CN105372080A - 一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有轨电车及其轨道测试技术领域，本发明公开了一种有轨电车耦合动力学测试装置，其具体包括设置在有轨电车车体内被测试点的三向加速度传感器、数据采集设备以及测试结果分析设备，所述三向加速度传感器固定在被测试点，所述三向加速度传感器信号连接数据采集设备，所述数据采集设备信号连接测试结果分析设备；通过分析测试结果，从而快速判断出有轨电车的性能。本发明还公开了一种有轨电车耦合动力学测试的方法以及针对有轨电车的嵌入式轨道的测试装置和测试方法。

Description

一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学测试装置及方法

技术领域

本发明涉及有轨电车技术领域，其尤其涉及一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学测试装置及方法。

背景技术

随着城市交通压力的增大，城市轨道交通由于具有运量大、速度快、安全、准点、环保、节能等特点，在各城市大力发展。车辆的运行安全性、稳定性是保证城市轨道交通快速发展的核心问题。

利用有轨电车/嵌入式轨道耦合动力学测试方法，测试结果可以评价嵌入式轨道上运行的有轨电车的运行安全性、稳定性、平稳性及乘坐舒适性，且测试结果可进一步验证有轨电车/嵌入式轨道耦合动力学预测模型的准确性。

但是现有技术中并没有一种有效的方式来测试有轨电车及其嵌入式轨道的耦合动力学特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中没有测试有轨电车及其嵌入式轨道的耦合动力学特性的装置及方法，本发明公开了一种有轨电车及其嵌入式轨道耦合动力学测试装置及方法。

本发明的技术方案如下:

本发明公开一种有轨电车耦合动力学测试装置，其具体包括设置在有轨电车车体内被测试点的三向加速度传感器、数据采集设备以及测试结果分析设备，所述三向加速度传感器固定在被测试点，所述三向加速度传感器信号连接数据采集设备，所述数据采集设备信号连接测试结果分析设备；所述测试结果分析设备包括滤波器、模数转换器、计算器和判断器，所述滤波器用于将数据采集设备采集的到的加速度信号进行滤波处理，所述模数转换器用于将模拟信号转为数字信号并通过判断器进行判断，所述计算器用于计算不同测试点、不同车况以及不同路况下的加速度极限值，所述判断器用于判断加速度测试值与极限值之间的关系，从而评价有轨电车的性能。

更进一步地，上述有轨电车车体内被测试点包括车体振动加速度测试点、构架振动加速度测试点以及轴箱振动加速度测试点。

更进一步地，上述三向加速度传感器通过AB胶粘贴在被测试点。

更进一步地，上述车体振动加速度传感器粘贴在20cm×20cm的钢板上，并利用3M胶带将钢板固定在相应的车体内地板测点位置。

本发明公开了一种有轨电车耦合动力学测试方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、在有轨电车车体内的被测试点设置三向加速度传感器，三向加速度传感器固定在被测试点，所述三向加速度传感器信号连接数据采集设备，所述数据采集设备信号连接测试结果分析设备；所述测试结果分析设备包括滤波器、模数转换器、计算器和判断器，所述滤波器用于将数据采集设备采集的到的加速度信号进行滤波处理，所述模数转换器用于将模拟信号转为数字信号并通过判断器进行判断，所述计算器用于计算不同测试点、不同车况以及不同路况下的加速度极限值，所述判断器用于判断加速度测试值与极限值之间的关系；步骤二、根据有轨电车类型、车辆载荷、运行速度、直线/曲线段分别将测试结果与对应的极限值进行比较，判断有轨电车运行的安全性、稳定性、平稳性和舒适性。

更进一步地，上述方法还包括判断有轨电车横向稳定性，具体为通过采用构架横向加速度来评价，当构架横向加速度经过0.5～10Hz的带通滤波、峰值有连续振动6次以上达到或超过极限值8m/s²时，判定转向架失稳。

更进一步地，评价平稳性的具体方法为：将转向架心盘中心上方左侧或右侧1000m处加速度传感器检测到的振动数据进行快速傅立叶FFT变换，并根据对20Hz以下频谱进行计算，得到测试值；当测试值小于2.5时，平稳性为优，当测试值介于2.5-2.75时，平稳性为良好，当测试值介于2.75-3.0，平稳性为合格，否则，平稳性为不合格；其中A_i为频谱分析后频率为f_i时的振动加速度幅值，F(f_i)为频率修正系数，计算出的W_i是某一频率下的平稳性指标，n是分信号所含频率成分的个数。

本发明还公开了一种对应于权利要求1所述的有轨电车的嵌入式轨道的耦合动力学测试装置，其具体包括用于测试嵌入式轨道的加速度传感器，所述嵌入式轨道包括嵌入式轨道轨头、高分子浇筑材料及轨道板，测试点布置包括：(1)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧轨头布置垂向和横向加速度传感器；(2)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的高分子浇筑材料顶部布置垂向和横向加速度传感器；(3)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的有轨道板表面中央处安装垂向和横向加速度传感器；分别用于测试钢轨振动加速度、高分子浇筑材料振动加速度、轨道板表面振动加速度，并将测试的结果发送给测试结果分析设备。

本发明还公开了一种对应于权利要求1所述的有轨电车的嵌入式轨道的耦合动力学测试方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、在下述的测试点进行如下的布置：(1)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧轨头布置垂向和横向加速度传感器；(2)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的高分子浇筑材料顶部布置垂向和横向加速度传感器；(3)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的有轨道板表面中央处安装垂向和横向加速度传感器；步骤二、将测试的结果发送给测试结果分析设备，所述测试结果分析设备判断加速度测试值与极限值之间的关系，从而评价嵌入式轨道的性能。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果是：本发明提出了一种有轨电车/嵌入式轨道耦合动力学测试方法，根据测试方法对有轨电车和嵌入式轨道结构的动力学特性进行测试，评价分析有轨电车和嵌入式轨道结构的动力学特性，从而快速判断出有轨电车及其嵌入式轨道的性能，方便用户的使用，其成本低，实现便捷，极大地满足了用户的需求，同时判断方式方便，便于用户使用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为有轨电车的结构示意图。

图2为有轨电车的振动测试点位置布置示意图。

图3为有轨电车的动车转向架的轴箱、构架测点示意图。

图4为有轨电车的拖车转向架的轴箱、构架测点示意图。

图5为频率修正系数表。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种有轨电车耦合动力学测试装置，其具体包括设置在有轨电车车体内被测试点的三向加速度传感器、数据采集设备以及测试结果分析设备，所述三向加速度传感器固定在被测试点，所述三向加速度传感器信号连接(可以通过数据线连接，也可以无线连接)数据采集设备，所述数据采集设备信号连接测试结果分析设备；所述测试结果分析设备包括滤波器、模数转换器、计算器和判断器，所述滤波器用于将数据采集设备采集的到的加速度信号进行滤波处理，所述模数转换器用于将模拟信号转为数字信号并通过判断器进行判断，所述计算器用于计算不同测试点、不同车况以及不同路况下的加速度极限值，所述判断器用于判断加速度测试值与极限值之间的关系，从而评价有轨电车的性能。通过在车体上的不同测试点安装三向加速度传感器，并将检测到的加速度与极限值进行比较，从而快速判断出有轨电车的耦合动力学特性，测试便捷，测试结果准确，成本低，极大地方便了测试用户的使用。

更进一步地，上述有轨电车车体内被测试点包括车体振动加速度测试点、构架振动加速度测试点以及轴箱振动加速度测试点。通过对车体振动、构架振动以及轴箱振动分别进行测试，从而得出有轨电车的耦合动力学特性。本发明的测试内容包括车体振动加速度，构架振动加速度，轴箱振动加速度。如下表1所示的车辆振动的测试内容。

测试点布置(一共8个测试点)

(1)车体振动加速度测试点加速度传感器布置

三向加速度传感器布置在被测试有轨电车的司机室座椅下方、转向架中心上方、转向架中心左右侧1000mm处的车体内地板上以及车体中央内地板上，车体振动加速度测试点共8个测点。

(2)构架振动加速度测试点加速度传感器布置

三向加速度传感器分别布置在被测试有轨电车和拖车轴箱上方构架处。

(3)轴箱振动加速度测试点加速度传感器布置

三向加速度传感器分别布置在被测试有轨电车和拖车转向架导向轮对上方轴箱位置。

更进一步地，上述三向加速度传感器通过AB胶粘贴在被测试点，其中为防止测试人员等外界因素对车体振动加速度测量的干扰，车体振动加速度传感器可粘贴在20cm×20cm的钢板上，并利用3M胶带将钢板固定在相应的车体内地板测点位置。

本发明还公开了一种有轨电车耦合动力学测试方法，其具体包括以下的步骤：

步骤一、在有轨电车车体内的被测试点设置三向加速度传感器，三向加速度传感器固定在被测试点，所述三向加速度传感器信号连接数据采集设备，所述数据采集设备信号连接测试结果分析设备；所述测试结果分析设备包括滤波器、模数转换器、计算器和判断器，所述滤波器用于将数据采集设备采集的到的加速度信号进行滤波处理，所述模数转换器用于将模拟信号转为数字信号并通过判断器进行判断，所述计算器用于计算不同测试点、不同车况以及不同路况下的加速度极限值，所述判断器用于判断加速度测试值与极限值之间的关系；

步骤二、根据有轨电车类型、车辆载荷、运行速度、直线/曲线段分别将测试结果与对应的极限值进行比较，判断有轨电车运行的安全性、稳定性、平稳性和舒适性。

通过上述方法快速测试出有轨电车的耦合动力学特性。测试便捷，测试结果准确，成本低，极大地方便了测试用户的使用。

(1)有轨电车运行稳定性

有轨电车横向稳定性可以通过采用构架横向加速度评价转向架的抗蛇形稳定性，根据当构架横向加速度经过0.5～10Hz的带通滤波、峰值有连续振动6次以上达到或超过极限值8m/s²时，判定转向架失稳。转向架是指能相对车体回转的一种装置,它承载了车体的全部重量,保证列车能顺利地通过弯道。转向架由轮对轴箱装置、弹簧悬挂装置、构架、基础制动装置、牵引装置和附属装置等组成。构架是转向架的重要组成部件，是转向架的基础，将转向架各零部件组成一个整体，承受、传递作用力及载荷，因此可以通过构架横向加速度判断转向架的抗蛇形稳定性。

(2)有轨电车运行安全性

鉴于试验所测数据均为振动加速度，根据规范UIC-518中提出的通过对车辆结构实测振动加速度信号进行简化处理的评判办法，对构架横向加速度、车体横向加速度和车体垂向加速度三项指标进行评判。具体极限值如式(1)-(7)所示。

①构架横向加速度极限值：(10Hz低通滤波)

参考不同的标准，可以选择不同的滤波频率，比如稳定性的0.5-10Hz带通滤波可以参考《200km/h及以上速度级电动车组动力学性能试验鉴定方法及评定标准》，而运行安全性可以参考的UIC-518

${\left({\stackrel{\·\·}{y}}_s^{+}\right)}_{\lim }=(12-\frac{M_b}{5})---\left(1\right)$

式中，M_b为转向架总质量(包括轮对及其他部件)，针对所测试的有轨电车，考虑动车和拖车转向架结构质量，确定构架横向加速度极限值。

动车： ${\left({\stackrel{\·\·}{y}}_s^{+}\right)}_{\lim }=10.65m/s^2---\left(2\right)$

拖车： ${\left({\stackrel{\·\·}{y}}_s^{+}\right)}_{\lim }=11.27m/s^2---\left(3\right)$

②车体横向加速度：(6Hz低通滤波)

直线段： ${\left({\stackrel{\·\·}{y}}_s^{+}\right)}_{\lim }=3m/s^2---\left(4\right)$

曲线段： ${\left({\stackrel{\·\·}{y}}_s^{+}\right)}_{\lim }=2.8m/s^2,(400m\≤R\≤600m)---\left(5\right)$

${\left({\stackrel{\·\·}{y}}_s^{+}\right)}_{\lim }=2.6m/s^2,(250m\≤R\≤400m)---\left(6\right)$

其中R是曲线半径。

在直线段测试的数据，直线段运行速度达到70km/h时，车体横向加速度基本上小于0.7m/s²,远小于限值3m/s²,因此，在小曲线半径上运行的车辆，车体横向振动加速度小于1m/s²时是安全的。

③车体垂向加速度：(0.4-4Hz带通滤波)

${\left({\stackrel{\·\·}{z}}_s^{+}\right)}_{\lim }=3m/s^2---\left(7\right)$

(3)有轨电车运行平稳性和舒适性

车辆平稳性和舒适性进行分析，主要包括车体横向和垂向振动加速度最大值、车体平稳性指标和舒适性指标三方面。

①振动加速度最大值

对车体振动加速度0.4—10Hz带通滤波处理后做统计分析，求取横向和垂向加速度最大值。具体极限值：

横向加速度最大值： ${\left({\stackrel{..}{y}}_q^{+}\right)}_{\lim }=2.5m/s^2---\left(8\right)$

垂向加速度最大值： ${\left({\stackrel{..}{z}}_q^{+}\right)}_{\lim }=2.5m/s^2---\left(9\right)$

②车体平稳性指标

车体平稳性指标主要从车体自身振动角度评价车体在运行过程中能够保持稳定状态。振动加速度测点位于转向架心盘中心上方左侧或右侧1000mm处。评价平稳性的具体方法为：将转向架心盘中心上方左侧或右侧1000m处加速度传感器检测到的振动数据进行快速傅立叶FFT变换，并根据公式(10)对20Hz以下频谱进行计算，得到测试值，当测试值小于2.5时，平稳性为优，当测试值介于2.5-2.75时，平稳性为良好，当测试值介于2.75-3.0，平稳性为合格，否则，平稳性为不合格。

$W=\sqrt[10]{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{W}_i^{10}}---\left(10\right)$

式中，A_i为频谱分析后频率为f_i时的振动加速度幅值。F(f_i)为频率修正系数(见下表)，计算出的W_i是某一频率下的平稳性指标，当同一振动方向同时存在两种以上的频率成分时，则按式(10)合成平稳性指标W，其中n是分信号所含频率成分的个数。

客车横向和垂向平稳性等级见下表

平稳性等级表

平稳性等级	评定	平稳性指标
			1级	优	<2.5
2级	良好	2.5～2.75
			3级	合格	2.75～3.0

③车辆舒适性指标。

车辆舒适性指标主要从人自身感受角度评判运行过程中车辆是否能够保持稳定状态。测点位置位于车辆转向架中心上方处，并通过每个测点三向振动加速度来计算舒适度，如式(11)所示。

$N=6\sqrt{{\left(a_{XP}\right)}^2+{\left(a_{YP}\right)}^2+{\left(a_{ZP}\right)}^2}---\left(11\right)$

式中，a_XP、a_YP、a_ZP分别为车体中央纵向、横向和垂向振动加速度。

车辆乘坐舒适性等级(N)分级如表3所示。

舒适性指标	评定结果	评定等级
			N<1	非常舒适	一级
1≤N<2	很舒适	二级
			2≤N<4	较舒适	三级
4≤N<5	不舒适	四级
			5≤N	非常不舒适	五级

本发明还公开了针对有轨电车的嵌入式轨道的耦合动力学测试装置及其测试方法。

一种嵌入式轨道的耦合动力学测试装置，其具体为加速度传感器布置在嵌入式轨道轨头、高分子浇筑材料及轨道板表面，测点位置如下。

(1)钢轨：在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧轨头布置垂向和横向加速度传感器；

(2)高分子浇筑材料：在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的高分子浇筑材料顶部布置垂向和横向加速度传感器；

(3)轨道板表面：在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的有轨道板表面中央处安装垂向和横向加速度传感器

测试内容包括钢轨振动加速度、高分子浇筑材料振动加速度、轨道板表面振动加速度，如表4所示。

表4轨道测试的测试内容

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种有轨电车耦合动力学测试装置，其特征在于具体包括设置在有轨电车车体内被测试点的三向加速度传感器、数据采集设备以及测试结果分析设备，所述三向加速度传感器固定在被测试点，所述三向加速度传感器信号连接数据采集设备，所述数据采集设备信号连接测试结果分析设备；所述测试结果分析设备包括滤波器、模数转换器、计算器和判断器，所述滤波器用于将数据采集设备采集的到的加速度信号进行滤波处理，所述模数转换器用于将模拟信号转为数字信号并通过判断器进行判断，所述计算器用于计算不同测试点、不同车况以及不同路况下的加速度极限值，所述判断器用于判断加速度测试值与极限值之间的关系，从而评价有轨电车的性能。

2.如权利要求1所述的有轨电车耦合动力学测试装置，其特征在于所述有轨电车车体内被测试点包括车体振动加速度测试点、构架振动加速度测试点以及轴箱振动加速度测试点。

3.如权利要求1所述的有轨电车耦合动力学测试装置，其特征在于所述三向加速度传感器通过AB胶粘贴在被测试点。

4.如权利要求3所述的有轨电车耦合动力学测试装置，其特征在于所述车体振动加速度传感器粘贴在20cm×20cm的钢板上，并利用3M胶带将钢板固定在相应的车体内地板测点位置。

5.一种有轨电车耦合动力学测试方法，其特征在于具体包括以下的步骤：步骤一、在有轨电车车体内的被测试点设置三向加速度传感器，三向加速度传感器固定在被测试点，所述三向加速度传感器信号连接数据采集设备，所述数据采集设备信号连接测试结果分析设备；所述测试结果分析设备包括滤波器、模数转换器、计算器和判断器，所述滤波器用于将数据采集设备采集的到的加速度信号进行滤波处理，所述模数转换器用于将模拟信号转为数字信号并通过判断器进行判断，所述计算器用于计算不同测试点、不同车况以及不同路况下的加速度极限值，所述判断器用于判断加速度测试值与极限值之间的关系；

步骤二、根据有轨电车类型、车辆载荷、运行速度、直线/曲线段分别将测试结果与对应的极限值进行比较，判断有轨电车运行的安全性、稳定性、平稳性和舒适性。

6.如权利要求5所述的有轨电车耦合动力学测试方法，其特征在于判断有轨电车横向稳定性具体为通过采用构架横向加速度来评价，当构架横向加速度经过0.5～10Hz的带通滤波、峰值有连续振动6次以上达到或超过极限值8m/s²时，判定转向架失稳。

7.如权利要求5所述的有轨电车耦合动力学测试方法，其特征在于评价平稳性的具体方法为：将转向架心盘中心上方左侧或右侧1000m处加速度传感器检测到的振动数据进行快速傅立叶FFT变换，并根据对20Hz以下频谱进行计算，得到测试值；当测试值小于2.5时，平稳性为优，当测试值介于2.5-2.75时，平稳性为良好，当测试值介于2.75-3.0，平稳性为合格，否则，平稳性为不合格；其中A_i为频谱分析后频率为f_i时的振动加速度幅值，F(f_i)为频率修正系数，计算出的W_i是某一频率下的平稳性指标，n是分信号所含频率成分的个数。

8.一种对应于权利要求1所述的有轨电车的嵌入式轨道的耦合动力学测试装置，其特征在于具体包括用于测试嵌入式轨道的加速度传感器，所述嵌入式轨道包括嵌入式轨道轨头、高分子浇筑材料及轨道板，测试点布置包括：(1)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧轨头布置垂向和横向加速度传感器；(2)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的高分子浇筑材料顶部布置垂向和横向加速度传感器；(3)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的有轨道板表面中央处安装垂向和横向加速度传感器；分别用于测试钢轨振动加速度、高分子浇筑材料振动加速度、轨道板表面振动加速度，并将测试的结果发送给测试结果分析设备。

9.一种对应于权利要求1所述的有轨电车的嵌入式轨道的耦合动力学测试方法，其特征在于具体包括以下的步骤：步骤一、在下述的测试点进行如下的布置：(1)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧轨头布置垂向和横向加速度传感器；(2)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的高分子浇筑材料顶部布置垂向和横向加速度传感器；(3)在直线轨道一侧和曲线轨道内外侧的有轨道板表面中央处安装垂向和横向加速度传感器；步骤二、将测试的结果发送给测试结果分析设备，所述测试结果分析设备判断加速度测试值与极限值之间的关系，从而评价嵌入式轨道的性能。