CN112829795B - 一种转向架失稳检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轨道交通安全检测技术领域，其目的在于提供一种转向架失稳检测方法及系统。本发明中的转向架失稳检测方法包括以下步骤：获取转向架的横向加速度信号；获取轮对和轨道之间的横移距离信号；判断当前横向加速度信号是否大于横向加速度阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态；若否，则判断当前横移距离信号是否大于横移距离阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则重新获取转向架的横向加速度信号和轮对和轨道之间的横移距离信号。本发明中的转向架失稳检测系统包括检测模块、信号处理模块、横向位移计算模块和报警评估模块。本发明中的转向架失稳检测方法和系统适用于超零界工况，对转向架失稳检测的检测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通安全检测技术领域，特别是涉及一种转向架失稳检测方法及系统。
背景技术
近些年来，我国虚轨列车高速发展，列车速度进一步提高，但列车安全性能始终是我们关注的重点。列车的蛇行运动是轨道车辆的固有特性之一，其形成的根本原因在于列车轮对踏面具有锥度，由于轮对踏面锥度是铁路车辆过弯的必要条件，因而铁路车辆的蛇行运动无法从根本上消除。然而，当列车的运行速度超过临界速度时，稳定的蛇行运动会发展为蛇行失稳，带来极大的安全风险。
随着1997年起的6次运行速度提升，蛇行运动的问题对铁路车辆运行的影响越来越大。从安全的角度来说，过于严重的蛇行运动会导致车辆部件间动载荷的增加。例如SS8型准高速客运电力机车在早期运行中出现过由于走行部蛇行失稳引起的轴箱轴承破损，给机车的安全运行带来了风险；此外，大幅的蛇行运动会带来轮轨间作用力加大，从而引起轨道损坏甚至轮对脱轨，例如2008年86606次货运列车事故，由于机后41位车的心盘和侧架导框磨耗超限导致了车辆运行中出现了蛇行失稳，从而导致了41-46位共6辆货车出轨的事故。从舒适度的角度来说，蛇行运动会引起舒适度的下降。就我国目前的情况来说，动车组一次蛇行的频率普遍处于0-2Hz的范围内，而人体对0.1-0.5Hz的超低频振动、0.5-2Hz的低频振动极其敏感，通常超低频振动会引起人体的头晕、恶心等反应，低频振动会导致站立不稳等问题。因此，一次蛇行失稳虽然不引起安全问题，但也应该受到限制。
因此，对列车的蛇行失稳状态进行监测是列车安全运行的必要条件。车辆蛇行失稳的实时监测一般通过车载监控系统来实现。对动车组列车来说，现有技术中，主要依据EN4363、UIC518等标准构建蛇行失稳实时监控设备，这导致车载蛇行失稳监控设备皆以构架横向加速度信号作为输入参数，通过阈值对比进行最终的蛇行失稳判定。然而，在实际应用过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
a.由于依靠阈值判定，现有方法只能在蛇行失稳造成构架剧烈振动时进行识别，这直接导致了当依据现有方法探测到转向架蛇行失稳时，转向架的运行状态己经严重恶化；
b.对于超临界工况，若刚好列车的速度位于非线性临界速度与线性临界速度之间，此时转向架有可能呈现小幅震荡状态，该振动加速度不足以达到报警阈值。然而，长时间在该状态下运行显然对列车的安全不利。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，本发明提供了一种转向架失稳检测方法及系统。
本发明采用的技术方案是：
本发明公开了一种转向架失稳检测方法，包括以下步骤：
获取转向架的横向加速度信号；
获取轮对和轨道之间的横移距离信号；
判断当前横向加速度信号是否大于横向加速度阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则进入下一步；
判断当前横移距离信号是否大于横移距离阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则重新获取转向架的横向加速度信号和轮对和轨道之间的横移距离信号。
可选地，获取轮对和轨道之间的横移距离信号时，具体步骤如下：
获取转向架处于正常状态时指定点的位置信息；
获取轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
根据轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号与当前指定点的位置信息，得到轮对的横移距离信号。
可选地，获取转向架的横向加速度信号后，还包括以下步骤：
对转向架的横向加速度信号进行降采样处理，得到处理后横向加速度信号。
可选地，对转向架的横向加速度信号进行降采样处理时，具体步骤如下：
对转向架的横向加速度信号进行抽样处理，得到抽样后横向加速度信号；
对抽样后横向加速度信号进行滤波处理，得到处理后横向加速度信号。
可选地，判定转向架处于失稳状态后，还包括以下步骤：
进行失稳报警。
本发明还公开了一种转向架失稳检测系统，包括：
检测模块，用于获取并输出转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
信号处理模块，用于获取转向架处于正常状态时指定点的位置信息；还用于对转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号进行采样，然后将转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号转换为数字信号，并输出当前指定点的位置信息、转换后的转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
横向位移计算模块，用于接收当前指定点的位置信息及转换后的轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号，然后根据转换后的轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号与当前指定点的位置信息，得到轮对的横移距离信号，然后输出当前轮对横移距离信号；
报警评估模块，用于接收转换后的转向架的横向加速度信号及当前轮对横移距离信号，然后判断当前横向加速度信号是否大于横向加速度阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态；若否，则判断当前横移距离信号是否大于横移距离阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则重新获取转向架的横向加速度信号和轮对和轨道之间的横移距离信号。
可选地，所述检测模块包括：
加速度传感器，用于获取并输出转向架的横向加速度信号；
激光位移传感器，用于获取并输出轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号。
可选地，所述转向架失稳检测系统还包括：
降采样模块，用于对转向架的横向加速度信号进行降采样处理，得到处理后横向加速度信号。
进一步地，所述降采样模块包括：
抽样处理模块，用于对转向架的横向加速度信号进行抽样处理，得到抽样后横向加速度信号，然后输出抽样后横向加速度信号；
滤波模块，用于接收抽样后横向加速度信号并对抽样后横向加速度信号进行滤波处理，得到处理后横向加速度信号。
可选地，所述报警评估模块，还用于在判定转向架处于失稳状态后进行失稳报警。
本发明的有益效果是：适用于超零界工况，对转向架失稳检测的检测精度高。具体地，本发明中的转向架失稳检测方法及系统可在以转向架横向加速度信号判断转向架是否失稳的基础上，采用轮对和轨道之间的横移距离进一步进行失稳检测，可以有效解决现有基于转向架横向加速度的算法对于超临界工况下的小幅蛇行运动并不具备检测能力的问题，完善了构架失稳检测系统，提高了列车运行的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中一种转向架失稳检测方法的流程图；
图2是本发明中一种转向架失稳检测方法的具体流程图；
图3是车辆处于正常状态时及右倾时的结构示意图；
图4是轮对处于正常状态时及发生右向横移时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
应当理解，转向架是轨道车辆结构中最为重要的部件之一，其包括轮对、侧架、制动装置及摇枕等结构，下文的轮对为转向架的主要部件之一。
实施例1：
本实施例提供一种转向架失稳检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
获取转向架的横向加速度信号；
获取轮对和轨道之间的横移距离信号；
判断当前横向加速度信号是否大于横向加速度阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则进入下一步；
判断当前横移距离信号是否大于横移距离阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则重新获取转向架的横向加速度信号和轮对和轨道之间的横移距离信号。
本实施例适用于超零界工况，对转向架失稳检测的检测精度高。具体地，本实施例可在以转向架横向加速度信号判断转向架是否失稳的基础上，采用轮对和轨道之间的横移距离进一步进行失稳检测，可以有效解决现有基于转向架横向加速度的算法对于超临界工况下的小幅蛇行运动并不具备检测能力的问题，完善了构架失稳检测系统，提高了列车运行的安全性。
实施例2：
本实施例提供一种转向架失稳检测方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1.获取转向架的横向加速度信号；
步骤S1后，还包括以下步骤：
A.对转向架的横向加速度信号进行抽样处理，得到抽样后横向加速度信号；
B.利用低通滤波器对抽样后横向加速度信号进行滤波处理，以消除频率混叠，得到处理后横向加速度信号。
步骤A和B实现了对转向架的横向加速度信号的降采样处理，可使得转向架的横向加速度信号获得更高的频率分辨率。
S2.获取轮对和轨道之间的横移距离信号；具体步骤如下：
S201.获取转向架处于正常状态时指定点的位置信息；应当理解的是，正常状态指转向架未处于蛇行失稳状态时的状态，此时转向架相对于轨道未发生横向偏移，常规情况为转向架的行走方向为轨道的中轴平行，且转向架的竖向中心线与轨道线路的中心线平行。
S202.获取轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
S203.根据轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号与当前指定点的位置信息，得到轮对的横移距离信号。
具体地，设轮对和轨道之间的横向偏移倾角为α，如图3所示，车辆处于正常状态时的示意图如实线所示，车辆右倾时的示意图如虚线所示；如图4所示，轮对处于正常状态时的示意图如实线所示，轮对发生右向横移时的示意图如虚线所示；本实施例中，以轮对在转向架处于正常状态时的中轴和以轮对在转向架处于正常状态时的中轴之间的交点为原点O、轮对在转向架处于正常状态时的中轴为z轴、轮对的车轴的轴向为y轴、转向架的移动方向为x轴，建立空间直角坐标系O-xyz。在转向架处于正常状态时，设转向架处于正常状态时指定点的位置信息为：在平面直角坐标系yOz上的坐标Q(y,z)；在转向架发生偏转，即轮对和轨道之间的横向偏移倾角为α时，指定点在平面直角坐标系yOz上的坐标为Q’(y′,z′)，轮对和轨道之间的横移距离为Δy，其中，
y′＝z sinα+y cosα，
z′＝z cosα-y sinα，
Δy＝y′-y。
S3.判断当前横向加速度信号是否大于横向加速度阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，然后进入步骤S5；若否，则进入步骤S4；
S4.判断当前横移距离信号是否大于横移距离阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，然后进入步骤S5；若否，则重新获取转向架的横向加速度信号和轮对和轨道之间的横移距离信号。
S5.进行失稳报警。由此便于管理人员及时了解列车是否处于蛇行失稳状态，以便于及时对列车进行避让性控制。
本实施例适用于超零界工况，对转向架失稳检测的检测精度高。
实施例3：
本实施例提供一种转向架失稳检测系统，用于实现实施例1或2中的转向架失稳检测方法，所述转向架失稳检测系统包括：
检测模块，用于获取并输出转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
信号处理模块，用于获取转向架处于正常状态时指定点的位置信息；还用于对转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号进行采样，然后将转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号等模拟信号转换为数字信号，并输出当前指定点的位置信息、转换后的转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
横向位移计算模块，用于接收当前指定点的位置信息及转换后的轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号，然后根据转换后的轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号与当前指定点的位置信息，得到轮对的横移距离信号，然后输出当前轮对横移距离信号；
报警评估模块，用于接收转换后的转向架的横向加速度信号及当前轮对横移距离信号，然后判断当前横向加速度信号是否大于横向加速度阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态；若否，则判断当前横移距离信号是否大于横移距离阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则重新获取转向架的横向加速度信号和轮对和轨道之间的横移距离信号。
本实施例中，所述检测模块包括：
加速度传感器，用于获取并输出转向架的横向加速度信号；本实施例中，加速度传感器采用压电式加速度传感器实现，其具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点,应用广泛，适用于恶劣工况。
激光位移传感器，用于获取并输出轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号。
需要说明的是，非接触测量由于其良好的精确性和实时性，已经成为测量领域的热点。激光位移传感器为非接触测量的一种主要方法，由于其数据点获取的高速性以及随之而来的测量时间和成本的降低，使得其在复杂三维曲面的快速测量和逆向工程中得到了广泛的应用。
本实施例中，激光位移传感器可采用但不限于直射式三角法原理获取轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号。
本实施例中，所述转向架失稳检测系统还包括：
降采样模块，用于对转向架的横向加速度信号进行降采样处理，得到处理后横向加速度信号。
具体地，所述降采样模块包括：
抽样处理模块，用于对转向架的横向加速度信号进行抽样处理，得到抽样后横向加速度信号，然后输出抽样后横向加速度信号；
滤波模块，用于接收抽样后横向加速度信号并对抽样后横向加速度信号进行滤波处理，以消除频率混叠，得到处理后横向加速度信号。
需要说明的是，滤波模块可采用低通滤波器实现，具备低损耗高抑制、分割点准确、双铜管保护及频蔽好防水功能强等特点。
本实施例中，所述报警评估模块，还用于在判定转向架处于失稳状态后进行失稳报警，便于管理人员及时了解列车是否处于蛇行失稳状态，以便于及时对列车进行避让性控制。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (9)
1.一种转向架失稳检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取转向架的横向加速度信号；
获取轮对和轨道之间的横移距离信号；
判断当前横向加速度信号是否大于横向加速度阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则进入下一步；
判断当前横移距离信号是否大于横移距离阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则重新获取转向架的横向加速度信号和轮对和轨道之间的横移距离信号；
获取轮对和轨道之间的横移距离信号时，具体步骤如下：
获取转向架处于正常状态时指定点的位置信息；
获取轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
根据轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号与当前指定点的位置信息，得到轮对的横移距离信号。
2.根据权利要求1所述的一种转向架失稳检测方法，其特征在于：获取转向架的横向加速度信号后，还包括以下步骤：
对转向架的横向加速度信号进行降采样处理，得到处理后横向加速度信号。
3.根据权利要求1所述的一种转向架失稳检测方法，其特征在于：对转向架的横向加速度信号进行降采样处理时，具体步骤如下：
对转向架的横向加速度信号进行抽样处理，得到抽样后横向加速度信号；
对抽样后横向加速度信号进行滤波处理，得到处理后横向加速度信号。
4.根据权利要求1所述的一种转向架失稳检测方法，其特征在于：判定转向架处于失稳状态后，还包括以下步骤：
进行失稳报警。
5.一种转向架失稳检测系统，其特征在于：包括：
检测模块，用于获取并输出转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
信号处理模块，用于获取转向架处于正常状态时指定点的位置信息；还用于对转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号进行采样，然后将转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号转换为数字信号，并输出当前指定点的位置信息、转换后的转向架的横向加速度信号及轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号；
横向位移计算模块，用于接收当前指定点的位置信息及转换后的轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号，然后根据转换后的轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号与当前指定点的位置信息，得到轮对的横移距离信号，然后输出当前轮对横移距离信号；
报警评估模块，用于接收转换后的转向架的横向加速度信号及当前轮对横移距离信号，然后判断当前横向加速度信号是否大于横向加速度阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态；若否，则判断当前横移距离信号是否大于横移距离阈值，若是，则判定转向架处于失稳状态，若否，则重新获取转向架的横向加速度信号和轮对和轨道之间的横移距离信号。
6.根据权利要求5所述的一种转向架失稳检测系统，其特征在于：所述检测模块包括：
加速度传感器，用于获取并输出转向架的横向加速度信号；
激光位移传感器，用于获取并输出轮对和轨道之间的横向偏移倾角信号。
7.根据权利要求5所述的一种转向架失稳检测系统，其特征在于：所述转向架失稳检测系统还包括：
降采样模块，用于对转向架的横向加速度信号进行降采样处理，得到处理后横向加速度信号。
8.根据权利要求7所述的一种转向架失稳检测系统，其特征在于：所述降采样模块包括：
抽样处理模块，用于对转向架的横向加速度信号进行抽样处理，得到抽样后横向加速度信号，然后输出抽样后横向加速度信号；
滤波模块，用于接收抽样后横向加速度信号并对抽样后横向加速度信号进行滤波处理，得到处理后横向加速度信号。
9.根据权利要求5所述的一种转向架失稳检测系统，其特征在于：所述报警评估模块，还用于在判定转向架处于失稳状态后进行失稳报警。
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