一种机车蛇形运动检测系统及其检测方法与流程

本发明利用激光测距的方法通过高精度激光测距传感器检测机车在运动过程中轮对姿态对的变化判断是否有蛇形运动。

背景技术：

近年来，随着经济社会的不断发展，产业结构的不断升级，人口的流动日益频繁，货物的运输的吞吐量也日益增多，原有的运力已经难以满足生活中不断提高的交通运输量。为了解决日益紧张的供需矛盾，国家采取了多种手段来扩大国内国际的交通运输量。铁路作为目前世界公认的单位运力最大的交通手段，也积极采取了多种应对方式——多次进行列车大提速，并大力发展以高速铁路为代表的快速运营手段。

高速列车运动的稳定性,运行的安全性和防止脱轨,成为了高铁列车研制的关键性问题。其中对于车辆横向运动的稳定性研究也就成为了关注的重点。在列车的横向振动研究中,蛇行运动是一个非常重要的研究方向。蛇行运动一般分为一次蛇行运动--轮对的蛇行运动,以及二次蛇行运动--转向架蛇行。对于蛇行运动研究,现阶段主要在于通过对高速列车采取各种结构性改良,提高车辆的蛇行运动的临界速度。蛇行运动作为一种自激振动,其运动的能量主要来自于机车的牵引力传导,虽然通过结构改良设计使其振动被控制在衰减状态,但在运行中仍会因轨道不平顺,轮对的磨损，轮轨相互作用等外部因素而激发。故需要列车运行时的蛇行运动状态进行自动监控，提高列车运行的安全性。

如图1所示，假设图中车轮为一个车轮在钢轨上连续转动留下的轨迹，则不难得出：正常行驶的机车的车轮左右车轮距离钢轨的距离Lx和Rx(x＝1,2..n)有Lx≈Rx的关系，当机车在行驶过程中发生重心偏移或者存在冲角甚至是不规则蛇形运动时，车轮距离左右钢轨的间距存在一定的关系，其具体对应关系及车轮蛇形运动的示意图如下图2所示。当机车在行驶过程中，左车轮的距钢轨的间距大于右车轮距钢轨的间距时(即：Lx>>Rx)，此时机车处于中心偏移的状态，机车的中心偏移的运动轨迹如图2(a)所示；当机车同一车轮距钢轨的间距不同，且在行驶过程中间距不发生偏离，即L1＝L3＝…＝L2x-1,L2＝L4＝…＝L2x，且有L1≠L2，此时机车车轮运动中与钢轨夹角θ(冲角)保持不变，机车的冲角的如图2(b)所示；当机车行走过程中同一车轮距钢轨的间距在运动中距左右钢轨的距离不断发生变化时，冲角也在发生变化时，车轮蛇形运动的轨迹如图2(c)所示。

目前已有的检测方案有：

通过设置在转向架上的横向二维加速度传感器检测转向架的横向振动加速度和纵向加速度，对转向架的横向和纵向加速度数据长期跟踪和趋势分析，从而能够对检测出列车是否有蛇形运动(一种高速列车转向架蛇形运动检测、分析系统CN 203164001 U)，在机车发生蛇形运动中的中心偏移和始终保持某个冲角的两种状态时，此时加速度值和正常状态的加速度值是一样，这种方法此时无法检测。一种机车蛇形运动检测系统可以检测出蛇形运动中重心偏移和保持某个冲角的特殊状态。

一种机车蛇形运动检测系统采用模块化设计模式，通过检测机车轮对姿态变化数据，包括原始轮对位置数据、中心偏移数据和轮对内侧距数据，而且通过检测轮对的内侧距数据，可以检测机车发生蛇形运动是否因为轮对的磨损导致蛇形运动的产生。安装方式是基于标准轨道安装，不是安装在机车上，这样不仅减少部署成本，具有极高的复用率。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种机车蛇形运动检测系统通过安装在轨道中间的高精度激光测距阵列，当机车通过激光测距阵列，激光测距传感器测量出机车轮对的姿态变化数据，软件处理系统接收到这些数据进行处理和分析，判断机车是否有蛇形运动。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种机车蛇形运动检测系统，包括激光测距单元，车轮传感器和处理单元，所述处理单元包括硬件控制器和软件处理系统，所述激光测距单元包含四个激光测距传感器和两个舵机设备，所述车轮传感器传递触发信号至所述硬件控制器，所述硬件控制器启动内部采集系统并打开舵机设备，所述硬件控制器将采集的所述激光测距传感器测量的数值传递至所述软件处理系统。

进一步的，所述激光测距单元设有多个，且一一对应设置；所述激光测距单元等距离分布，每个激光测距单元包含4个激光测距传感器。

进一步的，所述激光测距单元设有4个，每个激光测距单元之间的距离为1800mm。

进一步的，所述硬件控制器选用工业级别的单片机，所述激光测距传感器采用高精度的工业级测距传感器。

同时，本发明还公开了一种机车蛇形运动检测方法，步骤包括：

1)车轮轮对姿态变化数据的采集：硬件控制器接收外触发信号启动内部采集系统，内部采集系统根据设置的窗口比较模式触发采集到激光测距传感器的数值，每个激光测距传感器测量一次数据，硬件控制器将采集的16个激光测距传感器的原始AD数值发送给软件处理系统。

2)软件处理系统，步骤包括

第1步：硬件采集通道的标定，确定每个通道的系数K和B，并把采样的值转为具体的距离数值；

第2步：计算每个机车轮对的中心偏移数值和内侧距数值，根据这些数据模拟出轮对在运动过程中姿态变化过程；

第3步：实现数据保存和历史信息查看对比，根据设定的阈值，实现自动报警功能。

有益效果：本发明能够实现机车车轮运动过程中中心偏移数据和内侧距的测量，实时获取机车运动过程中轮对姿态变化状态，检测是否有蛇形运动，并且有自动报警功能，提高了铁路运行安全

附图说明

图1为正常行驶机车车轮运动示意图。

图2为机车蛇形运动车轮的状态示意图。

图3为本发明中激光测距单元的安装示意图。

图4为本发明激光测距传感器变化过程示意图。

图5为本发明激光传感器测量正视图。

图6为本发明软件工作原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

本实施例的机车蛇形运动检测系统，包括激光测距单元，车轮传感器和处理单元如图3所示，在轨道中间等距离的放置4个激光测距单元，通过安装固定装置固定，机车车轮的周长约为4000mm，相邻的激光测距单元的距离为1800mm，通过等距离放置的4个激光测距单元，不仅实现连续多次的测量，也同时减少了安装成本，在单个激光测距单元中，放置4个高精度激光测距传感器，通过4个高精度激光测距传感器，实现轮对位置的判断和轮缘距离数值的采集，当有机车通过检测区域，触发激光测距单元的一端的接近开关传感器，单元控制器获取此信号后启动系统采集程序，轮对在经过激光测距单元的时候，采集程序获取此时激光测距传感器测量的轮对轮缘的距离数值。

如图4所示，单个激光单元中激光测距传感器包含4个，左侧的激光测距传感器1和激光测距传感器3，右侧的激光测距传感器3和激光测距传感器4，其中激光测距传感器1和2在同一天水平线上，激光测距传感器3和4在同一条水平线上，在机车车轮通过其中某个激光测距传感器时，激光测距传感器测量状态为无数据状态和有数据状态，其中有数据状态分为车轮轮缘边缘数据状态和车轮轮缘状态，轮缘边缘数据和轮缘数据的在数值上非常接近，为了防止检测的数据是轮缘边缘数据，系统采集系统采用窗口模式实现，窗口模式实现传感器有数据到无数据的状态的判断，并且实现数据的触发和有效数据的采集。

如图5所示，描述了轮对一侧通过激光传感器时对应的激光传感器的两种状态，状态1和状态2，1号和3号对应的是激光测距传感器1和3，纯色表示的是轮缘，外围的黑线表示的是轮缘边缘，对于激光测距单元1，当检测到激光测距传感器3从无数据状态变为有数据状态，此时激光传感器1和2测量的是轮缘的数据，采集系统采集激光传感器1和2的数值，此时是状态1。当激光传感器1从有数据状态变为无数据状态，此时激光传感器2和4测量的是轮缘的数据，采集系统采集激光传感器2和4的数值，此时是状态2。对于激光测距单元1，这样实现车轮轮对数据自动精确高效的采集。这种窗口模式，不仅利用了激光测距传感器本身作为测距传感器的使用，也同时实现轮对位置的准确判断，实现了有效数据的采集，不同激光测距单元之间的相互不影响。

一种机车蛇形运动检测软件系统获取硬件系统测量的数据，该数据是AD采样激光测距传感器的数值m，需要量化为具体的距离数值L，其中L与m的关系为：

L＝Km+B

这样的一次线性关系中，为了求系数K和B，初始通过确定的两个标定位置，这样计算系数K和B，在系统初始化时通过两个已知标定的位置L_标1和L_标2数值和此时采集的AD数值m₁和m₂，计算出每个AD通道的K和B值并保存这个参数。

对于某个轮对X，获取的数据为16个激光测距传感器测量的距离数值L₁,L₂…L₁₆,该轮对的中心偏移距离d_n

d_n＝L_n-L_n+1，n为1,3,5,7,9,11,13,15。

该轮对的内侧距S_n

S_n＝L_n+D_(n,n+1)+L_n+1n为1,3,5,7,9,11,13,15。

D_(n,n+1)表示轨道内两侧同一个水平方向两个传感器的距离。

数据处理和分析,数据保存采用XML文件的形式，

其中XML文件名和检测的机车车号关联，元素id内容表示是机车轮对编号，元素data内容表示对应的轮对中心偏移数据，元素rawdata内容表示对应的轮对不同测光测距传感器测量的轮对位置数据，元素sdata内容表示对应的轮对的内侧距数据。

软件处理系统流程图如图6所示，软件处理系统以一秒的频率向硬件控制单元发送查询数据指令，当硬件控制器回应有检测数据，软件处理系统向硬件控制器单元发送读取数据指令，数据读取完毕以后，软件处理系统处理读取到的检测数据并按照上面的数据格式保存为XML文件，文件名和检测的机车车号关联。这些操作完成后回到开始发送查询数据指令。

显示设备通过调用软件处理系统保存的处理数据，读取测量的机车轮对位置数据、中心偏移数据和内侧距数据，模拟出车轮轮对在运动过程中姿态的变化过程，并且通过数据积累，可以分析得到不同机车实际运动过程中的中心偏移距离d_n和S_n的阈值，当检测的机车轮对中心偏移数据和内侧距大于设定的阈值，实现自动报警。

以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何非实质性改动，均落入本发明保护范围之内。