本發(fā)明涉及軌道車輛領域，特別是車輛長期服役運營下的狀態(tài)監(jiān)測領域。

背景技術：

1、鐵道車輛蛇行運動是由車輪與鋼軌之間特殊的輪軌接觸關系和蠕滑力所引起的一種自激振動現(xiàn)象，是鐵路車輛系統(tǒng)的固有特性。穩(wěn)定且快速收斂的蛇行運動對車輛動態(tài)性能無明顯影響，但緩慢或劇烈的周期性蛇行運動對車輛系統(tǒng)的振動和運行安全有明顯影響，可能與車輛零部件產生共振，輪對運動位移過大甚至會造成脫軌風險。車輛在長期運營下會出現(xiàn)不同程度的車輪和鋼軌磨耗，造成輪軌匹配等效錐度增大，轉向架懸掛參數(shù)在長期服役和復雜多變的運營環(huán)境下會出現(xiàn)性能劣化等現(xiàn)象，這些都可能會造成車輛系統(tǒng)不穩(wěn)定，即車輛出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象，導致輪對劇烈的橫向運動。因此，車輛蛇行穩(wěn)定性問題一直是軌道車輛研究領域內的重要方向，及時有效地檢測輪對橫向運動對于車輛蛇行穩(wěn)定性狀態(tài)非常重要，保障車輛安全、平穩(wěn)運行。

2、近年來，隨著高速鐵路的迅速發(fā)展和各類檢測技術的進步，車輛蛇行失穩(wěn)狀態(tài)檢測的相關研究層出不窮，根據(jù)檢測設備的安裝位置可以大致分為兩類，即車載檢測和軌邊檢測方法。車載檢測方法是指將檢測設備安裝在車輛上，在軸箱、構架、車體等部件上安裝位移、加速度、應變等傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理器也放在車內，基于車輛蛇行失穩(wěn)狀態(tài)與檢測物理量之間的映射關系，診斷車輛失穩(wěn)狀態(tài)，具有精度高的優(yōu)點，可以檢測車輛在整條路線或跨線上的狀態(tài)。但是，車載設備也具有局限性，首先車載設備需要單獨供電，對于載客車輛來說不是問題，但是對于鐵路貨車來說，可行性較差；此外，車載設備只能監(jiān)控測試車輛的狀態(tài)，沒辦法對其他車輛狀態(tài)進行檢測，而不同車輛之間的運行狀態(tài)存在較大隨機性，而每輛車都安裝車載設備的話又會造成成本過大，因此只能針對典型車輛的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。另外一種檢測方法是軌邊檢測方法，將檢測設備安裝在軌道兩旁，對通車的車輛運行狀態(tài)進行檢測，雖然此類檢測設備存在檢測方式不夠直接、僅能檢測部分區(qū)域等缺點，但是其成本較低、不需要車載供電、可以對通過測試區(qū)域的所有車輛進行檢測等優(yōu)勢，被廣泛應用于鐵道車輛狀態(tài)監(jiān)測，例如5t系統(tǒng)等。

3、對于基于軌邊檢測裝置的車輛蛇行穩(wěn)定性來說，目前國際上采用最多的是通過鋼軌受力來反推車輛是否失穩(wěn)?？蒲腥藛T為了診斷識別車輪擦傷等損傷狀態(tài)，在鋼軌上貼片、安裝傳感器得到測力鋼軌，在此基礎上，通過測力鋼軌的橫向力和垂向力來判斷車輛是否失穩(wěn)，但是其結果可靠性還有待進一步驗證，并且此類方法屬于間接方法，不是從車輛蛇行運動機理的角度來分析的。

4、綜合分析，車輛蛇行失穩(wěn)的重要體現(xiàn)是輪對在鋼軌上出現(xiàn)橫向往復運動，如果可以基于軌邊設備將輪對橫向運動位移測試得到，那么基于該位移可以判斷車輛是否失穩(wěn)。有鑒于此，如何設計出一種基于軌邊輪對橫向位移檢測的鐵道車輛失穩(wěn)狀態(tài)診斷方法及智能監(jiān)控系統(tǒng)，是本領域科研人員需要解決的關鍵技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、針對鐵道車輛蛇行失穩(wěn)特性，研究輪對橫向運動與失穩(wěn)狀態(tài)的表征關系，建立蛇行失穩(wěn)狀態(tài)與輪對橫移量和頻率的映射關系，針對軌邊非接觸式的輪對橫向位移監(jiān)測裝置，提出車輛蛇行失穩(wěn)評判方法。通過對車輛蛇行失穩(wěn)評判流程的制定，形成車輛失穩(wěn)狀態(tài)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，提高識別效率和識別準確性。

2、車輛蛇行失穩(wěn)會在輪對橫向運動位移上反應出來，通過軌邊檢測輪對橫向位移情況，可以對所有過往輪對的橫向運動進行監(jiān)測，及時識別動力學狀態(tài)較差的輪對，避免車輛動力學性能進一步惡化，以提高運輸效率。

3、通過在沿軌道的鋼軌側安裝一定數(shù)量的位移傳感器，檢測輪對經過時輪對內側距測量點位置與電渦流傳感器、激光位移傳感器等非接觸式位移傳感器的距離，即可得到測點處輪對的橫向位移。檢測車輛失穩(wěn)所需傳感器數(shù)量n的依據(jù)是至少檢測到車輛一個完整的蛇行波長l，這個波長與車輛運行速度、失穩(wěn)頻率等有關。在兩個軌枕之間安裝傳感器，假設軌枕間距為lb，那么，所需的最少傳感器數(shù)量為n≥l/lb，n為正整數(shù)。

4、將每個傳感器采集到的m個輪對橫移量，轉化為每條輪對的橫向位移，基于橫向位移展開分析。如下所示，當輪對在軌道上運行時，此時輪對橫向運動方程可以表示為：

5、

6、其中，yw是輪對橫向運動位移，a是輪對橫向運動的位移幅值，w是角速度，f是運動頻率，是相位差。

7、那么，可以得到輪對橫向振動加速度aw的表達式：

8、

9、進一步可以表示為：

10、

11、目前，國內外的標準規(guī)范針對輪對的橫向振動加速度awlim是沒有限值的，有以下幾點主要原因。輪對橫向加速度aw受到軌道激勵的影響很大，不同車型之間的限值存在明顯差異，而且不同線路下的軌道不平順存在較大隨機性；此外，輪對振動加速度與輪軌接觸位置相關，同樣條件下，輪軌接觸在車輪踏面位置還是接觸在車輪輪緣位置，橫向加速度可能存在成倍的差異，而且，輪對的頻響范圍很廣，如何選取合理的濾波范圍也具有很大的挑戰(zhàn)性。目前，鐵道車輛的蛇行穩(wěn)定性評價方法是對構架端部的橫向振動加速度進行0.5～10hz的帶通濾波，但是構架端部橫向振動加速度與輪對橫向振動加速度aw的對應關系不明確，也很難達到確定的關系。因此，通過制定輪對橫向振動加速度限值awlim來評估鐵道車輪蛇行穩(wěn)定性雖然從理論上是可行的，但是在實際應用中存在諸多難題。

12、鑒于此，提出了失穩(wěn)系數(shù)hc的概率去衡量車輛是否出現(xiàn)蛇行運動，失穩(wěn)系數(shù)hc是一個與輪對橫移量的幅值a和輪對橫向運動頻率f相關的一個性能指標，其與af2呈正比。

13、hc＝af2?(4)

14、基于軌邊裝置可以測試得到輪對橫移量a，經過快速傅里葉變換可以得到輪對橫向運動頻率f，從而得到失穩(wěn)系數(shù)hc。

15、在這里面，涉及到頻率f的判斷，采用了振動能量占比pe的概念，即分析段頻率[f1,f2]在整個頻域上的占比，整個頻域范圍考慮為0.5～10hz，每個分析段頻率范圍df可以根據(jù)需要更改，推薦為0.25hz～1hz，超過1hz后會造成誤差較大。那么，第1個分析段為[0.5,0.5+df]，第2個是[0.5+2*df,0.5+3*df]，以此類推，最后一個分析段是[10-df,10]。每個分析段的能量與所有分析段能量的比值就是pe的數(shù)值，其可以表示為：

16、

17、其中，e是整個頻域范圍內輪對橫向運動的振動能量，ei是第i個頻率分析段內輪對橫向運動的振動能量。對于車輛橫向蛇行運動的推薦分析頻率范圍來說，每個頻率分析段的能量ei總和等于e。在這里，推薦pe的限值為30％～40％，即當某個分析段pe超過這個限值時，判斷該頻率(分析頻率范圍f1和f2的平均值或者為f1和f2的最大值，可根據(jù)需要進行選取)為輪對橫向運動的振動主頻；若所有的分析段的pe均小于限值，那么可以認為輪對橫向運動為隨機振動，沒有振動主頻，此時，認為該頻率為0.5hz，便于失穩(wěn)系數(shù)hc的計算。

18、在計算得到失穩(wěn)系數(shù)hc的數(shù)值后，需要制定合理的失穩(wěn)系數(shù)限值對車輛蛇行運動狀態(tài)進行評判，為此，首先具有大量動力學仿真計算初步擬定限值，然后應用于軌邊檢測裝置的初期數(shù)據(jù)驗證，最后根據(jù)軌邊裝置的實測數(shù)據(jù)去修正失穩(wěn)系數(shù)的判斷限值。不同種類的鐵道車輛類型，其失穩(wěn)系數(shù)的限值是存在一定的差異，在使用時需要協(xié)同考慮。

19、根據(jù)車輛失穩(wěn)診斷識別流程，對鐵道車輛的失穩(wěn)狀態(tài)給出了三種評判狀態(tài)，具體為正常、預警和報警。正常狀態(tài)即車輛未失穩(wěn)，輪對體現(xiàn)出的橫向振動類型為隨機運動；報警狀態(tài)是指車輛已經被診斷為失穩(wěn)，需要后續(xù)檢修維護；預警狀態(tài)是車輛處于上述兩種狀態(tài)之間，可能包括有未失穩(wěn)但是輪對橫移量很大、有較為明顯的失穩(wěn)跡象但是幅值很小等情況，需要對該輪對狀態(tài)進行監(jiān)控。

20、本發(fā)明的有益效果：

21、本發(fā)明所述的一種鐵道車輛失穩(wěn)狀態(tài)診斷方法，與現(xiàn)有技術相比，主要體現(xiàn)在提出了一個性能指標，即失穩(wěn)系數(shù)來判斷車輛是否失穩(wěn)。該性能指標可以根據(jù)實際的鐵路線路以及運行需求對參數(shù)進行調整。

22、在失穩(wěn)頻率的計算方面，提出的是一種基于能量占比pe的判斷方法。該種方法相比于傳統(tǒng)的計算方面，可無需進行人為的甄選，而是通過其占比來判斷，pe的取值也可以根據(jù)需求進行變化，該方法的精度和準確度較高。

23、在有的文獻中，采用了承載鞍振動加速度直接評判相比較，但是振動加速度大小與軌道激勵等直接相關，可能軌道激勵很大，車輛雖然未失穩(wěn)，但是很容易超過1m/s2，被誤判為失穩(wěn)；其次，對于線路實測數(shù)據(jù)來說，如何篩選有用數(shù)據(jù)難度較大，數(shù)據(jù)干擾很多，如何與車輛失穩(wěn)狀態(tài)建立聯(lián)系難度很大。