基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法，屬于車(chē)輛運(yùn)行安全領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 列車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中，當(dāng)運(yùn)行速度超過(guò)某一臨界數(shù)值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種稱(chēng)為不穩(wěn)定 的蛇行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)振幅隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷地?cái)U(kuò)大，使輪對(duì)左右搖擺直到輪緣碰撞鋼軌， 對(duì)于轉(zhuǎn)向架或車(chē)體，則出現(xiàn)大振幅的劇烈振動(dòng)。
[0003] 蛇行失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的危害：使車(chē)輛的運(yùn)行性能惡化，旅客的舒適度下降，作用在車(chē)輛各 零部件上的動(dòng)載荷增大，并且將使輪對(duì)嚴(yán)重地打擊鋼軌，損傷車(chē)輛及線路，甚至?xí)斐擅撥?事故，所W蛇行運(yùn)動(dòng)是機(jī)車(chē)車(chē)輛實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的一大障礙。
[0004]Bombardier公司的BCN-System，中國(guó)CR肥型動(dòng)車(chē)組的BIDS系統(tǒng)等蛇行失穩(wěn)監(jiān)控 系統(tǒng)皆采用了構(gòu)架加速度評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，其只能在蛇行失穩(wěn)出現(xiàn)后進(jìn)行報(bào)警， 該對(duì)保證列車(chē)安全運(yùn)行顯然是不夠的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法，解決現(xiàn)有蛇行失穩(wěn)監(jiān) 控系統(tǒng)只有在蛇行失穩(wěn)出現(xiàn)后才能進(jìn)行報(bào)警的問(wèn)題，提供一種能夠檢測(cè)到蛇行失穩(wěn)發(fā)生。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] 基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法，包括如下步驟：
[0008] (1)轉(zhuǎn)向架依據(jù)固有頻率周期性振動(dòng)，發(fā)生蛇行失穩(wěn)時(shí)，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻譜圖能量集中 的固有頻率f處，從而確定濾波器濾波范圍值為低通13化；
[0009] (2)根據(jù)被測(cè)車(chē)輛抗蛇行減震器在正常運(yùn)行狀態(tài)、臨界狀態(tài)、蛇行失穩(wěn)狀態(tài)=種工 況下的轉(zhuǎn)向架橫向加速度測(cè)試結(jié)果，取一定距離，利用FFT分別計(jì)算S種工況的頻譜圖；
[0010] (3)將步驟（2)中的S種工況下頻譜圖的橫坐標(biāo)f分別等效為時(shí)間，縱坐標(biāo) 化wer/化equency分別視作頻域幅值，求其S種工況下的頻域峭度K，將K值設(shè)定為達(dá)到一 定值后即存在蛇行失穩(wěn)，進(jìn)行報(bào)警。
[0011] 具體地，所述固有頻率f的取值范圍為f《f，，其中f，、ft由W下公式計(jì)算得 知：
[0014]其中，A為踏面等效斜率，b為輪對(duì)滾動(dòng)圓距離之半，r。為輪對(duì)半徑，L1為轉(zhuǎn)向架 軸距之半，V為列車(chē)車(chē)速。
[0015] 進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)向架橫向加速度測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)濾波后輸出，濾波器采用低通 13化濾波。
[0016] 再進(jìn)一步地，所述頻域峭度K的計(jì)算公式為：
[0017]
[001引其中，Xi為頻域幅值，N采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，采樣點(diǎn)區(qū)間的振動(dòng)幅值大于0. 15g。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0020] (1)本發(fā)明具備蛇行失穩(wěn)的預(yù)警能力，解決了現(xiàn)有蛇行失穩(wěn)監(jiān)控系統(tǒng)皆采用了構(gòu) 架加速度評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)，在事后才會(huì)相應(yīng)。
[0021] (2)本發(fā)明本質(zhì)為對(duì)振動(dòng)能量集中程度的計(jì)算，受振動(dòng)幅值影響較小，因而能夠正 確報(bào)警，而傳統(tǒng)方法受振動(dòng)幅值影響較大，存在報(bào)警滯后的問(wèn)題，因此本方法具有更高的可 靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明-實(shí)施例的被測(cè)列車(chē)橫向加速度及Normal,化itical，化nting State狀態(tài)下的頻譜。
[0023] 圖2為本發(fā)明-實(shí)施例的各個(gè)方法的報(bào)警時(shí)間點(diǎn)。
[0024] 圖3為本發(fā)明-實(shí)施例的測(cè)試列車(chē)蛇行失穩(wěn)的超臨界分叉工況。
【具體實(shí)施方式】
[00巧]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于 下列實(shí)施例。
[002引實(shí)施例
[0027] 基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法，包括如下實(shí)現(xiàn)方法：
[0028] 轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)的本質(zhì)為轉(zhuǎn)向架依據(jù)固有頻率的周期性振動(dòng)，蛇行失穩(wěn)發(fā)生時(shí)， 對(duì)應(yīng)頻譜圖的能量必然集中于固有頻率f處。f，，f，、ft由公式（1)，公式（2)計(jì) 算得矢口。
[0031] 其中，A為踏面等效斜率，b為輪對(duì)滾動(dòng)圓距離之半，r。為輪對(duì)半徑，L1為轉(zhuǎn)向架 軸距之半，V為列車(chē)車(chē)速。濾波器選用低通13化濾波。
[0032] 圖1LateralAcceleration所示為被測(cè)動(dòng)車(chē)組抗蛇行減震器S種不同工況下 的轉(zhuǎn)向架橫向加速度測(cè)試記錄經(jīng)13化濾波后的結(jié)果。其中包含了 4種工況；0-13. 5s為 Normalstate, 13. 5-16S為臨界蛇行狀態(tài)，16S-25S和25S-31S為不同抗蛇行減震器阻巧狀 態(tài)下的振動(dòng)狀態(tài)。取100m區(qū)間，利用FFT計(jì)算相應(yīng)的頻譜圖；圖INormalstate所示正常 運(yùn)行狀態(tài)的頻譜，圖1化iticalState為臨界狀態(tài)的頻譜，圖1化ntingState為蛇行失穩(wěn) 狀態(tài)的頻譜?？梢?jiàn)由于在臨界失穩(wěn)和蛇行失穩(wěn)狀態(tài)逐漸呈現(xiàn)依據(jù)固有頻率的振動(dòng)，因而在 頻譜圖中呈現(xiàn)能量集中，即出現(xiàn)尖峰。
[0033] 將S種工況下頻譜圖的橫坐標(biāo)f分別等效為時(shí)間，縱坐標(biāo)化wer/化equency分別 視作頻域幅值，求其=種工況下的頻域峭度K，對(duì)于離散信號(hào)來(lái)說(shuō)峭度計(jì)算方法如公式（3) 所示，K為頻域峭度，Xi為頻域幅值，N采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。
[003引將公式妨帶入公式做得
[0040] K=-cN(6)
[00川 C為信息測(cè)度，當(dāng)y;的值比較均勻時(shí)，信息量較多，C較大，K值較??；當(dāng)有沖擊時(shí)， 信息量較少，C值很小，K值很大。
[0042]利用公式（3)計(jì)算圖 1 中的頻域峭度，NormalState為Kn= 2. 97，CriticalState 為Ke= 14. 27,化ntingState為Kh= 8. 28,將K值設(shè)定為達(dá)到一定值后即存在蛇行失穩(wěn)， 進(jìn)行報(bào)警，通常認(rèn)為K> 3. 8時(shí)存在明顯的尖峰，即存在蛇行失穩(wěn)。考慮到減小誤報(bào)的問(wèn)題， 同時(shí)要求該區(qū)間的振動(dòng)幅值大于0. 15g(與被測(cè)測(cè)量相適應(yīng)）。
[0043] 本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)相比，具備如下有益效果：
[0044] 1、預(yù)警能力
[0045] 首先，利用公式（1)、（2)計(jì)算EN14363、UIC518的闊值得
[004引其中，m+，Mb代表轉(zhuǎn)向架質(zhì)量單位為噸。
[0049] 圖 2 中化intl-Point4 顯示了利用TSIL84,EN14363,UIC518,TB/T3188 中加速 度評(píng)價(jià)方法對(duì)圖1中原始數(shù)據(jù)給出的橫向失穩(wěn)報(bào)警點(diǎn)，Poin巧為利用本發(fā)明方法對(duì)橫向失 穩(wěn)的報(bào)警點(diǎn)。其中，對(duì)TSIL84采用0-13化濾波，W保證更多的能量進(jìn)入使要求更為嚴(yán)格， 對(duì)于EN14363,UIC518取較嚴(yán)格的Ig，TB/T3188取較嚴(yán)格的0. 8g。
[0050] 由圖2可知，傳統(tǒng)方法對(duì)于14-16秒間的臨界失穩(wěn)狀態(tài)無(wú)法進(jìn)行響應(yīng)，即上述四種 方法為事后響應(yīng)。而本發(fā)明方法在15. 12秒處進(jìn)行了報(bào)警，其具備蛇行失穩(wěn)的預(yù)警能力。
[0051] 2、可靠性
[0052] 圖3所示為測(cè)試列車(chē)蛇行失穩(wěn)的超臨界分叉工況。圖3超臨界工況下各個(gè)方法 報(bào)警時(shí)間，化intl-5分別為T(mén)SIL84、TB/T3188、EN14363和UIC518、本發(fā)明方法的報(bào)警 點(diǎn)。由圖3可知，蛇行失穩(wěn)在25. 2s處已經(jīng)發(fā)生。TSIL84，TB/T3188標(biāo)準(zhǔn)由于化int6、 Point?、化in巧的影響導(dǎo)致振動(dòng)幅值無(wú)法連續(xù)超過(guò)闊值，報(bào)警時(shí)間將會(huì)大大延后，EN14363 和UI巧18標(biāo)準(zhǔn)由W化int9,PointlO為代表的連續(xù)小幅振動(dòng)的原因，報(bào)警滯后問(wèn)題亦很?chē)?yán) 重。而本發(fā)明方法本質(zhì)為對(duì)振動(dòng)能量集中程度的計(jì)算，受振動(dòng)幅值影響較小，因而能夠正確 報(bào)警，即化in巧。
[0053] 按照上述實(shí)施例，便可很好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。值得說(shuō)明的是，基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前 提下，為解決同樣的技術(shù)問(wèn)題，即使在本發(fā)明上做出的一些無(wú)實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)或潤(rùn)色，所采用 的技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)仍然與本發(fā)明一樣，故其也應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 轉(zhuǎn)向架依據(jù)固有頻率周期性振動(dòng)，發(fā)生蛇行失穩(wěn)時(shí)，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻譜圖能量集中的固 有頻率f?處； (2) 根據(jù)被測(cè)車(chē)輛抗蛇行減震器在正常運(yùn)行狀態(tài)、臨界狀態(tài)、蛇行失穩(wěn)狀態(tài)三種工況下 的轉(zhuǎn)向架橫向加速度測(cè)試結(jié)果，取一定距離，利用FFT分別計(jì)算三種工況的頻譜圖； (3) 將步驟（2)中的三種工況下頻譜圖的橫坐標(biāo)f分別等效為時(shí)間，縱坐標(biāo)Power/ Frequency分別視作頻域幅值，求其三種工況下的頻域峭度K，將K值設(shè)定為達(dá)到一定值后 即存在蛇行失穩(wěn)，進(jìn)行報(bào)警。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法，其特征在于，所述固有 頻率f的取值范圍為ftCf彡fw，其中fw、ft由以下公式計(jì)算得知：其中，A為踏面等效斜率，b為輪對(duì)滾動(dòng)圓距離之半，r(l為輪對(duì)半徑，h為轉(zhuǎn)向架軸距 之半，V為列車(chē)車(chē)速。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)向 架橫向加速度測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)濾波后輸出，濾波器采用低通13Hz濾波。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法，其特征在于，所述頻域 峭度K的計(jì)算公式為：其中，Xi為頻域幅值，N采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，采樣點(diǎn)區(qū)間的振動(dòng)幅值大于0. 15g。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于頻域峭度的蛇行失穩(wěn)檢測(cè)算法。包括如下步驟：(1)轉(zhuǎn)向架依據(jù)固有頻率周期性振動(dòng)，發(fā)生蛇行失穩(wěn)時(shí)，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻譜圖能量集中的固有頻率f處；(2)根據(jù)被測(cè)車(chē)輛抗蛇行減震器在正常運(yùn)行狀態(tài)、臨界狀態(tài)、蛇行失穩(wěn)狀態(tài)三種工況下的轉(zhuǎn)向架橫向加速度測(cè)試結(jié)果，取一定距離，利用FFT分別計(jì)算三種工況的頻譜圖；(3)將步驟(2)中的三種工況下頻譜圖的橫坐標(biāo)f分別等效為時(shí)間，縱坐標(biāo)Power/Frequency分別視作頻域幅值，求其三種工況下的頻域峭度K，將K值設(shè)定為達(dá)到一定值后即存在蛇行失穩(wěn)，進(jìn)行報(bào)警。本發(fā)明具備蛇行失穩(wěn)的預(yù)警能力，本質(zhì)為對(duì)振動(dòng)能量集中程度的計(jì)算，受振動(dòng)幅值影響較小，因而能夠正確報(bào)警，具有更高的可靠性。
【IPC分類(lèi)】G06F19/00, G01M17/08
【公開(kāi)號(hào)】CN104949848
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510346726
【發(fā)明人】林建輝, 宋欣武, 李艷萍, 劉璐, 胡永旭
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年6月19日