CN103674582A - 铁道车辆转向架运动稳定性判断方法及装置 - Google Patents

铁道车辆转向架运动稳定性判断方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁道车辆转向架运动稳定性判断方法及装置，涉及铁道车辆技术领域，本发明通过各步骤的配合，使得在线路运行状态下，克服了辨识铁道车辆转向架蛇行运动振动模态的困难，能够获得铁道车辆稳定性的长期演变趋势，以确定铁道列车运动稳定性的裕度。本发明还可以有效地排除线路不平顺等线路激扰因素，对辨识转向架蛇行运动模态阻尼比的干扰。本发明还可以有效地排除转向架上安装部件弹性振动、旋转部件（如电机、轮对等）的旋转激励等影响因素，对辨识转向架蛇行运动模态阻尼比的干扰。

Description

铁道车辆转向架运动稳定性判断方法及装置
技术领域
本发明涉及铁道车辆技术领域，特别涉及一种铁道车辆转向架运动稳定性判断方法及装置。
背景技术
转向架，又称台车，是铁道车辆上最重要的部件之一，它直接承载车体自重和载重，引导车辆沿铁路轨道运行，保证车辆顺利通过曲线，并具有减缓来自车辆运行时带来震动和冲击的作用，因此转向架的设计也直接决定了车辆的稳定性和车辆乘坐的舒适性。转向架构架是转向架的骨架，转向架上其他组成部分都装在构架上从而组成一个转向架，并传递各方向的作用力。
在铁道车辆实际应用中，现有的动力学稳定性判断标准如下：“当转向架构架加速度10Hz滤波后，峰值有连续6次以上达到或超过极限值8～10m/s2（0.8g～1.0g），评定转向架失稳。”
随着车辆运营里程增加，维护人员需要掌握转向架运动稳定性随着运行里程增加、车轮磨耗恶化等演变的趋势。但由于在线路运行过程中，转向架的横向加速度峰值和峰值出现次数受线路激扰的影响显著，包含了线路不平顺激扰、转向架上悬挂部件（如电机、齿轮箱等）的干扰。因此仅通过转向架构架的峰值或连续次数，无法有效地得出随运行里程增加，转向架运动稳定性的长期演变趋势，以及确定转向架稳定性的裕度。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何获得铁道车辆稳定性的长期演变趋势，以确定铁道列车运动稳定性的裕度。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种铁道车辆转向架运动稳定性判断方法，所述方法包括以下步骤：
S1：通过设置于转向架构架对角处的两个横向加速度传感器获取两组横向加速度；
S2：对所述两组横向加速度进行分段，逐段计算所述两组横向加速度的傅里叶频谱；
S3：对所述两组横向加速度的傅里叶频谱各个对应的频率点进行相除，以获得第一加速度传递率；
S4：对各个不同分段的第一加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第一伪频响谱；
S5：对所述第一伪频响谱进行模态参数辨识，以获得转向架横向振动的固有频率、阻尼比及模态振型；
S6：根据所述固有频率及模态振型判定所述转向架是否处于蛇行运动，对所述转向架处于蛇形运动时的阻尼比进行参数辨识，以获得所述转向架稳定性的演变趋势，从而确定所述转向架稳定性的裕度。
其中，步骤S5和S6之间还包括：
S301：将步骤S3中相除的分子和分母进行对换，以获得第二加速度传递率；
S302：对各个不同分段的第二加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第二伪频响谱；
S303：对所述第二伪频响谱进行模态参数辨识，以获得所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
S304：将步骤S5得到的结果和步骤S303得到的结果的平均值作为所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型。
其中，步骤S2中，根据所述转向架的运行时间、运行速度或运行区段来对所述两组横向加速度进行分段。
其中，步骤S303和步骤S304之间还包括：
将所述步骤S5得到的结果和步骤S303得到的结果进行比较，若差值超过阈值，则返回步骤S2，并将步骤S2采用其他方式进行分段，否则执行步骤S304。
其中，步骤S5和步骤S303中通过正交多项式拟合、有理多项式部分和分析法、最小二乘复频域法、导纳圆辨识法或非线性优化辨识法进行模态参数辨识。
本发明还公开了一种铁道车辆转向架运动稳定性判断装置，所述装置包括：
加速度获取模块，用于通过设置于转向架构架对角处的两个横向加速度传感器获取两组横向加速度；
分段计算模块，用于对所述两组横向加速度进行分段，逐段计算所述两组横向加速度的傅里叶频谱；
第一传递率获取模块，用于对所述两组横向加速度的傅里叶频谱各个对应的频率点进行相除，以获得第一加速度传递率；
第一相减取倒模块，用于对各个不同分段的第一加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第一伪频响谱；
第一参数辨识模块，用于对所述第一伪频响谱进行模态参数辨识，以获得转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
稳定性判断模块，用于根据所述固有频率及模态振型判定所述转向架是否处于蛇行运动，对所述转向架处于蛇形运动时的阻尼比进行参数辨识，以获得所述转向架稳定性的演变趋势，从而确定所述转向架稳定性的裕度。
其中，所述装置还包括：
第二传递率获取模块，用于将所述第一传递率获取模块中相除的分子和分母进行对换，以获得第二加速度传递率；
第二相减取倒模块，用于对各个不同分段的第二加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第二伪频响谱；
第二参数辨识模块，用于对所述第二伪频响谱进行模态参数辨识，以获得所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
平均值计算模块，用于将第一参数辨识模块得到的结果和第二参数辨识模块得到的结果的平均值作为所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型。
其中，所述分段计算模块中，根据所述转向架的运行时间、运行速度或运行区段来对所述两组横向加速度进行分段。
其中，所述装置还包括：
比较模块，用于将所述第一参数辨识模块得到的结果和第二参数辨识模块得到的结果进行比较。
其中，所述第一参数辨识模块和第二参数辨识模块中通过正交多项式拟合、有理多项式部分和分析法、最小二乘复频域法、导纳圆辨识法或非线性优化辨识法进行模态参数辨识。
（三）有益效果
本发明通过各步骤的配合，使得在线路运行状态下，克服了辨识铁道车辆转向架蛇行运动振动模态的困难，能够获得铁道车辆稳定性的长期演变趋势，以确定铁道列车运动稳定性的裕度。
本发明还可以有效地排除线路不平顺等线路激扰因素，对辨识转向架蛇行运动模态阻尼比的干扰。
本发明还可以有效地排除转向架上安装部件弹性振动、旋转部件（如电机、轮对等）的旋转激励等影响因素，对辨识转向架蛇行运动模态阻尼比的干扰。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的铁道车辆转向架运动稳定性判断方法的流程图；
图2是本发明另一种实施方式的铁道车辆转向架运动稳定性判断方法的流程图；
图3是本发明一种实施方式的铁道车辆转向架运动稳定性判断装置的结构框图；
图4是本发明另一种实施方式的铁道车辆转向架运动稳定性判断装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明一种实施方式的铁道车辆转向架运动稳定性判断方法的流程图；参照图1，所述方法包括以下步骤：
S1：通过设置于转向架构架对角处的两个横向加速度传感器获取两组横向加速度，将所述两组横向加速度分别记为加速度信号a和加速度信号b；
S2：对所述两组横向加速度进行分段，逐段计算所述两组横向加速度的傅里叶频谱，将所述两组横向加速度的傅里叶频谱记为第n段加速度频谱信号Fa n和Fb n，其中，n代表分段号标识，n=1,…,x，x为分段总数。
S3：对所述两组横向加速度的傅里叶频谱各个对应的频率点进行相除，以获得第一加速度传递率Fa n/Fb n；
S4：对各个不同分段的第一加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第一伪频响谱1/(Fa n1/Fb n1-Fa n2/Fb n2)，n1和n2分别代表分段号标识，n1=1,…,x，n2=1,…,x，且n1≠n2。
S5：对所述第一伪频响谱进行模态参数辨识，以获得转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
S6：根据所述固有频率及模态振型判定所述转向架是否处于蛇行运动，对所述转向架处于蛇形运动时的阻尼比进行参数辨识，以获得所述转向架稳定性的演变趋势，从而确定所述转向架稳定性的裕度；
本步骤中，结合铁道车辆运动稳定性理论，转向架蛇行运动趋于不收敛或发散的状态，对应于转向架蛇行运动的阻尼比趋近于零，向负阻尼发展。根据实测数据得出的转向架横向振动频率（即固定频率）和振型（即模态振型），对转向架蛇行运动予以确认判定，并根据蛇行运动的阻尼比，即可判断出铁道车辆蛇行运动的稳定性裕度。
为了提高所述稳定性判断的准确性，消除干扰，参照图2，优选地，步骤S5和S6之间还包括：
S301：将步骤S3中相除的分子和分母进行对换，以获得第二加速度传递率Fb n/Fa n；
S302：对各个不同分段的第二加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第二伪频响谱1/(Fb n1/Fa n1-Fb n2/Fa n2)；
S303：对所述第二伪频响谱进行模态参数辨识，以获得所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
S304：将步骤S5得到的结果和步骤S303得到的结果的平均值（即步骤S5得到的固有频率和步骤S303得到的固有频率的平均值、步骤S5得到的阻尼比和步骤S303得到的阻尼比的平均值及步骤S5得到的模态振型和步骤S303得到的模态振型的平均值）作为所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型。
本实施方式中，一般在铁道车辆的一个车轮镟修周期内（一般约20万公里～40万公里），按照每1万公里间隔执行本实施方式的方法一次，以保证车辆安全。
优选地，步骤S2中，根据所述转向架的运行时间、运行速度或运行区段来对所述两组横向加速度进行分段，可选择其中的任意一种来实现。
为进一步提高所述稳定性判断的准确，优选地，步骤S303和步骤S304之间还包括：
将所述步骤S5得到的结果和步骤S303得到的结果进行比较，若差值超过阈值，则返回步骤S2，并将步骤S2采用其他方式（即先在现有的三种分段方式中选择一种；若差值超过阈值，则再在其他两种分段方式选择一种，并重新执行流程；若差值还超过阈值，则选择剩下的最后一种分段方式，若仍然超过所述阈值，则将此前获得的差值最小的结果作为获得的结果）进行分段，否则执行步骤S304。
为便于识别所述模态参数辨识，优选地，步骤S5和步骤S303中通过正交多项式拟合、有理多项式部分和分析法、最小二乘复频域法、导纳圆辨识法或非线性优化辨识法进行模态参数辨识。
本发明还公开了一种铁道车辆转向架运动稳定性判断装置，参照图3，所述装置包括：
加速度获取模块，用于通过设置于转向架构架对角处的两个横向加速度传感器获取两组横向加速度；
分段计算模块，用于对所述两组横向加速度进行分段，逐段计算所述两组横向加速度的傅里叶频谱；
第一传递率获取模块，用于对所述两组横向加速度的傅里叶频谱各个对应的频率点进行相除，以获得第一加速度传递率；
第一相减取倒模块，用于对各个不同分段的第一加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第一伪频响谱；
第一参数辨识模块，用于对所述第一伪频响谱进行模态参数辨识，以获得转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
稳定性判断模块，用于根据所述固有频率及模态振型判定所述转向架是否处于蛇行运动，对所述转向架处于蛇形运动时的阻尼比进行参数辨识，以获得所述转向架稳定性的演变趋势，从而确定所述转向架稳定性的裕度。
参照图4，优选地，所述装置还包括：
第二传递率获取模块，用于将所述第一传递率获取模块中相除的分子和分母进行对换，以获得第二加速度传递率；
第二相减取倒模块，用于对各个不同分段的第二加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第二伪频响谱；
第二参数辨识模块，用于对所述第二伪频响谱进行模态参数辨识，以获得所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
平均值计算模块，用于将第一参数辨识模块得到的结果和第二参数辨识模块得到的结果的平均值作为所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型。
优选地，分段计算模块中，根据所述转向架的运行时间、运行速度或运行区段来对所述两组横向加速度进行分段。
优选地，所述装置还包括：
比较模块，用于将所述第一参数辨识模块得到的结果和第二参数辨识模块得到的结果进行比较。
优选地，所述第一参数辨识模块和第二参数辨识模块中通过正交多项式拟合、有理多项式部分和分析法、最小二乘复频域法、导纳圆辨识法或非线性优化辨识法进行模态参数辨识。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种铁道车辆转向架运动稳定性判断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：通过设置于转向架构架对角处的两个横向加速度传感器获取两组横向加速度；
S2：对所述两组横向加速度进行分段，逐段计算所述两组横向加速度的傅里叶频谱；
S3：对所述两组横向加速度的傅里叶频谱各个对应的频率点进行相除，以获得第一加速度传递率；
S4：对各个不同分段的第一加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第一伪频响谱；
S5：对所述第一伪频响谱进行模态参数辨识，以获得转向架横向振动的固有频率、阻尼比及模态振型；
S6：根据所述固有频率及模态振型判定所述转向架是否处于蛇行运动，对所述转向架处于蛇形运动时的阻尼比进行参数辨识，以获得所述转向架稳定性的演变趋势，从而确定所述转向架稳定性的裕度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5和S6之间还包括：
S301：将步骤S3中相除的分子和分母进行对换，以获得第二加速度传递率；
S302：对各个不同分段的第二加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第二伪频响谱；
S303：对所述第二伪频响谱进行模态参数辨识，以获得所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
S304：将步骤S5得到的结果和步骤S303得到的结果的平均值作为所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中，根据所述转向架的运行时间、运行速度或运行区段来对所述两组横向加速度进行分段。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S303和步骤S304之间还包括：
将所述步骤S5得到的结果和步骤S303得到的结果进行比较，若差值超过阈值，则返回步骤S2，并将步骤S2采用其他方式进行分段，否则执行步骤S304。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S5和步骤S303中通过正交多项式拟合、有理多项式部分和分析法、最小二乘复频域法、导纳圆辨识法或非线性优化辨识法进行模态参数辨识。
6.一种铁道车辆转向架运动稳定性判断装置，其特征在于，所述装置包括：
加速度获取模块，用于通过设置于转向架构架对角处的两个横向加速度传感器获取两组横向加速度；
分段计算模块，用于对所述两组横向加速度进行分段，逐段计算所述两组横向加速度的傅里叶频谱；
第一传递率获取模块，用于对所述两组横向加速度的傅里叶频谱各个对应的频率点进行相除，以获得第一加速度传递率；
第一相减取倒模块，用于对各个不同分段的第一加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第一伪频响谱；
第一参数辨识模块，用于对所述第一伪频响谱进行模态参数辨识，以获得转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
稳定性判断模块，用于根据所述固有频率及模态振型判定所述转向架是否处于蛇行运动，对所述转向架处于蛇形运动时的阻尼比进行参数辨识，以获得所述转向架稳定性的演变趋势，从而确定所述转向架稳定性的裕度。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第二传递率获取模块，用于将所述第一传递率获取模块中相除的分子和分母进行对换，以获得第二加速度传递率；
第二相减取倒模块，用于对各个不同分段的第二加速度传递率进行相减，并对相减值取倒数，以获得第二伪频响谱；
第二参数辨识模块，用于对所述第二伪频响谱进行模态参数辨识，以获得所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型；
平均值计算模块，用于将第一参数辨识模块得到的结果和第二参数辨识模块得到的结果的平均值作为所述转向架的固有频率、阻尼比及模态振型。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述分段计算模块中，根据所述转向架的运行时间、运行速度或运行区段来对所述两组横向加速度进行分段。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
比较模块，用于将所述第一参数辨识模块得到的结果和第二参数辨识模块得到的结果进行比较。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一参数辨识模块和第二参数辨识模块中通过正交多项式拟合、有理多项式部分和分析法、最小二乘复频域法、导纳圆辨识法或非线性优化辨识法进行模态参数辨识。
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