高速列車運行動力學參數檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種高速列車運行動力學參數檢測方法，包括如下步驟：建立列車動力學狀態的隨機振動數值仿真模型，完成功率譜響應仿真計算；對線路測試傳感器優化布置，測量列車在線路運營時各測試點的動態響應時域信息，測試信號經過頻域功率譜分析處理后提取車輛部件動態響應特征；由數值仿真功率譜與線路測試功率譜的吻合，建立動力學參數檢測的基本方程；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檢測參數。本發明以列車的動力學參數作為監測對象，混合現場測試技術與動力學仿真技術，建立動力學參數檢測的基本方程完成高速列車動力學參數的檢測，實現對高速列車運行狀態動力學參數的長期行為評估，為列車運營的安全、可靠提供技術保障。
【專利說明】高速列車運行動力學參數檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于實測信息的高速列車動力學參數檢測方法，特別涉及一種針對長期運營的高速列車運行動力學參數特征發生變化的檢測方法。
【背景技術】
[0002]為了能夠準確預測高速列車在長期服役運營環境下的動力學響應行為，高速列車系統的動力學參數檢測獲得越來越多的關注。就問題的本質而言，該技術屬于服役高速列車系統動力學參數辨識技術，也屬于列車動力學模型修正的問題范疇。對于常規的土木工程結構模型修正技術而言，目前從模型識別的對象，識別參數的選取，測試數據的選擇，以及求解方法都已經獲得較大進展。然而就高速列車系統動力學參數檢測而言，由于服役列車所經歷環境荷載的隨機性，以及列車系統本身的復雜性，其參數辨識相關技術還處于起步階段。

【發明內容】

[0003]本發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行動力學參數檢測方法，實現對高速列車運行狀態動力學參數的長期行為評估，為列車運營的安全、可靠提供技術保障。
[0004]為實現上述目的，本發明的技術方案是:
[0005]一種高速列車運行動力學參數檢測方法，包括如下步驟:
[0006]步驟A、建立列車動力學狀態的隨機振動數值仿真模型，完成功率譜響應仿真計算，按車體、構架等部件分類輸出部件整體或局部動力響應；
[0007]步驟B、對列車線路測試傳感器進行優化布置，測量高速列車在線路運營時各測試點的動態響應時域信息，測試信號經過頻域功率譜分析處理后提取車輛部件動態響應特征；
[0008]步驟C、由車輛系統隨機振動數值仿真功率譜與線路測試功率譜的吻合，建立動力學參數檢測的基本方程，S(X)=Sm，
[0009]其中，Sm為由所述步驟B實際測試的功率譜密度值，S(X)為相應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檢測參數，完成車輛系統動力學參數檢測。
[0011]進一步，根據權利要求1所述的高速列車運行動力學參數檢測方法，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、二系連接系統與轉向架、輪對耦合組成列車車輛動力學模型，應用無窮周期結構進行軌道模擬，建立典型軌道子結構模型，應用虛擬激勵法進行隨機軌道不平順處理，進行車輛-軌道結構耦合動力學虛擬簡諧分析，最終完成功率譜響應仿真計算。
[0012]進一步，在所述步驟B中，所述測試傳感器的優化布置，具體包括在列車軸箱、轉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，轉向架、車體測試分為不同采集單元，每個單元均獨立工作。
[0013]進一步，在所述步驟B中，信息處理流程為軸箱、轉向架或車體測試信號，經信號預處理模塊后進行A/D轉換，并經信號處理分析進行信號特征提取。
[0014]進一步，所述信號處理分析及特征提取采用現代功率譜估計方法，具體包括:首先通過對布設的所述傳感器采集的測試數據估計出信號的AR參數模型、MA模型或ARMA模型，再按照不同參數模型的輸出功率完成時域信號的功率譜估計。
[0015]進一步，在所述步驟C中，建立動力學參數檢測的基本方程的步驟具體為:
[0016]建立影響車輛動力學行為的參數列表體系，此參數列表通過映射關系最終反映在如步驟A中車輛動力學有限元模型中；
[0017]通過修正系數調整車輛動力學系統的設計參數，并將車輛動力學有限元模型中修正模型的質量、阻尼和剛度矩陣表示為修正系數的函數；
[0018]如果步驟B實際測試的M個功率譜密度值表示為Sm =(5;,?*,...,?)1'，而相應由
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與測試功率譜值相等，即得S(x)=Sm。
[0019]進一步，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]綜上內容，本發明所述的高速列車運行動力學參數檢測方法，以高速列車的動力學參數作為監測對象，混合現場測試技術與動力學仿真技術，建立了動力學參數檢測的基本方程，應用信賴域型L-M求解算法獲得參數檢測基本方程的最小二乘解，實現高速列車動力學參數的檢測，實現對高速列車運行狀態動力學參數的長期行為評估，為列車運營的安全、可靠提供技術保障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發明流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述:
[0023]如圖1所示，一種高速列車運行動力學參數檢測方法，以高速列車的動力學狀態作為監測對象，混合現場測試技術與動力學仿真技術，通過測量高速列車在線路運營時各測試點的動態響應信息，且測試信號經過頻域功率譜分析處理后提取車輛構件動態響應特征，由車輛系統隨機振動數值仿`真功率譜與線路測試功率譜的吻合，建立動力學參數檢測的基本方程，再應用信賴域型L-M求解算法，獲得參數檢測基本方程的最小二乘解，最終實現高速列車動力學參數的檢測。
[0024]該檢測方法具體包括以下步驟:
[0025]步驟A、建立列車動力學狀態的隨機振動數值仿真模型，完成功率譜響應仿真計算，按車體、構架等部件分類輸出部件整體或局部動力響應。[0026]為準確反映車體整體、局部振動狀態，采用彈性車體有限元模型，并通過一系、二系連接系統與轉向架、輪對耦合組成列車車輛動力學模型。應用無窮周期結構進行軌道模擬，只需建立自由度極大縮減的典型軌道子結構模型，并應用其周期性邊界條件，就可以得到整個軌道結構的頻響特性。應用虛擬激勵法進行隨機軌道不平順處理，考慮不同輪對位置處隨機激勵為同源完全相干模式，按譜分解觀點構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-軌道結構耦合動力學虛擬簡諧分析，并按虛擬激勵法基本原理完成功率譜響應仿真計算，最終按車體、構架等部件分類輸出部件整體或局部動力響應。
[0027]車輛由車體(有限元模型)、2個轉向架和4個輪對構成，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支撐的無限長鏈式結構，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構系統。鋼軌采用空間梁單元離散，每個節點具有5個自由度；軌枕視為剛體，考慮其垂向、橫向和轉動3個自由度；道床離散為剛性質量塊，只考慮其垂向振動。
[0028]三類軌道不平順模擬為零均值平穩高斯隨機過程，且彼此互不相關，其功率譜分別為Sv(co)、Sa(?)和&(ω)。考慮4個車輪受到同源軌道的隨機激勵，其實質為完全相干多點激勵問題，四個輪軌接觸點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:
【權利要求】
1.一種高速列車運行動力學參數檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A、建立列車動力學狀態的隨機振動數值仿真模型，完成功率譜響應仿真計算，按車體、構架等部件分類輸出部件整體或局部動力響應； 步驟B、對列車線路測試傳感器進行優化布置，測量高速列車在線路運營時各測試點的動態響應時域信息，測試信號經過頻域功率譜分析處理后提取車輛部件動態響應特征； 步驟C、由車輛系統隨機振動數值仿真功率譜與線路測試功率譜的吻合，建立動力學參數檢測的基本方程，S(X)=Sni ； 其中，Sm為由所述步驟B實際測試的功率譜密度值，S(X)為相應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檢測參數，完成車輛系統動力學參數檢測。
2.根據權利要求1所述的高速列車運行動力學參數檢測方法，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、二系連接系統與轉向架、輪對耦合組成列車車輛動力學模型，應用無窮周期結構進行軌道模擬，建立典型軌道子結構模型，應用虛擬激勵法進行隨機軌道不平順處理，進行車輛-軌道結構耦合動力學虛擬簡諧分析，最終完成功率譜響應仿真計算。
3.根據權利要求1所述的高速列車運行動力學參數檢測方法，其特征在于:在所述步驟B中，所述測試傳感器的優化布置，具體包括在列車軸箱、轉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，轉向架、車體測試分為不同采集單元，每個單元均獨立工作。
4.根據權利要求3所述的高速列車運行動力學參數檢測方法，其特征在于:在所述步驟B中，信息處理流程為軸箱、轉向架或車體測試信號，經信號預處理模塊后進行A/D轉換，并經信號處理分析進行信號特征提取。
5.根據權利要求4所述的高速列車運行動力學參數檢測方法，其特征在于:所述信號處理分析及特征提取采用現代功率譜估計方法，具體包括:首先通過對布設的所述傳感器采集的測試數據估計出信號的AR參數模型、MA模型或ARMA模型，再按照不同參數模型的輸出功率完成時域信號的功率譜估計。
6.根據權利要求1所述的高速列車運行動力學參數檢測方法，其特征在于:在所述步驟C中，建立動力學參數檢測的基本方程的步驟具體為: 建立影響車輛動力學行為的參數列表體系，此參數列表通過映射關系最終反映在如步驟A中車輛動力學有限元模型中； 通過修正系數調整車輛動力學系統的設計參數，并將車輛動力學有限元模型中修正模型的質量、阻尼和剛度矩陣表示為修正系數的函數； 如果步驟B實際測試的M個功率譜密度值表示為》Τ? =(5,'?'…，而相應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與測試功率譜值相等，即得S(x)=Sm。
7.根據權利要求1所述的高速列車運行動力學參數檢測方法，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。·
【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 優先權日:2012年12月1日
【發明者】劉天賦, 丁叁叁, 田愛琴, 高寶杰, 項盼, 張有為, 趙巖 申請人:南車青島四方機車車輛股份有限公司