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1、(10)申请公布号 CN 103900835 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103900835 A (21)申请号 201210583289.5 (22)申请日 2012.12.28 G01M 17/08(2006.01) (71)申请人 南车青岛四方机车车辆股份有限公 司 地址 266111 山东省青岛市城阳区棘洪滩镇 锦宏东路 88 号 (72)发明人 王晗 梁建英 战成一 赵长龙 (74)专利代理机构 北京元中知识产权代理有限 责任公司 11223 代理人 曲艳 (54) 发明名称 基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动 实时监测方法 (57) 摘要 本发明公开了一。
2、种基于模型与规则的高速列 车转向架蛇形运动实时监测方法， 将高精度的加 速度传感器安装在转向架构架上， 通过光纤传输 将传感器采集到的转向架运行过程中横向加速度 信号发送至车下设备舱的控制系器中， 控制器对 该信号进行信号处理， 计算出能够评价转向架自 身收敛能力的参数阻尼比 ， 判断转向架寿命是 否已经到期， 从而实现对转向架蛇形运动结构性 失稳进行在线监测。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103900835 A CN 103。
3、900835 A 1/2 页 2 1. 一种基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监测方法， 其特征在于， 将高 精度的传感器 （2） 安装在转向架上， 通过光纤传输将传感器采集到的转向架运行过程中横 向振动信号发送至车下设备舱的控制器 （8） 中， 控制器 （8） 对该信号进行信号处理， 计算出 能够评价转向架收敛能力的参数阻尼比 ， 通过监测 值的变化趋势判断转向架的失稳 情况。 2. 如权利要求 1 所述的基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监测方法， 其 特征在于， 传感器 （2） 为加速度传感器， 安装在转向架 （1） 的构架上， 采集转向架 （1） 的横向 加速度信号。 。
4、3. 如权利要求 1 所述的基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监测方法， 其 特征在于， 所述的控制器 （8） 包括光纤输入接口 （3） 、 信号滤波装置 （4） 、 信号调理装置 （5） 、 数字信号输入输出装置 （6） 和中央处理器 （7） ， 传感器 （2） 将采集到的横向加速度信号通过 光纤传输， 输送给光纤输入接口装置 （3） ， 接收信号后经过信号滤波装置 （4） 去除噪声和干 扰， 提取有用信息， 再经过信号调理装置 （5） ， 将采集的模拟信号转换成数字信号， 通过数字 信号输入输出装置 （6） 传输给中央处理器 （7） 。 4. 如权利要求 3 所述的基于模型与规则的。
5、高速列车转向架蛇形运动实时监测方法， 其 特征在于， 中央处理器 （7） 对收集到的信号进行数据分析和处理， 得到能够评价转向架收敛 能力的阻尼比参数 ， 通过这个参数来判断转向架结构是否已经失稳。 5. 如权利要求 1 所述的基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监测方法， 其 特征在于， 转向架横向振动可以描述如下 ； 其传递函数为 式中 r(t) 为系统的输入也就是外界冲击 ； c(t) 为系统输出也就是转向架横向位移 ； a2,a1,a0,b1,b0为常数， d 代表微分， t 代表时间。 6. 如权利要求 5 所述的基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监测方法， 其 特征在。
6、于， 在分析转向架二阶系统动态特性时， 首先考虑传递函数分子部分等于常数的情 况， 也就是单位阶跃响应的情况， 即 上式可改写成如下形式 ： 公式中 G（s） 代表传递函数， S 代表微分方程的拉普拉斯变换， ，二阶 系统无阻尼振荡频率 ；二阶系统的阻尼比 ； K=b0/a0放大系数。式 （4） 的特征方程为 ： S2+2nS+n2=0 (5) 其中 ： 转向架横向振动为冲击响应函数， 当 t=0 时 r(t)=r ； t 0 时 r(t)=0， 通过加速 权 利 要 求 书 CN 103900835 A 2 2/2 页 3 度传感器可以测出转向架横向加速度， 通过公式 (1) 计算出 ， 通。
7、过监测 值的变化趋势 能够判断转向架的失稳情况。 7. 如权利要求 5 或 6 所述的基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监测方 法， 其特征在于， 的计算方法如下 ： 在转向架横向加速度最大值附近选取三个加速度值 d2c(t1)/dt2,d2c(t2)/dt2,d2c(t3)/dt2， 因为转向架冲击为单位冲击响应， 因此在上述三个加 速度值的横向状态我们可认为 r(t)=0， 根据式 (1)， 得到如下方程组 根据上式求出a0,a1,a2， 计算通过监测值的变化趋势判断转向架的失 稳情况。 8. 如权利要求 5 任何一项所述的基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监 测方法， 其。
8、特征在于， 公式 (4) 中是转向架输入和转向架输出之间的 传递函数， 由公式 (4) 的二阶系统特征方程 S2+2nS+n2=0 得到 9. 如权利要求 1-8 任何一项所述的基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时 监测方法， 其特征在于为阻尼比参数 设定限值， 1 时， 转向架自身收敛能力较强， 处 于正常状态， 1 0 时， 转向架自身收敛能力逐渐减弱， 转向架逐渐趋于失稳， =0 时， 转向架内部结构已失稳， 超出转向架使用寿命期限。 权 利 要 求 书 CN 103900835 A 3 1/6 页 4 基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监测方法 技术领域 ： 0001 本。
9、发明涉及一种高速列车转向架实时监测的方法， 尤其涉及一种基于模型与规则 的高速列车转向架蛇形运动实时监测方法。 背景技术 ： 0002 转向架系统横向稳定性是列车安全运行的主要问题之一， 一旦系统出现了蛇行失 稳， 其运行品质将急剧恶化， 运行平稳性大大降低， 甚至会引发脱轨。引起转向架系统横向 振动的因素很多， 第一种是由于外界冲击力过大导致转向架出现幅度过大、 频次过高的横 向振动 ； 第二种情况是由于转向架长期服役过程中， 横向减震器设备老化、 踏面锥度改变、 传感器误差等故障导致的转向架结构性失稳， 当外界存在一定冲击力的情况下， 转向架蛇 形运动收敛的能力变差。对比已经存在结构失稳的。
10、转向架， 性能优良的转向架在受到同样 冲击力的情况下收敛性能更好。传统监测横向振动加速度信号的方法， 只能监测与判断转 向架的外在表现， 无法从转向架内部机理与结构上判断转向架失稳的原因， 无法对转向架 进行相应的故障诊断， 只有当发生重大事故的时候才能检查出来， 而这时的损失已经不可 避免了。 本发明在不考虑外界干扰因素的情况下从转向架结构机理上研究转向架横向稳定 性， 分析产生蛇形运动及失稳的趋势， 从而判断转向架是否到达使用寿命期限。 发明内容 ： 0003 本发明的目的在于提供一种能够评价转向架横向振动收敛能力的阻尼比参数， 从 转向架结构机理上研究转向架横向稳定性， 实现对转向架寿命。
11、到期的时间估计， 从而真正 实现高速列车蛇形运行中结构性失稳的状态监测。 0004 本发明的目的可通过以下技术措施来实现 ： 0005 在转向架构架上安装加速度传感器， 对转向架运行过程中横向加速度信号进行实 时采集并传给车载控制器 ； 0006 所述的车载控制器由光纤输入接口、 信号调理与滤波装置、 中央处理器、 数字信号 输入输出装置构成。 0007 传感器将采集到的横向加速度信号通过光纤传输， 输送给光纤输入接口装置 （3） ， 接收信号后经过信号滤波装置 （4） 去除噪声和干扰， 提取有用信息， 再经过信号调理装置 （5） ， 将采集的模拟信号转换成数字信号， 通过数字信号输入输出装置。
12、 （6） 传输给中央处理 器 （7） ， 中央处理器 （7） 对收集到的信号进行数据分析和计算， 计算出能够评价转向架收敛 能力的阻尼比参数 ， 计算方法如下 ： 0008 转向架横向振动二阶微分方程描述的系统可称为二阶系统， 可以描述如下 0009 0010 在转向架横向加速度最大值附近选取三个加速度值 0011 d2c(t1)/dt2,d2c(t2)/dt2,d2c(t3)/dt2， 因为转向架冲击为单位冲击响应， 因此在上 说 明 书 CN 103900835 A 4 2/6 页 5 述三个加速度值的横向状态我们可以认为 r(t)=0， 根据式 (1)， 可以得到如下方程组 0012 0。
13、013 根据上式求出 a0,a1,a2， 计算 0014 二阶系统的传递函数为 ： 0015 0016 式 中 r(t)- 系 统 的 输 入 （外 界 冲 击） ； c(t)- 系 统 输 出 （转 向 架 横 向 位 移 ) ； a2,a1,a0,b1,b0为常数。在分析转向架二阶系统动态特性时， 首先考虑传递函数分子部分等 于常数的情况， 也就是单位阶跃响应的情况， 即 0017 0018 上式可改写成如下形式 0019 0020 式中二阶系统无阻尼振荡频率 ；二阶系统的阻尼 比 ； K=b0/a0放大系数， S 代表微分方程的拉普拉斯变换， G(s) 代表传递函数。式 (4) 的特 征。
14、方程 0021 0022 公式中是转向架输入与转向架输出之间的传递函数， 也就 是外界冲击与转向架位移、 速度、 加速度之间的传递函数。里面的参数不同， 该传递函数抑 制外界冲击的能力有所不同， 也就是转向架输出的收敛能力不同， 我们把转向架输入简化 为单位脉冲输入， 通过为阻尼比参数 设定限值， 描绘出转向架自身收敛能力的曲线图 （附图 2） ， 附图中曲线 1 代表在 1 的过阻尼系统中取值为 1.5 时， 对应时间 t 的脉冲响 应输出情况 ； 曲线2代表=1临界阻尼系统时， 对应时间t的脉冲响应输出情况 ； 曲线3代 表在01的欠阻尼系统中取一个值0.5时， 对应时间t的脉冲响应输出情。
15、况 ； 曲线4 代表=0的无阻尼系统时， 对应时间t的脉冲响应输出情况， 由此我们看出， 当阻尼比参数 =1.5 时， 转向架振幅较小， 且经过一段时间后曲线收敛归零， 说明转向架自身收敛能力极 强， 处于正常状态 ； 当阻尼比参数 =1 和 =0.5 时， 曲线 2、 曲线 3 振幅逐渐增大， 但经过 一段时间后振幅收敛至零， 说明转向架收敛能力逐渐变差， 已逐渐趋于失稳 ； 当 =0 时， 曲 线 4 振幅增大， 且一直无法收敛至零， 说明转向架内部结构已失稳， 超出转向架使用寿命期 限， 由此可知， 1 时， 转向架自身收敛能力较强， 处于正常状态， 1 0 时， 转向架 说 明 书 C。
16、N 103900835 A 5 3/6 页 6 自身收敛能力逐渐减弱， 转向架逐渐趋于失稳， =0 时， 转向架内部结构已失稳， 超出转向 架使用寿命期限。 0023 本发明的有益效果是 ： 通过检测 值的变化趋势， 能够从转向架的内部机理和结 构上判断转向架失稳的情况 ； 实现故障的提前预测， 降低列车运行风险， 提高了安全性 ； 实 现转向架的安全检修及设备寿命估计。 附图说明 ： 0024 图 1 是本发明基于模型与规则的高速列车转向架系统状态实时监测装置的布置 示意图 ； 0025 图 2 是本发明对阻尼比参数设定限值后该传递函数收敛能力的曲线示意图 ； 0026 曲线 1 代表 =1。
17、.5 时， 对应时间 t 的脉冲响应输出情况 ； 曲线 2 代表 =1 时， 对 应时间t的脉冲响应输出情况 ； 曲线3代表=0.5时， 对应时间t的脉冲响应输出情况 ； 曲 线 4 代表 =0 时， 对应时间 t 的脉冲响应输出情况。 具体实施方式 ： 0027 以下是根据附图对本发明的进一步的描述。 0028 本发明公开了一种基于模型与规则的高速列车转向架蛇形运动实时监测方法， 包 括安装在转向架 1 上的高精度传感器 2 和控制系统 8。控制系统 8 由光纤输入接口装置 3， 信号滤波装置 4， 信号调理装置 5， 数字信号输入输出装置 6 和中央处理器 7 组成 （参见图 1） 。 0。
18、029 高精度传感器 2 采集转向架 1 横向运行的加速度信号， 将加速度信号通过光纤传 输到控制系统8中的光纤输入接口装置3， 接收到的信号经过信号滤波装置4提取有用的信 号， 再通过信号调理装置 5， 将采集到的模拟信号转换成数字信号， 通过数字信号输入输出 装置6， 将数字信号传送给中央处理器7， 经过中央处理器7对加速度信号进行数据处理， 计 算得出能够体现转向架 1 失稳的内部机理与结构的阻尼比参数 。 0030 转向架 1 横向振动二阶微分方程描述的系统可称为二阶系统， 可以描述如下 0031 0032 其传递函数为 ： 0033 0034 式中 r(t) 系统的输入 （外界冲击）。
19、 ； c(t)- 系统输出 （转向架 1 横向位移 ) ； a2,a1,a0,b1,b0为常数。在分析转向架 1 二阶系统动态特性时， 首先考虑传递函数分子部分 等于常数的情况， 也就是单位阶跃响应的情况， 即 0035 0036 上式可改写成如下形式 说 明 书 CN 103900835 A 6 4/6 页 7 0037 0038 式中二阶系统无阻尼振荡频率 ；二阶系统的阻尼 比 ； K=b0/a0放大系数， S 代表微分方程的拉普拉斯变换， G（s） 代表传递函数。式 (4) 的 特征方程式为 0039 0040 二阶系统特征方程 ： 0041 s2+2ns+n2=0 0042 0043 。
20、S1、 2表示上述方程的两个根 0044 随着阻尼比取值不同， 二阶系统体征根不同， 即极点不同。 0045 如图 2 所示， 曲线 1 代表在 1 的过阻尼系统中取值为 1.5 时， 对应时间 t 的 脉冲响应输出情况 ； 曲线 2 代表 =1 临界阻尼系统时， 对应时间 t 的脉冲响应输出情况 ； 曲线 3 代表在 0 1 的欠阻尼系统中取一个值 0.5 时， 对应时间 t 的脉冲响应输出情 况 ； 曲线 4 代表 =0 的无阻尼系统时， 对应时间 t 的脉冲响应输出情况， 由此我们看出， 当 阻尼比参数 =1.5 时， 转向架振幅较小， 且经过一段时间后曲线收敛归零， 说明转向架自 身收。
21、敛能力极强， 处于正常状态 ； 当阻尼比参数 =1 和 =0.5 时， 曲线 2、 曲线 3 振幅逐渐 增大， 但经过一段时间后振幅收敛至零， 说明转向架收敛能力逐渐变差， 已逐渐趋于失稳 ； 当 =0 时， 曲线 4 振幅增大， 且一直无法收敛至零， 说明转向架内部结构已失稳， 超出转向 架使用寿命期限， 由此可知， 随着 的值逐渐增大， 转向架自身收敛能力逐渐变强， 稳定性 也越来越强。 0046 讨论 ： 0047 1) 1 过阻尼系统 ； 0048 2)=1 临界阻尼系统 ； 0049 3） 0 1 欠阻尼系统 ； 0050 4） =0 无阻尼系统。 0051 1) 1 过阻尼系统 0。
22、052 0053 2)=1 临界阻尼系统 0054 s -n； 0055 3） 0 1 欠阻尼系统 0056 共轭复数 ； 0057 4） =0 无阻尼系统 0058 s=jn。 0059 二阶系统的单位脉冲响应 ： 0060 X0(s)=G(s)Xi(s) Xi(s)=L(t) 1 0061 X0(s)=G(s) 说 明 书 CN 103900835 A 7 5/6 页 8 0062 0063 0064 令有阻尼固有频率 0065 1、 过阻尼状态 1 0066 0067 0068 0069 2、 临界阻尼状态 =1 0070 0071 x0(t)=n2texp(-nt) 0072 3、 欠。
23、阻尼状态 0 1 0073 0074 0075 4、 无阻尼状态 =0 0076 0077 x0(t)=nsinnt 0078 由转向架运动物理状态可知， 转向架横向振动为冲击响应函数， 也就是说当 t=0 时r(t)=r ； t0时r(t)=0。 通过加速度传感器可以测出转向架横向加速度， 通过公式(1)可 以计算出 ， 通过监测 值的变化趋势能够判断转向架的失稳情况。 的计算方法如下 ： 在转向架横向加速度最大值附近选取三个加速度值 0079 d2c(t1)/dt2,d2c(t2)/dt2,d2c(t3)/dt2， 因为转向架冲击为单位冲击响应， 因此在上 述三个加速度值的横向状态我们可以。
24、认为 r(t)=0， 根据式 (1)， 可以得到如下方程组 0080 说 明 书 CN 103900835 A 8 6/6 页 9 0081 根据上式求出a0,a1,a2， 计算通过监测值的变化趋势能够判断转 向架的失稳情况。 0082 随着的不同， 该传递函数的收敛能力有明显的不同， 其中1.5收敛程度最好， 而 0时系统将会不断震荡不收敛。 我们可以通过不断计算出值， 来判断转向架的收敛能力， 体现转向架 1 的自身稳定性结构， 并且可以通过对阻尼比参数 的变化分析， 可以对故障 提前预估， 降低列车运行风险， 提高安全性， 并且可以根据阻尼比参数 的变化范围限定 转向架的使用寿命， 避免了因转向架 1 内部结构损坏造成列车运行 说 明 书 CN 103900835 A 9 1/1 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103900835 A 10 。