1.本发明涉及轨道交通技术领域，特别是一种轨道交通车辆及其转向架姿态检测方法。
背景技术：2.轨道车辆在运行时，转向架在车体下部运动，由于弯道、坡道，路面不平顺等原因，转向架与车体间会不断的产生相对位移，即转向架在车体下不断运动。这种相对运动如果幅度过大，将明显地影响轨道车辆运行的稳定性，甚至会威胁轨道车辆的运行安全。
3.现在广泛使用的位移传感器为拉线式位移传感器，也有少量激光测距仪。由于转向架在车体下运动频繁，拉线式传感器在使用过程中受到不停地拉扯，磨损很大，使得传感器寿命受到严重限制。而激光测距仪在重载轨道车辆运行条件下，受到煤灰等烟尘干扰，无法获得稳定读数。
4.转向架在车底的位置示意图如图1所示。为方便叙述，将坐标系也标识在图1中。以下把x方向称为纵向，y方向称为横向，z方向称为垂向。转向架通过牵引杆1与车体4连接，并传递牵引力和制动力。由于牵引杆的约束，转向架与车体间x方向(纵向)的相对位移非常小，因此x方向(纵向)的相对位移可以忽略不计。转向架构架2设置于车体4底部，构架2与轮对3固定连接。
5.发明专利申请cn110803198a公开了一种基于转向架轮廓线的轨道车辆脱轨检测方法。其通过安装在转向架侧架上的测距仪以及倾角传感器，得到转向架的动态包络线，进而判断车辆是否发生脱轨，其未给出转向架姿态检测实现过程。该方案在转向架侧架安装激光测距仪测量轨道与侧架的距离，由于碎石道床表面不平和灰尘干扰等运行工况的限制，存在测距不准，无法读数等缺陷；其采用的拉线式传感器在转向架上受振动影响，寿命短暂，仅可满足试验运行的需求，长期运行拉线易断。
技术实现要素：6.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种轨道交通车辆及其转向架姿态检测方法，降低检测的难度，以尽量少的检测点获得转向架和车体相对运动位置，实现转向架姿态准确检测。
7.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种转向架姿态检测方法，包括以下步骤：
8.当轨道车辆静止时，在平直道上进行零位标定，获得标定后转向架与车体横向相对位移初始测量值a0，和/或标定后转向架与车体垂向相对位移初始测量值b0；
9.在车体侧面安装两个水平测距仪，所述两个水平测距仪正对转向架构架侧面，且两个水平测距仪关于转向架横向中心线对称；和/或，在车体底面安装两个垂直测距仪，所述垂直测距仪安装于转向架横向中心线正上方，且两个垂直测距仪关于转向架纵向中心线对称；
10.当转向架与车体产生相对位移时，
11.两个水平测距仪分别获得距离a1和a2，则转向架的水平偏转角α和横向位移a计算公式分别为：
12.α＝arctan[(a2-a1)
÷
(2
×
la)]；
[0013]
a＝(a1+a2)
÷
2-a0；
[0014]
其中，la为水平测距仪距转向架x轴(纵向)中心线的距离；
[0015]
和/或，
[0016]
两个垂直测距仪分别获得距离b1和b2，则转向架的垂直偏转角β和垂向位移b的计算公式分别为：
[0017]
β＝arc tan[(b2-b1)
÷
(2
×
lb)]；
[0018]
b＝(b1+b2)
÷
2-b0。
[0019]
其中，lb为垂直测距仪距距转向架y轴(横向)中心线的距离。
[0020]
本发明通过两个水平测距仪即可获得转向架的水平偏转角α和横向位移a，通过两个垂直测距仪即可获得转向架的垂直偏转角β和垂向位移b，本发明只需要一种传感器，即测距仪即可获得转向架姿态，只需要四个测点即可完成转向架姿态检测，传感器种类少，测点数量少，极大地降低了转向架姿态检测难度，获得了准确的转向架姿态数据。
[0021]
本发明的方法还包括：当所述转向架水平偏转角α超过3
°
，或转向架横向位移a超过30mm时，发出警报。提醒司机对机车做出正确的操作，从而提高机车运行稳定性，避免发生失稳事故。
[0022]
本发明的方法还包括：当转向架垂直偏转角β超过2
°
，或者转向架垂向位移b超过40mm时，发出警报。提醒司机对机车做出正确的操作，从而提高机车运行稳定性，避免发生失稳事故。
[0023]
所述水平测距仪和垂直测距仪均为超声波测距仪或激光测距仪。当测距仪为超声波测距仪时，可以避免灰尘干扰。采用超声波测距仪或激光测距仪这类非接触式测距仪，无机械磨损，提高了测距仪的使用寿命和检测可靠性。
[0024]
作为一个发明构思，本发明还提供了一种轨道交通车辆，包括车体和控制系统；所述车体侧面安装有两个水平测距仪，所述两个水平测距仪正对转向架构架侧面，且两个水平测距仪关于转向架横向中心线对称；和/或，所述车体底面安装有两个正对着转向架构架上表面的垂直测距仪，所述垂直测距仪安装于转向架横向中心线正上方，且两个垂直测距仪关于转向架纵向中心线对称；
[0025]
当轨道车辆静止时，在平直道上进行零位标定，获得标定后转向架与车体横向相对位移初始测量值a0，和/或标定后转向架与车体垂向相对位移初始测量值b0；
[0026]
所述控制系统获取所述相对位移初始测量值a0，和/或车体垂向相对位移初始测量值b0，以及两个水平测距仪测得的距离，和/或两个垂直测距仪测得的距离后，执行包括以下步骤的操作：
[0027]
利用两个水平测距仪测得的距离以及车体横向相对位移初始测量值a0，获得转向架的水平偏转角α和横向位移a；
[0028]
利用两个垂直测距仪测得的距离以及车体垂向相对位移初始测量值b0，获得转向架的垂直偏转角β和垂向位移b。
[0029]
本发明中，所述控制系统还用于：当所述转向架水平偏转角α超过3
°
，或转向架横向位移a超过30mm时，发出报警指令。
[0030]
本发明中，所述控制系统还用于：当转向架垂直偏转角β超过2
°
，或者转向架垂向位移b超过40mm时，发出报警指令。
[0031]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
[0032]
1)本发明通过在车体上安装非接触式测距仪，实时检测车体与转向架的各个关键距离值，并利用几何计算的方法，得到转向架相对于车体的运动姿态，降低了转向架姿态检测难度，在尽量少的检测点和尽量少的传感器种类前提下，实现了转向架姿态的准确检测；
[0033]
2)本发明可以实时发出警报，提醒司机对机车做出正确的操作，从而提高机车运行稳定性，避免发生失稳事故。
附图说明
[0034]
图1为转向架-车体示意图；
[0035]
图2为本发明实施例1结构示意图；
[0036]
图3为本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
[0037]
以下结合附图详细说明本发明的具体实现手段。
[0038]
通过研究发现，影响轨道车辆运行稳定性的姿态参数主要有：转向架的水平偏转角(在水平面上相对于x轴的偏转角)，转向架横向位移(在水平面上y方向的位移)，转向架纵向偏转角(以x轴为转轴的偏转角度)，转向架垂向位移(在x方向的位移)。
[0039]
轨道车辆在线路上运行时，上述4个位置指标均在实时变化之中，这些值对分析轨道车辆运行稳定性具有重要作用。在轨道车辆长期的运行过程中，实时检测上述4个位置指标，以获得转向架在车体下方的相对运动姿态，以便对轨道车辆运行稳定性进行评估至关重要。本发明实施例仅需通过4个超声波测距仪测得上述4个距离值，就能通过几何计算，分析出转向架与车体间的相对位置，而获得转向架的运行姿态。
[0040]
本发明实施例1的结构如图2所示，在车体侧面安装两个非接触式测距仪(水平测距仪)，比如激光测距仪或者是超声波测距仪。安装的位置在车体上正对着转向架构架侧面，两个非接触式测距仪以转向架横向中心线对称。
[0041]
实施例1中，具体的测量方法是：首先轨道车辆静止时在平直道上进行零位标定。此时a2＝a1＝a0。a0为标定后转向架与车体横向相对位移初始测量值，a1为1号水平测距仪5测得的距离，a2为2号水平测距仪6测得的距离。标定完成后，对偏转角α和横向位移a的检测方法是：当转向架与车体产生相对位移时，测距仪会实时测量距离a1和a2。则根据几何公式计算可知，转向架的偏转角α和转向架横向位移a如下式：
[0042]
α＝arctan[(a2-a1)
÷
(2
×
la)]；
[0043]
a＝(a1+a2)
÷
2-a0。
[0044]
其中，la为任一水平测距仪距转向架纵向中心线的距离，如图2所示。两个水平测距仪距转向架纵向中心线的距离是相等的。
[0045]
本发明实施例2结构如图3所示，在车体的底面安装两个非接触式测距仪(垂直测
距仪)。安装的位置在车体上，转向架横向中心线正上方，两个测距仪均对着转向架构架上表面，并以转向架纵向中心线对称。
[0046]
实施例2中，具体的测量方法是：首先轨道车辆静止时在平直道上进行零位标定。此时b1＝b2＝b0。b0为标定后转向架与车体垂向相对位移初始测量值，b1为1号垂直测距仪7测得的距离，b2为2号垂直测距仪8测得的距离。标定完成后，对偏转角β和垂向位移b的检测方法是：当转向架与车体产生相对位移时，测距仪会实时测量距离b1和b2。则根据几何公式计算可知，转向架的垂直偏转角β和转向架垂向位移b如下式：
[0047]
β＝arc tan[(b2-b1)
÷
(2
×
lb)]；
[0048]
b＝(b1+b2)
÷
2-b0。
[0049]
其中，lb为任一垂直测距仪距距转向架横向中心线的距离，如图3所示。两个垂直测距仪距转向架横向中心线的距离是相等的。
[0050]
上述实施例1和实施例2通过在车体上安装非接触式测距仪，实时检测车体与转向架的各个关键距离值，并利用几何计算的方法，得到转向架相对于车体的运动姿态。在轨道车辆运行时，这些参数将对轨道车辆运行稳定性评价起到重要的作用。当转向架水平偏转角α超过3
°
或者转向架横向位移a超过30mm时，和/或当转向架垂直偏转角β超过2
°
或者转向架垂向位移a超过40mm时，可以实时给司机发出警报，提醒司机对机车做出正确的操作，从而提高机车运行稳定性，避免发生失稳事故。
[0051]
本发明实施例3提供了一种轨道交通车辆，包括车体和控制系统。实施例3的车体上安装有实施例1和/或实施例2的检测装置，即：
[0052]
车体侧面安装有两个水平测距仪，两个水平测距仪正对转向架构架侧面，且两个水平测距仪关于转向架横向中心线对称；和/或，
[0053]
车体底面安装有两个正对着转向架构架上表面的垂直测距仪，垂直测距仪安装于转向架横向中心线正上方，且两个垂直测距仪关于转向架纵向中心线对称。
[0054]
当轨道车辆静止时，在平直道上进行零位标定，获得标定后转向架与车体横向相对位移初始测量值a0，和/或标定后转向架与车体垂向相对位移初始测量值b0。
[0055]
控制系统获取相对位移初始测量值a0，和/或车体垂向相对位移初始测量值b0，以及两个水平测距仪测得的距离，和/或两个垂直测距仪测得的距离后，执行包括以下步骤的操作：
[0056]
利用两个水平测距仪测得的距离以及车体横向相对位移初始测量值a0，获得转向架的水平偏转角α和横向位移a；
[0057]
利用两个垂直测距仪测得的距离以及车体垂向相对位移初始测量值b0，获得转向架的垂直偏转角β和垂向位移b。
[0058]
控制系统计算水平偏转角α和横向位移a、垂直偏转角β和垂向位移b的过程参照上述实施例1和实施例2，此处不再赘述。
[0059]
控制系统还在转向架水平偏转角α超过3
°
或者转向架横向位移a超过30mm时，和/或转向架垂直偏转角β超过2
°
或者转向架垂向位移a超过40mm时发出报警指令，将报警指令传送至司机室的报警装置，例如传送至司机室显示屏，提醒司机对机车做出正确的操作，从而提高机车运行稳定性，避免发生失稳事故。
技术特征：1.一种转向架姿态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：当轨道车辆静止时，在平直道上进行零位标定，获得标定后转向架与车体横向相对位移初始测量值a0，和/或标定后转向架与车体垂向相对位移初始测量值b0；在车体侧面安装两个水平测距仪，所述两个水平测距仪正对转向架构架侧面，且两个水平测距仪关于转向架横向中心线对称；和/或，在车体底面安装两个垂直测距仪，所述垂直测距仪安装于转向架横向中心线正上方，且两个垂直测距仪关于转向架纵向中心线对称；当转向架与车体产生相对位移时，两个水平测距仪分别获得距离a1和a2，则转向架的水平偏转角α和横向位移a计算公式分别为：α＝arctan[(a2-a1)
÷
(2
×
la)]；a＝(a1+a2)
÷
2-a0；其中，la为任一水平测距仪距转向架纵向中心线的距离；和/或，两个垂直测距仪分别获得距离b1和b2，则转向架的垂直偏转角β和垂向位移b的计算公式分别为：β＝arc tan[(b2-b1)
÷
(2
×
lb)]；b＝(b1+b2)
÷
2-b0。其中，lb为任一垂直测距仪距转向架横向中心线的距离。2.根据权利要求1所述的转向架姿态检测方法，其特征在于，还包括：当所述转向架水平偏转角α超过3
°
，或转向架横向位移a超过30mm时，发出警报。3.根据权利要求1或2所述的转向架姿态检测方法，其特征在于，还包括：当转向架垂直偏转角β超过2
°
，或者转向架垂向位移b超过40mm时，发出警报。4.根据权利要求1所述的转向架姿态检测方法，其特征在于，所述水平测距仪和垂直测距仪均为超声波测距仪或激光测距仪。5.一种轨道交通车辆，包括车体和控制系统；其特征在于，所述车体侧面安装有两个水平测距仪，所述两个水平测距仪正对转向架构架侧面，且两个水平测距仪关于转向架横向中心线对称；和/或，所述车体底面安装有两个正对着转向架构架上表面的垂直测距仪，所述垂直测距仪安装于转向架横向中心线正上方，且两个垂直测距仪关于转向架纵向中心线对称；当轨道车辆静止时，在平直道上进行零位标定，获得标定后转向架与车体横向相对位移初始测量值a0，和/或标定后转向架与车体垂向相对位移初始测量值b0；所述控制系统获取所述相对位移初始测量值a0，和/或车体垂向相对位移初始测量值b0，以及两个水平测距仪测得的距离，和/或两个垂直测距仪测得的距离后，执行包括以下步骤的操作：利用两个水平测距仪测得的距离以及车体横向相对位移初始测量值a0，获得转向架的水平偏转角α和横向位移a；利用两个垂直测距仪测得的距离以及车体垂向相对位移初始测量值b0，获得转向架的垂直偏转角β和垂向位移b。
6.根据权利要求5所述的轨道交通车辆，其特征在于，水平偏转角α和横向位移a的计算公式分别为：α＝arctan[(a2-a1)
÷
(2
×
la)]；a＝(a1+a2)
÷
2-a0。其中，la为任一水平测距仪距转向架纵向中心线的距离。7.根据权利要求5所述的轨道交通车辆，其特征在于，垂直偏转角β和垂向位移b的计算公式分别为：β＝arc tan[(b2-b1)
÷
(2
×
lb)]；b＝(b1+b2)
÷
2-b0。其中，lb为任一垂直测距仪距距转向架横向中心线的距离。8.根据权利要求5所述的轨道交通车辆，其特征在于，所述控制系统还用于：当所述转向架水平偏转角α超过3
°
，或转向架横向位移a超过30mm时，发出报警指令。9.根据权利要求5或8所述的轨道交通车辆，其特征在于，所述控制系统还用于：当转向架垂直偏转角β超过2
°
，或者转向架垂向位移b超过40mm时，发出报警指令。
技术总结本发明公开了一种轨道交通车辆及其转向架姿态检测方法，当轨道车辆静止时，在平直道上进行零位标定，获得标定后转向架与车体横向相对位移初始测量值A0，和/或标定后转向架与车体垂向相对位移初始测量值B0；在车体侧面安装两个水平测距仪，在车体底面安装两个垂直测距仪，利用两个水平测距仪测得的距离以及车体横向相对位移初始测量值A0，获得转向架的水平偏转角α和横向位移A；利用两个垂直测距仪测得的距离以及车体垂向相对位移初始测量值B0，获得转向架的垂直偏转角β和垂向位移B。本发明降低了转向架姿态检测难度，在尽量少的检测点和尽量少的传感器种类前提下，实现了转向架姿态的准确检测。姿态的准确检测。姿态的准确检测。
技术研发人员：王晓勇 袁顺 王帅 李顺 胡亮 贺琳
受保护的技术使用者：中车株洲电力机车有限公司
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
