一种磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态测量方法与装置

1.本发明属于磁悬浮技术领域，尤其涉及一种磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态测量方法与装置。


背景技术：

2.ems电磁悬浮型技术被应用于600km/h高速磁悬浮、120km/h中低速磁悬浮，其基本原理是置于悬浮轨下方的车载电磁铁通电而产生可控磁场，与轨道梁上的铁磁性构件互相吸引，将列车向上吸起悬浮于轨道梁上。磁浮列车悬浮模块电磁铁与悬浮轨之间的间隙一般为8-10mm，需要控制器实时感知磁浮列车状态量(悬浮间隙、速度、加速度等)，动态调整电磁铁的励磁电流来保持悬浮气隙的稳定。
3.磁浮车辆与轨道梁通过磁轨作用关系实现耦合，悬浮控制器第一任务是保证磁浮系统悬浮间隙的稳定，要求其具有抵抗外界荷载变化、磁场不均匀、轨道梁挠曲、功能件不平顺的能力，这些干扰会影响悬浮控制系统的性能，严重时会使系统失去稳定。轨道梁及功能件是具有一定刚度的弹性体，在动态电磁力作用下，将产生弹性变形量和永久不均匀变形，形成的随机不平顺将直接改变悬浮间隙，若不平顺幅值或一阶变换率较大，将严重恶化磁轨作用关系，影响车辆运行安全性和乘坐舒适性。因此，ems磁浮系统轨道梁、功能件静态不平顺检测可为磁浮系统日常运维提供数据支撑。
4.以轮轨系统为例，轨道不平顺测量技术体系已趋于完善，主要包括惯性基准法、弦测法、光学跟踪测量法、光学摄像法、惯导连续测量法，可覆盖轮轨系统不同工作状态下的测量需求，包括动静态不平顺、长波、短波、空间几何线型等。而磁浮系统正走向大规模工程化阶段，其轨道不平顺测量技术仍处于探索阶段，目前在用的测量技术包括车载式的惯性基准法、光学摄像法，其中惯性基准法频带有限，无法实现磁浮系统全速度域不平顺测量；光学摄像法对测量环境要求较高，对极端恶劣工作环境下测量误差较大。且上述测量装置研制成本高、日常养护标定频繁。
5.磁浮车辆和轨道梁等基础结构通过磁轨关系长期耦合作用下，基础结构状态持续演变向上映射至功能件表面形成不平顺，将直接改变悬浮间隙，进而改变控制器的输入。磁浮系统轨道梁(梁跨范围24m)、功能件(轨排长度范围1.5～12m)静态不平顺测量可为控制器反馈参数优化和几何调整提供数据支撑，本专利提出一种磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态测量方法与装置，涉及两方面内容：(1)测量方法同时可测不平顺的短波和长波成份，可测波长范围为20mm～24m，且在振动环境下保持测量精度；(2)所设计的静态测量装置，具备易操作、重量轻、成本低等优点。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态测量方法与装置，解决了检测磁浮系统较宽波长范围不平顺的问题。
7.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种磁悬浮系统轨道功能件不平
顺静态测量方法，包括以下步骤：
8.s1、依据磁浮系统制式，确定测量对象以及测量波长范围，并基于弦测法误差理论选取弦长和组合弦设计；
9.s2、根据弦长以及采样步长，计算得到测量弦阶数，并基于测量弦阶数选取最优弦测配置，确定组合弦的测量矩阵；
10.s3、根据组合弦的测量矩阵，构建测量模型；
11.s4、基于测量模型，结合最小二乘法建立复原模型，并根据复原模型使复原波形与原始波形误差最小；
12.s5、根据最优弦测配置以及最小误差，选取抗弯刚度强的测量弦，确定传感器安装位置，将测量弦固定在测量装置上，利用里程计按采样步长触发采集卡，并将数据上传至上位机，完成磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态的测量。
13.本发明的有益效果是：本发明提出了一种组合测量弦算法，实现长波、短波的同步测量，可测波长范围为20mm～24m，为磁浮系统提供一种可测轨道梁、功能件不平顺的静态测量技术，满足磁浮系统运维部门对轨道梁、功能件等基础设施日常静态检测与维修的需求。
14.进一步地，所述组合弦的长弦为1.5m，组合弦的短弦324为mm。
15.上述进一步方案的有益效果是：该组合弦的设计配置可实现测量波长范围20mm～24。
16.再进一步地，所述测量弦阶数的表达式如下：
17.γ＝l/δs
18.其中，γ表示测量弦阶数，l表示弦长，δs表示采样步长。
19.再进一步地，所述组合弦中长弦测量矩阵的表达式如下：
[0020][0021]
所述组合弦中短弦测量矩阵的表达式如下：
[0022][0023]
其中，m
1,i
表示长弦测量矩阵，m2表示短弦测量矩阵，b1表示中短弦短波传感器距离，b2表示第一传感器和第二传感器间的距离，j表示i的顺序编号，aj表示第j个传感器间距，i表示传感器编号，测量矩阵m
1,i
和m2中元素1所在的位置分别为
[0024]
再进一步地，所述测量模型包括长弦测量模型u
1,i
和短弦测量模型u2；
[0025]
所述长弦测量模型u
1,i
的表达式如下：
[0026][0027]
所述短弦测量模型u2的表达式如下：
[0028][0029]
其中，n表示波形离散信号的总长度，n表示测量弦阶数，yk表示第k个离散点，yn表示波形的第n个离散点，yn表示向量yk的矩阵表达。
[0030]
再进一步地，所述复原模型包括长弦最优模型和短弦最优模型；
[0031]
所述长弦最优模型的表达式如下：
[0032][0033]
所述短弦最优模型的表达式如下：
[0034][0035]
其中，表示复原波形。
[0036]
本发明还提供了一种磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态测量装置，包括走行轮、小车主车架、编码器、测量弦安装支架、测量弦以及传感器安装孔；
[0037]
所述走行轮的前后两轮通过轴承与小车主车架连接，所述编码器与所述小车主车架连接，并与轴承同轴转动，所述测量弦安装支架与所述小车主车架连接，所述测量弦与所述测量弦安装支架连接，所述传感器安装孔位于所述测量弦上。
[0038]
本发明的有益效果：
[0039]
(1)本发明提供了组合弦(长弦+短弦)测量方法研制的磁浮系统轨道梁-功能件静态测量装置，可用于测量磁浮轨道子系统中周期性波长成份以及随机不平顺，波长范围为20mm～24m，其可做成拆卸式装置，便于运输，可满足单人组装测试等操作，且对采集卡、传感器、上位机性能要求有限，成本可控且经济。
[0040]
(2)本发明提供的测量装置在振动环境下测量精度高。磁浮轨道梁和功能件之间的连接处存在接缝，测量装置在通过接缝时，会产生较大的冲击，属于脉冲荷载，因惯性测量法频带有限已不适用，而弦测法测量结果不受振动影响，仍保证较高的测量精度。
附图说明
[0041]
图1为本发明的方法流程图。
[0042]
图2为本发明中组合弦示意图。
[0043]
图3为本发明中组合弦配置示意图。
[0044]
图4为本发明中磁悬浮轨道梁-功能件静态测量装置示意图。
[0045]
图5为本发明中磁悬浮轨道梁-功能件静态测量装置测量示意图。
[0046]
图6为静态测量装置其他组成部分。
[0047]
其中，1-走行轮，2-小车主车架，3-编码器，4-测量弦安装支架，5-测量弦，6-传感器安装孔，7-轨道梁，8-测量装置，9-导向轨侧，10-悬浮轨侧。
具体实施方式
[0048]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0049]
实施例1
[0050]
目前国内ems型磁浮系统包括600km/h高速磁浮、200km/h中低速磁浮(f轨)、120km/h内嵌式磁浮，开通总里程约60km，正面临着保障运营安全和乘坐舒适性与未成熟的日常检测维修技术相矛盾的局面，本发明创造的技术方案解决了两方面问题：(1)采用组合弦方法可测磁浮系统较宽波长范围不平顺；(2)基于组合弦方法设计出一种磁浮系统基础结构静态不平顺测量装置，可用于高速磁浮、中低速磁浮、内嵌式磁浮等基础结构不平顺测量。为磁浮系统轨道梁、功能件(悬浮轨/导向轨)等基础结构不平顺日常检测与调整提供技术支撑。如图1所示，本发明提供了一种磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态测量方法，其实现方法如下：
[0051]
s1、依据磁浮系统制式，确定测量对象以及测量波长范围，并基于弦测法误差理论选取弦长和组合弦设计；
[0052]
本实施例中，本发明是为磁浮系统轨道梁、功能件等基础结构不平顺日常检测提供一种技术方案。磁浮系统制式包括高速磁浮系统、中低速磁浮系统、内嵌式磁浮系统，测量方法与测量装置应具有算法通用性和结构适应性。经调研发现，高速磁浮系统、中低速磁浮系统、内嵌式磁浮系统均采用了挠跨比较小、刚度较大、长度为24m的简支梁桥，功能件分别采用标准长度为3m、12m、2m的，用于磁浮车辆的悬浮和导向，综合考虑，测量方法具备测量波长2m-24m范围的周期性结构特征波长，同时可测悬浮/导向面的短波不平顺成份，这里最小波长考虑为20mm，本发明方案最终测量波长λ范围为20mm～24m。结合弦测法误差理论，最大弦长为可测最大波长的1/16，约1.5m，用于测量3～24m波长成份，最小弦长选为324mm，用于测量20mm～3m波长成份，组合弦方案如图2所示。
[0053]
s2、根据弦长以及采样步长，计算得到测量弦阶数，并基于测量弦阶数选取最优弦测配置，确定组合弦的测量矩阵{mi,i＝1,2,
…
k}，本发明中i＝2；
[0054]
所述测量弦阶数的表达式如下：
[0055]
γ＝l/δs
[0056]
其中，γ表示测量弦阶数，l表示弦长，δs表示采样步长，k表示传感器安装位置，i表示传感器的编号，mi表示传感器配置对应的测量矩阵。
[0057]
本实施例中，基于弦测法提出的长弦1.5m和短弦324mm组合。根据香浓采样定理，最小可测波长20mm决定了最大采样频率，即采样步长δs《10mm，这里长弦和短弦采样间隔分别选取为1mm和10mm，可知长弦和短弦阶数γ分为150和324，即对1.5m长弦等分为150份，324mm短弦等分为324份，随机选取等分点进行测量弦配置设计，并进行优化选取最优弦测配置，组合弦配置方案如图3所示，可用于指导测量装置测量弦的加工，如图4所示。
[0058]
s3、根据组合弦的测量矩阵，构建测量模型；
[0059]
本实施例中，组合弦测法测量值等于测量矩阵与离散化的悬浮/导向轨不平顺yj的乘积，建立用于测量轨道梁、功能件等基础结构多波长不平顺的测量模型。
[0060]
本实施例中，长短弦弦测法测量值表示为u
1,i
和u2，测量模型描述了组合弦测法测量过程；假设测量对象长度为l，测量对象波形为连续波形，这里按采样间隔δs进行离散，可知离散后测量波形长度表示为：
[0061][0062]
离散化的悬浮/导向轨不平顺表示为{yj,j＝1,2,
…
n}，j表示不平顺数据第j个点，n表示不平顺数据长度。
[0063]
对于长弦而言，除长弦两端点传感器安装位置外，中间有5个测点，测量模型可表示为：
[0064][0065]
对于短弦而言，其本质为三点偏弦b1≠b2，测量模型可表示为：
[0066][0067]
其中，n表示波形离散信号的总长度，n表示测量弦阶数，yk表示第k个离散点，yn表示波形的第n个离散点，yn表示向量yk的矩阵表达。
[0068]
长弦测量模型，进一步简化为：
[0069]u1,i
＝m
1,i
·yn
[0070]
短弦测量模型，进一步简化为：
[0071]
u2＝m2·yn
[0072]
其中，m
1,i
表示长弦测量矩阵，m2表示短弦测量矩阵。
[0073]
s4、基于测量模型，结合最小二乘法建立复原模型，并根据复原模型使复原波形与原始波形误差最小；
[0074]
本实施例中，基于测量模型，结合最小二乘法建立复原模型，复原与测量模型对应的轨道梁、功能件等基础结构多波长不平顺并yj的误差最小。
[0075]
长弦最优模型的表达式如下：
[0076][0077]
短弦最优模型的表达式如下：
[0078][0079]
其中，表示复原波形。
[0080]
本实施例中，前述步骤s1提到的长弦用于测量3～24m波长成份，短弦用于测量20mm～3m波长成份，这里需分别设计3～24m和20mm～3m的带通滤波器对上述复原波形进行滤波，两者滤波结果进行叠加即可得到测量对象20mm～24m的波形。
[0081]
s5、根据最优弦测配置以及最小误差，选取抗弯刚度强的测量弦，确定传感器安装位置，将测量弦固定在测量装置上，利用里程计按采样步长触发采集卡，并将数据上传至上位机，完成磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态的测量。
[0082]
本实施例中，基于步骤s2提出的最优弦测配置，进行静态不平顺测量装置设计，测量装置设计方案见图4，示意了4根测量弦(侧边1根，底部悬浮轨3根)，其中部件5为测量弦，具有较大的抗弯刚度能力，传感器安装孔与最优弦测配置一致，用于安装位移传感器，感知收集与测量面的间隙值，通过步骤s3计算弦测值，接着通过步骤s4计算复原波形。图5为高速磁浮轨道梁-功能件静态测量示意，测量装置可沿着轨道梁表面移动，移动过程中编码器可按脉冲等间隔触发采集卡，记录间隙传感器测量值，并上传至上位机，用于后续的离线处理，如图6所示，测量结果可用于磁浮轨道梁-功能件不平顺评估和调整。
[0083]
实施例2
[0084]
本发明提出组合弦(长弦+短弦)测量方法研制的磁浮系统轨道梁-功能件静态测量装置，可用于测量磁浮轨道子系统中周期性波长成份以及随机不平顺，波长范围为20mm～24m，如图4-图6所示，本发明提供了一种磁悬浮系统轨道功能件不平顺静态测量装置，包括走行轮1、小车主车架2、编码器3、测量弦安装支架4、测量弦5以及传感器安装孔6；所述走行轮1的前后两轮通过轴承与小车主车架2连接，所述编码器3与所述小车主车架2连接，并与轴承同轴转动，所述测量弦安装支架4与所述小车主车架2连接，所述测量弦5与所述测量弦安装支架4连接，所述传感器安装孔6位于所述测量弦5上。
[0085]
本实施例中，走行轮1可实现静态测量装置沿着轨道梁或功能件表面移动，测量速度可达3m/s，前后端共2个走行轮。小车主车架2可作为测量装置主要安装支座，其他硬件为在图4中示意，如电源模块、采集卡等均可安装在小车主车架上，并通过轴承与前后车轮连接。针对编码器3，里程信息是静态测量装置的重要数据，其作为采集卡的硬触发信号，随着编码器3脉冲沿测量装置前进方向等距离触发采集卡，记录对应里程位置测量弦上的传感
器间隙数值，其直接与小车主车架相连或与车轮轴承同轴转动。测量弦安装支架4用于固定测量弦，应保证其具有足够的刚度，通过焊接将小车主车架与测量弦安装支架连接。测量弦5基于步骤s2提出的最优的弦测配置方案，加工出具有一定抗弯刚度的测量弦，图4给出了一种凸型的弦截面，长度和传感器安装孔均依据组合弦的最优配置进行加工设计，可通过焊接或螺栓将测量弦与测量弦安装支架连接。针对传感器安装孔6，这里未给出具体的间隙传感器类型，具体可根据实际需求进行选取，最后将间隙传感器安装至传感器安装孔内并固定，并保证传感器安装精度。
[0086]
相对于惯性测量法、光学摄像法，本发明基于弦测法提出的组合弦测法，具有以下优点：
[0087]
(1)可测波长范围广，覆盖磁浮轨道梁、功能件等周期性波长以及短波不平顺，采用长弦和短弦方式，保证可测波长范围为20mm-24m。
[0088]
(2)振动环境下测量精度高。磁浮轨道梁和功能件之间的连接处存在接缝，测量装置在通过接缝时，会产生较大的冲击，属于脉冲荷载，因惯性测量法频带有限已不适用，而弦测法测量结果不受振动影响，仍保证较高的测量精度。
[0089]
(3)研制的测量装置组成结构简单，操作便捷，制造成本低。磁浮系统轨道梁-功能件不平顺测量装置结构组成简单，如图4所示，可做成拆卸式装置，便于运输，可满足单人组装测试等操作，且对采集卡、传感器、上位机性能要求有限，成本可控且经济。