CN113624521A - 一种基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明给出了一种基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法和系统，包括基于列车当前时速定义采样频率，采集监测区间内列车轴箱的横向加速度信号；将横向加速度信号经过低通滤波，提取滤波后的信号极大值点；响应于列车行驶过程中的任意一个有效监测区间内存在满足信号极大值点的幅值大于加速度阈值的连续信号极大值点个数超过次数阈值，输出列车失稳结果。本发明采用轴箱振动来判断蛇行失稳比针对架构的判断更直接，物理意义更强，能够有效的检测列车蛇形失稳。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通列车蛇形失稳监测的技术领域，尤其是一种基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法和系统。
背景技术
列车在日常运行过程中，由于钢轨普遍存在横向不平顺，导致轮对踏面在滚动时，不会始终沿着对中的运行轨迹，而是会产生横向偏移量。同时由于轮对踏面存在锥度，左右两轮在钢轨上的名义踏面圆直径不同产生位移差，从而产生指向钢轨中心的平衡力。此平衡力用以抑制轮对的横向偏移和摇头运动，使轮对回归理想的中心运行轨迹。而由于惯性力的存在，轮对在经过平衡位置时会越过平衡位置继续向另一侧摆动，然后又回归中心，周而复始，导致轮对在运行时会在平衡中心左右摆动，像蛇一样蠕动前行，此现象称为列车的蛇行运动。蛇行运动的能量主要来源于列车牵引力，当列车在一定的行驶速度范围内且钢轨不给列车带来额外激励时，此能量会由走行部悬挂系统所消耗，导致蛇行运动的振幅越来越小，呈现出随时间衰减收敛至平衡位置的现象。
蛇行运动是列车日常运行中的一种固有属性，无法被消除。当行车速度超过某一临界值时，列车的蛇行运动就会发生失稳现象，并带来类似轮轨撞击、乘客舒适度下降、脱轨等一系列不良后果，因此在列车上安装监控设备对其蛇行运动进行实时监测十分有必要。本专利在调研了目前主流失稳监测方法之后，从实际项目需求出发，基于列车走行部轴箱的横向振动数据提出新的失稳阈值计算方法。
目前针对列车蛇行失稳现象，已有很多相关标准来规定监测依据。其中应用最广泛的是通过加装在转向架构架上的加速度传感器来获取横向振动数据，当蛇行振幅以某种判定方式满足阈值条件时及时输出报警信息。列车收到报警信息后通过降低车速等方式来确保行车安全性。目前较为主流的方法都是针对构架的横向加速度，针对轴箱横向加速度的研究很少，缺乏类似的判定标准。而蛇行失稳的实质是轮对发生不可收敛的振动，采用架构来间接判断蛇形失稳，物理意义上的准确性不高。
发明内容
为解决现有技术中采用架构对列车蛇形失稳监测物理意义上的准确性不高，本发明提出了一种基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法和系统，根据轴箱振动来判断蛇形失稳，更加直接，物理意义更强。
根据本发明的一个方面，提出了一种基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，包括以下步骤：
S1：基于列车当前时速定义采样频率，采集监测区间内列车轴箱的横向加速度信号；
S2：将横向加速度信号经过低通滤波，提取滤波后的信号极大值点；
S3：响应于列车行驶过程中的任意一个有效监测区间内存在满足信号极大值点的幅值大于加速度阈值的连续信号极大值点个数超过次数阈值，输出列车失稳结果。
在一些具体的实施例中，采样频率的计算公式为fs＝nV，n为满足采样定理的任一数值，V为列车的当前车速。根据车速进行采样频率的设定能够保证合理的采样频率以获得更加合理有效的数据。
在一些具体的实施例中，横向加速度信号经过10Hz的低通滤波，保留蛇形运动数据。凭借该设置可以过滤信号噪音，获取蛇形运动中的加速度数据。
在一些具体的实施例中，加速度阈值的确定公式为|a|＝4π2f2|y|，其中，f表示为蛇形频率，y表示为轮对横移量。
在一些具体的实施例中，蛇形频率介于最低蛇形频率与最高蛇形频率之间，其中，最低蛇形频率为当轮对与架构之间刚度无穷大，整个转向架视为刚性转向架时的蛇形频率；最高蛇形频率为当轮对与架构之间刚度为0，轮对为自由轮对时的蛇形频率。实际轮对和构架之间的关系介于自由轮对和刚性转向架这两种极端状态之间，利用该范围可界定出蛇形频率和波长的范围。
在一些具体的实施例中，最高蛇形频率的计算公式为
最低蛇形频率的计算公式为
其中，自由轮对的蛇行运动波长
刚性转向架的蛇行运动波长
l为转向架轴距的一半，e为左右轮轨接触点之间的距离，r0为轮对踏面的名义圆半径，tanγe为踏面等效锥度。
在一些具体的实施例中，监测区间大于次数阈值与刚性转向架的蛇行运动波长λt的乘积。监测区间的上述定义保证区间内至少具有与次数阈值的完整蛇形波形，便于进行蛇形失稳的判断。
根据本发明的第二方面，提出了一种基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测系统，该系统包括：
加速度信号获取单元：配置用于基于列车当前时速定义采样频率，利用设置于列车轴箱上的加速度传感器采集监测区间内列车轴箱的横向加速度信号；
滤波单元：配置用于将横向加速度信号经过低通滤波，提取滤波后的信号极大值点；
蛇形失稳判断单元：配置用于响应于列车行驶过程中的任意一个有效监测区间内存在满足信号极大值点的幅值大于加速度阈值的连续信号极大值点个数超过次数阈值，输出列车失稳结果。
在一些具体的实施例中，采样频率的计算公式为fs＝nV，n为满足采样定理的任一数值，V为列车的当前车速，横向加速度信号经过10Hz的低通滤波，保留蛇形运动数据。
在一些具体的实施例中，加速度阈值的确定公式为|a|＝4π2f2|y|，其中，f表示为蛇形频率，y表示为轮对横移量，蛇形频率介于最低蛇形频率与最高蛇形频率之间，其中，最低蛇形频率为当轮对与架构之间刚度无穷大，整个转向架视为刚性转向架时的蛇形频率，计算公式为
最高蛇形频率为当轮对与架构之间刚度为0，轮对为自由轮对时的蛇形频率，计算公式为
最低蛇形频率的计算公式为
其中，自由轮对的蛇行运动波长
刚性转向架的蛇行运动波长
l为转向架轴距的一半，e为左右轮轨接触点之间的距离，r0为轮对踏面的名义圆半径，tanγe为踏面等效锥度；监测区间大于次数阈值与刚性转向架的蛇行运动波长λt的乘积。
本发明提出了用轴箱振动数据来检测列车蛇形失稳的判断，通过计算列车在不同工况下的蛇形波长和蛇形频率，推到出轴箱横向振动加速度阈值，整个计算过程反映的是轮对的振动信息，而轮对与列车失稳是直接相关，因此用轮对来监测列车失稳具有更强的物理意义。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1a-c是列车蛇形运动的稳定、临界和失稳状态的示意图；
图2是本申请的一个实施例的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法的流程图；
图3是本申请的一个具体的实施例的轮对横移量与等效锥度的对应关系图；
图4是本申请的一个实施例的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测系统的框架图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1a-c示出了列车蛇形运动的稳定、临界和失稳状态的示意图，如图1a所示，此时称列车的蛇行运动具有稳定性。而当列车的速度超过某一临界数值时，悬挂系统不足以消耗掉由牵引力所来的蛇行运动能量，此时蛇行振幅不再随时间衰减收敛，而是呈现发散扩大的迹象，即如图1c所示，此时称列车发生蛇行失稳。随着车速的提升，蛇行运动逐渐从稳定状态过渡到失稳状态，中间势必存在一临界状态，此状态下蛇行振幅不随时间而改变，如图1b所示，称此时的车速为蛇行运动的临界速度。
根据本申请的一个实施例的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，图2示出了根据本申请的实施例的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
S201：基于列车当前时速定义采样频率，采集监测区间内列车轴箱的横向加速度信号。根据车速跟踪原理设置采样频率fs＝nV，n为满足采样定理的任一数值，V为车速。
S202：将横向加速度信号经过低通滤波，提取滤波后的信号极大值点。将数据经过10Hz的低通滤波，保留蛇行运动成分。
S203：响应于列车行驶过程中的任意一个有效监测区间内存在满足信号极大值点的幅值大于加速度阈值的连续信号极大值点个数超过次数阈值，输出列车失稳结果。
在具体的实施例中，当列车处于临界速度时，轮对蛇行运动的横向振幅保持不变，可近似看成正弦波形，其振动公式为
其中y0为蛇行运动临界状态的振幅，f为蛇行频率，
为相位角。对上式求取二阶导数可得蛇行运动的横向加速度，其振动公式为
结合以上两振动公式可得此时振幅与加速度的对应公式：|a|＝4π2f2|y|，加速度与横向振幅的大小呈现正相关，因此可用轮对的横向加速度值来反应横向振幅大小，即可描述列车蛇行运动特性。
当磨耗型踏面出现蛇行运动时，每一个轮对横移量均对应一个锥形踏面，具有与锥形踏面相同波长的等效锥度，即轮对横移量与等效锥度具有一一对应关系，此关系的前提是轮对踏面的形状与尺寸确定，不同型号的轮对踏面与等效锥度对应的关系曲线是不一样的。根据UIC519《等效锥度的确定方法》标准，可将常见的磨耗型踏面的横移量与等效锥度关系曲线描绘为图3所示。由图3可知，当轮对横移量在3mm以内，踏面等效锥度约为0.1；当横移量达到7mm时，等效锥度为0.5。
当轮对与构架之间刚度为0时，此时轮对为自由轮对，拥有最大的蛇行频率；当轮对与构架之间刚度为无穷大时，此时整个转向架视为刚性转向架，蛇行频率最低。自由轮对的蛇行运动波长
刚性转向架的蛇行运动波长
其中，l为转向架轴距之半，e为左右轮轨接触点之间的距离，r0为轮对踏面的名义圆半径，tanγe为踏面等效锥度。在一个具体的列车的参数的示例中，转向架轴距之半l＝1100mm，左右轮轨接触点之间的距离e＝1500mm，轮对踏面的名义圆半径r0＝385mm-420mm，踏面等效锥度tanγe＝0.1-0.5。经过计算不同参数下的蛇形运动波长如下表1所示。
表1.不同参数下的蛇形运动波长
当列车在蛇行运动中有确定的波长时，即可结合速度求出列车的蛇行频率，其中自由轮对的蛇行频率
刚性转向架的蛇行频率
V为车速。参考GB/T5599-2019中在对横向稳定性评定中，采用的是最高试验速度(最高运行速度的1.1倍)，当车速V＝90km/h时，蛇行频率计算结果如表2所示。
表2.不同参数下的蛇形频率
实际轮对和构架之间的关系介于自由轮对和刚性转向架这两种极端状态之间，即当踏面半径取420mm，车速取90km/h时，轮对蛇行频率f＝2.8～5Hz
参考表1的TB/T3188标准，需在监测区间内监测到连续六次幅值达到或超过阈值，判定列车失稳，则监测区间内至少需包括六次以上完整蛇行波形。由表1可知，踏面锥度0.5，踏面半径420mm时，蛇行运动波长λ∈[4.99,8.86]m。则完整监测到六次波形，监测区间长度需满足L≥8.86*6＝53.16m。为保证波形连续性，采用递增步长Δl≥8.86m来移动监测区间。根据公式|a|＝4π2f2|y|可知加速度大小取决于轮对横移量及蛇行频率。由上述分析可知当等效锥度取最大值0.5时，轮对横移量y＝7mm，蛇行频率取最大值f＝5Hz，即可得到加速度阈值alim＝7m/s2。
在一个具体的实施例中，利用轴箱振动监测列车蛇形失稳的方法，具体可以包括以下步骤：
步骤一：在列车轴箱横向处安装加速度传感器；
步骤二：在列车行车方向安装速度传感器，获取列车的实时车速V；
步骤三：根据车速跟踪原理设置采样频率fs＝nV，n为满足采样定理的任一数值，V为车速；
步骤四：采集列车在60m监测区间内的横向振动加速度数据；
步骤五：将此段数据经过10Hz的低通滤波，保留蛇行运动成分；
步骤六：提取滤波后信号的极大值点信息x1、x2、…、xn，n为极大值点个数；
步骤七：依次检测极大值点幅值。若某一个极值点幅值xk≥7m/s2，则计数count＝1，检测下一个极值点，若下一个极值点幅值xk+1≥7m/s2，则计数count+1，否则count＝0，以此类推，直至遍历所有极值点；
步骤八：若count＝6，则输出失稳结果；若遍历所有极值点后count≠6，则输出运行正常结果；
步骤九：当列车在监测区间外行驶10m，则将监测区间内后50m的振动数据与此10m采集数据形成新的监测区间，重复步骤六至步骤九，直至列车停止运行。采用递增式的检测方式，在列车当前监测区间行驶过程中，列车行驶的距离与前一监测区间除去该距离的剩余距离重新组成新的监测区间，使得整个检测过程具有连续性，避免每个监测区间之间连接处可能存在的失稳情况漏检的情况发生。
步骤十：以上为列车实时监控蛇行失稳的监测结果，若过程有输出失稳结果，则通报司机室采用降速等方式来保证列车的行驶安全。
图4示出了根据本发明的另一实施例的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测系统。该系统具体包括加速度信号获取单元401、滤波单元402和蛇形失稳判断单元403。
在具体的实施例中，加速度信号获取单元401配置用于基于列车当前时速定义采样频率，利用设置于列车轴箱上的加速度传感器采集监测区间内列车轴箱的横向加速度信号；滤波单元402配置用于将横向加速度信号经过低通滤波，提取滤波后的信号极大值点；蛇形失稳判断单元403配置用于响应于列车行驶过程中的任意一个有效监测区间内存在满足信号极大值点的幅值大于加速度阈值的连续信号极大值点个数超过次数阈值，输出列车失稳结果。
在具体的实施例中，采样频率的计算公式为fs＝nV，n为满足采样定理的任一数值，V为列车的当前车速，横向加速度信号经过10Hz的低通滤波，保留蛇形运动数据。加速度阈值的确定公式为|a|＝4π2f2|y|，其中，f表示为蛇形频率，y表示为轮对横移量，蛇形频率介于最低蛇形频率与最高蛇形频率之间，其中，最低蛇形频率为当轮对与架构之间刚度无穷大，整个转向架视为刚性转向架时的蛇形频率，计算公式为
最高蛇形频率为当轮对与架构之间刚度为0，轮对为自由轮对时的蛇形频率，计算公式为
最低蛇形频率的计算公式为
其中，自由轮对的蛇行运动波长
刚性转向架的蛇行运动波长
l为转向架轴距的一半，e为左右轮轨接触点之间的距离，r0为轮对踏面的名义圆半径，tanγe为踏面等效锥度；监测区间大于次数阈值与刚性转向架的蛇行运动波长λt的乘积。
目前较为主流的方法都是针对构架的横向加速度，针对轴箱横向加速度的研究很少，缺乏类似的判定标准。而蛇行失稳的实质是轮对发生不可收敛的振动，显然用轴箱振动来判断蛇行失稳更直接，物理意义更强。因此，本申请意在参考构架判定标准，提出具有物理意义的，有效的列车蛇行失稳检测方法。区别现有标准，提出用轴箱振动数据来检测列车蛇行失稳；计算列车在不同工况下的蛇行波长和蛇行频率；推导轴箱横向振动加速度阈值的计算公式；整个计算过程反映的是轮对的振动信息，而轮对与列车失稳是直接相关，因此用轮对来检测列车失稳具有更强的物理意义。本申请可涵盖不同类型的轨道交通工具，如高铁、动车、地铁等。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基于列车当前时速定义采样频率，采集监测区间内列车轴箱的横向加速度信号；
S2：将所述横向加速度信号经过低通滤波，提取滤波后的信号极大值点；
S3：响应于列车行驶过程中的任意一个有效监测区间内存在满足所述信号极大值点的幅值大于加速度阈值的连续信号极大值点个数超过次数阈值，输出列车失稳结果。
2.根据权利要求1所述的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，其特征在于，所述采样频率的计算公式为fs＝nV，n为满足采样定理的任一数值，V为所述列车的当前车速。
3.根据权利要求1所述的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，其特征在于，所述横向加速度信号经过10Hz的低通滤波，保留蛇形运动数据。
4.根据权利要求1所述的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，其特征在于，所述加速度阈值的确定公式为|a|＝4π2f2|y|，其中，f表示为蛇形频率，y表示为轮对横移量。
5.根据权利要求4所述的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，其特征在于，所述蛇形频率介于最低蛇形频率与最高蛇形频率之间，其中，所述最低蛇形频率为当轮对与架构之间刚度无穷大，整个转向架视为刚性转向架时的蛇形频率；所述最高蛇形频率为当轮对与架构之间刚度为0，轮对为自由轮对时的蛇形频率。
6.根据权利要求5所述的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，其特征在于，所述最高蛇形频率的计算公式为
所述最低蛇形频率的计算公式为
其中，自由轮对的蛇行运动波长
刚性转向架的蛇行运动波长
l为转向架轴距的一半，e为左右轮轨接触点之间的距离，r0为轮对踏面的名义圆半径，tanγe为踏面等效锥度。
7.根据权利要求6所述的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测方法，其特征在于，所述监测区间大于所述次数阈值与刚性转向架的蛇行运动波长λt的乘积。
8.一种基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测系统，其特征在于，所述系统包括：
加速度信号获取单元：配置用于基于列车当前时速定义采样频率，利用设置于列车轴箱上的加速度传感器采集监测区间内列车轴箱的横向加速度信号；
滤波单元：配置用于将所述横向加速度信号经过低通滤波，提取滤波后的信号极大值点；
蛇形失稳判断单元：配置用于响应于列车行驶过程中的任意一个有效监测区间内存在满足所述信号极大值点的幅值大于加速度阈值的连续信号极大值点个数超过次数阈值，输出列车失稳结果。
9.根据权利要求8所述的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测系统，其特征在于，所述采样频率的计算公式为fs＝nV，n为满足采样定理的任一数值，V为所述列车的当前车速，所述横向加速度信号经过10Hz的低通滤波，保留蛇形运动数据。
10.根据权利要求8所述的基于轴箱振动的列车蛇形失稳的监测系统，其特征在于，所述加速度阈值的确定公式为|a|＝4π2f2|y|，其中，f表示为蛇形频率，y表示为轮对横移量，所述蛇形频率介于最低蛇形频率与最高蛇形频率之间，其中，所述最低蛇形频率为当轮对与架构之间刚度无穷大，整个转向架视为刚性转向架时的蛇形频率，计算公式为
所述最高蛇形频率为当轮对与架构之间刚度为0，轮对为自由轮对时的蛇形频率，计算公式为
所述最低蛇形频率的计算公式为
其中，自由轮对的蛇行运动波长
刚性转向架的蛇行运动波长
l为转向架轴距的一半，e为左右轮轨接触点之间的距离，r0为轮对踏面的名义圆半径，tanγe为踏面等效锥度；所述监测区间大于所述次数阈值与刚性转向架的蛇行运动波长λt的乘积。
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