布橋方案，解耦算法和有益效果進來了詳細的說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡是在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改，等同替換，改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。