CN110274778A - 铁道车辆晃车测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的一种铁道车辆晃车测试方法及系统，涉及铁道车辆晃车测试技术领域，其包括：采集铁道车辆在线路上运行时的振动模拟信号，并转换为振动数字信号；对获得的振动数字信号进行低通滤波处理；对处理后的信号进行傅里叶变换得到频谱结果；计算晃车频段能量集中率U；计算铁道车辆的横向和垂向Sperling平稳性指标W；获取前三阶主频车体横向位移等效波形；根据能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度峰值及等效横向位移波形综合评价铁道车辆的晃动情况。本发明能够准确评估车辆低频晃动程度及对乘坐舒适度的影响；并能通过GPS信号准确定位车辆异常晃动区段，以便提出钢轨打磨等针对性的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及铁道车辆晃车测试技术领域，具体而言，涉及一种铁道车辆晃车测试方法及系统。
背景技术
铁道车辆晃车是一种线路激扰频率或转向架蛇形运动频率与车体悬挂频率接近时而引发的共振现象，是影响列车运行平稳性和乘坐舒适性的主要因素，广泛存在于动车组、机车和地铁车辆中，是需要给予重视并提出解决措施的动力学问题。
由于车体的悬挂频率通常比较低，因此晃车的频率通常集中在0～3Hz内，是一种低频动力学问题。
现有的平稳性测试仪只实时计算了列车运行的Sperling平稳性指标，而Sperling平稳性指标对5～6Hz的频率成分加权较大，而对0～3Hz频率的加权系数较小，因此难以准确评估低频晃车对乘坐舒适度的影响；同时，也无法判断列车是否发生晃车现象，从而提出针对性的解决方案；另外，目前针对车辆低频晃车还没有明确的评价标准；因此，有必要对车辆低频晃车的评价标准及测试方法展开深入研究。
发明内容
本发明实施例在于提供一种铁道车辆晃车测试方法及系统，其能够缓解上述问题。
为了缓解上述的问题；本发明实施例采取的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供的一种铁道车辆晃车测试方法，其特征在于，包括：
S1、采集铁道车辆在线路上运行时的振动模拟信号，并转换成振动数字信号；
S2、对获取到的振动数字信号进行低通滤波处理；
S3、对低通滤波处理后的信号进行傅里叶变换得到每一阶频率下对应的加速度幅值；
S4、计算晃车频段能量集中率U；
S5、计算铁道车辆的横向和垂向Sperling平稳性指标W；
S6、根据晃车频段的前三阶主频，分别提取每阶主频的横向加速度波形，并通过奇异值分解逆推得到横向位移波形，将这三阶主频的横向加速度波形以及横向位移波形叠加；
S7、综合评价铁道车辆晃车情况；
当U≥0.8时，判定铁道车辆可能存在低频晃车；
当U≥0.9时，判定铁道车辆发生了低频晃车；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值超过0.03g，且叠加后的横向位移波形的位移幅值超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度严重；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值超过0.03g或叠加后的横向位移波形的位移幅值超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度一般；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值不超过0.03g，且叠加后的横向位移波形的位移幅值不超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度轻微；
当W≤2.5时，判定铁道车辆的乘坐舒适度为优；
当2.5<W≤2.75时，判定铁道车辆的乘坐舒适度良好；
当2.75<W≤3.0时，判定铁道车辆的乘坐舒适度合格；
当3.0<W≤4.0时，判定铁道车辆的乘坐舒适度为不舒服；
当4.0<W≤5.0时，判定车辆的乘坐舒适度为极不舒服。
在本发明实施例中，通过采集分析铁道车辆的振动信号，获取能量集中率U、Sperling平稳性指标W、叠加后的横向加速度波形以及叠加后的横向位移波形，通过能量集中率U反映铁道车辆振动低频段的加速度幅值在整个振动过程中体现的程度，通过横向和垂向Sperling平稳性指标W反映铁道车辆各频率下横向加速度振动水平，通过叠加后的横向加速度波形和横向位移波形反映铁道车辆振动的幅度和偏离平衡位置的程度，根据综合评判结果，便于提出针对铁道车辆的解决方案。
可选地，振动数字信号在低通滤波处理过程中，采用40Hz巴特沃兹低通滤波器。
可选地，步骤S4中
式中，j为离散数据点，j＝1、2，……n；fj为信号的频率成分，aj为信号在频率fj下的幅值，fj和aj均在步骤S3获取。
可选地，步骤S5中
式中，f为振动频率单位为Hz，a为对应的横向振动加速度，单位为g，F(f)为频率修正系数，f和a均在步骤S3获取。
可选地，步骤S6中主频的选取采用Hankel-SVD方法得到信号的奇异值，选择奇异值差分谱最大峰值对应的坐标k作为关键奇异值的选择标准，该坐标对应奇异值的最大突变位置，信号中的最大突变点代表了信号和噪声的分解。
可选地，步骤S6中根据公式
得到测试点横向加速度和横向位移的关系为y为横向位移，a为横向振动加速度，A为横向位移信号幅值，ω为振动信号的角频率，θ为初始相位角，由此从分解出来的横向加速度波形中计算得到横向位移波形。
第二方面，本发明实施例提供了一种铁道车辆晃车测试系统，其包括：
信号采集模块，其包括加速度传感器和ADC，加速度传感器用于采集铁道车辆在线路上运行时的振动模拟信号，ADC用于将振动模拟信号转换成振动数字信号；
信号处理模块，用于接收信号采集模块采集到的振动数字信号，对振动数字信号进行处理，并获得晃车频段能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形和横向位移叠加波形，且以此综合评价铁道车辆的晃动情况；
电源模块，用于为信号处理模块提供电源；
终端显示模块，用于显示能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形、横向位移叠加波形以及铁道车辆的晃动评价结果；
存储模块，用于储存能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形、横向位移叠加波形以及铁道车辆的晃动评价结果。
在本发明实施例中，提供了一种铁道车辆晃车测试系统，通过将该系统安装在铁道车辆转向架上方，通过各功能模块之间的相互协作，以实现对铁道车辆晃车的测试。
可选地，该系统还包括GPS模块及天线接口，以结合信号处理模块实时测量列车运行速度及列车所处经纬度，并通过终端显示模块的信号判断每一区段是否发生晃车和发生晃车的程度。
在本发明实施例中，该系统便于判断晃车区段对应的车速及地理区间。
可选地，该系统还包括用于长期温度的与PC终端机通讯连接的RJ45接口、用于读取结果文件的USB接口。
可选地，所述存储模块为板载SD卡。
在本发明实施例中，板载SD卡用于存储原始测试数据及处理后的结果，测试完成后可取下SD卡导入到自己电脑上。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明所述铁道车辆晃车测试方法的流程图；
图2是本发明所述铁道车辆晃车测试系统的结构示意框图；
图3是本发明所述铁道车辆晃车测试系统在铁道车辆中的安装布局图；
图中：1-铁道车辆车体地板面，2-转向架，3-铁道车辆晃车测试系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
请参考图1，本发明实施例提供的一种铁道车辆晃车测试方法，其包括：
S1、采集铁道车辆在线路上运行时的振动模拟信号，并转换成振动数字信号；
S2、对获取到的振动数字信号进行低通滤波处理；
S3、对处理后的信号进行傅里叶变换得到频谱结果；
S4、计算晃车频段能量集中率U；
S5、计算铁道车辆的横向和垂向Sperling平稳性指标W；
S6、根据晃车频段的前三阶主频，分别提取每阶主频的横向加速度波形，并通过奇异值分解逆推得到横向位移波形，将这三阶主频的横向加速度波形以及横向位移波形叠加；
S7、综合评价铁道车辆晃车情况；
当U≥0.8时，判定铁道车辆可能存在低频晃车；
当U≥0.9时，判定铁道车辆发生了低频晃车；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值超过0.03g，且叠加后的横向位移波形的位移幅值超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度严重；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值超过0.03g或叠加后的横向位移波形的位移幅值超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度一般；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值不超过0.03g，且叠加后的横向位移波形的位移幅值不超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度轻微；
当W≤2.5时，判定铁道车辆的乘坐舒适度为优；
当2.5<W≤2.75时，判定铁道车辆的乘坐舒适度良好；
当2.75<W≤3.0时，判定铁道车辆的乘坐舒适度合格；
当3.0<W≤4.0时，判定铁道车辆的乘坐舒适度为不舒服；
当4.0<W≤5.0时，判定车辆的乘坐舒适度为极不舒服。
在本发明实施例中，采用多指标评价标准对车辆运行平稳性、乘坐舒适度和晃车水平等进行综合评判。该评价体系可同时涉及到：能量集中率、Sperling平稳性指标、舒适度指标、晃车评价指标等，具体评判根据GB5599-85执行，进而根据能量集中率U评判低频成分的占比，基于此对车辆的晃动情况进行综合评价。
借鉴《高速动车组整车试验规范》中的稳定性评价标准，当构架横向加速度10Hz低通滤波后，峰值有连续6次以上达到或超过限制8～10m/s2时，判定转向架横向失稳；在本发明实施例中，以车体地板面测点横向加速度峰值连续6次以上达到或超过某一限制作为判断车辆晃车的主要指标。
在本发明实施例中，可结合已有的晃车试验数据和仿真计算结果，对车辆不同晃车等级下对应的横向加速度限制和横向位移限值制定标准，同时，位移限值需兼顾车辆限界标准。
实施例2
针对实施例1的步骤S2，振动数字信号在低通滤波处理过程中，采用40Hz巴特沃兹低通滤波器。
实施例3
由于晃车频率集中在0～3Hz，因此该频率范围内振动能量的占比将从一定程度上反映车体的低频振动是否突出，针对实施例1的步骤S4，其能量集中率U的计算公式如下
式中，fj为信号的频率成分，aj为信号在频率fj下的幅值，fj和aj均在步骤S3获取。
实施例4
Sperling平稳性指标作为经典的列车运行平稳性评价指标，可以很好的反映列车在整个频段内的平稳性情况；因此，晃车评价体系中需要考虑到车体振动的Sperling平稳性指标，来反映车体的整体振动性能。针对实施例1的步骤S5，其Sperling平稳性指标W计算公式如下
式中，f为振动频率，a为对应的横向振动加速度，F(f)为频率修正系数，f和a均在步骤S3获取。
实施例5
针对实施例1中的步骤S6，主频的选取采用Hankel-SVD方法得到信号的奇异值，选择奇异值差分谱最大峰值对应的坐标k作为关键奇异值的选择标准，该坐标对应奇异值的最大突变位置，信号中的最大突变点代表了信号和噪声的分解。
在本发明实施例中，考虑到车辆发生晃车时振动主频突出这一特点，直接对横向加速度峰值进行判断无法准确反映主频的信息；因此，需要对低频范围内的振动信号进行时域分离。通过对振动数据构造Hankel矩阵，借助奇异值分解理论得到各阶主频下的时域波形，该波形即包含了幅值信息也保留了相位信息，可以很好的反映车体的真实运动状态。
在本发明实施例中，为了凸显主频的波形成分，并一定程度上减少计算时间，选择奇异值差分谱中最大峰值对应的坐标k作为关键奇异值的选择标准，该坐标对应奇异值的最大突变位置，信号中的最大突变点代表了信号和噪声的分解。
实施例6
针对实施例1中的步骤S6，关于横向加速度和横向位移，可根据公式
得到测试点横向加速度和横向位移的关系为y为横向位移，a为横向振动加速度，A为横向位移信号幅值，ω为振动信号的角频率，θ为初始相位角，由此从分解出来的横向加速度波形中计算得到横向位移波形。
实施例7
请参考图2，本发明实施例提供了一种铁道车辆晃车测试系统，其包括：
信号采集模块，其包括加速度传感器和ADC，加速度传感器用于采集铁道车辆在线路上运行时的振动模拟信号，ADC用于将振动模拟信号转换成振动数字信号；
信号处理模块，用于接收信号采集模块采集到的振动数字信号，对振动数字信号进行处理，并获得晃车频段能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形和横向位移叠加波形，且以此综合评价铁道车辆的晃动情况；
电源模块，用于为信号处理模块提供电源；
终端显示模块，用于显示能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形、横向位移叠加波形以及铁道车辆的晃动评价结果；
存储模块，用于储存能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形、横向位移叠加波形以及铁道车辆的晃动评价结果。
在本实施例中，请参考图3，铁道车辆晃车测试系统3放置于转向架2中心上方，铁道车辆车体地板面1右侧1m处。根据加速度传感器测试方向与轨道坐标系一一对应的原则调整设备的安放角度，该系统可以按相同的方式布置于车体其他位置，各系统通过信号同步采集，数据实时传输来判断车体的晃车状况以及车体发生晃车时的姿态。
在本实施例中，加速度传感器可借助螺钉固定在测试仪底板上，并将其测试方向标注在测试系统外壳上便于与轨道坐标系核对。
在本实施例中，加速度传感器选用压电式三向振动加速度传感器，可以采集铁道车辆车体地板面1纵向、横向和垂向三个方向的振动加速度，加速度传感器的频响范围为DC～2000Hz，量程为±2g，输出电压信号为0～5V；ADC的基本要求最好满足高速且低噪声；信号处理模块选用ARM处理器及其附属电路，具备体积小、功耗低、成本低、性能高的优势，大量使用寄存器，指令执行速度快，大多数数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，执行效率高；电源模块的电池为高性能锂电池，可持续使用5小时以上，另外，预留电池槽，可使用干电池续航。
实施例8
针对实施例7的系统，该系统还包括GPS模块及天线接口，可结合信号处理模块实时采集列车运行速度及列车所处经纬度，从而方便定位列车晃车区段及对应的行车速度。
在本发明实施例中，该系统便于判断晃车区段对应的车速及地理区间。
实施例9
针对实施例7的系统，该系统还包括用于长期温度的与PC终端机通讯连接的RJ45接口、用于读取结果文件的USB接口。
实施例10
针对实施例7的存储模块，存储模块为板载SD卡。
在本发明实施例中，板载SD卡用于存储原始测试数据及处理后的结果，测试完成后可取下SD卡导入到自己电脑上。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铁道车辆晃车测试方法，其特征在于，包括：
S1、采集铁道车辆在线路上运行时的振动模拟信号，并转换成振动数字信号；
S2、对获取到的振动数字信号进行低通滤波处理；
S3、对低通滤波处理后的信号进行傅里叶变换得到每一阶频率下对应的加速度幅值；
S4、计算晃车频段能量集中率U；
S5、计算铁道车辆的横向和垂向Sperling平稳性指标W；
S6、根据晃车频段的前三阶主频，分别提取每阶主频的横向加速度波形，并通过奇异值分解逆推得到横向位移波形，将这三阶主频的横向加速度波形以及横向位移波形叠加；
S7、综合评价铁道车辆晃车情况；
当U≥0.8时，判定铁道车辆可能存在低频晃车；
当U≥0.9时，判定铁道车辆发生了低频晃车；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值超过0.03g，且叠加后的横向位移波形的位移幅值超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度严重；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值超过0.03g或叠加后的横向位移波形的位移幅值超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度一般；
当叠加后的横向加速度波形的加速度幅值不超过0.03g，且叠加后的横向位移波形的位移幅值不超过5mm，则判定铁道车辆晃车程度轻微；
当W≤2.5时，判定铁道车辆的乘坐舒适度为优；
当2.5<W≤2.75时，判定铁道车辆的乘坐舒适度良好；
当2.75<W≤3.0时，判定铁道车辆的乘坐舒适度合格；
当3.0<W≤4.0时，判定铁道车辆的乘坐舒适度为不舒服；
当4.0<W≤5.0时，判定车辆的乘坐舒适度为极不舒服。
2.根据权利要求1所述的铁道车辆晃车测试方法，其特征在于，振动数字信号在低通滤波处理过程中，采用40Hz巴特沃兹低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的铁道车辆晃车测试方法，其特征在于，步骤S4中
式中，j为离散数据点，j＝1、2，……n；fj为信号的频率成分，aj为信号在频率fj下的幅值，fj和aj均在步骤S3获取。
4.根据权利要求1所述的铁道车辆晃车测试方法，其特征在于，步骤S5中
式中，f为振动频率单位为Hz，a为对应的横向振动加速度，单位为g，F(f)为频率修正系数，f和a均在步骤S3获取。
5.根据权利要求1所述的铁道车辆晃车测试方法，其特征在于，步骤S6中主频的选取采用Hankel-SVD方法得到信号的奇异值，选择奇异值差分谱最大峰值对应的坐标k作为关键奇异值的选择标准，该坐标对应奇异值的最大突变位置，信号中的最大突变点代表了信号和噪声的分解。
6.根据权利要求1所述的铁道车辆晃车测试方法，其特征在于，步骤S6中根据公式
得到测试点横向加速度和横向位移的关系为y为横向位移，a为横向振动加速度，A为横向位移信号幅值，ω为振动信号的角频率，θ为初始相位角，由此从分解出来的横向加速度波形中计算得到横向位移波形。
7.一种铁道车辆晃车测试系统，其特征在于，包括：
信号采集模块，其包括加速度传感器和ADC，加速度传感器用于采集铁道车辆在线路上运行时的振动模拟信号，ADC用于将振动模拟信号转换成振动数字信号；
信号处理模块，用于接收信号采集模块采集到的振动数字信号，对振动数字信号进行处理，并获得晃车频段能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形和横向位移叠加波形，且以此综合评价铁道车辆的晃动情况；
电源模块，用于为信号处理模块提供电源；
终端显示模块，用于显示能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形、横向位移叠加波形以及铁道车辆的晃动评价结果；
存储模块，用于储存能量集中率U、Sperling平稳性指标W、横向加速度叠加波形、横向位移叠加波形以及铁道车辆的晃动评价结果。
8.根据权利要求7所述的铁道车辆晃车测试系统，其特征在于，该系统还包括GPS模块及天线接口，以结合信号处理模块实时测量列车运行速度及列车所处经纬度，并通过终端显示模块的信号判断每一区段是否发生晃车和发生晃车的程度。
9.根据权利要求7所述的铁道车辆晃车测试系统，其特征在于，该系统还包括用于长期稳定的与PC终端机通讯连接的RJ45接口、用于读取结果文件的USB接口。
10.根据权利要求7所述的铁道车辆晃车测试系统，其特征在于，所述存储模块为板载SD卡。
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