高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，包括如下步驟：建立列車動力學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)振動數(shù)值仿真模型，完成功率譜響應(yīng)仿真計算；對線路測試傳感器優(yōu)化布置，測量列車在線路運(yùn)營時各測試點(diǎn)的動態(tài)響應(yīng)時域信息，測試信號經(jīng)過頻域功率譜分析處理后提取車輛部件動態(tài)響應(yīng)特征；由數(shù)值仿真功率譜與線路測試功率譜的吻合，建立動力學(xué)參數(shù)檢測的基本方程；求解該基本方程，獲得并輸出功率譜密度吻合條件下的車輛動力學(xué)檢測參數(shù)。本發(fā)明以列車的動力學(xué)參數(shù)作為監(jiān)測對象，混合現(xiàn)場測試技術(shù)與動力學(xué)仿真技術(shù)，建立動力學(xué)參數(shù)檢測的基本方程完成高速列車動力學(xué)參數(shù)的檢測，實(shí)現(xiàn)對高速列車運(yùn)行狀態(tài)動力學(xué)參數(shù)的長期行為評估，為列車運(yùn)營的安全、可靠提供技術(shù)保障。
【專利說明】高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于實(shí)測信息的高速列車動力學(xué)參數(shù)檢測方法，特別涉及一種針對長期運(yùn)營的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)特征發(fā)生變化的檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了能夠準(zhǔn)確預(yù)測高速列車在長期服役運(yùn)營環(huán)境下的動力學(xué)響應(yīng)行為，高速列車系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)檢測獲得越來越多的關(guān)注。就問題的本質(zhì)而言，該技術(shù)屬于服役高速列車系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)辨識技術(shù)，也屬于列車動力學(xué)模型修正的問題范疇。對于常規(guī)的土木工程結(jié)構(gòu)模型修正技術(shù)而言，目前從模型識別的對象，識別參數(shù)的選取，測試數(shù)據(jù)的選擇，以及求解方法都已經(jīng)獲得較大進(jìn)展。然而就高速列車系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)檢測而言，由于服役列車所經(jīng)歷環(huán)境荷載的隨機(jī)性，以及列車系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，其參數(shù)辨識相關(guān)技術(shù)還處于起步階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明主要目的在于解決上述問題和不足，提供一種高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，實(shí)現(xiàn)對高速列車運(yùn)行狀態(tài)動力學(xué)參數(shù)的長期行為評估，為列車運(yùn)營的安全、可靠提供技術(shù)保障。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0005]一種高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，包括如下步驟:
[0006]步驟A、建立列車動力學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)振動數(shù)值仿真模型，完成功率譜響應(yīng)仿真計算，按車體、構(gòu)架等部件分類輸出部件整體或局部動力響應(yīng)；
[0007]步驟B、對列車線路測試傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置，測量高速列車在線路運(yùn)營時各測試點(diǎn)的動態(tài)響應(yīng)時域信息，測試信號經(jīng)過頻域功率譜分析處理后提取車輛部件動態(tài)響應(yīng)特征；
[0008]步驟C、由車輛系統(tǒng)隨機(jī)振動數(shù)值仿真功率譜與線路測試功率譜的吻合，建立動力學(xué)參數(shù)檢測的基本方程，S(X)=Sm，
[0009]其中，Sm為由所述步驟B實(shí)際測試的功率譜密度值，S(X)為相應(yīng)由修正模型計算的功率譜密度值；
[0010]步驟D、求解步驟C中的基本方程，獲得并輸出功率譜密度吻合條件下的車輛動力學(xué)檢測參數(shù)，完成車輛系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)檢測。
[0011]進(jìn)一步，根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，其特征在于:在所述步驟A中，采用彈性車體有限元模型，并通過一系、二系連接系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架、輪對耦合組成列車車輛動力學(xué)模型，應(yīng)用無窮周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行軌道模擬，建立典型軌道子結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用虛擬激勵法進(jìn)行隨機(jī)軌道不平順處理，進(jìn)行車輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)虛擬簡諧分析，最終完成功率譜響應(yīng)仿真計算。
[0012]進(jìn)一步，在所述步驟B中，所述測試傳感器的優(yōu)化布置，具體包括在列車軸箱、轉(zhuǎn)向架和車體安裝用于測試的傳感器，所述傳感器至少包括加速度傳感器，其中，前后轉(zhuǎn)向架加速度測試分為垂向、橫向兩個通道，車體加速度測試分前后橫向和垂向通道，轉(zhuǎn)向架、車體測試分為不同采集單元，每個單元均獨(dú)立工作。
[0013]進(jìn)一步，在所述步驟B中，信息處理流程為軸箱、轉(zhuǎn)向架或車體測試信號，經(jīng)信號預(yù)處理模塊后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)信號處理分析進(jìn)行信號特征提取。
[0014]進(jìn)一步，所述信號處理分析及特征提取采用現(xiàn)代功率譜估計方法，具體包括:首先通過對布設(shè)的所述傳感器采集的測試數(shù)據(jù)估計出信號的AR參數(shù)模型、MA模型或ARMA模型，再按照不同參數(shù)模型的輸出功率完成時域信號的功率譜估計。
[0015]進(jìn)一步，在所述步驟C中，建立動力學(xué)參數(shù)檢測的基本方程的步驟具體為:
[0016]建立影響車輛動力學(xué)行為的參數(shù)列表體系，此參數(shù)列表通過映射關(guān)系最終反映在如步驟A中車輛動力學(xué)有限元模型中；
[0017]通過修正系數(shù)調(diào)整車輛動力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，并將車輛動力學(xué)有限元模型中修正模型的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣表示為修正系數(shù)的函數(shù)；
[0018]如果步驟B實(shí)際測試的M個功率譜密度值表示為Sm =(5;,?*,...,?)1'，而相應(yīng)由
修正模型計算的功率譜密度值表示為S (X) = (S1 (X)，S2 (X)，…，Sm(X) ) t，在理想情況下，修正后模型的計算功率譜值應(yīng)與測試功率譜值相等，即得S(x)=Sm。
[0019]進(jìn)一步，在所述步驟D中，采用信賴域型的L-M算法求解所述步驟C中的基本方程，獲得該基本方程的最小二乘解。
[0020]綜上內(nèi)容，本發(fā)明所述的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，以高速列車的動力學(xué)參數(shù)作為監(jiān)測對象，混合現(xiàn)場測試技術(shù)與動力學(xué)仿真技術(shù)，建立了動力學(xué)參數(shù)檢測的基本方程，應(yīng)用信賴域型L-M求解算法獲得參數(shù)檢測基本方程的最小二乘解，實(shí)現(xiàn)高速列車動力學(xué)參數(shù)的檢測，實(shí)現(xiàn)對高速列車運(yùn)行狀態(tài)動力學(xué)參數(shù)的長期行為評估，為列車運(yùn)營的安全、可靠提供技術(shù)保障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0023]如圖1所示，一種高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，以高速列車的動力學(xué)狀態(tài)作為監(jiān)測對象，混合現(xiàn)場測試技術(shù)與動力學(xué)仿真技術(shù)，通過測量高速列車在線路運(yùn)營時各測試點(diǎn)的動態(tài)響應(yīng)信息，且測試信號經(jīng)過頻域功率譜分析處理后提取車輛構(gòu)件動態(tài)響應(yīng)特征，由車輛系統(tǒng)隨機(jī)振動數(shù)值仿`真功率譜與線路測試功率譜的吻合，建立動力學(xué)參數(shù)檢測的基本方程，再應(yīng)用信賴域型L-M求解算法，獲得參數(shù)檢測基本方程的最小二乘解，最終實(shí)現(xiàn)高速列車動力學(xué)參數(shù)的檢測。
[0024]該檢測方法具體包括以下步驟:
[0025]步驟A、建立列車動力學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)振動數(shù)值仿真模型，完成功率譜響應(yīng)仿真計算，按車體、構(gòu)架等部件分類輸出部件整體或局部動力響應(yīng)。[0026]為準(zhǔn)確反映車體整體、局部振動狀態(tài)，采用彈性車體有限元模型，并通過一系、二系連接系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架、輪對耦合組成列車車輛動力學(xué)模型。應(yīng)用無窮周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行軌道模擬，只需建立自由度極大縮減的典型軌道子結(jié)構(gòu)模型，并應(yīng)用其周期性邊界條件，就可以得到整個軌道結(jié)構(gòu)的頻響特性。應(yīng)用虛擬激勵法進(jìn)行隨機(jī)軌道不平順處理，考慮不同輪對位置處隨機(jī)激勵為同源完全相干模式，按譜分解觀點(diǎn)構(gòu)造具有滯后相位虛擬簡諧激勵。完成如上虛擬簡諧激勵作用下，車輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)虛擬簡諧分析，并按虛擬激勵法基本原理完成功率譜響應(yīng)仿真計算，最終按車體、構(gòu)架等部件分類輸出部件整體或局部動力響應(yīng)。
[0027]車輛由車體(有限元模型)、2個轉(zhuǎn)向架和4個輪對構(gòu)成，它們之間通過一系和二系懸掛裝置連接。軌道視為三維三層離散點(diǎn)支撐的無限長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，包括鋼軌，枕木和道床，選取相鄰枕木之間的鋼軌，以及軌下的枕木和道床作為子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。鋼軌采用空間梁單元離散，每個節(jié)點(diǎn)具有5個自由度；軌枕視為剛體，考慮其垂向、橫向和轉(zhuǎn)動3個自由度；道床離散為剛性質(zhì)量塊，只考慮其垂向振動。
[0028]三類軌道不平順模擬為零均值平穩(wěn)高斯隨機(jī)過程，且彼此互不相關(guān)，其功率譜分別為Sv(co)、Sa(?)和&(ω)?？紤]4個車輪受到同源軌道的隨機(jī)激勵，其實(shí)質(zhì)為完全相干多點(diǎn)激勵問題，四個輪軌接觸點(diǎn)處的軌道不平順組成的向量為:
[0029]Tj (t) = {rj (t-ti) Tj (t-t2) Tj (t~t3) r」(t_t4)}T, (j=v, a, c) (I)
[0030]其中rj(t)的功率譜矩陣，可以表示為如下形式:
【權(quán)利要求】
1.一種高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A、建立列車動力學(xué)狀態(tài)的隨機(jī)振動數(shù)值仿真模型，完成功率譜響應(yīng)仿真計算，按車體、構(gòu)架等部件分類輸出部件整體或局部動力響應(yīng)； 步驟B、對列車線路測試傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置，測量高速列車在線路運(yùn)營時各測試點(diǎn)的動態(tài)響應(yīng)時域信息，測試信號經(jīng)過頻域功率譜分析處理后提取車輛部件動態(tài)響應(yīng)特征； 步驟C、由車輛系統(tǒng)隨機(jī)振動數(shù)值仿真功率譜與線路測試功率譜的吻合，建立動力學(xué)參數(shù)檢測的基本方程，S(X)=Sni ； 其中，Sm為由所述步驟B實(shí)際測試的功率譜密度值，S(X)為相應(yīng)由修正模型計算的功率譜密度值； 步驟D、求解步驟C中的基本方程，獲得并輸出功率譜密度吻合條件下的車輛動力學(xué)檢測參數(shù)，完成車輛系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，其特征在于:在所述步驟A中，采用彈性車體有限元模型，并通過一系、二系連接系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架、輪對耦合組成列車車輛動力學(xué)模型，應(yīng)用無窮周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行軌道模擬，建立典型軌道子結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用虛擬激勵法進(jìn)行隨機(jī)軌道不平順處理，進(jìn)行車輛-軌道結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)虛擬簡諧分析，最終完成功率譜響應(yīng)仿真計算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，其特征在于:在所述步驟B中，所述測試傳感器的優(yōu)化布置，具體包括在列車軸箱、轉(zhuǎn)向架和車體安裝用于測試的傳感器，所述傳感器至少包括加速度傳感器，其中，前后轉(zhuǎn)向架加速度測試分為垂向、橫向兩個通道，車體加速度測試分前后橫向和垂向通道，轉(zhuǎn)向架、車體測試分為不同采集單元，每個單元均獨(dú)立工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，其特征在于:在所述步驟B中，信息處理流程為軸箱、轉(zhuǎn)向架或車體測試信號，經(jīng)信號預(yù)處理模塊后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)信號處理分析進(jìn)行信號特征提取。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，其特征在于:所述信號處理分析及特征提取采用現(xiàn)代功率譜估計方法，具體包括:首先通過對布設(shè)的所述傳感器采集的測試數(shù)據(jù)估計出信號的AR參數(shù)模型、MA模型或ARMA模型，再按照不同參數(shù)模型的輸出功率完成時域信號的功率譜估計。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，其特征在于:在所述步驟C中，建立動力學(xué)參數(shù)檢測的基本方程的步驟具體為: 建立影響車輛動力學(xué)行為的參數(shù)列表體系，此參數(shù)列表通過映射關(guān)系最終反映在如步驟A中車輛動力學(xué)有限元模型中； 通過修正系數(shù)調(diào)整車輛動力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，并將車輛動力學(xué)有限元模型中修正模型的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣表示為修正系數(shù)的函數(shù)； 如果步驟B實(shí)際測試的M個功率譜密度值表示為》Τ? =(5,'?'…，而相應(yīng)由修正模型計算的功率譜密度值表示為S (X) = (S1 (X)，S2 (X)，…，Sm(X) )\在理想情況下，修正后模型的計算功率譜值應(yīng)與測試功率譜值相等，即得S(x)=Sm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車運(yùn)行動力學(xué)參數(shù)檢測方法，其特征在于:在所述步驟D中，采用信賴域型的L-M算法求解所述步驟C中的基本方程，獲得該基本方程的最小二乘解?！?br> 【文檔編號】G01M17/08GK103852269SQ201210506733
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月1日
【發(fā)明者】劉天賦, 丁叁叁, 田愛琴, 高寶杰, 項(xiàng)盼, 張有為, 趙巖 申請人:南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司