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        城軌車輛運行平穩(wěn)性狀態(tài)監(jiān)測與性能演化分析*

        2020-10-09 13:15:04王興宇胡林橋
        科技與創(chuàng)新 2020年19期
        關鍵詞:平穩(wěn)性車體特征值

        王興宇,胡林橋

        (成都運達科技股份有限公司,四川 成都610097)

        列車平穩(wěn)性是評價車輛運行性能和乘客乘坐舒適度的重要指標,反映了車輛振動的客觀量級和頻率[1]。車輛振動是復雜的隨機信號,具有周期性和并發(fā)性的特點,對車輛平穩(wěn)性進行長時間監(jiān)測是有必要的[2]。目前的平穩(wěn)性測試以便攜性和臨時性的設備為主,其系統(tǒng)集成度不高,數(shù)據(jù)不能長期積累[3]。本研究設計出一種車載采集與地面分析相結合的平穩(wěn)性監(jiān)測系統(tǒng),滿足對平穩(wěn)性進行長期監(jiān)測的需求。

        1 車載平穩(wěn)性監(jiān)測系統(tǒng)

        車載平穩(wěn)性監(jiān)測系統(tǒng)對車輛運行過程中車體垂向和橫向加速度進行檢測、處理、傳輸。通過安裝在車體底部的加速度傳感器采集車體振動信號,經(jīng)過前置數(shù)據(jù)處理器將信號進行放大和濾波處理,濾波后的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和運算處理生成信號數(shù)據(jù)包,使用以太網(wǎng)自動傳輸至地面系統(tǒng)進行存儲和平穩(wěn)性計算輸出。該系統(tǒng)的主要硬件模塊如下。

        1.1 傳感器模塊

        本系統(tǒng)采用壓電式三軸振動加速度傳感器,量程為±10 g,靈敏度500 mV/g。根據(jù)GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》[4],將測定車輛車體垂向和橫向振動加速度的傳感器安裝在心盤內(nèi)側(cè)距心盤中心線小于1000 mm 的車底架中梁下蓋板上。

        1.2 前置數(shù)據(jù)處理器

        前置數(shù)據(jù)采集器主要包括信號調(diào)理模塊和AD 轉(zhuǎn)換模塊,調(diào)理模塊可對模擬信號進行放大和二階抗混疊濾波處理,能夠改善信號的信噪比。12 位AD 轉(zhuǎn)換電路的每個通道能達到10 kps 采樣速率,提供數(shù)字濾波器實現(xiàn)采樣功能。標準以太網(wǎng)接口可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和監(jiān)聽功能。

        1.3 車載主機模塊

        車載主機由電源板、CPU 板、網(wǎng)關板組成,實現(xiàn)對前置采集數(shù)據(jù)的收集,并上傳至地面系統(tǒng)。電源板將輸入電源轉(zhuǎn)換為DC5 V、DC24 V 給系統(tǒng)各部分提供驅(qū)動電源,保證系統(tǒng)正常工作。CPU 板將采集信號進行匯總打包處理,按一定規(guī)則生成數(shù)據(jù)包,并通過網(wǎng)關板實現(xiàn)以太網(wǎng)通信,傳輸至地面系統(tǒng)。

        2 車輛平穩(wěn)性評估方法

        車輛平穩(wěn)性指標值是由車體垂向或橫向振動加速度計算得到的。從車載監(jiān)測系統(tǒng)采集的車體振動加速度信號的采樣頻率是2048 Hz,滿足GB 5599—1985和采樣定理的要求。車輛平穩(wěn)性指標的計算方法如下。

        將車載采集數(shù)據(jù)解析后得到用實際物理量表示的離散數(shù)據(jù){Ai}(i=1,2,…,n)。

        取20 s 的振動數(shù)據(jù)進行FFT 變換并計算其頻譜。

        對各個振動頻率對應的所有頻譜分別進行如下計算,求得平穩(wěn)性指標W:

        式(1)中:W為平穩(wěn)性指標;A為振動加速度,g;f為振動頻率,Hz;F(f)為頻率修正系數(shù)。

        上式為單一頻率振動對應的平穩(wěn)性值,車體振動信號是非平穩(wěn)隨機信號,在同一振動方向同時存在多種頻率成分,將各頻率的平穩(wěn)性值進行加權處理,合成的平穩(wěn)性指標為:

        式(2)中:Ai為振動信號經(jīng)過頻譜分析后頻率fi所對應的振動加速度幅值。

        對于垂向振動和橫向振動,修正系數(shù)不同,但最終計算得出的平穩(wěn)性具有相同的評定等級。一般車輛的平穩(wěn)性不低于2 級標準,即平穩(wěn)性指標不大于2.75。頻率修正系數(shù)如表1 所示。車輛運行平穩(wěn)性等級如表2 所示。

        表1 頻率修正系數(shù)

        表2 車輛運行平穩(wěn)性等級

        本系統(tǒng)的地面軟件通過服務器接收以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包,解析后得到車體振動信號,以秒為單位進行數(shù)據(jù)存儲。算法軟件自動提取原始數(shù)據(jù)進行平穩(wěn)性指標計算,每次計算以20 s 的步長滑動取數(shù)據(jù),每秒得到一個平穩(wěn)性值,并按對應時間進行存儲。

        3 車輛平穩(wěn)性演化分析

        在車載裝置的數(shù)據(jù)采集和地面軟件的指標計算的基礎上,通過長期對車輛平穩(wěn)性的監(jiān)測,可對車輛平穩(wěn)性的演化過程進行分析。平穩(wěn)性值是離散數(shù)據(jù),需要從中提取出表示平穩(wěn)性狀態(tài)的特征值來反映其在時間尺度上的演化過程。本系統(tǒng)將車輛的振動信號按單趟車次進行劃分,計算出每趟的平穩(wěn)性值,并從每趟的平穩(wěn)性值中提取出一個表征其狀態(tài)的特征值,即均方根值。為了控制線路對平穩(wěn)性的影響,每個站點區(qū)間單獨提取一個特征值。

        本系統(tǒng)監(jiān)測的城軌車輛在某地鐵正線正常運營,行駛速度在0~80 km/h 之間。在此以車輛在一個站點區(qū)間內(nèi)運行的數(shù)據(jù)為例,進行平穩(wěn)性演化分析。該區(qū)間內(nèi)車輛平穩(wěn)性值的變化情況如圖1 所示,結合速度曲線可以看出,平穩(wěn)性值的大小與速度呈現(xiàn)正相關;垂向平穩(wěn)性值比橫向稍大,但變化趨勢一致;平穩(wěn)性狀態(tài)良好,沒有超過閾值2.75。

        平穩(wěn)性演化如圖2 所示,給出了一年內(nèi)平穩(wěn)性特征值的變化過程,每個數(shù)據(jù)點表示單日的特征值,即單日內(nèi)所有車次特征值的平均值。由圖2 可知,平穩(wěn)性特征值在局部呈現(xiàn)小范圍波動狀態(tài),整體則表現(xiàn)出緩慢增大的趨勢,說明該車輛與平穩(wěn)性相關的性能有所降低。通過系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)測,將形成較為完整的車輛平穩(wěn)性演化曲線,由此可整體判斷車輛平穩(wěn)性所處的狀態(tài)。

        圖1 車輛垂向和橫向平穩(wěn)性指標值

        圖2 車輛垂向和橫向平穩(wěn)性特征值演化趨勢

        4 結論

        本平穩(wěn)性監(jiān)測系統(tǒng)對城軌車輛的車體振動信號進行在線采集,并將數(shù)據(jù)傳輸至地面軟件進行平穩(wěn)性計算和分析。由實測數(shù)據(jù)分析結果可知,該系統(tǒng)能夠有效采集數(shù)據(jù)并正確計算平穩(wěn)性指標,同時可提取出特征值,反映平穩(wěn)性的演化過程。

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