构架失稳和车体平稳性监测系统在城市轨道车辆上的应用

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1 前言

稳定性是车辆系统动力学性能的重要评价指标。车辆在正常的运行速度范围内时不能发生失稳状况。在失稳时会增大列车的横向位移，轨道和轮缘会碰撞，最终可能会使得转向架和车体也进行相对的横向振动。更有甚者会造成脱轨事故。我国在转向架构架失稳的在线监测方面进行了长期的探索，取得了一定的成果。以构架横向加速度作为输入参数，获取蛇行失稳状态下对应于振动主频加速度峰值，最终判断是否发生构架失稳。同时车体不稳定也会造成乘客身体不舒适甚至晕车。另外，司机等工作人员长期暴露在不舒适的环境中，可能会危害身体健康并出现职业病。因此通过安装构架失稳和车体平稳性监测系统，对起其进行实时检测与从诊断，是保障安全的手段之一。

2 构架失稳和车体平稳性监测方案介绍

系统部件包括车载诊断主机、构架稳定性传感器和车体舒适性传感器。通过在构架和车体上分别加装构架稳定性传感器和车体舒适性传感器，对构架的横向、垂向振动和车体的横向、垂向、纵向振动进行实时监测，输出构架横向失稳预警及报警和车体运行平稳性与舒适度等级，并通过车载诊断主机对全列车的构架失稳信息进行全列综合诊断，输出构架失稳诊断结果。

2.1 车载诊断主机 车载诊断主机集成在走行部在线监测系统综合诊断仪中。综合诊断仪融合了构架横向失稳预报警功能、车体运行平稳性及舒适度功能、列车横向失稳综合判断功能等。

2.2 构架稳定性传感器 构架稳定性传感器安装在每个构架的端部。构架稳定性传感器通过内置的加速度感应芯片，对被测位置的横向、垂向加速度进行采集，并且输出对应的模拟电流信号。构架失稳监测传感器是能够同时实现横向、垂向振动的监测、处理和传输的受感部件。

2.3 车体舒适性传感器 车体舒适性传感器安装在车体下方的两端，车体舒适性传感器通过内置的加速度感应芯片，对被测位置的X、Y、Z三个方向的加速度进行采集，并且分别输出对应的模拟电流信号。车辆舒适性监测传感器是能够同时实现三方向(横向、垂向、行车方向)振动的监测、处理和传输的受感部件。

3 评价指标及故障建议

3.1 构架失稳数据评判规则 横向稳定性用于评定转向架是否发生了不能迅速衰减的连续横向振荡，采用转向架构架横向加速度进行评价，参照《GB/T5599-2019机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》，其评定标准要求:

(1)对轴箱上方构架振动加速度进行实时连续采样；

(2)横向稳定性在最高速度范围评定，用0.5Hz～10Hz进行带通滤波；

(3)加速度峰值连续6次以上达到或超过8m/s2，即可判定为横向失稳。

3.2 横向失稳控车建议及操作流程 当显示屏显示失稳报警时，具体步骤如下:

(1)当出现失稳报警后，列车施加制动；

(2)当报警消除后，司机进行制动缓解；

(3)如确认为线路原因引起的横向加速度报警，驶出该区段后，按照列车正常速度行车，解除限速。如不是线路问题，最高运行速度限制在报警消除时的速度下限速运行。

3.3 车体平稳性评判指标 参照《GB/T5599-2019机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》，车体平稳性可以用平稳性指标W评判。平稳性指标分为横向平稳性和垂向平稳性。

平稳性指标分为横向平稳性和垂向平稳性。平稳性指标通常在最高运营速度V范围内评定，标准测量时间为5s，每5s为一分析段，其评定方法包括以下方面:

(1)测量车体上5s的振动加速度，并计算频谱图；

(2)计算在频谱fi时的平稳性指标分量，如公式(1)所示；

(3)计算平稳性指标

平稳性指标评价等级

对于客车而言，W≤2.50，平稳性等级为1级，评定为优；2.50＜W≤2.75，平稳性等级为2级，评定为良好；2.75＜W≤3，平稳性等级为3级，评定为合格。

3.4 平稳性指标异常控车建议及操作 当车平稳性指标出现异常，不进行车辆控制，待车辆回库后，维修人员可以通过以下几个方面对车辆或线路进行检查:当车体出现间接性平稳性异常时，怀疑是钢轨或轨道部件出现异常，因此可以对出现平稳性异常的轨道线路进行检查；当车体出现连续平稳性异常，建议维修人员可以检查车轮踏面是否出现异常；当车体出现平稳性异常，可以检查转向架上的旋转设备和列车一系悬挂和二系悬挂是否出现异常。

4 结束语

构架失稳和车体平稳性监测系统能够实现对构架失稳和车体平稳性的实时监测，能够输出构架横向失稳预警及报警和车体运行平稳性与舒适度等级，有效保障了列车运行过程中的安全性和舒适性。