基于摇头减震器位移的铁路车辆蛇行失稳识别测量方法

《Measurement》：A measurement method based on yaw damper displacement for hunting instability identification in railway vehicles

　　

• 引入抗蛇行减振器位移用于蛇行失稳识别。
• 从车体 - 转向架相对横向 - 纵向运动角度阐明了其可观性。
• 构建综合蛇行失稳指数用于状态评估。
• 全尺寸环形试验台测试验证了该方法在两种蛇行模式下的有效性。

引言
蛇行失稳是铁路车辆中典型的自激振荡现象，表现为轮对、转向架和车体的耦合横向和纵向振动 [1,2]。随着运行速度的增加或轮轨接触条件的恶化，车辆系统的稳定裕度可能会降低，导致振荡加剧、乘坐舒适度下降、轮轨磨损增加以及潜在的安全风险 [3-5]。近期研究还利用实验和数值方法调查了刚柔耦合铁路车辆动力学、乘坐舒适性、安全性以及车体振动抑制 [6,7]。这些研究表明，铁路车辆振动响应受结构柔性和悬挂相关动态特性的影响，进一步支持了蛇行失稳识别中需要使用物理可解释的测量信号。因此，可靠地识别蛇行失稳对于铁路车辆的车载状态监测、早期预警和维护决策至关重要。

从测量角度来看，蛇行失稳识别的有效性在很大程度上取决于所选信号是否能一致地代表车辆的耦合动态行为。基于加速度的测量仍然是车载蛇行诊断中最广泛使用的方法，因为其实 现简单且与现有监控系统和工程标准兼容。转向架构架和车体加速度信号已被广泛用于蛇行检测和特征提取 [8-10]。例如，Gasparetto 等人 [11] 使用转向架构架横向加速度和随机减量技术对高速铁路转向架进行基于状态的监测。Ning 等人 [12,13] 从转向架加速度中提取并预测了小振幅蛇行特征，而 Guo 等人 [14] 采用机器学习识别小振幅转向架蛇行状态。这些研究提高了基于加速度的方法的诊断能力。然而，加速度是位置相关的振动响应，而不是与蛇行相关的相对运动的直接测量，其代表性可能会受到传感器位置、结构传递路径和主导振动模式的影响。

为了提高蛇行诊断的可靠性和可解释性，一些研究进一步将实测振动信号与车辆动力学机制或多域指标相结合。Sun 等人 [15] 开发了一种蛇行监测系统，并利用基于汉克尔矩阵的奇异值分解处理转向架横向加速度。他们的工作进一步通过查表法将实测振动响应与轮对运动和轮轨接触特性联系起来。Sun 等人 [16] 还分析了宽范围等效锥度下的模态参数以分析蛇行稳定性。此外，Xia 等人 [17] 提出了基于固有参数的低频车体摇摆在线检测方法，Kulkarni 等人 [18,19] 利用轴箱加速度开发了 VRIDA 和无监督失稳检测算法，Kritikakos 等人 [20] 研究了用于鲁棒车载蛇行检测的随机方法。这些研究展示了动力学解释和多域特征的价值。然而，大多数现有方法仍依赖于在选定位置测量的加速度响应。需要注意的是，基于加速度的蛇行诊断本质上与测量位置有关 [6,21]。车体加速度主要反映通过悬挂系统传递到车体的振动响应，而转向架构架或轴箱加速度对转向架和轮对相关的频响更敏感 [22]。因此，在不同位置测量的加速度信号可能会强调车辆系统的不同动态分量。此外，局部结构振动、悬挂传递特性和激励引起的响应可能会叠加在蛇行相关的加速度分量上。

为了获得与蛇行运动更直接相关的测量值，近期研究将注意力从加速度响应转移到了与位移相关的量。Ye 等人 [23,24] 提出了基于计算机视觉的蛇行稳定性检查和基于动态轮轨位移的在线评估，表明与位移相关的测量可以提供关于蛇行行为的更直接信息。Wang 等人 [25] 基于轮对横向位移和蛇行频率提出了蛇行系数（HC），用于路侧蛇行检测系统，并随后将基于 HC 的方法扩展到实时车辆蛇行性能检测，并通过全尺寸环形试验台测试进行了验证 [26,27]。这些研究表明，与位移相关的测量指标可以更直接地反映蛇行状态，并有望用于状态监测和早期预警。

这些研究表明了一种趋势，即趋向于更直接和可解释的蛇行测量。与主要依赖轮对横向位移、轮轨相对位移、基于视觉的测量或路侧观测的现有基于位移的方法不同，抗蛇行减振器位移是从安装在车体和转向架之间的悬挂组件中获得的。它反映了车体和转向架之间的相对横向 - 纵向运动，而不是轮对的绝对位移或路侧位移响应。然而，加速度信号是间接且依赖于位置的，而依赖视觉、轮对位移或路侧测量的方法通常需要专用传感系统 [28-31]。因此，仍然需要一种易于获取的车载信号，能够一致地代表车体主导和转向架主导的蛇行。抗蛇行减振器位移是有望用于此目的的候选者，但其可观性和测量性能仍有待系统调查。

为了解决这个问题，本研究提出了一种基于抗蛇行减振器位移的测量方法用于蛇行失稳识别。首先分析了抗蛇行减振器位移的物理可观性，并提取了三个测量特征，包括均方根幅值、频带能量比和时频持续性。然后构建分层识别逻辑和综合蛇行失稳指数（CHII）用于状态评估和预警决策。最后，在转向架和车体蛇行条件下进行全尺寸环形试验台测试，验证提出的方法并与传统加速度测量进行比较。本工作的主要贡献总结如下：
(1) 引入抗蛇行减振器位移作为蛇行失稳识别的直接测量信号，并从车体 - 转向架耦合横向和纵向运动的角度阐明了其物理可观性。
(2) 从抗蛇行减振器位移构建多域测量特征集，包括幅值、频带能量和时频持续性特征，能够表征低频车体蛇行和转向架蛇行。
(3) 提出了一种基于 CHII 的状态评估方法，将提取的测量特征集成到统一指标中，用于预警和报警决策。
(4) 实验评估了抗蛇行减振器位移的测量性能，并在不同的蛇行失稳条件下与车体和转向架构架加速度测量进行了比较。
本文其余部分组织如下。第 2 节阐述了抗蛇行减振器位移对蛇行失稳的测量可观性。第 3 节介绍了基于抗蛇行减振器位移的测量框架和基于 CHII 的状态决策策略。第 4 节提供了全尺寸环形试验台实验验证以及与传统加速度测量的比较。第 5 节总结了主要结论。

章节节选
抗蛇行减振器位移的测量原理与可观性
为了将抗蛇行减振器位移用作蛇行失稳识别的测量信号，应首先阐明其物理含义和可观性。本节从车体 - 转向架相对横向和纵向运动的角度分析抗蛇行减振器位移的测量基础。目的是解释为什么测量的减振器位移可以代表与蛇行失稳相关的耦合运动，以及为什么它可以为蛇行失稳识别提供统一的测量基础。

基于抗蛇行减振器位移的蛇行失稳识别框架
基于第 2 节分析的测量可观性，选择抗蛇行减振器位移作为蛇行失稳识别的核心测量信号。为了将测量的位移转化为定量的状态指标，建立了基于抗蛇行减振器位移的测量框架，如图 4 所示。该框架包括测量信号预处理、多域特征提取、分层识别逻辑和基于 CHII 的状态评估。

试验描述与测量配置
为了验证提出的蛇行识别方法，进行了一项全尺寸环形试验台实验。实验装置和传感器配置如图 5 所示。图 5(a) 展示了测试平台和受检车辆。全尺寸铁路车辆被安装在环形试验台上，该试验台能够在受控的实验室环境下重现真实的轮轨相互作用条件。与现场测试相比，环形试验台提供了更好的实验条件。

结论
本研究提出了一种基于抗蛇行减振器位移的铁路车辆蛇行失稳识别测量方法。通过结合可观性分析、多域特征提取和基于 CHII 的状态评估，该方法为车载蛇行监测提供了物理上可解释的解决方案。主要结论如下：
(1) 抗蛇行减振器位移直接反映了车体和转向架之间的相对横向 - 纵向运动。它提供了物理上可解释的指标。

CRediT 作者贡献声明
Liangcheng Dai: 撰写 - 初稿，验证，软件，方法，数据管理。Jianfeng Sun: 监督，方法，资金获取，概念构思。Kaiyun Wang: 撰写 - 审阅与编辑，监督，资源。Baokai Sun: 验证，调查，数据管理。Pengcheng Zeng: 软件，正式分析。Xingwen Wu: 撰写 - 审阅与编辑，验证。Maoru Chi: 撰写 - 审阅与编辑，监督，方法。

利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本工作得到国家自然科学基金 [资助编号 52405139] 和国家重点研发计划 [资助编号 2022YFB4301303] 的支持。

Liangcheng Dai|Jianfeng Sun|Kaiyun Wang|Baokai Sun|Pengcheng Zeng|Xingwen Wu|Maoru Chi