CN111122186A - 一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统及方法 - Google Patents

一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统及方法 Download PDF

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CN111122186A CN202010025370.6A CN202010025370A CN111122186A CN 111122186 A CN111122186 A CN 111122186A CN 202010025370 A CN202010025370 A CN 202010025370A CN 111122186 A CN111122186 A CN 111122186A
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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统及方法，包括车上设备、车下设备和用户端；车上设备分别与车下设备和用户端通信连接。本发明的系统所需布置的传感器测点少，设备硬件组成简单，体积小且便于携带。本系统还可以将实时情况反馈给用户，进而指导用户设计和检修时有所侧重。本发明的方法采用功率谱密度作为计算输入，计算速度快，可较大降低车下设备采集的周期。同时，该方法提供的车体疲劳薄弱处可以对车体结构设计提供重要依据，进而指导工人进行检修时对车体检修区域有所侧重；该方法提供的敏感频率可以指导车辆悬挂系统的设计；车体的疲劳损伤值的实时变化也是工人进行线路检修和车体检修周期调整的指导依据之一。

Description

一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统及方法
技术领域
本发明属于轨道车辆技术领域，具体涉及一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统及方法。
背景技术
随着轨道车辆的迅速发展，车辆的运营环境复杂多变，车辆结构的可靠性变得尤为重要。车体作为轨道车辆结构中的重要组成部分，其可靠性关系着运营的安全性。
车体的疲劳破坏可以分为静疲劳破坏和振动疲劳破坏。静疲劳破坏在轨道车辆车体中一般很少发生，这是由于结构在设计阶段已采用相关标准或仿真手段进行静疲劳强度评估，确保结构满足设计寿命。但振动疲劳与静疲劳完全不同，振动疲劳要复杂的多。当载荷频率范围与车体的某一阶固有频率一致或比较接近时，会激发车体模态共振，从而加剧车体振动疲劳问题。在实际运行中，轨道车辆车体在某些工况下已经出现了共振现象，甚至某些车体的局部已经产生疲劳破坏。因此，对车体振动疲劳的监测尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决监测车体振动疲劳的问题，提出了一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统及方法。
本发明的技术方案是：一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统，包括车上设备、车下设备和用户端；车上设备分别与车下设备和用户端通信连接。
本发明的有益效果是：本发明的系统所需布置的传感器测点少，设备硬件组成简单，体积小，具有较好的经济性，且便于携带。本系统还可以将实时情况反馈给用户，进而指导用户设计和检修时有所侧重。
进一步地，车上设备包括第一通信子设备、第二通信子设备和第三通信子设备；车下设备包括第一车下子设备、第二车下子设备和第三车下子设备；第一通信子设备和第一车下子设备通信连接；第二通信子设备和第二车下子设备通信连接；第三通信子设备和第三车下子设备通信连接；第一通信子设备、第二通信子设备和第三通信子设备均与用户端通信连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，车上设备提供无线传输的方式，接收来自车下设备发送的三向振动加速度时域数据，传输方式稳定且快捷。
进一步地，第一车下子设备固定设置于车辆车体的1位端1位侧空簧处；第二车下子设备固定设置于车辆车体的2位端2位侧空簧处；第三车下子设备固定设置于车辆车体的牵引梁处。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，车下设备固定在3处，可以全面地采集车体主要激励点处的振动加速度，进而充分考虑车体所受激励情况，以便于及时发现振动疲劳的情况。
进一步地，第一通信子设备、第二通信子设备和第三通信子设备的结构一致，均包括接地电容C1、接地电容C2、接地电容C4-C6、接地电容C16-C17、电阻R111、指示灯D1、稳压芯片U1和型号为MPU-3050的主控芯片U4；芯片U1的I引脚分别与接地电容C1和芯片U1的en引脚连接，其连接点作为芯片U1的VCC_IN引脚；芯片U1的O引脚分别与接地电容C2、接地电容C4、接地电容C5和接地电容C6连接，其连接点作为芯片U1的VCC_3.3V引脚；指示灯D1的正极和电阻R111的一端连接，其负极接地；电阻R111的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；芯片U4的CLKIN引脚、AD0引脚、FSYNC引脚和GND引脚均接地；芯片U4的VLOGIC引脚分别与接地电容C17和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；芯片U4的REGOUT引脚和接地电容C16连接；芯片U4的CPOUT引脚和接地电容C18连接；芯片U4的VDD引脚和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，车上的通信设备可以对接收的数据进行相应的处理，并将处理数据通过串行通信的方式发送至用户端。
进一步地，第一车下子设备、第二车下子设备和第三车下子设备的结构一致，均包括电阻R1-R2、电阻R7-R8、电容C15、接地电容C19、端口P1-P2、N型MOS管Q1-Q2、型号为ADXL234B的加速度芯片U2和型号为HMC5883L的驱动芯片U3；芯片U2的VDD_IO引脚、VS引脚和CS引脚均与芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；芯片U2的GND引脚和ADDR引脚均接地；芯片U2的SCL引脚和芯片U4的SCL引脚连接；芯片U2的SDA引脚和芯片U4的SDA引脚连接；芯片U2的INT1引脚和端口P2的第2引脚连接；芯片U3的VDD_IO引脚、S1引脚和VDD引脚均与芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；芯片U3的SCL引脚和芯片U4的SCL引脚连接；芯片U3的SDA引脚和芯片U4的SDA引脚连接；芯片U3的SETP引脚和电容C15的一端连接，其SETC引脚和电容C15的另一端连接；芯片U3的GND引脚接地；芯片U3的C1引脚和接地电容C19连接；端口P1的第1引脚和芯片U1的VCC_IN引脚连接；端口P1的第2引脚和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；端口P1的第3引脚接地；端口P1的第4引脚分别与电阻R1的一端和MOS管Q1的漏极连接；端口P1的第5引脚分别与电阻R2的一端和MOS管Q2的漏极连接；端口P2的第1引脚和芯片U3的DRDY引脚连接；端口P2的第3引脚和芯片U4的INT引脚连接；电阻R1的另一端和芯片U1的VCC_IN引脚连接；MOS管Q1的源极分别与电阻R7的一端和芯片U4的SCL引脚连接，其栅极分别与电阻R7的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；MOS管Q2的源极分别与电阻R8的一端和芯片U4的SDA引脚连接，其栅极分别与电阻R8的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，车下设备可以采集三向振动加速度时域的数据并传递给车上的通信设备，且采集数据准确，精度高。
基本上述系统，本发明还提供了一种轨道车辆车体振动疲劳监测方法，包括如下步骤：
S1：采用第一车下子设备采集车辆1位端1位侧空簧处的纵向振动加速度f1x(t)、横向振动加速度f1y(t)和垂向振动加速度f1z(t)；采用第二车下子设备采集车辆2位端2位侧空簧处的纵向振动加速度f2x(t)、横向振动加速度f2y(t)和垂向振动加速度f2z(t)；采用第三车下子设备采集车辆牵引梁处的纵向振动加速度f3x(t)、横向振动加速度f3y(t)和垂向振动加速度f3z(t)；
S2：对1位端1位侧空簧处和2位端2位侧空簧处的振动加速度进行简化计算，得到平均空簧处的纵向振动加速度f4x(t)、横向振动加速度f4y(t)和垂向振动加速度f4z(t)，其简化计算公式为：
Figure BDA0002362237930000041
Figure BDA0002362237930000042
Figure BDA0002362237930000043
其中，f1x(t)、f1y(t)和f1z(t)分别为1位端1位侧空簧处的纵向振动加速度、横向振动加速度和垂向振动加速度；f2x(t)、f2y(t)和f2z(t)分别为2位端2位侧空簧处的纵向振动加速度、横向振动加速度和垂向振动加速度。
S3：利用傅里叶变换，将牵引梁处的纵向振动加速度f3x(t)、横向振动加速度f3y(t)和垂向振动加速度f3z(t)分别转换为牵引梁处的纵向加速度功率谱密度G3x(f)、横向加速度功率谱密度G3y(f)和垂向加速度功率谱密度G3z(f)；并将平均空簧处的纵向振动加速度f4x(t)、横向振动加速度f4y(t)和垂向振动加速度f4z(t)分别转换为平均空簧处的纵向加速度功率谱密度G4x(f)、横向加速度功率谱密度G4y(f)和垂向加速度功率谱密度G4z(f)；
S4：利用车体有限元模型，以G3x(f)、G3y(f)、G3z(f)、G4x(f)、G4y(f)和G4z(f)作为随机振动分析输入，采用模态叠加法进行随机振动分析，得到车体的1σ应力值和1σ应力云图；
S5：根据车体的1σ应力云图判断1σ应力值最大的位置，得到车体疲劳薄弱处；
S6：根据车体的1σ应力云图，提取车体疲劳薄弱处，得到1σ应力值最大点处的加速度PSD响应谱和应力PSD响应谱；
S7：基于车体疲劳薄弱处的1σ应力值，根据基于高斯分布和Miner线性疲劳损伤定律的三区间法，结合车体材料的S-N曲线，得到车体的损伤值D，完成轨道车辆车体疲劳的实时监测；
S8：根据Miner线性疲劳损伤定律，若D>D1则判定发生疲劳损坏，若D≤D1则判定未发生疲劳损坏，完成轨道车辆车体的检修周期调整。
本发明的有益效果是：在本发明中，该方法采用功率谱密度作为计算输入，计算速度快，可较大降低车下设备采集的周期，更真实的反映出车体的实时疲劳损伤。同时，该方法提供的车体疲劳薄弱处可以对车体结构设计提供重要依据，进而指导工人进行检修时对车体检修区域有所侧重；车体的疲劳损伤值是工人进行线路检修的指导依据之一。
进一步地，步骤S1中，采集振动加速度的周期为2分钟。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，采用2分钟作为短周期，进而更详细的反映车体的实时疲劳损伤。
进一步地，加速度PSD响应谱和应力PSD响应谱的覆盖频率为0-50Hz。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，0-50Hz的频率区域基本覆盖车体的前几十阶模态，无需考虑更高阶的数据。
进一步地，步骤S7包括以下子步骤：
S71：根据Miner线性疲劳损伤定律，将所有应力分为三个区间，分别为1σ、2σ和3σ，并计算车体的平均频率va +，其计算公式为：
Figure BDA0002362237930000061
其中，
Figure BDA0002362237930000062
n＝(0，2)，f为车体的频率，G(f)＝[G3x(f),G3y(f),G3z(f),G4x(f),G4y(f),G4z(f)]；
S72：根据车体的平均频率va +计算车体的损伤值D，其计算公式为：
Figure BDA0002362237930000063
其中，T为时间，va +为车体的平均频率，N1σ为根据S-N曲线查到的1σ应力水平对应的循环次数，N2σ为根据S-N曲线查到的2σ应力水平对应的循环次数，N3σ为根据S-N曲线查到的3σ应力水平对应的循环次数。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，车体的损伤值D可用于判定车体是否发生损伤，可依据车体的损伤值D对车体检修周期进行有效合理的适应性调整。
进一步地，步骤S8中，D1的取值为1。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，D1的取值可根据实际情况和经验而定，一般情况下取值为1，便于工人根据实际情况进行取值调整，使该方法具有更好的实用性。
附图说明
图1为轨道车辆车体振动疲劳监测系统的结构图；
图2为通信子设备的电路图；
图3为车下子设备的电路图；
图4为轨道车辆车体振动疲劳监测方法的流程图；
图5为步骤S7的流程图；
图中，1、车上设备；2、车体底板；3、用户端；4、第一通信子设备；5、第二通信子设备；6、第三通信子设备；7、第一车下子设备；8、第二车下子设备；9、第三车下子设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统，包括车上设备1、车下设备2和用户端3；车上设备1分别与车下设备2和用户端3通信连接。
在本发明实施例中，如图1所示，车上设备1包括第一通信子设备4、第二通信子设备5和第三通信子设备6；车下设备2包括第一车下子设备7、第二车下子设备8和第三车下子设备9；第一通信子设备4和第一车下子设备7通信连接；第二通信子设备5和第二车下子设备8通信连接；第三通信子设备6和第三车下子设备9通信连接；第一通信子设备4、第二通信子设备5和第三通信子设备6均与用户端3通信连接。在本发明中，车上设备提供无线传输的方式，接收来自车下设备发送的三向振动加速度时域数据，传输方式稳定且快捷。
在本发明实施例中，如图1所示，第一车下子设备7固定设置于车辆车体的1位端1位侧空簧处；第二车下子设备8固定设置于车辆车体的2位端2位侧空簧处；第三车下子设备9固定设置于车辆车体的牵引梁处。在本发明中，车下设备固定在3处，可以全面地采集车体主要激励点处的振动加速度，进而充分考虑车体所受激励情况，以便于及时发现振动疲劳的情况。
在本发明实施例中，如图2所示，第一通信子设备4、第二通信子设备5和第三通信子设备6的结构一致，均包括接地电容C1、接地电容C2、接地电容C4-C6、接地电容C16-C17、电阻R111、指示灯D1、稳压芯片U1和型号为MPU-3050的主控芯片U4；芯片U1的I引脚分别与接地电容C1和芯片U1的en引脚连接，其连接点作为芯片U1的VCC_IN引脚；芯片U1的O引脚分别与接地电容C2、接地电容C4、接地电容C5和接地电容C6连接，其连接点作为芯片U1的VCC_3.3V引脚；指示灯D1的正极和电阻R111的一端连接，其负极接地；电阻R111的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；芯片U4的CLKIN引脚、AD0引脚、FSYNC引脚和GND引脚均接地；芯片U4的VLOGIC引脚分别与接地电容C17和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；芯片U4的REGOUT引脚和接地电容C16连接；芯片U4的CPOUT引脚和接地电容C18连接；芯片U4的VDD引脚和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接。在本发明中，车上的通信设备可以对接收的数据进行相应的处理，并将处理数据通过串行通信的方式发送至用户端。
在本发明实施例中，如图3所示，第一车下子设备7、第二车下子设备8和第三车下子设备9的结构一致，均包括电阻R1-R2、电阻R7-R8、电容C15、接地电容C19、端口P1-P2、N型MOS管Q1-Q2、型号为ADXL234B的加速度芯片U2和型号为HMC5883L的驱动芯片U3；芯片U2的VDD_IO引脚、VS引脚和CS引脚均与芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；芯片U2的GND引脚和ADDR引脚均接地；芯片U2的SCL引脚和芯片U4的SCL引脚连接；芯片U2的SDA引脚和芯片U4的SDA引脚连接；芯片U2的INT1引脚和端口P2的第2引脚连接；芯片U3的VDD_IO引脚、S1引脚和VDD引脚均与芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；芯片U3的SCL引脚和芯片U4的SCL引脚连接；芯片U3的SDA引脚和芯片U4的SDA引脚连接；芯片U3的SETP引脚和电容C15的一端连接，其SETC引脚和电容C15的另一端连接；芯片U3的GND引脚接地；芯片U3的C1引脚和接地电容C19连接；端口P1的第1引脚和芯片U1的VCC_IN引脚连接；端口P1的第2引脚和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；端口P1的第3引脚接地；端口P1的第4引脚分别与电阻R1的一端和MOS管Q1的漏极连接；端口P1的第5引脚分别与电阻R2的一端和MOS管Q2的漏极连接；端口P2的第1引脚和芯片U3的DRDY引脚连接；端口P2的第3引脚和芯片U4的INT引脚连接；电阻R1的另一端和芯片U1的VCC_IN引脚连接；MOS管Q1的源极分别与电阻R7的一端和芯片U4的SCL引脚连接，其栅极分别与电阻R7的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；MOS管Q2的源极分别与电阻R8的一端和芯片U4的SDA引脚连接，其栅极分别与电阻R8的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接。在本发明中，车下设备可以采集三向振动加速度时域的数据并传递给车上的通信设备，且采集数据准确，精度高。
基本上述系统，本发明还提供了一种轨道车辆车体振动疲劳监测方法，其实现方法如图4所示，包括以下步骤：
S1：采用第一车下子设备采集车辆1位端1位侧空簧处的纵向振动加速度f1x(t)、横向振动加速度f1y(t)和垂向振动加速度f1z(t)；采用第二车下子设备采集车辆2位端2位侧空簧处的纵向振动加速度f2x(t)、横向振动加速度f2y(t)和垂向振动加速度f2z(t)；采用第三车下子设备采集车辆牵引梁处的纵向振动加速度f3x(t)、横向振动加速度f3y(t)和垂向振动加速度f3z(t)；
S2：对1位端1位侧空簧处和2位端2位侧空簧处的振动加速度进行简化计算，得到平均空簧处的纵向振动加速度f4x(t)、横向振动加速度f4y(t)和垂向振动加速度f4z(t)，其简化计算公式为：
Figure BDA0002362237930000101
Figure BDA0002362237930000102
Figure BDA0002362237930000103
其中，f1x(t)、f1y(t)和f1z(t)分别为1位端1位侧空簧处的纵向振动加速度、横向振动加速度和垂向振动加速度；f2x(t)、f2y(t)和f2z(t)分别为2位端2位侧空簧处的纵向振动加速度、横向振动加速度和垂向振动加速度。
S3：利用傅里叶变换，将牵引梁处的纵向振动加速度f3x(t)、横向振动加速度f3y(t)和垂向振动加速度f3z(t)分别转换为牵引梁处的纵向加速度功率谱密度G3x(f)、横向加速度功率谱密度G3y(f)和垂向加速度功率谱密度G3z(f)；并将平均空簧处的纵向振动加速度f4x(t)、横向振动加速度f4y(t)和垂向振动加速度f4z(t)分别转换为平均空簧处的纵向加速度功率谱密度G4x(f)、横向加速度功率谱密度G4y(f)和垂向加速度功率谱密度G4z(f)；
S4：利用车体有限元模型，以G3x(f)、G3y(f)、G3z(f)、G4x(f)、G4y(f)和G4z(f)作为随机振动分析输入，采用模态叠加法进行随机振动分析，得到车体的1σ应力值和1σ应力云图；
S5：根据车体的1σ应力云图判断1σ应力值最大的位置，得到车体疲劳薄弱处；
S6：根据车体的1σ应力云图，提取车体疲劳薄弱处，得到1σ应力值最大点处的加速度PSD响应谱和应力PSD响应谱；
S7：基于车体疲劳薄弱处的1σ应力值，根据基于高斯分布和Miner线性疲劳损伤定律的三区间法，结合车体材料的S-N曲线，得到车体的损伤值D，完成轨道车辆车体疲劳的实时监测；
S8：根据Miner线性疲劳损伤定律，若D>D1则判定发生疲劳损坏，若D≤D1则判定未发生疲劳损坏，完成轨道车辆车体的检修周期调整。
在本发明实施例中，如图4所示，步骤S1中，采集振动加速度的周期为2分钟。在本发明中，采用2分钟作为短周期，进而更详细的反映车体的实时疲劳损伤。
在本发明实施例中，如图4所示，加速度PSD响应谱和应力PSD响应谱的覆盖频率为0-50Hz。在本发明中，0-50Hz的频率区域基本覆盖车体的前几十阶模态，无需考虑更高阶的数据。
在本发明实施例中，如图5所示，步骤S7包括以下子步骤：
S71：根据Miner线性疲劳损伤定律，将所有应力分为三个区间，分别为1σ、2σ和3σ，并计算车体的平均频率va +，其计算公式为：
Figure BDA0002362237930000111
其中，
Figure BDA0002362237930000112
n＝(0，2)，f为车体的频率，G(f)＝[G3x(f),G3y(f),G3z(f),G4x(f),G4y(f),G4z(f)]；
S72：根据车体的平均频率va +计算车体的损伤值D，其计算公式为：
Figure BDA0002362237930000113
其中，T为时间，va +为车体的平均频率，N1σ为根据S-N曲线查到的1σ应力水平对应的循环次数，N2σ为根据S-N曲线查到的2σ应力水平对应的循环次数，N3σ为根据S-N曲线查到的3σ应力水平对应的循环次数。
在本发明中，车体的损伤值D可用于判定车体是否发生损伤，可依据车体的损伤值D对车体检修周期进行有效合理的适应性调整。
在本发明实施例中，如图4所示，步骤S8中，步骤S8中，D1的取值为1。在本发明中，D1的取值可根据实际情况和经验而定，一般情况下取值为1，便于工人根据实际情况进行取值调整，使该方法具有更好的实用性。
本发明的工作原理及过程为：在本发明中，车下设备2的第一车下子设备7、第二车下子设备8和第三车下子设备9每采集一个周期为2分钟的三向振动加速度时域数据，便发送给车上设备1的第一通信子设备4、第二通信子设备5和第三通信子设备6。并且，第一车下子设备7设置于车体的1位空簧处，第二车下子设备8设置于车体的4位空簧处，第三车下子设备9设置于车体的牵引梁处。由于1位空簧处和4位空簧处的时域信号相差不大，为了简化计算，将其时域数据进行平均处理。
基于高斯分布和Miner疲劳线性损伤定律的三区间法是计算车体疲劳较为有效的方法。由于使用功率谱密度作为计算的输入，计算速度具有较大的优势，因此对三向加速度时域数据采用傅里叶变换，将其转换为加速度功率谱密度函数作为输入。利用车体有限元模型，采用模态叠加法进行随机振动分析，得到车体的1σ应力值和1σ应力云图，并根据1σ应力值最大的位置提取车体疲劳薄弱处，得到1σ应力值最大点处的加速度PSD响应谱和应力PSD响应谱。从车体疲劳薄弱处获得的PSD响应谱可以从中得到敏感频率，可用于指导悬挂系统设计。在车辆悬挂系统设计中，可以通过对悬挂参数的设计，改变传递到车体的振动，从而避开车体的敏感频率。疲劳薄弱位置可以对车体的结构设计、车体检修时的侧重区域提供重要依据。在车体结构设计中，可以通过对疲劳薄弱处结构的优化，提高其强度；在车体检修中，疲劳薄弱处需作为检修中重点关注的区域。
基于车体疲劳薄弱处的1σ应力值，根据基于高斯分布和Miner线性疲劳损伤定律的三区间法，结合车体材料的S-N曲线，得到车体的损伤值D，完成轨道车辆车体疲劳的实时监测。车体的疲劳损伤值的实时变化是工人进行线路检修的指导依据之一。当某一运行区间内的疲劳损伤值增长幅度较大，则要引起检修人员对该运行区间的重视。最后根据Miner线性疲劳损伤定律，判断车体是否发生疲劳损坏，完成轨道车辆车体的检修周期调整。
本发明的有益效果为：本发明的系统所需布置的传感器测点少，设备硬件组成简单，体积小，具有较好的经济性，且便于携带。本系统还可以将实时情况反馈给用户，进而指导用户设计和检修时有所侧重。
本发明的方法采用功率谱密度作为计算输入，计算速度快，可较大降低车下设备采集的周期，更真实的反映出车体的实时疲劳损伤。同时，该方法提供的车体疲劳薄弱处可以对车体结构设计提供重要依据，进而指导工人进行检修时对车体检修区域有所侧重；该方法提供的敏感频率可以指导车辆悬挂系统的设计；车体的疲劳损伤值的实时变化也是工人进行线路检修和车体检修周期调整的指导依据之一。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轨道车辆车体振动疲劳监测系统，其特征在于，包括车上设备(1)、车下设备(2)和用户端(3)；所述车上设备(1)分别与车下设备(2)和用户端(3)通信连接。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆车体振动疲劳监测系统，其特征在于，所述车上设备(1)包括第一通信子设备(4)、第二通信子设备(5)和第三通信子设备(6)；所述车下设备(2)包括第一车下子设备(7)、第二车下子设备(8)和第三车下子设备(9)；所述第一通信子设备(4)和第一车下子设备(7)通信连接；所述第二通信子设备(5)和第二车下子设备(8)通信连接；所述第三通信子设备(6)和第三车下子设备(9)通信连接；所述第一通信子设备(4)、第二通信子设备(5)和第三通信子设备(6)均与用户端(3)通信连接。
3.根据权利要求2所述的轨道车辆车体振动疲劳监测系统，其特征在于，所述第一车下子设备(7)固定设置于车辆车体的1位端1位侧空簧处；所述第二车下子设备(8)固定设置于车辆车体的2位端2位侧空簧处；所述第三车下子设备(9)固定设置于车辆车体的牵引梁处。
4.根据权利要求2所述的轨道车辆车体振动疲劳监测系统，其特征在于，所述第一通信子设备(4)、第二通信子设备(5)和第三通信子设备(6)的结构一致，均包括接地电容C1、接地电容C2、接地电容C4-C6、接地电容C16-C17、电阻R111、指示灯D1、稳压芯片U1和型号为MPU-3050的主控芯片U4；所述芯片U1的I引脚分别与接地电容C1和芯片U1的en引脚连接，其连接点作为芯片U1的VCC_IN引脚；所述芯片U1的O引脚分别与接地电容C2、接地电容C4、接地电容C5和接地电容C6连接，其连接点作为芯片U1的VCC_3.3V引脚；所述指示灯D1的正极和电阻R111的一端连接，其负极接地；所述电阻R111的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；所述芯片U4的CLKIN引脚、AD0引脚、FSYNC引脚和GND引脚均接地；所述芯片U4的VLOGIC引脚分别与接地电容C17和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；所述芯片U4的REGOUT引脚和接地电容C16连接；所述芯片U4的CPOUT引脚和接地电容C18连接；所述芯片U4的VDD引脚和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接。
5.根据权利要求4所述的轨道车辆车体振动疲劳监测系统，其特征在于，所述第一车下子设备(7)、第二车下子设备(8)和第三车下子设备(9)的结构一致，均包括电阻R1-R2、电阻R7-R8、电容C15、接地电容C19、端口P1-P2、N型MOS管Q1-Q2、型号为ADXL234B的加速度芯片U2和型号为HMC5883L的驱动芯片U3；所述芯片U2的VDD_IO引脚、VS引脚和CS引脚均与芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；所述芯片U2的GND引脚和ADDR引脚均接地；所述芯片U2的SCL引脚和芯片U4的SCL引脚连接；所述芯片U2的SDA引脚和芯片U4的SDA引脚连接；所述芯片U2的INT1引脚和端口P2的第2引脚连接；所述芯片U3的VDD_IO引脚、S1引脚和VDD引脚均与芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；所述芯片U3的SCL引脚和芯片U4的SCL引脚连接；所述芯片U3的SDA引脚和芯片U4的SDA引脚连接；所述芯片U3的SETP引脚和电容C15的一端连接，其SETC引脚和电容C15的另一端连接；所述芯片U3的GND引脚接地；所述芯片U3的C1引脚和接地电容C19连接；所述端口P1的第1引脚和芯片U1的VCC_IN引脚连接；所述端口P1的第2引脚和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；所述端口P1的第3引脚接地；所述端口P1的第4引脚分别与电阻R1的一端和MOS管Q1的漏极连接；所述端口P1的第5引脚分别与电阻R2的一端和MOS管Q2的漏极连接；所述端口P2的第1引脚和芯片U3的DRDY引脚连接；所述端口P2的第3引脚和芯片U4的INT引脚连接；所述电阻R1的另一端和芯片U1的VCC_IN引脚连接；所述MOS管Q1的源极分别与电阻R7的一端和芯片U4的SCL引脚连接，其栅极分别与电阻R7的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接；所述MOS管Q2的源极分别与电阻R8的一端和芯片U4的SDA引脚连接，其栅极分别与电阻R8的另一端和芯片U1的VCC_3.3V引脚连接。
6.一种轨道车辆车体振动疲劳监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用第一车下子设备采集车辆1位端1位侧空簧处的纵向振动加速度f1x(t)、横向振动加速度f1y(t)和垂向振动加速度f1z(t)；采用第二车下子设备采集车辆2位端2位侧空簧处的纵向振动加速度f2x(t)、横向振动加速度f2y(t)和垂向振动加速度f2z(t)；采用第三车下子设备采集车辆牵引梁处的纵向振动加速度f3x(t)、横向振动加速度f3y(t)和垂向振动加速度f3z(t)；
S2：对1位端1位侧空簧处和2位端2位侧空簧处的振动加速度进行简化计算，得到平均空簧处的纵向振动加速度f4x(t)、横向振动加速度f4y(t)和垂向振动加速度f4z(t)，其简化计算公式为：
Figure FDA0002362237920000031
Figure FDA0002362237920000032
Figure FDA0002362237920000033
其中，f1x(t)、f1y(t)和f1z(t)分别为1位端1位侧空簧处的纵向振动加速度、横向振动加速度和垂向振动加速度；f2x(t)、f2y(t)和f2z(t)分别为2位端2位侧空簧处的纵向振动加速度、横向振动加速度和垂向振动加速度。
S3：利用傅里叶变换，将牵引梁处的纵向振动加速度f3x(t)、横向振动加速度f3y(t)和垂向振动加速度f3z(t)分别转换为牵引梁处的纵向加速度功率谱密度G3x(f)、横向加速度功率谱密度G3y(f)和垂向加速度功率谱密度G3z(f)；并将平均空簧处的纵向振动加速度f4x(t)、横向振动加速度f4y(t)和垂向振动加速度f4z(t)分别转换为平均空簧处的纵向加速度功率谱密度G4x(f)、横向加速度功率谱密度G4y(f)和垂向加速度功率谱密度G4z(f)；
S4：利用车体有限元模型，以G3x(f)、G3y(f)、G3z(f)、G4x(f)、G4y(f)和G4z(f)作为随机振动分析输入，采用模态叠加法进行随机振动分析，得到车体的1σ应力值和1σ应力云图；
S5：根据车体的1σ应力云图判断1σ应力值最大的位置，得到车体疲劳薄弱处；
S6：根据车体的1σ应力云图，提取车体疲劳薄弱处，得到1σ应力值最大点处的加速度PSD响应谱和应力PSD响应谱；
S7：基于车体疲劳薄弱处的1σ应力值，根据基于高斯分布和Miner线性疲劳损伤定律的三区间法，结合车体材料的S-N曲线，得到车体的损伤值D，完成轨道车辆车体疲劳的实时监测；
S8：根据Miner线性疲劳损伤定律，若D>D1则判定发生疲劳损坏，若D≤D1则判定未发生疲劳损坏，完成轨道车辆车体的检修周期调整。
7.根据权利要求6所述的轨道车辆车体振动疲劳监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，采集振动加速度的周期为2分钟。
8.根据权利要求6所述的轨道车辆车体振动疲劳监测方法，其特征在于，所述步骤S6中，加速度PSD响应谱和应力PSD响应谱的覆盖频率为0-50Hz。
9.根据权利要求6所述的轨道车辆车体振动疲劳监测方法，其特征在于，所述步骤S7包括以下子步骤：
S71：根据Miner线性疲劳损伤定律，将所有应力分为三个区间，分别为1σ、2σ和3σ，并计算车体的平均频率va +，其计算公式为：
Figure FDA0002362237920000051
其中，
Figure FDA0002362237920000052
n＝(0，2)，f为车体的频率，G(f)＝[G3x(f),G3y(f),G3z(f),G4x(f),G4y(f),G4z(f)]；
S72：根据车体的平均频率va +计算车体的损伤值D，其计算公式为：
Figure FDA0002362237920000053
其中，T为时间，va +为车体的平均频率，N1σ为根据S-N曲线查到的1σ应力水平对应的循环次数，N2σ为根据S-N曲线查到的2σ应力水平对应的循环次数，N3σ为根据S-N曲线查到的3σ应力水平对应的循环次数。
10.根据权利要求6所述的轨道车辆车体振动疲劳监测方法，其特征在于，所述步骤S8中，D1的取值为1。
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