CN102706569A - 高速动车组转向架蛇行运动失稳检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置，用于在线监测高速列车运行过程中是否发生转向架蛇行失稳现象。包括主控制机系统和子测试系统两大部分，主控制机系统主要由人机交互模块、GPS模块、数据分析记录模块、现场总线控制模块组成。子测试系统主要由传感器模块、数据采集模块、数据分析模块、现场总线控制模块、数据存储模块组成。主控制机与子测试系统之通过现场总线方式进行数据通信。子测试系统实时监测转向架的横向振动状态，判断是否发生蛇行失稳，并通过现场总线发送失稳信息到主控制机，主控制机完成对失稳信息的分析工作，结合GPS模块，时钟模块准确给出失稳发生时的时间空间同步信息，发出报警信号并保存故障信息。

Description

高速动车组转向架蛇行运动失稳检测方法与装置

技术领域

本发明涉及电气检测领域，具体涉及一种高速动车组转向架蛇行运动失稳检测方法与装置。

背景技术

高速动车组在线路上运行时，要求应具有良好的横向稳定性，在低速至最高速度范围内，绝不容许发生蛇行失稳，如发生剧烈蛇行失稳，会产生很大的横向轮轨作用力，对线路造成破坏，车轴轴承过热或损坏，甚至会出现脱轨事故，严重影响运行安全。所以，防止蛇行失稳是高速铁道车辆的研究急需关注的问题之一。高速动车组转向架振动测试试验，是监测动车组转向架在运行过程中的振动参数是否在安全范围内，它通过测试及记录转向架在实际运行过程中的横向振动加速度，以分析该转向架在这条线路上的振动频率和振动加速度幅值，得到转向架横向加速度的振动频率特性和幅值特性，从而判断是否发生转向架蛇行失稳运动，并发出警报提醒司机或操作人员做出相应的反应，以避免事故发生。因此，研制高速动车组转向架蛇行运动失稳的软硬件检测系统，具有十分重要的意义。

目前发达国家开行的高速列车大都有车载运行安全的实时监测系统，如法国Banbadi研究在构架上安装传感器监测车辆是不是出现蛇行失稳运动以及正着力于研究BCM-System，即“转向架状态监视系统”。而在国内，我国运行的CRH-380A型动车组采用的监测系统是由日本川崎重工生产的转向架失稳检测装置(BIDS)，此类装置具有非常稳定和灵敏的测试功能，能够准确的检测转向架的蛇行失稳现象，但是仍存在一些不足：如人机交互界面欠缺，不易进行系统设置和记录查看，不能将数据在时间和空间上和列车运行状态进行同步，不利于对故障信息作进一步的分析。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术中所存在的不足，提供一种新的高速动车组蛇行运动失稳在线检测方法与装置，以便在动车组实际运行过程中对转向架的横向稳定性进行在线实时监控。

本发明所提供的高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置，包括主控制机系统和子测试系统两大部分，通过现场总线进行一个主控制机与多个子测试系统之间的通信和控制操作。主控制机系统主要由人机交互模块、GPS模块、列车速度模块、数据记录分析模块、现场总线控制模块组成。子测试系统主要由传感器模块、数据采集模块、数据分析模块、现场总线控制模块、数据存储模块组成。在主控制机系统中，人机交互模块包括LCD显示、按键控制、报警装置等，主要用于系统参数设置、失稳时报警以及正常运行过程中系统关键参数的显示；GPS模块与MCU之间通过RS-232串口进行数据通讯，用于获得列车的运行速度与位置信息，由此可确定失稳发生时的列车速度和列车所处的位置等；列车速度模块完成列车速度频率信号的采集，包括速度信号电压限压模块、信号调节模块、信号放大模块、频率采集模块等组成部分；数据记录分析模块主要用于对子系统传回的故障信息进行汇总分析，并得出报警方案，使系统及时报告失稳信息，包括失稳的车号、时间、地点、持续时长等；现场总线控制模块主要完成与子系统间的通信，主控制机通过现场总线对子测试系统的运行参数进行设置，并接收子系统发回的故障信息等；在单个子测试系统中，传感器模块主要指加速度振动传感器；数据采集模块利用A/D转换芯片同时对每节车厢的转向架的横向振动加速度信号进行采集；数据分析模块通过分析采集的加速度信号，得出不同数据所对应的结果；数据存储模块通过存储介质保存每次失稳现象发生之前三分钟一直到失稳现象消失后三分钟之内的数据；，现场总线控制模块主要完成与主控制机之间的通信，接收主控制机传来的命令和发送失稳故障信息给主控制机。

所述的子测试系统将数据采集与信号调理器和现场总线控制模块封装到一个铁盒中，固定在动车组每节车的设备舱内。

所述的加速度传感器通过工装被固定在每个转向架构架的对角，靠近轴箱的正上方构架位置。

所述的主控制机系统将其各个模块封装在一个铝合金盒子中，露出显示屏和按键，放置于司机室，方便司机查看。

所述装置中添加了GPS模块，能获得动车组运行过程中各种情况发生时对应工况，如时间，地理位置，速度等；同时具有采集列车速度信号模块，可以实时采集列车的速度信息，避免了GPS无效时不能对列车进行定位。

该测试装置安装传感器时用橡胶垫圈和环氧树脂垫片进行绝缘，采用螺栓对传感器进行固定。

该测试装置使用了CAN总线完成整个系统间的通信，实现对系统的设定和控制操作，以及数据的传输。

本装置参照TB/T2360-93“铁道机车动力学性能检验鉴定方法及评定标准”以及GB5599-85“铁道技术标准能评定与试验规范”进行设计。包括主控制机系统和子测试系统两大部分，通过现场总线进行一个主控制机与多个子测试系统之间的通信和控制操作。主控制机系统主要由人机交互模块、GPS模块、列车速度模块、数据记录分析模块、现场总线控制模块组成。子测试系统主要由传感器模块、数据采集模块、数据分析模块、现场总线控制模块、数据存储模块组成。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本装置与现有的检测系统不同，不但可以准确监测动车组转向架的蛇行运动稳定性，还拥有友好的用户界面，易于操作，实用性强，且不受动车车型影响，各种车型都可使用。

2、本装置安装简便，设备体积小巧轻便，易于在车下设备舱内固定，且仅需要一组双绞线即可完成各个子系统与主控制机之间的通信，避免了繁杂的设备安装和布线。

3、本装置加入了GPS模块和列车速度模块，用于测量列车的速度和位置，可以方便得知发生蛇行失稳时的工况，如失稳是在什么时候，多高速度级下以及什么地理位置发生的。

附图说明

图1是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的系统结构示意图。

图2是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的主控制机正面示意图。

图3是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的传感器安装示意图。

图4是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的硬件结构示意图。

图5是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的子测试系统软件流程示意图。

图6是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的主控制机系统软件流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步描述。

图1是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的系统结构示意图：包括主控制机系统和子测试系统两大部分，通过现场总线进行一个主控制机与多个子测试系统之间的通信和控制操作。主控制机系统主要由人机交互模块、GPS模块、列车速度模块、数据记录分析模块、现场总线控制模块组成。子测试系统主要由传感器模块、数据采集模块、数据分析模块、现场总线控制模块、数据存储模块组成。在主控制机系统中，人机交互模块包括LCD显示、按键控制、报警装置等，主要用于系统参数设置、失稳时报警以及正常运行过程中系统关键参数的显示；GPS模块与MCU之间通过RS-232串口进行数据通讯，用于获得列车的运行速度与位置信息，由此可确定失稳发生时的列车速度和列车所处的位置等；列车速度模块完成列车速度频率信号的采集，包括速度信号电压限压模块、信号调节模块、信号放大模块、频率采集模块等组成部分；数据记录分析模块主要用于对子系统传回的故障信息进行汇总分析，并得出报警方案，使系统及时报告失稳信息，包括失稳的车号、时间、地点、持续时长等；现场总线控制模块主要完成与子系统间的通信，主控制机通过现场总线对子测试系统的运行参数进行设置，并接收子系统发回的故障信息等；在单个子测试系统中，传感器模块主要指加速度传感器；数据采集模块利用A/D转换芯片同时对每节车厢的转向架的横向振动加速度信号进行采集；数据分析模块通过分析采集模块所采集的信号，得出不同数据所对应的结果；数据存储模块通过存储介质保存每次失稳现象发生之前三分钟一直到失稳现象消失后三分钟之内的数据；现场总线控制模块主要完成与主控制机之间的通信，接收主控制机传来的命令和发送失稳故障信息给主控制机。

图2是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的主控制机正面示意图(子测试系统由于置于铁盒内，除线缆接头外无其他装置，故不附图)：整个主控制机外部用户界面由一个显示器，6个按键，3个指示灯以及一个开关组成。

图3是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的传感器安装示意图：在转向架构架的两侧对角出个安装一个加速度传感器，安装传感器时用橡胶垫圈和环氧树脂垫片进行绝缘，采用螺栓对传感器进行固定。子系统装置置于铁盒内，固定在车下设备舱内。

图4是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的硬件结构示意图：上半部分为主控制机的硬件结构框图，由图中可以看到构成主控制机的硬件包括GPS模块、列车速度模块、时钟芯片、MCU芯片、数据存储芯片以及CAN总线控制芯片等。图中下半部分为子测试系统的硬件结构框图，由图中可以看到，构成子测试系统的硬件包括传感器、AD采样芯片、滤波电路、MCU芯片、时钟芯片、数据存储芯片以及CAN总线控制芯片等。

图5是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的子测试系统软件流程示意图：子系统开机以后，等待主控制机指令，指令分为工作指令和系统设置指令，工作指令主要是命令系统开始执行或者停止执行监测程序，在执行过程中，系统等待定时器中断，以固定的频率对转向架的横向振动加速度值进行采样，并按照一定的算法进行计算，看其振动特性是否发生异常，一旦发生异常，则产生一个报警信号，并通过现场总线将故障信息广播到总线上，以便主控制机接收广播并做出响应的反应。系统设置指令主要用于对子测试系统的系统参数的设置，如系统时间同步，传感器灵敏度参数校正，原始数据的下载和清除等。

图6是本发明高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置的主控制机系统软件流程示意图：

具体操作流程如下：

1、开机，系统进行初始化，开启GPS模块和列车速度模块，获得当前时间、速度、地点等信息，并通过总线发布时间设置命令以及当前时间，以完成子系统和主控制机的时间同步和子系统的初始化。

2、登录界面：第一界面上有三项内容可以选择，开始监测、查看记录、系统设置；

3、主控制机面板上总共7个按键，分别是上、下、左、右、保存、确定和返回，通过按键可以对菜单的各项内容进行选择和设置。

4、通过按键选择第一选项：开始监测，没有异常发生的情况下将在主界面上显示当前的时间，经纬度，列车速度，各转向架状态信息等内容，一旦接收到由子系统发回的故障状态信息报文，系统将开启报警系统，通过蜂鸣器、LED灯闪烁等方式提醒司机，并在显示屏上显示发生失稳的列车车号。

5、通过按键选择第二选项：查看记录，可以查看历史故障信息记录，通过按键可以进行上下选择和查看详细内容，并可完成信息下载和清除功能。

6、通过按键选择第三选项：系统设置，可以进行手动的时间同步，GPS测、列车速度采集、故障信息清除、各子系统原始数据的清除等操作。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员在所附权利要求的范围内不需要创造性的劳动就能做出的各种变形或修改仍属本的保护范围。

Claims (4)

1.本发明所提供的高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置，包括主控制机系统和子测试系统两大部分，通过现场总线进行一个主控制机与多个子测试系统之间的通信和控制操作。主控制机系统主要由人机交互模块、GPS模块、列车速度模块、数据记录分析模块、现场总线控制模块组成。子测试系统主要由传感器模块、数据采集模块、数据分析模块、现场总线控制模块、数据存储模块组成。在主控制机系统中，人机交互模块包括LCD显示、按键控制、报警装置等，主要用于系统参数设置、失稳时报警以及正常运行过程中系统关键参数的显示；GPS模块与MCU之间通过RS-232串口进行数据通讯，用于获得列车的运行速度与位置信息，由此可确定失稳发生时的列车速度和列车所处的位置等；列车速度模块完成列车速度频率信号的采集，包括速度信号电压限压模块、信号调节模块、信号放大模块、频率采集模块等组成部分；数据记录分析模块主要用于对子系统传回的故障信息进行汇总分析，并得出报警方案，使系统及时报告失稳信息，包括失稳的车号、时间、地点、持续时长等；现场总线控制模块主要完成与子系统间的通信，主控制机通过现场总线对子测试系统的运行参数进行设置，并接收子系统发回的故障信息等；在单个子测试系统中，传感器模块主要指加速度传感器；数据采集模块利用A/D转换芯片同时对每节车厢的转向架的横向振动加速度信号进行采集；数据分析模块通过分析采集模块所采集的信号，得出不同数据所对应的结果；数据存储模块通过存储介质保存每次失稳现象发生之前三分钟一直到失稳现象消失后三分钟之内的数据；现场总线控制模块主要完成与主控制机之间的通信，接收主控制机传来的命令和发送失稳故障信息给主控制机。

所述的子测试系统将数据采集与信号调理器和现场总线控制模块封装到一个铁盒中，固定在动车组每节车的设备舱内。

所述的加速度传感器通过工装被固定在每个转向架构架的对角，靠近轴箱的正上方构架位置。

所述的主控制机系统将其各个模块封装在一个铝合金盒子中，露出显示屏和按键，放置于司机室，方便司机查看。

所述装置中添加了GPS模块和列车速度模块，能获得动车组运行过程中各种情况发生时对应工况，如时间，地理位置，速度等。

该测试装置安装传感器时用橡胶垫圈和环氧树脂垫片进行绝缘，采用螺栓对传感器进行固定。

该测试装置使用了CAN总线完成整个系统间的通信，实现对系统的设定和控制操作，以及数据的传输。

2.根据权利要求1所述的高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置，其特征在于主控制机使用了友好的人机交互界面，能方便的进行使用和设置。

3.根据权利要求1所述的高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置，其特征在于所述装置中添加了GPS模块，能获得装置工作过程中对应的工况；同时具有采集列车速度信号模块，可以实时采集列车的速度信息，避免了GPS无效时不能对列车进行定位。

4.根据权利要求1所述的高速动车组转向架蛇行运动失稳检测装置，其特征在于使用了CAN现场总线进行主控制机与子测试系统之间的通信和控制。

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