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

دكتري

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.

193000

دانشگاه علم و صنعت ايران

ماشين هاي ريلي

دكتر داوود يونسيان - دكتر پريسا حسيني تهراني