CN104390795B - 轨道车辆振动形态分析的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道车辆振动形态分析的方法和装置，该方法包括：a.获取轨道车辆加速度响应信号及其对应的速度、位置信息；b.对获取的加速度信号进行组合，生成组合加速度信号；c.采用速度—频域方法对原始及组合加速度信号进行分析；d.根据速度—频域方法分析得到的各不随速度变化的局部峰值和/或随速度线性变化的局部峰值确定轨道车辆振动形态。本发明实施例的轨道车辆振动形态分析的方法及装置，能够清晰、直观、有效地得到轨道车辆振动形态特性以及速度、固定波长输入对振动形态的影响，对轨道车辆维护、特性优化、设计改进等具有重要意义。

Description

轨道车辆振动形态分析的方法及装置

技术领域

本发明涉及振动分析，尤其涉及一种轨道车辆振动形态分析的方法及装置。

背景技术

轨道车辆的振动特性分析是轨道车辆设计优化和运营维护的重要手段。现有技术中，轨道车辆的振动特性分析往往通过车辆动力学仿真计算以及车辆的室内振动或滚振试验来完成。但是，由于软件能力、模型参数、实验室激励特性及激励水平限制，仿真计算以及实验室试验的结果往往与车辆在线路上的实际运营情况存在差异。

这样，直接利用车辆动力学线路试验乃至车辆实际运营时的动力学监测数据进行车辆特性的分析成为广大铁路科研工作者长期努力的方向。轨道车辆在线路上的动力学响应同时取决于轨道车辆特性及车辆输入，二者是耦合的。因此，直接解耦并提取车辆特性非常困难。目前为止缺少有效的方法。例如，在航空航天等领域使用效果良好的振动模态分析方法，由于轨道车辆激励环境的复杂性，在轨道交通领域就未能取得有效运用。

专利号为ZL 2009 1 0243101.0，发明名称为“轨道车辆加速度响应分析的方法及装置”的中国专利申请从工程的角度对该问题进行了分析，提出了速度—频域分析方法。该方法利用轨道车辆特性和车辆输入随速度具有不同的数值变化规律，通过识别轨道车辆加速度响应三维速度—频谱图和/或三维速度—名义传递图中不随速度变化的局部峰值和/或随速度线性变化的局部峰值，有效提取了轨道车辆特性及其输入(以下简称速度—频域方法)。但是，由于该方法针对直接测量得到的加速度信号，而这些直接测量得到的加速度信号往往反映了多种车辆振动形态的组合，这使得得到的系统频率往往不能直接明确到具体的振动形态。在系统频率比较密集的情况下，频率分辨能力不足。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种轨道车辆振动形态分析的方法及装置，能够利用车辆动力学线路试验乃至车辆实际运营时的车辆加速度响应，有效地进行轨道车辆振动形态特性分析及评估。

一方面，本发明实施例提出了一种轨道车辆振动形态分析的方法，该方法包括：a.获取轨道车辆加速度响应信号、对应的速度信号及加速度测点相对车辆部件的位置信息；b.对获取的加速度信号进行线性组合，生成组合加速度信号；c.采用速度—频域方法对原始及组合加速度信号进行分析；d.根据速度—频域方法的结果结合加速度测点位置数据，计算、确定轨道车辆振动形态。

另一方面，本发明实施例还提出了一种轨道车辆振动形态分析的装置，包括：加速度、速度及加速度位置获取单元，用于获取轨道车辆加速度响应信号、对应的速度信号及加速度测点相对车辆部件的位置信息；加速度组合单元，用于根据轨道车辆振动特点，对所述加速度响应信号进行线性组合，生成纯化的组合加速度信号；速度—频域分析单元，用于根据速度—频域方法获得加速度响应信号及组合加速度信号的速度—频域分析结果；振动形态分析单元，用于将所述加速度响应信号、组合加速度信号的速度—频域分析结果以及加速度位置信息综合，分析得到轨道车辆振动形态以及输入影响因素。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的轨道车辆振动形态分析的方法及装置，能够清晰、有效地得到轨道车辆振动形态以及评估输入影响，能够直接明确系统频率对应的振动形态、明确振动形态对应的瞬心位置、振动形态的相对大小、不同车辆部件间振动关系等，且算法简单，实现容易；

本发明实施例对轨道车辆特别是高速轨道车辆的试验、监测、检修以及特性优化等具有很强的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种轨道车辆振动形态分析的方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的车辆大部件坐标系定义图；

图3为本发明实施例提供的沉浮组合加速度信号获取示意—垂向中轴线(Z轴)对称的两个垂向加速度组合加；

图4为本发明实施例提供的点头组合加速度获取示意1—纵向中轴面(YOZ平面)对称的两个垂向加速度组合减；

图5为本发明实施例提供的点头组合加速度获取示意2—纵向中轴面(YOZ平面)对称且位于横向中截面的两个垂向加速度组合减；

图6为本发明实施例提供的摇头组合加速度获取示意1—垂向中轴线(Z轴)对称的两个横向加速度组合减；

图7为本发明实施例提供的摇头组合加速度获取示意2—纵向中截面(YOZ平面)对称的两个横向加速度组合减；

图8为本发明实施例提供的滚摆组合加速度获取示意1—垂向中轴线(Z轴)对称的两个横向加速度组合加；

图9为本发明实施例提供的滚摆组合加速度获取示意2—纵向中截面(YOZ平面)对称的两个横向加速度组合加；

图10为本发明实施例提供的滚摆组合加速度获取示意3—纵向中截面(YOZ平面)上典型位置横向加速度；

图11为本发明实施例提供的滚摆组合加速度获取示意4—同一纵向截面上不同高度的两个横向加速度组合减；

图12为本发明实施例提供的滚摆组合加速度获取示意5—同一纵向截面上不同横向位置的两个垂向加速度组合减；

图13为本发明实施例提供的轨道车辆振动形态分析最小实现加速度测点布置示意1

(安装基准高度上，横向中截面上关于Z轴对称的2个垂向和2个横向测点，以及相同纵向、不同横向坐标的1个垂向测点)；

图14为本发明实施例提供的轨道车辆振动形态分析最小实现加速度测点布置示意2

(安装基准高度上，关于Z轴及YOZ平面对称的3个垂向测点，以及关于Z轴对称的2个横向测点)；

图15为本发明实施例提供的轨道车辆振动形态分析最小实现加速度测点布置示意3

(安装基准高度上，关于Z轴及YOZ平面对称的3个垂向测点，以及关于YOZ平面对称的两个横向测点)；

图16为本发明实施例提供的轨道车辆振动形态分析最小实现加速度测点布置示意4

(安装基准高度上，纵向中截面上关于Z轴对称的2个垂向测点和1个横向测点，以及相同横向、不同纵向位置的1个垂向和1个横向测点)；

图17为本发明实施例提供的轨道车辆振动形态分析最小实现加速度测点布置示意5

(横向中截面安装基准高度上关于Z轴对称的2个垂向和2个横向测点，以及纵向中截面其他高度上1个横向测点)；

图18为本发明实施例提供的轨道车辆振动形态分析最小实现加速度测点布置示意6

(横向中截面安装基准高度上关于Z轴对称的2个垂向和2个横向测点，以及与其中一点在同一纵向截面、不同高度上的1个横向测点)；

图19a、19b为本发明实施例提供的某高速检测列车车体1位垂向、车体2位垂向速度—频谱对比图以及对应的基本不随速度变化局部峰值的识别结果图；

图20a、20b为本发明实施例提供的某高速检测列车车体沉浮、车体点头振动形态速度—频谱对比图以及对应的基本不随速度变化局部峰值的识别结果图；

图21为本发明实施例提供的某高速检测列车车体沉浮、车体点头振动形态相位角图；

图22a、22b为本发明实施例提供的某城际动车组车体摇头、滚摆1、滚摆2振动形态速度—频谱对比图以及对应的基本不随速度变化局部峰值的识别结果图；

图23为本发明实施例提供的滚摆中心计算示意图；

图24a、24b为本发明实施例提供的某城际动车组车体滚摆2振动形态到滚摆1振动形态的速度—传递图以及对应的基本不随速度变化成分的识别结果图；

图25为本发明实施例提供的某高速动车组抗蛇形减振器对车辆横向动力学影响分析简化模型图；

图26为本发明实施例提供的某高速动车组不同参数下简化模型得到的振动形态图；

图27为本发明实施例提供的通用减振器动力学模型图；

图28为本发明实施例提供的某高速动车组抗蛇形减振器附加刚度模型图；以及

图29为本发明实施例提供的一种轨道车辆振动形态分析装置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好地解决工程实际问题，实现试验运用与理论仿真的闭环关联，本案的发明人在专利号为ZL 2009 1 0243101.0，发明名称为“轨道车辆加速度响应分析的方法及装置”的中国专利的基础上，根据轨道车辆振动的特点，采用了对直接测量得到的加速度信号进行组合和纯化的方法，进一步提出了一种轨道车辆振动形态分析方法与装置。

具体而言，速度—频域方法得到的系统频率往往不能直接明确到具体的振动形态，需要其他先验知识的补充；在系统频率比较密集的情况下，频率分辨能力不足。本案的发明人针对现有方法的不足，在其基础上提出了对实测车辆加速度进行组合得到与车辆振动形态对应的纯化加速度，再结合速度—频域方法的全新方法。即：可在从轨道车辆加速度响应中分离出轨道车辆特性以及轨道车辆输入的同时，直接明确到具体的车辆振动形态、提高频率分辨能力、明确不同振型间的相对关系，更好地服务于工程实践。

以下通过几个具体的实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

对获取的加速度信号进行线性组合可以得到反映轨道车辆各类振动形态的纯化加速度信号。本实施例的以下内容详细描述了轨道车辆各类振动形态的纯化方法。本实施例各种纯化方法既可以单独使用，也可以组合使用。

对于刚体，有三个平动、三个转动6个自由度，可以标识为沿X轴的伸缩、沿Y轴的横移、沿Z轴的沉浮、绕X轴的侧滚、绕Y轴的点头、绕Z轴的摇头。由于大部件间的相互约束，轨道车辆一般无法得到独立的横移及侧滚振动，而是包含伸缩、沉浮、点头、摇头、滚摆5类振动形态，其中滚摆振动即由横移及侧滚耦合得到。根据滚摆中心相对质心的位置，滚摆可以细分为上心滚摆和下心滚摆两种。

由于车辆沿轨道方向的伸缩运动比较简单，本专利主要考虑轨道车辆沉浮、点头、摇头、滚摆等4类、5种振动形态。需要说明的是本专利的方法同样可运用于轨道车辆伸缩运动的分析。

如图2所示，在轨道车辆大部件上建立坐标系，原点位于质心，X轴与轨道中心线平行指向车辆运动方向，Y轴与轨面平行指向左，Z轴垂直向上，绕X、Y、Z的旋转α、β、γ以逆时针为正。

其中，YOZ平面，可以称之为纵向中截面(法线沿纵向x轴)；XOZ平面，可以称之为横向中截面(法线沿横向y轴)；Z轴，可称之为垂向中轴线。由于轨道车辆大部件结构的特点——前后、左右基本对称，这样与质心高度无关的x,y坐标参数易于测量确定。

由于车辆大部件的振动幅值较小，旋转导致的向心加速度可以忽略，此时在该部件上某点(x_i,y_i,z_i)的纵向加速度a_xi可以用公式(1)表示、横向加速度a_yi可以用公式(2)表示、垂向加速度a_zi可以用公式(3)表示，其中x_i,y_i,z_i为该点坐标，为车辆大部件坐标系相对惯性坐标的加速度，可以表征轨道车辆大部件的振动形态。

$a_{\mathrm{xi}}=\stackrel{\·\·}{x}+z_i\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}-y_i\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

$a_{\mathrm{yi}}=\stackrel{\·\·}{y}-z_i\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+x_i\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}---\left(2\right)$

$a_{\mathrm{zi}}=\stackrel{\·\·}{z}+y_i\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}-x_i\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}---\left(3\right)$

由公式(1)、公式(2)、公式(3)可以看到，能够直接测量的加速度包含了轨道车辆大部件的振动形态，通过加速度测点的合理选取以及加速度信号的合理组合，可以得到纯化的沉浮、点头、摇头、滚摆等振动形态信息。

沉浮组合加速度信号的获取

由(x_i,y_i,z_i)点垂向加速度的表达式可以得知：要想得到与沉浮振动形态(由表征)成正比且与其它车辆振动形态基本无关的加速度信号，可以由轨道车辆部件不同纵向、横向位置的垂向加速度线性组合得到；若由(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)两点的垂向加速度组合加生成，只要满足y₂＝-y₁、x₂＝-x₁即可，此时组合加速度 $a_{\mathrm{cz}}=a_{z1}+a_{z2}=\stackrel{\·\·}{z}+y_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}-x_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}+\stackrel{\·\·}{z}+y_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}-x_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}=2\stackrel{\·\·}{z};$ 考虑到实际加速度布置以及数据归一化的需求，推荐由两个关于垂向中轴线(Z轴)对称位置的垂向加速度之和除二得到(如图3所示，图中加圈数字表示位置，向上的短箭头表示垂向加速度，以下同)，显然此时有y₂＝-y₁、x₂＝-x₁且z₂＝z₁(两点高度相同)，此时组合加速度作为y＝0、x＝0的特例，与沉浮振动形态成正比且与其它车辆振动形态基本无关的加速度信号也可以直接由轨道车辆部件垂向中轴线上点的垂向加速度得到。

点头组合加速度信号的获取

由(x_i,y_i,z_i)点垂向加速度的表达式可以得知：要想得到与点头振动形态(由表征)成正比且与其它车辆振动形态基本无关的加速度信号，可以由轨道车辆部件不同纵向位置的垂向加速度线性组合得到；若由(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)两点的垂向加速度组合减生成，只要满足y₂＝y₁即可，此时组合加速度 $a_{\mathrm{cz}}=a_{z1}-a_{z2}=\stackrel{\·\·}{z}+y_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}-x_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}+\stackrel{\·\·}{z}+y_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}-x_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}=-(x_1+x_2)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}};$ 考虑到实际加速度布置，推荐由两个关于纵向中截面(YOZ平面)对称位置的垂向加速度之和差除二得到(如图4所示)，此时有y₂＝y₁、x₂＝-x₁且z₂＝z₁(两点高度相同)，组合加速度显然还可对该组合加速度信号除x₁进行归一化处理，x₁可直接测量得到；作为y＝0的特例，当由两个关于纵向中截面(YOZ平面)对称且位于横向中截面的垂向加速度之差除二得到(如图5所示)点头组合加速度信号时，加速度位置同时满足前述沉浮组合加速度信号要求(关于垂向中轴线即Z轴对称)，沉浮组合加速度信号可由这两个加速度信号之和除二得到。

摇头组合加速度信号的获取

由(x_i,y_i,z_i)点横向加速度的表达式可以得知：要想得到与摇头振动形态(由表征)成正比且与其它车辆振动形态基本无关的加速度信号，可以由轨道车辆部件相同垂向高度、不同纵向位置的横向加速度线性组合得到；若由(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)两点的横向加速度组合减生成，只要满足z ₂＝z ₁即可，此时组合加速度 $a_{\mathrm{cy}}=a_{y1}-a_{y2}=\stackrel{\·\·}{y}-z_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+x_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}-(\stackrel{\·\·}{y}-z_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+x_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}})=(x_1-x_2)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}};$ 考虑到实际加速度布置，推荐由两个关于垂向中轴线(Z轴，如图6所示，指向斜上方的短箭头表示横向加速度，以下同)或纵向中截面(YOZ平面，如图7所示)对称位置的横向加速度之差除二得到，此时有y₂＝-y₁、x₂＝-x₁、z₂＝z₁或y₂＝y₁、x₂＝-x₁、z₂＝z₁，组合加速度均为显然还可对该组合加速度信号除x₁进行归一化处理，x₁可直接测量得到。

滚摆组合加速度信号的获取(一)

由(x_i,y_i,z_i)点横向加速度的表达式可以得知：要想得到与滚摆振动形态(由与联合表征)成正比且与其它车辆振动形态基本无关的加速度信号，可以由轨道车辆部件相同垂向高度、不同纵向位置的横向加速度线性组合得到；若由(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)两点的横向加速度组合加生成，只要满足x₂＝-x₁、z₂＝z₁即可，此时组合加速度 $a_{\mathrm{cy}}=a_{y1}+a_{y2}=\stackrel{\·\·}{y}-z_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+x_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}-(\stackrel{\·\·}{y}-z_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+x_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}})=2(\stackrel{\·\·}{y}-z_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}});$ 考虑到实际加速度布置，推荐由两个关于垂向中轴线(Z轴，如图8所示)或纵向中截面(YOZ平面，如图9所示，图中大黑点表示位置，以下同)对称位置的横向加速度之和除二得到，此时有y₂＝-y₁、x₂＝-x₁、z₂＝z₁或y₂＝y₁、x₂＝-x₁、z₂＝z₁，组合加速度均为作为x_i＝0的特例，与滚摆振动形态成正比且与其它车辆振动形态基本无关的加速度信号可以由纵向中截面上的横向加速度(如图10所示)直接得到，此时如前所述此处的z_i是不能直接测量的，以下的实施例三进一步说明了如何由两种不同的滚摆信号得到z_i，以确定滚摆的上下心属性。

滚摆组合加速度信号的获取(二)

由(x_i,y_i,z_i)点横向加速度的表达式可以得知：要想得到与滚摆振动形态(由独立表征)成正比且与其它车辆振动形态基本无关的加速度信号，可以由轨道车辆部件不同垂向高度、相同纵向位置的横向加速度之差得到；即由(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)两点的横向加速度组合减生成，此时满足x₂＝x₁、z₂≠z₁(即处于同一纵向截面且高度不同，如图11所示)，对应组合加速度 $a_{\mathrm{cy}}=a_{y1}-a_{y2}=\stackrel{\·\·}{y}-z_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+x_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}-(\stackrel{\·\·}{y}-z_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+x_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}})=(z_2-x_1)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}},$ 此处相对高差z₂-z₁可由测量得到。

滚摆组合加速度信号的获取(三)

由(x_i,y_i,z_i)点垂向加速度的表达式可以得知：要想得到与滚摆振动形态(由独立表征)成正比且与其它车辆振动形态基本无关的加速度信号，可以由轨道车辆部件不同横向位置、相同纵向位置的垂向加速度之差得到；即由(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)两点的垂向加速度组合减生成，此时满足x₂＝x₁、y₂≠y₁(即处于同一纵向截面且横向位置不同)，对应组合加速度 $a_{\mathrm{cz}}=a_{z1}-a_{z2}=\stackrel{\·\·}{z}+y_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}-x_1\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}-(\stackrel{\·\·}{z}+y_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}-x_2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}})=(y_1-y_2)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}};$ 考虑到实际加速度布置，推荐由两个关于横向中截面(XOZ平面)对称位置(如图12所示)的垂向加速度之差除二得到，此时有y₂＝-y₁、x₂＝x₁、z₂＝z₁，组合加速度为此处坐标y₁可由测量得到。

轨道车辆振动形态分析的最小实现

综合以上独立沉浮、点头、摇头、滚摆组合加速度的获取方法，可以得到典型轨道车辆振动形态分析的最小实现，即采用5个加速度信号得到纯化的沉浮、点头、摇头、滚摆(包括上心滚摆和下心滚摆)四类、5种振动形态。

根据本发明的一个实施例，轨道车辆振动形态分析的最小实现，可以通过在安装基准高度、横向中截面上布置关于Z轴对称的2个垂向和2个横向测点，以及在安装基准高度、相同纵向、不同横向坐标的位置布置1个垂向测点来实施(如图13所示)，该布置适用于各类轨道车辆的车体。

根据本发明的一个实施例，轨道车辆振动形态分析的最小实现，可以通过在安装基准高度布置关于Z轴及YOZ平面对称的3个垂向测点，以及在安装基准高度布置关于Z轴对称的2个横向测点来实施(如图14所示)，该布置适用于各类轨道车辆的车体及构架。

根据本发明的一个实施例，轨道车辆振动形态分析的最小实现，可以通过在安装基准高度布置关于Z轴及YOZ平面对称的3个垂向测点，以及在安装基准高度布置关于YOZ平面对称的2个横向测点来实施(如图15所示)，该布置适用于各类轨道车辆的车体及构架。

根据本发明的一个实施例，轨道车辆振动形态分析的最小实现，可以通过在安装基准高度、纵向中截面上布置关于Z轴对称的2个垂向测点和1个横向测点，以及在安装基准高度、相同横向、不同纵向位置布置1个垂向和1个横向测点来实施(如图16所示)，该布置适用于各类轨道车辆的车体及构架。

根据本发明的一个实施例，轨道车辆振动形态分析的最小实现，可以通过在安装基准高度、横向中截面上布置关于Z轴对称的2个垂向和2个横向测点，以及在纵向中截面其他高度上布置1个横向测点来实施(如图17所示)，该布置适用于货车的车体。

根据本发明的一个实施例，轨道车辆振动形态分析的最小实现，可以通过在安装基准高度、横向中截面上布置关于Z轴对称的2个垂向和2个横向测点，以及在与其中一点在同一纵向截面、不同高度上布置1个横向测点来实施(如图18所示)，该布置适用于货车的车体。

显然，根据本专利的方法还可以得到其他轨道车辆振动形态分析的最小实现，此处不再列举。

实施例二

本实施例是对某高速检测列车车体垂向振动特性进行的分析，得到车辆垂向振动的主要振动形态的频率参数以及主要振动形态间的相位等关系，为该高速检测列车最终参数的确定提供依据。

图1为本发明提供的一种轨道车辆振动形态分析的方法流程示意图，对照流程图。该方法包括如下步骤：

步骤a:获取轨道车辆加速度响应信号、对应的速度信号及加速度测点相对车辆部件的位置信息。

在本实施例中由于仅需要对该高速车辆车体垂向振动进行的分析。因此，在车体的合适位置安装了垂向加速度传感器，传感器在车辆前、后转向架中心上方的车体对应位置对称布置如图5，获取了该列车运行时的2个车体加速度响应信号及对应速度(通过速度传感器)的数字信号，两加速度测点间距为18m，采样频率为1000Hz。

步骤b：对获取的加速度信号进行线性组合，生成组合加速度信号。

根据实施例一中的方法，对步骤a中获取的两个垂向加速度响应信号进行组合加后除以2，获得纯化的车辆沉浮振型加速度信号；对步骤a中获取的两个垂向加速度信号进行组合减后除以2，获得纯化的车辆点头振型加速度信号。

步骤c:采用速度—频域方法对原始及组合加速度信号进行分析。

采用速度—频域方法对步骤a中获取的前后转向架位置车体垂向加速度、步骤b中组合得到的车体沉浮及点头加速度信号进行分析。采用的速度间隔为10km/h、周期图对应的样本长度为8s、最小样本数为8、采用三维幅值谱表示。

步骤d:根据速度—频域方法的结果结合加速度测点位置数据，计算、确定轨道车辆振动形态。

本发明实施例的三维速度—频谱图中，x轴代表分析频率，由于考虑的是车体的刚体振动形态，取显示频率上限为4Hz，y轴代表速度，z轴代表频谱。

在本实施例中，根据该步骤c可以得到如下结果：前转向架上方车体(车体1位)、后转向架上方车体(车体2位)垂向振动三维速度—频谱图(图19a)及其不随速度变化的局部峰值(图19b)；车体沉浮、车体点头振动形态三维速度—频谱图(图20a)及其不随速度变化的局部峰值(图20b)；车体沉浮、车体点头振动形态相位关系图(图21)。

图19是速度—频域方法对实测加速度的直接结果，可以看到车体2位垂向加速度大于车辆1位加速度，其主频基本不变且随速度升高略有降低，车体1位约为1.22Hz、车体2位约为1.10Hz。但是，从图19中无法分辨振动是沉浮还是点头。

图20是根据本发明的一个实施例对车辆振动形态进行纯化后，采用速度—频域方法处理的结果，可以看到车体沉浮和车体点头的主频均为1Hz左右，车体沉浮为0.98Hz、车体点头为1.10Hz，在速度较低时点头振动相对较大，随着速度的升高，车体沉浮占主要成分，这也很好解释了图19中车体1、2位垂向加速度主频随速度升高略有降低的现象。

图21给出了车体沉浮与点头的相位关系，可以看到在1Hz左右，车体沉浮及点头的相位关系稳定，约为0.32π弧度。

相对直接利用实测加速度的方法，本实施例的结果直接明确到具体的车辆振动形态、提高了频率分辨能力、明确了不同振型间的相对关系，能够更好地服务于工程实践。

实施例三

实施例三是分析某城际动车组车体的横向振动形态，在分析车体摇头、滚摆振动的基础上，进一步确定上、下心滚摆的摆心位置。该实施例中步骤a-步骤d的过程与实施例二中相类似，传感器布置如图13，侧边垂向传感器位置距中线距离0.69m，，采样频率为1000Hz，本实施例分析摇头及滚摆振动形态。

在本实施例中，根据步骤c对组合加速度可以得到如下结果：车体摇头(参见摇头组合加速度信号的获取部分内容及图6)、车体滚摆1(参见滚摆组合加速度信号的获取部分内容及图9)以及车体滚摆2(参见滚摆组合加速度信号的获取3部分内容及图12、图13)对应的振动形态三维速度—频谱图(图22a)及其不随速度变化的局部峰值(图22b)。

由图22可以看到，通过加速度纯化，已经有效区分了车辆的摇头及滚摆振动，由相关专业知识也可以确定0.488Hz处的峰值对应下心滚摆、1.343Hz处的峰值对应上心滚摆，本实施例进一步说明如何直接提取上小心滚摆对应的几何中心位置，直接确认上小心滚摆。

图23示意了确定上小心滚摆几何中心的方法，其中滚摆1指由横向加速度和除2得到的表征滚摆的纯化信号、滚摆2指由垂向加速度差得到的标准滚摆的纯化信号、侧面垂向加速度到车体中心线的横向距离为dv、上心或下心滚摆的几何中心O_i距安装基准面(地板面)高度为d_i。显然对于上心或下心滚摆，滚摆2信号到滚摆1信号间的传递H_i等于d_i/d_v，这样由速度—频域方法中的速度—传递图及其在上小心滚摆频率处的数值即可得到滚摆相对于安装基准面的几何位置d_i＝H_i×d_v。

由图24滚摆2到滚摆1的名义传递及识别结果图，可以得到：0.488Hz处的峰值传递为3.54，检查相位约为π弧度(180度)，即H_i＝-3.54、d_v＝0.69m，对应中心位置为地板面以下2.44m，为下心滚摆；1.343Hz处峰值传递为1.58，检查相位约为0弧度(0度)，即H_i＝1.58、d_v＝0.69m，对应中心位置为地板面以上1.09m，为上心滚摆；从而对该动车组的滚摆振动形态进行了全面的揭示。

实施例四

实施例一、二、三针对某一个轨道车辆大部件进行分析，本实施例对多个车辆大部件进行了分析。本实施例用来分析某高速动车组横向异常振动、关键部件—抗蛇形减振器参数配置对车辆横向性能的影响、确定合理的车辆动力学计算模型、得到改进方向，包括如下步骤：

1、对高速动车组的多种抗蛇形减震器匹配方案进行步骤a到步骤d的处理；

步骤a:获取轨道车辆加速度响应信号、对应的速度信号及加速度测点相对车辆部件的位置信息。

在本实施例中由于需要进行全面分析，故在车体上布置5个加速度传感器如图13，在前后转向架各布置5个传感器如图16，获取了该列车运行时的15个加速度响应信号及对应速度(通过速度传感器)的数字信号及几何位置。

步骤b：对获取的加速度信号进行线性组合，生成组合加速度信号。

类似实施例二及实施例三，获得了车体及转向架的纯化沉浮、点头、摇头及滚摆加速度信号。由于要分析横向异常振动，本实施例进一步获取了：前后转向架摇头对称分量、反对称分量；前后转向架滚摆对称分量、反对称分量；前后转向架某类组合加速度间的对称分量，由前后转向架该类组合加速度之和除二得到；前后转向架某类组合加速度间的反对称分量，由前后转向架该类组合加速度之差除二得到。

步骤c:采用速度—频域方法对原始及组合加速度信号进行分析。

采用专利ZL 2009 1 0243101.0《轨道车辆加速度响应分析的方法及装置》的速度—频域方法对步骤a中获取的车体、转向架信号以及步骤b中组合得到的各类组合信号进行分析。采用的速度间隔为10km/h、周期图对应的样本长度为8s、最小样本数为8、采用三维幅值谱表示。

步骤d:根据速度-频域方法的结果结合加速度测点位置数据，计算、确定轨道车辆振动形态。

2、对比横向振动正常与横向振动异常时步骤1的分析结果；

发现该高速动车组抗蛇形减振器节点刚度加大时，发生横向异常振动，主要表现在构架与车体同相位的摇头显著增加。

3、采用车辆横向振动简化模型确认参数如何变化才能导致2中的结果；

采用图25所示的车辆横向振动简化模型，确认了只有当抗蛇形减振器动态刚度随节点刚度增加而增加时，才能导致2中的结果(如图26)。

4、确认动力学计算采用的抗蛇形减振器模型；

传统减振器模型(如图27)无法实现动态刚度随节点刚度增加而增加等特性，采用具有附加刚度的抗蛇形减振器模型(如图28)可以实现3中的结果。

5、采用详细动力学模型进行计算分析。

在4的基础上，采用详细动力学模型，计算得到了与试验一致的结果，分析了该型动车组横向振动异常的原因是由于抗蛇形减振器的结构或安装导致了综合刚度的增加，为该动车组的改进提供了依据。

本发明实施例的一种轨道车辆振动形态分析的方法，清晰、有效地得到关键部件不同参数对车辆动力学性能的影响，有效确认了关键部件的动力学模型，在此基础上实现了仿真与试验结果的统一，具有很强的工程应用价值。

实施例五

如图29为本发明实施例提供的一种轨道车辆振动形态分析的装置结构示意图，该装置包括：加速度、速度及加速度位置获取单元110、加速度组合单元120、速度—频域分析单元130、振动形态分析单元140。

加速度、速度及加速度位置获取单元110用于获取轨道车辆加速度响应信号、对应的速度信号及加速度测点相对车辆部件的位置信息。在具体实现中，该单元可以利用加速度传感器、速度传感器、量尺等加以实现。

加速度组合单元120用于根据轨道车辆振动特点，对所述加速度响应信号进行线性组合，生成纯化的组合加速度信号。

速度—频域分析单元130用于根据速度—频域方法获得加速度响应信号及组合加速度信号的速度—频域分析结果。

振动形态分析单元140用于将所述加速度响应信号、组合加速度信号的速度—频域分析结果以及加速度位置信息综合，分析得到轨道车辆振动形态以及输入影响因素。

本发明实施例的一种轨道车辆振动形态分析的装置，能够清晰、有效地得到轨道车辆振动形态以及评估输入影响，能够直接明确系统频率对应的振动形态、明确振动形态对应的瞬心位置、振动形态的相对大小、不同车辆部件间振动关系等，且算法简单，实现容易；本发明实施例对轨道车辆特别是高速轨道车辆的试验、监测、检修以及特性优化等具有很强的工程应用价值。该方法的实现将更加有效地构建轨道车辆动力学理论与实践间的关联，对轨道车辆特别是对高速铁路车辆试验、监测、检修及特性优化具有重要意义。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种轨道车辆振动形态分析的方法，包括：

a.获取轨道车辆加速度响应信号、对应的速度信号及加速度测点相对车辆部件的位置信息；

b.对获取的加速度信号进行线性组合，线性组合后得到与轨道车辆振动形态分析相对应的组合加速度信号；

c.采用速度—频域方法对原始及组合加速度信号进行分析；以及

d.根据速度—频域方法的结果，结合加速度测点位置信息，计算、确定轨道车辆振动形态。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述组合加速度信号包含轨道车辆部件沉浮组合加速度信号、点头组合加速度信号、摇头组合加速度信号、滚摆组合加速度信号的全部或某一子集；

其中，所述沉浮组合加速度信号，与沉浮振动形态成正比且与其它车辆振动形态基本无关，由轨道车辆部件不同纵向、横向位置的垂向加速度线性组合得到；

其中，所述点头组合加速度信号，与点头振动形态成正比且与其它车辆振动形态基本无关，由轨道车辆部件不同纵向位置的垂向加速度线性组合得到；

其中，所述摇头组合加速度信号，与摇头振动形态成正比且与其它车辆振动形态基本无关，由轨道车辆部件相同垂向高度、不同纵向位置的横向加速度线性组合得到；以及

其中，所述滚摆组合加速度信号，与滚摆振动形态成正比且与其它车辆振动形态基本无关，由轨道车辆部件不同纵向位置的横向加速度线性组合得到，或者，由轨道车辆部件不同垂向高度、相同纵向位置的横向加速度线性组合得到，或者由轨道车辆部件相同纵向位置、不同横向位置的垂向加速度线性组合得到。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述沉浮组合加速度信号是由两个关于垂向中轴线对称位置的垂向加速度之和除二得到，或者由轨道车辆部件垂向中轴线上点的垂向加速度直接得到。

4.如权利要求2所述的方法，其中，所述点头组合加速度信号是由两个关于纵向中截面对称位置的垂向加速度之差除二得到，或者由两个关于纵向中截面对称且位于横向中截面的垂向加速度之差除二得到。

5.如权利要求2所述的方法，其中，所述摇头组合加速度信号是由两个关于纵向中截面对称位置的横向加速度之差除二得到，或者由两个关于垂向中轴线对称位置的横向加速度之差除二得到。

6.如权利要求2所述的方法，其中，所述滚摆组合加速度信号是由两个相同垂向高度、纵向对称位置的横向加速度之和除二得到，或者由纵向中截面上点的横向加速度直接得到,或者由轨道车辆部件不同垂向高度、相同纵向位置的横向加速度之差得到，或者由轨道车辆部件相同纵向位置、不同横向位置的垂向加速度之差得到。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述组合加速度信号还包括轨道车辆两个对称部件间同一类组合加速度信号间的线性组合。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述轨道车辆两个对称部件间同一类组合加速度信号间的线性组合，包括：两个对称部件的某类组合加速度间的对称分量，为两部件某类组合加速度之和除二；以及两个对称部件的某类组合加速度间的反对称分量，为两部件某类组合加速度之差除二。

9.如权利要求1所述的方法，其中，根据速度—频域方法的结果确定轨道车辆振动形态，包括轨道车辆部件振动形态的频率。

10.如权利要求1所述的方法，其中，根据速度—频域方法的结果，结合加速度测点位置信息，确定轨道车辆振动形态，包括轨道车辆部件滚摆的中心位置。

11.如权利要求1所述的方法，其中，根据速度—频域方法的结果确定轨 道车辆振动形态，包括同一轨道车辆部件不同振动形态间的相对大小及相位。

12.如权利要求1所述的方法，其中，根据速度—频域方法的结果确定轨道车辆振动形态，包括不同轨道车辆部件相同振动形态间的相对大小及相位。

13.一种轨道车辆振动形态分析的装置，包括：

加速度、速度及测点位置获取单元，用于获取轨道车辆加速度响应信号、对应的速度信息以及加速度测点的几何位置信息；

组合单元，用于根据加速度测点位置以及分析需要对所述加速度响应信号进行线性组合，得到与轨道车辆振动形态分析相对应的组合加速度信号；

速度—频域分析单元，用于根据速度—频域方法对获得加速度响应信号以及组合加速度信号进行速度—频域分析；

轨道车辆振动形态分析单元，用于根据速度—频域分析单元以及加速度、速度及测点位置获取单元的结果，得到轨道车辆振动形态。