20634

۲۰۶۳۴

تخمين نيروهاي ديناميكي تماسي و نقطه تماس چرخ و ريل با استفاده از روشهاي شناسايي معكوس

دكتري

ماشين هاي ريلي

۱۳۹۲-۱۳۹۸

۱۳۹۸/۲/۲۵

دكتر داوود يونسيان - دكتر پريسا حسيني تهراني

راه آهن

امروزه اندازه گيري و تخمين نيروهاي تماسي و موقعيت تماس بين چرخ و ريل يك فاكتور كليدي در طراحي بهينه و ايمن وسيله نقليه ريلي است. روش هاي مختلفي جهت اندازه گيري و تخمين نيروهاي تماسي وجود دارد كه از آن جمله مي¬توان به استفاده از چرخ و محور اندازه گير اشاره نمود. چرخ و محور اندازه گير بر پايه نصب كرنش سنج بر روي جان چرخ طراحي و توسعه داده شده است. در چرخ و محور اندازه گير علاوه بر متغير بودن مقادير نيروها، به دليل دوران چرخ موقعيت كرنش سنج ها نسبت به نيروهاي تماسي نيز تغيير مي كند، كه موجب مي شود در سيگنال كرنش، هارمونيك هاي مختلفي ظاهر شود. براي تخمين و اندازه گيري نيروهاي تماسي، لازم است كه دامنه اين هارمونيك مخصوصاً هارمونيك اول كه غالبترين است، استخراج شود. در اينجا، ابتدا آرايه نوين از چيدمان زاويه ايي كرنش سنج ها طراحي شده است بطوريكه هارمونيك اول استخراج شود و ساير هارمونيك ها كه نامطلوب هستند، حذف شوند. نشان داده شد كه با فرض غالب بودن هارمونيك اول و استفاده ازچيدمان طراحي شده، حساسيت تخمين به نويز كمتر خواهد شد. همچنين، چيدمان شعاعي آرايه سنسورها بر اساس معيار واريانس حداقل مربعات خطا به صورت بهينه طراحي شده است، بطوريكه اثر عدم قطعيت و نويز موجود در داده ها تاثير كمينه اي در تخمين نيروها داشته باشد. نتايج عددي نشان داد تخمين نيروها و موقعيت تماس براي چيدمان بهينه سنسورها نسبت به چيدمان غير بهينه از آنها خطاي كمتري دارد. علاوه بر روش مستقيم در تخمين نيروها، از روش هاي داده-محور (بدون نياز به درك فيزيكي) شبكه عصبي پرسپترون چند لايه با روش آموزش بيزين براي داده هاي شبيه سازي شده جهت تخمين نيروهاي تماسي نيز استفاده شده است. با مقايسه تخمين نيروهاي تماسي از روش شبكه عصبي و مدل خطي براي داده¬هاي آغشته به نويز، نشان داده شد كه شبكه عصبي داراي دقت و مقاومت بيشتري است. دربخش ديگر اين پژوهش، نيروهاي ديناميكي با در نظر گرفتن اثر اينرسي و پارامترهاي ديناميكي چرخ، تخمين زده شده اند. در اينجا باتوجه به محدوده فركانسي و سرعت مورد مطالعه، از اثر كوريوليس و گريز از مركز در ديناميك چرخ صرف نظر شده است، كه با اين فرضيات، چرخ غلتشي معادل با حالتي است كه چرخ ثابت و نيرو حول آن مي چرخد. نتايج تحليلي نشان داد كه با دوران چرخ، پاسخ كرنش در جان آن مدوله مي شود و بستگي به سرعت، هر پيك رزونانسي به دوپيك تقسيم مي شود. سپس از نتايج حاصل از حل تحليلي و داده هاي محاسبه شده از روش المان محدود، سيستم چرخ و محور در حوزه فركانس به صورت پارامتري شناسايي شد. همچنين، براي تخمين نيروهاي تماسي از دو چهارچوب استفاده شده است: حداقل مربعات با تنظيم كننده تيخونوف و حداقل واريانس بدون باياس. در روش حداقل مربعات، ارتباط بين نيروهاي ورودي و كرنش¬هاي خروجي به صورت ماتريس مشخصه سيستم بيان شده است، كه به دليل بعد زياد ماتريس، اين روش دقت بالا و اما حجم محاسبات بالايي دارد. در روش ديگر، تخمين در فضاي حالت و از طريق يك فيلتر سه مرحله¬اي انجام شده است كه حجم محاسبات كمتر بوده و در نتيجه، پياده¬سازي آن ساده¬تر مي¬باشد. مطالعات عددي نشان داد كه با استفاده از سيستم طراحي شده، نيروهاي قائم و جانبي (هم هارمونيك و هم گذرا) براي محدوده فركانسي به ترتيب Hz 1000 و Hz300 با دقت بالايي شناسايي مي شوند. همچنين نشان داده شد كه در تخمين نيروهاي تماسي در سرعت بالا، لازم است كه اثر سرعت در شناسايي لحاظ شود، همچنين به دليل استفاده از ترم تنظيم¬كننده، تخمين نيروهاي تماسي براي داده هاي آغشته به نويز مقاومت خوبي دارد. واژه هاي كليدي: چرخ و محور اندازه¬گير، تخمين نيروهاي تماسي، شناسايي سازه، تابع پاسخ فركانسي، روش حداقل مربعات، حداقل واريانس بدون باياس.

1398/03/25

Estimation of Wheel-rail Contact Forces and Contact Position Using Inverse Identification approaches

5/15/2019 12:00:00 AM

Concurrent measurement of the wheel-rail contact force is always a crucial factor in design of safe railway vehicles. Commonly, instrumented wheelset has been developed towars this goal. In the first place of this study, a novel technique for precise design of the instrumented wheelset, which estimates static forces, is presented. Influences of different factors such as the wheel rotation, the temperature or the centrifugal force are eliminated by cancelation of the higher harmonics. The accuracy of estimated forces is dependent on the placement of gauges on the instrumented wheelset. A solution procedure in terms of mean square error is implemented to determine the optimal radial locations of strain gauge that will provide the most precise force measurement. Validation of the proposed method through numerical simulation is also presented. We show that the effectiveness and robustness of the technique are preserved even in the presence of noise in strain signal. In addition to the linear model for force estimate, artificial neural network (ANN) is adopted to estimate forces more robustly. Multilayer perceptron in conjunction with the Bayesian training framework is applied in this study. At the end, accuracy and validation of the two approaches in estimation of the static forces are compared by numerical study for noise-free and noise-contaminated cases. In the second place, dynamic wheel-rail contact forces are estimated using a novel indirect identification method based on the measured radial strain on the wheel web. Strain response of the rolling wheel is derived using the analytical solution for the disk under rotating load here to sketch out a scheme for identification of the rolling wheel parameters and its corresponding characteristic matrix. An appropriate angular strain configuration is employed to eliminate the effect of the wheel rotation. Tikhonov regularization technique is employed to solve the ill-pose least square problem and to attenuate the effect of noisy measurement and numerical uncertainty in estimation of the forces. Finite element model of the rotating load is then constructed to investigate the effectiveness and accuracy of the proposed methodology. Effects of the rotating speed and loading and measurement noise on the estimated normal force are studied. It is found that neglecting the effect of rotating speed causes a remarkable error particularly in high-speed range. Key Words: Instrumented wheelset, Sensor placement, Contact force estimation, Structural identification, Tikhonov regularization, Finite element model