本发明涉及一种列车自重的估算方法，尤其涉及一种列车自重在线估算方法。
背景技术：
现有绝大多数的列车，其运行均依赖于轮轨之间的粘着作用力产生所需的牵引力和制动力。粘着是指由于材料形变而存在于车轮和钢轨之间的一种介于纯滚动和纯滑动之间的轮轨状态。当某一时刻车轮所受的转矩超过了当前粘着状态下所能提供的最大粘着作用力时，轮轨之间的粘着将被破坏，随之轨面与轮对接触的切向力迅速减小，最终导致轮对空转或者抱死滑行，给轨道车辆带来难以预料的严重后果，需要及时进行再粘着控制。再粘着控制是当控制器检测到轮对发生空转/滑行时，或者有空转/滑行趋势时，通过对减小电机力矩或者减小作用在轮对上的空气制动压力等主动控制作用，抑制轮对空转/滑行，迫使轮对重新进入轮轨黏着状态的过程。
轨道交通车辆再粘着控制需要实时计算轮对蠕滑速度(轮对线速度与车辆实际速度的差，通常用来表征轮对空转滑行程度)、轮对加速度、轮对加速度微分等信息，并判断是否超过相应的粘着保护控制门槛保护值(当上述计算的蠕滑速度、轮对加速度、轮对加速度微分超过门槛值，则认为该轮对已经发生空转/滑行，或者具有空转/滑行趋势)来确定是否需要对当前轮对力矩进行减载保护。但是由于轨道车辆重量变化范围通常比较大，比如货运机车常见的三种运行状态：拖拉空车(大约为1000吨左右)、拖拉重载(大约为3000吨到5000吨)或者单机运行(大约为一百多吨到两百多吨重量)，同样的牵引力作用下，三种运行状态对应的列车自身加速度、加速度微分差别大，所以相应的粘着保护门槛值也应该差距大，而如果采用一套固定的门槛值进行粘着保护和再粘着控制就会导致轮对经常性的触发不必要的减载保护，或者是车辆无法满功率发挥，严重影响牵引力发挥，同时也给驾驶人员带来巨大的体力负担和精神负担。
如果能够在粘着保护和再粘着控制中获取列车当前的自重信息，就可以根据自重调整粘着保护门槛值，提高粘着保护的精度，保证列车能够在安全的范围内有效发挥牵引力。获得列车自重的方法有多种，比如每次启车前要求列车司机输入载重信息，但是这种方法容易因列车驾驶人员的误操作而产生难以估量的后果，首先输入的载荷信息可能不精确，其次有可能出现输入错误或者忘记输入等问题，总之通过人工输入载荷信息的方式会降低列车本身的安全性和可靠性，增加列车发生故障的概率。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种快捷、方便的列车自重在线估算方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种列车自重在线估算方法，包括如下步骤：
S1.根据预设的计算周期，计算所述计算周期内列车的平均牵引力值和平均加速度值包括第一个计算周期内的第一平均牵引力值和第一平均加速度值以及第二个计算周期内的第二平均牵引力值和第二平均加速度值
S2.根据所述第一平均牵引力值和第二平均牵引力值计算得到平均牵引力差值根据所述第一平均加速度值和第二平均加速度值计算得到平均加速度差值
S3.根据式(1)所示公式计算列车自重，
式(1)中，为计算所得列车自重，为平均牵引力差值，为平均加速度差值。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中计算列车的平均牵引力值和平均加速度值的方法包括：
S1.1.获取所述预设的计算周期内列车在各采样点的牵引力值F和加速度值a；
S1.2.通过所述各采样点的牵引力值F和加速度值a计算得到列车的平均牵引力值和平均加速度值
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1.1中获取牵引力值F的方法包括：通过列车牵引电机传感器获取牵引电机输出力矩值m，根据如式(2)所示公式计算牵引电机输出的牵引力值f，
f＝m×k (2)
式(2)中，f为牵引电机输出的牵引力值，m为牵引电机输出力矩值，k为牵引电机传动系数；
计算列车各牵引电机输出的牵引力值f之和得到列车牵引力值F；
或，
以列车一台牵引电机输出的牵引力值f为基准，乘以列车牵引电机数量，得到列车牵引力值F。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1.1之前，还包括获取列车状态，判断是否开始计算列车的平均牵引力值和平均加速度值的步骤S1.1a：监测列车当前速度值v和牵引力值F，当满足式(3)所示判断条件时，跳转到步骤S1.1，
式(3)中，v为速度值，F为牵引力值，Vt为预设的速度阈值，Ft为预设的牵引力阈值。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1.1中，还包括判断所述各采样点的牵引力值F和加速度值a是否有效的步骤S1.1b：判断牵引电机控制指令中的力矩值与牵引电机传感器所获取的牵引电机输出力矩值m之差是否大于预设的力矩阈值，是则判定列车在当前采样点发生减载，抛弃该当前采样点所获取的牵引力值F和加速度值a。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1.1b中，还包括判断列车发生减载的持续时长是否超出预设的减载时长阈值，是则结束该计算周期。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1.1中，还包括步骤S1.1c：判断在所述计算周期内列车加速度发生振动的次数是否超出预设的振动次数阈值，是则结束该计算周期；所述振动是指在采样点获得的列车加速度的符号与在该计算周期内第一个采样点获得的列车加速度的符号相反。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1.1中，还包括步骤S1.1d：监测列车牵引手柄状态，当所述列车牵引手柄状态发生改变时，则结束该计算周期。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1.1后，还包括步骤S1.1e：根据列车轨道数据，判断在所述计算周期内，列车所通过轨道的半径的变化量是否小于预设的轨道变化阈值，且轨道坡道千分数变化量是否小于预设的坡道变化量阈值，是则跳转至步骤S1.2，否则结束该计算周期。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1之后，还包括步骤S1a：判断所述第一个计算周期与第二个计算周期的时间间隔是否大于预设的时间差阈值，是则抛弃所述第一个计算周期所计算得到的第一平均牵引力和第一平均加速度以第二个计算周期内的第二平均牵引力和第二平均加速度作为第一个计算周期得到的第一平均牵引力和第一平均加速度并重新计算第二个计算周期内的第二平均牵引力和第二平均加速度
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S2之后，还包括步骤S2a：判断所述平均牵引力差与所述平均加速度差值的符号是否相同，是则跳转至步骤S3，否则跳转至步骤S1。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S2a之后，还包括步骤S2b：判断所述平均牵引力差是否大于预设的牵引力差阈值，是则进入跳转至步骤S3，否则跳转至步骤S1。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可快捷、方便的、在线估算列车自重。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明步骤S1计算平均牵引力值和平均加速度值的流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例一种列车自重在线估算方法，包括如下步骤：S1.根据预设的计算周期，计算计算周期内列车的平均牵引力值和平均加速度值包括第一个计算周期内的第一平均牵引力值和第一平均加速度值以及第二个计算周期内的第二平均牵引力值和第二平均加速度值S2.根据第一平均牵引力值和第二平均牵引力值计算得到平均牵引力差值根据第一平均加速度值和第二平均加速度值计算得到平均加速度差值S3.根据式(1)所示公式计算列车自重，
式(1)中，为计算所得列车自重，为平均牵引力差值，为平均加速度差值。
根据牛顿第二定律，列车的重量可以通过如式(4)所示公式计算：
式(4)中，为列车的重量，a为列车的加速度，F′为列车在轨道方向上所受到的总的合外力。根据列车运行工况，列车所受的合外力与众多因素有关，包括轮轨粘着状态、坡道、弯道、列车速度等，可以用如式(5)所示公式表示：
式(5)中，F′为列车在轨道方向上所受到的总的合外力，为第i个轮对所受到的粘着作用力，fτ为坡道阻力，fd为空气阻力，n为总的轮对数目。
由于坡道阻力、空气阻力、弯道阻力等均无法实时测量，所以不能够直接采用以上牛顿第二定律计算列车重量。而因为列车重量在一趟行车过程中基本保持不变，对牛顿第二定律公式的两边同时求一阶泰勒展开式，可以得到如式(6)所示计算公式：
式(6)中，为列车的自重，ΔF为列车在轨道方向上所受合外力的变化量，Δa为列车加速度的变化量。
在一个较短的时间内，视列车所受到的坡道阻力和空气阻力的变化量为0，则式(6)中列车在轨道方向上所受合外力的变化量ΔF可近似按照如式(7)所示公式计算，即列车在轨道方向上所受合外力的变化量等于每一个轮对粘着作用力变化量的总和，
式(7)中，ΔF为列车在轨道方向上所受合外力的变化量，为第i个轮对所受到的粘着作用力变化量，n为总的轮对数目。
在列车轮对粘着作用力良好时，列车轮对的粘着作用力等于列车轮对牵引电机输出的牵引力，即列车在轨道方向上所受合外力的变化量等于列车所受牵引力的变化量。为了使计算的列车自重更加准确，在本实施例中，采用获取列车在前后两段时间内的平均牵引力和平均加速度，再计算两段时间内的平均牵引力的差值和平均加速度的差值，式(6)所示公式则可写成如式(1)所示公式，计算得到列车的自重。
如图2所示，在本实施例中，步骤S1中计算列车的平均牵引力值和平均加速度值的方法为：S1.1.获取预设的计算周期内列车在各采样点的牵引力值F和加速度值a；S1.2.通过各采样点的牵引力值F和加速度值a计算得到列车的平均牵引力值和平均加速度值在本实施例中，预设的计算周期为10s，当然也可以根据实际需要设置计算周期。
在本实施例中，在步骤S1.1之前，还包括获取列车状态，判断是否开始计算列车的平均牵引力值和平均加速度值的步骤S1.1a：监测列车当前速度值v和牵引力值F，当满足式(3)所示判断条件时，跳转到步骤S1.1，
式(3)中，v为速度值，F为牵引力值，Vt为预设的速度阈值，Ft为预设的牵引力阈值。
在本实施例中，获取牵引力值F的方法包括：通过列车牵引电机传感器获取牵引电机输出力矩值m，根据如式(2)所示公式计算牵引电机输出的牵引力值f，
f＝m×k (2)
式(2)中，f为牵引电机输出的牵引力值，m为牵引电机输出力矩值，k为牵引电机传动系数；计算列车各牵引电机输出的牵引力值f之和得到列车牵引力值F；或，以列车一台牵引电机输出的牵引力值f为基准，乘以列车牵引电机数量，得到列车牵引力值F。
在本实施例中，获取列车加速度值a的方法为：通过速度传感器获取列车在各采样点的速度值v，并由前后两个采样点的速度值以及采样点之间的时间间隔，计算列车的加速度值a。
在本实施例中，在步骤S1.1中，还包括判断各采样点的牵引力值F和加速度值a是否有效的步骤S1.1b：判断牵引电机控制指令中的力矩值与牵引电机传感器所获取的牵引电机输出力矩值m之差是否大于预设的力矩阈值，是则判定列车在该采样点发生减载，抛弃该当前采样点所获取的牵引力值F和加速度值a。在步骤S1.1b中，还包括判断列车发生减载的持续时长是否超出预设的减载时长阈值，是则结束该计算周期。在每个采样周期，通过列车牵引电机传感器获取牵引电机的输出力矩值m，并与牵引电机控制指令中的力矩值进行比较，即将牵引电机的实际输出力矩值与设定输出力矩值进行比较，当两者之差值大于预设的力矩阈值时，判断列车在该采样点发生减载，为了保证采样数据的精度，则抛弃该采样点的数据，不计算当前采样点的牵引力值F和加速度值a；当列车连续发生减载时间超出预设的减载时长阈值，即持续发生减载的采样点的个数超出预设的减载次数时，则判断列车在该计算周期内处于不稳定状态，为了保证采样结果的精度，结束本计算周期，该计算周期所采样的数据均不作为估算列车自重的基础数据。
在本实施例步骤S1.1中，还包括步骤S1.1c：判断在计算周期内列车加速度发生振动的次数是否超出预设的振动次数阈值，是则结束该计算周期；振动是指在采样点获得的列车加速度的符号与在该计算周期内第一个采样点获得的列车加速度的符号相反。在本实施例中，通过计算获得各采样点列车的加速度值a之后，将各采样点的加速度值a与在该计算周期内所获得的第一个加速度值a进行比较，如果两者的正负符号相反，则判定列车加速度发生振动，当在该计算周期内的振动次数超出预设的振动次数阈值，则判断列车在该计算周期内处于不稳定状态，为了保证采样结果的精度，结束本计算周期，该计算周期所采样的数据均不作为估算列车自重的基础数据。当在该计算周期内的振动次数没有超出预设的振动次数阈值时，判断列车在该计算周期处于稳定状态，继续本发明的计算过程。
在本实施例步骤S1.1中，还包括步骤S1.1d：监测列车牵引手柄状态，当列车牵引手柄状态发生改变时，则结束该计算周期。在列车的运行过程中，列车的档位发生变化，往往会导致列车的运行状态发生较大的变化，为了保证列车在同一个计算周期内处于稳定状态，最优的状态是在该计算周期内列车处于同一档位运行。在本实施例中，通过监测列车牵引手柄状态，当列车牵引手柄状态发生改变，即列车档位发生变化时，则结束该计算周期的，本计算周期所采样的数据均不作为估算列车自重的基础数据。当列车牵引手柄状态没有发生改变时，则继续本发明的计算过程。
在本实施例步骤S1.1后，还包括步骤S1.1e：根据列车轨道数据，判断在所述计算周期内，列车所通过轨道的半径的变化量是否小于预设的轨道变化阈值，且轨道坡道千分数变化量是否小于预设的坡道变化量阈值，是则跳转至步骤S1.2，否则结束该计算周期。在本实施例中，以列车所受牵引力的变化量来计算列车在轨道方向上所受合外力的变化量，因此，需要列车在计算周期内所受的除牵引力以外的其它外力的变化量尽可能小。其它外力主要包括有坡道阻力，列车在转弯时受到轨道对列车的侧向压力所产生的阻力等。在本实施例中，通过对列车所运行的轨道数据，分析在进行采样的计算周期内列车所通过的轨道参数，当列车所通过轨道的半径的变化量小于预设的轨道变化阈值，轨道坡道千分数变化量小于预设的坡道变化量阈值时，则判断列车在该计算周期内所受到的其它外力的影响较小，在该计算周期内所采样的数据满足计算所需的精度要求；否则判断该计算周期内所采样的数据精度不满足计算要求，结束本计算周期，本计算周期所采样的数据均不作为估算列车自重的基础数据。在本实施例中，轨道变化阈值取值为100米，坡道变化量阈值取值为1，当然，也可以根据实际情况设置不同的值。
在本实施例中，通过以上步骤获得满足精度要求的牵引力值F和加速度值a，计算该计算周期内牵引力值F和加速度值a的平均值，即可得到平均牵引力值和平均加速度值对两个计算周期进行采样计算，即可得到第一个计算周期内的第一平均牵引力值和第一平均加速度值以及第二个计算周期内的第二平均牵引力值和第二平均加速度值计算两个计算周期的平均牵引力值和平均加速度值的差值即可得到平均牵引力差值和平均加速度差值
在本实施例中，在获得第一个计算周期内的第一平均牵引力值和第一平均加速度值以及第二个计算周期内的第二平均牵引力值和第二平均加速度值之后，还包括步骤S1a：判断第一个计算周期与第二个计算周期的时间间隔是否大于预设的时间差阈值，是则重新执行步骤S1，否则跳转至步骤S2。在本实施例中，由于列车所运行的轨道状态会影响列车自重的估算结果，因此，需要在估算过程中列车的轨道变化量尽可能小，而第一个计算周期与第二个计算周期的时间间隔反映了列车在获取该两个计算周期内的采样数据时的运行距离，也反映了在该运行距离上轨道状态发生变化的可能，在一个相对较短的运行距离内，轨道状态发生变化的可能小于在一个相对较长的运行距离内轨道状态发生变化的可能。在本实施例中，当第一个计算周期与第二个计算周期的时间间隔大于预设的时间差阈值，则判断列车轨道状态发生的变化，会影响到对列车自重估算的精度，需要重新计算两个计算周期内的平均牵引力值和平均加速度值否则跳转至步骤S2。在本实施例中，为了进一步提高本发明方法的执行效率，更优的方法为：当第一个计算周期与第二个计算周期的时间间隔大于预设的时间差阈值时，不重新计算两个计算周期内的平均牵引力值和平均加速度值而是，抛弃第一个计算周期所计算得到的第一平均牵引力和第一平均加速度以第二个计算周期内的第二平均牵引力和第二平均加速度作为第一个计算周期得到的第一平均牵引力和第一平均加速度并重新计算第二个计算周期内的第二平均牵引力和第二平均加速度
在本实施例中，在所述步骤S2之后，还包括步骤S2a：判断平均牵引力差与平均加速度差值的符号是否相同，是则跳转至步骤S3，否则跳转至步骤S1。在本实施例中，根据列车所受合外力与列车加速度之间的关系，列车平均牵引力差与所述平均加速度差值应当具有相同的变化趋势，即两者的符号应当相同，如不相同则表明在两个计算周期内采样所获取的数据精度存在较大误差，需要跳转至步骤S1，重新获取两个计算周期内的平均牵引力值和平均加速度值在本实施例中，为了进一步提高本发明方法的执行效率，更优的方法为：当列车平均牵引力差与所述平均加速度差值的符号不相同时，不重新计算两个计算周期内的平均牵引力值和平均加速度值而是，抛弃第一个计算周期所计算得到的第一平均牵引力和第一平均加速度以第二个计算周期内的第二平均牵引力和第二平均加速度作为第一个计算周期得到的第一平均牵引力和第一平均加速度并重新计算第二个计算周期内的第二平均牵引力和第二平均加速度
在本实施例步骤S2a之后，还包括步骤S2b：判断平均牵引力差是否大于预设的牵引力差阈值，是则进入跳转至步骤S3，否则跳转至步骤S1。本发明通过两个计算周期的平均牵引力差与平均加速度差值来估算列车自重，为了保证列车自重估算的精度，需要前后两个计算周期的平均牵引力差与平均加速度差值满足一定的差异性，即满足平均牵引力差大于预设的牵引力差阈值，满足则跳转至步骤S3，通过如式(1)所示公式估算列车自重，否则跳转至步骤S1，需要重新获取两个计算周期内的平均牵引力值和平均加速度值在本实施例中，为了进一步提高本发明方法的执行效率，更优的方法为：当不满足平均牵引力差大于预设的牵引力差阈值时，不重新计算两个计算周期内的平均牵引力值和平均加速度值而是，抛弃第一个计算周期所计算得到的第一平均牵引力和第一平均加速度以第二个计算周期内的第二平均牵引力和第二平均加速度作为第一个计算周期得到的第一平均牵引力和第一平均加速度并重新计算第二个计算周期内的第二平均牵引力和第二平均加速度本实施例牵引力差阈值取值为10KN。
本实施例通过多种方法对计算周期的采样数据及根据采样数据计算得到的平均牵引力值和平均加速度值的精度进行评估分析，能够有效的提高所获取数据的精度，使得本发明的方法所估算的列车自重具有较高的精度，并且，本发明的方法无需要人工干预，可以方便、快捷的在列车运行过程中自动完成列车自重的估算，相对于现有技术中需要人工录入列车自重的方法，可靠性和准确性更高。同时，当列车进行重新编组后，也无法需重新人工录入编组后的列车自重，通过本发明的方法可以自动重新估算编组后的自重，大大提高了获取列车自重的工作效率。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。