一种动车组变流器的试验方法与流程

本发明涉及轨道交通车辆设备技术领域，特别涉及一种动车组变流器的试验方法。

背景技术：

随着我国轨道交通行业的快速发展，市场对于动车组变流器的稳定性提出了较高要求。

众所周知，铁路产品的振动试验方法主要有随机振动与正弦振动两种。早期由于随机振动试验设备的制约，铁路产品一般按正弦扫频或定频的方式完成鉴定考核。在1994年，日本铁路部门颁布了JIS E4031-1994和JISE4032-1994两个标准，规定了其国内铁路机车车辆部件的振动和冲击试验方法，该JIS标准给出了正弦定频和正弦扫频两种振动试验方法。在2000年，我国等同采用JIS标准制定了TB/T 2542-2000和TB/T 2988-2000分别用以规范铁路机车车辆部件的振动和冲击试验。

在现有技术中，往往采用试验规定的标准加速度频谱进行长寿模拟试验，然而这种方式并没有结合变流器的实际运行振动环境，振动试验结果不准确，容易造成欠试验或者过实验的现象，不利于变流器的质量检验；除此之外，采用的三轴单向振动模拟变流器实际运行环境，在三个方向振动总时间为等效试验时间的三倍。

上述缺点会影响变流器最终试验结果的准确性，不利于变流器质量的准确检验，同时，振动试验总时间是等效试验时间的三倍，试验效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种动车组变流器的试验方法，该试验方法可以更加贴近实际运行环境，有利于提高检测过程的真实性。

为实现上述目的，本发明提供一种动车组变流器的试验方法，包括如下步骤：

根据安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境长寿命试验谱；

将所述变流器安装于振动试验夹具，所述振动试验夹具固定于三轴六自由度振动台；

位于所述变流器的多个激励点处分别施加X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的所述振动环境长寿命试验谱，进行模拟振动试验；

进行预设时间的所述模拟振动试验之后，结束所述模拟振动试验。

相对于上述背景技术，本发明提供的动车组变流器的试验方法，其核心在于，利用三轴六自由度振动台代替了传统的三轴单向振动台，并且采用多点激励的方式，同时对变流器的多个激励点分别施加X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的振动环境长寿命试验谱，从而更加真实的模拟运行环境；采用的三轴六自由度振动台能够在真实模拟运行环境的前提下，缩短相比于三轴单向振动台的试验时间；除此之外，利用安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境长寿命试验谱，振动数据为实测数据，进而更加真实地模拟试验环境，得到较为准确的试验数据，对于变流器的结构强度与耐久性质量检测起到重要作用。

优选地，所述进行模拟振动试验的步骤还包括：

实时采集所述变流器的控制点与响应点的测试信号，以监控试验过程。

优选地，所述振动台的振动频率范围为2Hz～500Hz，并且其最大加速度为980m/s²，最大速度为2m/s，最大位移为51mm，激励信号的容差为58.746％A～129.2％A；其中，A为相应频率下的功率谱密度。

优选地，所述振动试验夹具的一阶共振频率大于等于所述变流器的一阶共振频率的4倍。

优选地，所述激励点位于所述变流器与动车组的车身本体连接的安装座处。

优选地，所述根据安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境长寿命试验谱的步骤具体包括：

根据安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境规范谱；

根据所述振动环境规范谱计算得出所述振动环境规范谱的均方根值g₁；

根据所述动车组的总寿命运行里程L、所述动车组的平均运行速度V、试验时间T以及指数m通过公式β＝(L/V×T)^1/m计算得出加速度比例系数β；

根据所述加速度比例系数β以及所述振动环境规范谱的均方根值g₁通过公式g₂＝β×g₁计算得出等效后的振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂；

根据所述振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂得出振动环境长寿命试验谱。

优选地，所述根据安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境规范谱的步骤具体包括：

获得安装于动车组的变流器在所述动车组行驶过程中所受到的振动的振动数据；

根据所述振动数据按照谱分析最大频率f、统计误差e以及最大频率分辨率Δf进行数据分段，形成多组分段数据；

分别对每一组所述分段数据进行计算得到加速度功率谱，根据每个所述加速度功率谱形成特征样本；

根据所述特征样本利用容差法按照容差系数F进行频域数据归纳，形成振动环境规范谱。

优选地，所述获得安装于动车组的变流器在所述动车组行驶过程中所受到的振动的振动数据的步骤具体包括：

动车组在实际线路运行过程中，获取所述动车组变流器的实时振动数据；

剔除所述实时振动数据中所述动车组怠速状态时的数据，得到所述振动数据。

优选地，所述根据所述振动数据按照谱分析最大频率f、统计误差e以及最大频率分辨率Δf进行数据分段，形成多组分段数据的步骤具体包括：

根据谱分析最大频率f通过公式f_c＝2f计算得到采样频率f_c；

根据所述采样频率f_c通过公式t＝1/f_c计算得到采样间隔t；

根据统计误差e和最大频率分辨率Δf通过公式T＝1/(Δf×e²)计算得到最小样本长度T；

根据所述最小样本长度T和所述采样间隔t通过公式N＝T/t计算得到采样理论容量N；

根据所述采样理论容量N确定所述分段数据的长度。

优选地，所述根据所述振动数据按照谱分析最大频率f、统计误差e以及最大频率分辨率Δf进行数据分段，形成多组分段数据的步骤之后还包括：

根据所述分段数据进行数据平稳性、历经性、周期性以及正态性检验，当所述分段数据满足上述四种检验后，进行所述分别对每一组所述分段数据进行计算得到加速度功率谱，根据每个所述加速度功率谱形成特征样本的步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的动车组变流器的试验方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的动车组变流器的激励点的示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例所提供的动车组变流器的试验方法的流程图；图2为本发明实施例所提供的动车组变流器的激励点的示意图。

本发明提供的动车组变流器的试验方法，主要包括如下步骤：

S1、根据安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境长寿命试验谱；

S2、将所述变流器安装于振动试验夹具，所述振动试验夹具固定于三轴六自由度振动台；

S3、位于所述变流器的多个激励点处分别施加X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的所述振动环境长寿命试验谱，进行模拟振动试验；

S4、进行预设时间的所述模拟振动试验之后，结束所述模拟振动试验。

在步骤S1中，通过实测的变流器的振动数据进行数据的频域归纳处理得到振动环境长寿命试验谱；由于变流器的振动数据为实际测得的，以此作为后续模拟振动试验的数据能够有效模拟环境的真实性，从而得到较为可靠的试验数据。

这一步骤可以参考现有技术；当然，为了获取较为精准的振动环境长寿命试验谱，也可以参考下文所述的生成方法。

本发明的核心在于步骤S2与S3；将所述变流器安装于振动试验夹具，而振动试验夹具固定于三轴六自由度振动台；即，被试的变流器准备后，安装于根据被试变流器定制的夹具上，安装完成后，变流器与振动试验夹具形成一体，接着将变流器与振动试验夹具安装在三轴六自由度振动台，三轴六自由度振动台与振动试验夹具之间可以通过螺栓连接；被试的变流器安装于三轴六自由度振动台之后，随后布置信号测试点，调试各测试设备信号；激励点布置完成后，可以将振动控制仪设置为随机振动模拟状态，将各个控制点三个方向实测长寿命加速度频谱同时输入振动控制仪，触发控制仪信号，振动控制仪将接管振动台控制，控制仪为振动台提供三个方向振动加速度频谱模拟状态，触发开始信号后，开始三方向长寿命振动试验模拟，试验过程中，通过控制点、响应点处测试信号采集监控试验状态，达到指定试验时间，振动台结束模拟试验；释放控制仪接管权限后，试验结束。

也就是说，本发明引入了三轴六自由度振动台对振动试验进行模拟，而现有方法采用三轴单向振动台；本发明采用了现场实测振动数据归纳的长寿命试验谱作为试验控制点的激励，而现有方法采用标准长寿命试验谱作为控制点激励；并且本发明采用多点激励的方式模拟现场振动情况，而现有试验方法是采用单点激励。

说明书附图2示出了动车组变流器的激励点的分布情况；由于变流器的结构形式、刚度问题，变流器各安装座的实际振动烈度不完全相同，因此，为了使试验激励更加贴合实际情况，因此，在各个安装座中根据实际情况，分别加载实际测试归纳的长寿命试验谱，采用多点激励时，在四个激励点1处，各点分别在施加X、Y、Z三个方向的长寿命试验频谱，从而实现多点激励的方式。

在进行模拟振动试验的步骤中，还可以实时采集所述变流器的控制点与响应点的测试信号，以监控试验过程。

针对三轴六自由度的振动台来说，其振动台的振动频率范围为2Hz～500Hz，并且其最大加速度为980m/s²，最大速度为2m/s，最大位移为51mm，激励信号的容差为58.746％A～129.2％A；其中，A为相应频率下的功率谱密度。对于上述步骤S1中，实测的变流器的振动数据必须满足正态历经；振动规范谱归纳时，单激励点具备的样本数量必须大于45个；长寿命试验谱等效时，需要结合变流器制造使用的材料特性进行加速比系数计算。

除此之外，为了把三轴六自由度的振动台的激励信号真实的传递到变流器上，避免因试验夹具的耦合作用，导致试验结果的不准确，试制得振动夹具一阶共振频率需大于变流器一阶共振频率4倍以上。

采用上述设置方式，利用多点激励方式进行响应模拟，可以真实模拟标准动车组变流器振动环境运行工况，对变流器结构强度、耐久性质量检验具有重要作用，有助于提升变流器质量可靠性和振动适应性，有利于变流器形成以中国标准的质量验证体系。

针对上述步骤S1，根据安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境长寿命试验谱的步骤，本发明给出如下较为优选的具体实施方式：

第一步、根据安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境规范谱；

第二步、根据所述振动环境规范谱计算得出所述振动环境规范谱的均方根值g₁；

第三步、根据所述动车组的总寿命运行里程L、所述动车组的平均运行速度V、试验时间T以及指数m通过公式β＝(L/V×T)^1/m计算得出加速度比例系数β；

第四步、根据所述加速度比例系数β以及所述振动环境规范谱的均方根值g₁通过公式g₂＝β×g₁计算得出等效后的振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂；

第五步、根据所述振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂得出振动环境长寿命试验谱。

上述步骤的重点在于，在第三步中，利用动车组的总寿命运行里程L与所述动车组的平均运行速度V计算得到加速度比例系数β；而在传统的加速度比例系数β的计算方式中，通常是以25年的正常寿命折算成小时进行计算，采用传统方式得到的加速度比例系数往往无法准确描述变流器的运行状态，导致试验结果准确性较差，不利于质量检验。

本发明根据所述动车组的总寿命运行里程L、所述动车组的平均运行速度V、试验时间T以及指数m通过公式β＝(L/V×T)^1/m计算得出加速度比例系数β，从而根据所述加速度比例系数β以及所述振动环境规范谱的均方根值g₁通过公式g₂＝β×g₁计算得出等效后的振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂，这样得到的振动环境长寿命试验谱较为准确，是以实测的振动数据为基础，更加符合实际运行情况，并引入动车组的总寿命运行里程L作为参数，使得加速度比例系数β的计算更加准确，有效模拟变流器的真实振动环境，使得试验结果真实可靠。

针对上述第三步，本发明优选将所述动车组的总寿命运行里程L设置为大于等于4000000km，所述动车组的平均运行速度V大于等于250km/h，试验时间T＝5h，指数m＝4；通过公式β＝(L/V×T)^1/m计算得出加速度比例系数β。

根据《机车报废管理办法》，我国铁道机车的总寿命要求为：国产机车为25年或400万千米(客运)/350万千米(货运)；有大修基地的进口机车为25年或450万千米(客运)/400万千米(货运)；因此按照标准动车组的运行速度，平均在250公里每小时以上，以400万公里作为总体寿命，可以计算出全寿命部件需要满足的工作时间为16000小时。而随着我国铁路列车的不断提速，引入以总寿命运行里程L作为列车部件的寿命计算，更加符合实际研制需求。而由于变流器作为动车组的核心部件，对其柜体的结构维护不便，因此有必要按照动车组的全寿命进行设计。

综上可知，针对动车组变流器的振动环境长寿命试验谱，引入了动车组的总寿命运行里程L、所述动车组的平均运行速度V、试验时间T以及指数m，从而计算出较为可靠的加速度比例系数β。

在上述第二步中，根据所述振动环境规范谱计算得出所述振动环境规范谱的均方根值g₁的步骤具体包括：

分别计算所述振动环境规范谱的下降斜率、上升斜率以及平直谱所对应的加速度均方值；

全部所述加速度均方值相加得到所述振动环境规范谱的均方根值g₁。

也就是说，在得到振动环境规范谱之后，分别针对其下降斜率、上升斜率以及平直谱进行加速度均方值计算，将全部加速度均方值相加，从而得到振动环境规范谱的均方根值g₁；相关的计算过程可以参考现有技术，本文将不再赘述。

然后进行第四步，即，根据所述加速度比例系数β以及所述振动环境规范谱的均方根值g₁通过公式g₂＝β×g₁计算得出等效后的振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂；该步骤计算得出等效后的振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂。

在第五步中，根据所述振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂得出振动环境长寿命试验谱的步骤具体包括：

根据所述振动环境规范谱的各频率段的曲线斜率确定振动环境长寿命试验谱的各频率段的曲线斜率，且所述振动环境规范谱的各频率段的曲线斜率与所述振动环境长寿命试验谱的各频率段的曲线斜率相同；

根据所述振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂得出所述振动环境长寿命试验谱的各频率段的功率谱密度；

根据所述振动环境长寿命试验谱的各频率段的曲线斜率以及所述振动环境长寿命试验谱的各频率段的功率谱密度得到振动环境长寿命试验谱。

即，等效后的振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂可知，根据振动环境规范谱的各频率段的曲线斜率能够确定振动环境长寿命试验谱的各频率段的曲线斜率，并且根据等效后的振动环境长寿命试验谱的均方根值g₂可以得出振动环境长寿命试验谱的各频率段的功率谱密度，从而得到振动环境长寿命试验谱；这一步骤可以参考现有技术，本文将不再赘述。

除此之外，针对上述第一步，根据安装于动车组的变流器的振动数据得到振动环境规范谱的具体步骤可以包括：

获得安装于动车组的变流器在所述动车组行驶过程中所受到的振动的振动数据；

根据所述振动数据按照谱分析最大频率f、统计误差e以及最大频率分辨率Δf进行数据分段，形成多组分段数据；

分别对每一组所述分段数据进行计算得到加速度功率谱，根据每个所述加速度功率谱形成特征样本；

根据所述特征样本利用容差法按照预设容差系数F进行频域数据归纳，形成振动环境规范谱。

具体来说，在动车组行驶过程中，由于受到环境等因素的影响，导致安装于动车组的变流器振动；本发明采集变流器的振动数据，并且该振动数据是在动车组行驶过程中采集的；换句话说，当动车组怠速或者因其他因素停止时，变流器的振动数据并不包括该时段的数据。振动数据的获取方式有多种，本发明优选采用将传感器设置于变流器的安装座的方式；即，变流器的安装座与动车组的车身本体连接，安装座能够实现变流器与动车组的车身本体相连，以构成动车组。

动车组的车身本体应广义理解，可以理解为与变流器连接的部分，而不应狭义理解为动车组的某一具体部件。

当获取振动数据之后，按照谱分析最大频率f、统计误差e以及最大频率分辨率Δf进行数据分段，该分段过程可以为：

根据谱分析最大频率f通过公式f_c＝2f计算得到采样频率f_c；

根据所述采样频率f_c通过公式t＝1/f_c计算得到采样间隔t；

根据统计误差e和最大频率分辨率Δf通过公式T＝1/(Δf×e²)计算得到最小样本长度T；

根据所述最小样本长度T和所述采样间隔t通过公式N＝T/t计算得到采样理论容量N；

根据所述采样理论容量N确定所述分段数据的长度。

也就是说，谱分析最大频率f、统计误差e以及最大频率分辨率Δf应为已知参数；例如：谱分析最大频率f＝200Hz，统计误差e＝10％，最大频率分辨率Δf＝0.25Hz；则，采样频率f_c＝2f＝400Hz，采样间隔t＝1/f_c＝0.0025s，最小样本长度T＝1/(Δf×e²)＝1/(0.25×10％²)＝400s，采样理论容量N＝T/t＝400/0.0025＝160000；而2¹⁷＜N＝160000＜2¹⁸，因此取实际采样容量N¹为2¹⁸；根据实际采样容量N¹＝T¹/t，得到分段数据的长度T¹＝N¹×t＝2¹⁸×0.0025＝655.36s≈11min。

通过上述计算得到分段数据的长度为11min内采集的数据；即，假设动车组运行55min，按照分段数据的长度11min一段，则共分为连续的5组数据，每一组分段数据包含11min的数据。当然，确定分段数据的长度的方法还有多种，并不限于本文所述。

得到分段数据之后，分别对每一组所述分段数据进行计算得到加速度功率谱，根据每个所述加速度功率谱形成特征样本；沿用上述假设，每一组分段数据形成一个加速度功率谱，则共形成5个加速度功率谱；每一个加速度功率谱形成一个特征样本，共形成5个特征样本。

在这一步骤中，本发明的核心在于将整个数据进行分段，并针对分段后的时域数据进行频域处理，得到每一段所对应的加速度功率谱以及特征样本。

在上述过程中，通常利用快速傅里叶变换(FFT)得到加速度功率谱；即，每一组分段数据均通过快速傅里叶变换(FFT)得到加速度功率谱，得到的加速度功率谱则可以形成特征样本。在现有技术中，能够通过快速傅里叶变换(FFT)将测得的时域数据转换为频域数据，本文并不详细赘述。在得到多个特征样本之后，可以利用容差法按照第一容差系数F₁＝1.64或者第二容差系数F₂＝1.65进行频域数据归纳，形成振动环境规范谱。

在这一步骤中，预设容差系数F可以为第一容差系数F₁＝1.64或者第二容差系数F₂＝1.65，从而得到较为精准的振动环境规范谱，而其中的具体运算过程可以参考现有技术。

针对上文所述的振动数据的获取步骤，本发明给出一种最优实施方式；由于动车组在实际线路运行过程中，往往会出现停靠站的情形，在停靠站时，由于动车组停止，变流器此时往往不会出现振动；而我们可以采集动车组在实际线路运行过程中的全部变流器的实时振动数据；即，动车组从起始点出发至终点这一过程中，实时采集动车组变流器的实时振动数据；针对实时振动数据，剔除动车组怠速状态时的数据，以得到上述的振动数据。

由于动车组从起始点出发至终点这一过程中，实时采集动车组变流器的实时振动数据的数据量较为庞大，因此将动车组怠速状态时的数据剔除，得到的是在动车组行驶过程中的振动数据，使得数据有效性提升，有助于振动环境规范谱的精度的提升。

如上文所述，第二步根据所述振动数据按照谱分析最大频率f、统计误差e以及最大频率分辨率Δf进行数据分段，形成多组分段数据之后还包括：根据所述分段数据进行数据平稳性、历经性、周期性以及正态性检验，当所述分段数据满足上述四种检验后，进行第三步，即分别对每一组所述分段数据进行计算得到加速度功率谱，根据每个所述加速度功率谱形成特征样本。也就是说，数据分段过后，针对每一组分段数据，均进行数据平稳性、历经性、周期性以及正态性检验，而上述四种检验方式可以参考现有技术，本文不再赘述。

针对容差系数的取值，本发明结合轨道交通的可靠性要求，优选取第二容差系数F₂＝1.65，即容差上限G_h(p)＝[X_h(p)+1.65×S_h(p)]²；从而进一步提高振动环境规范谱的精度，有利于模拟动车组变流器的振动环境，提高质量检验的真实性。

其中，G_h(p)为容差上限，X_h(p)为所述加速度功率谱的谱密度的方根均值，S_h²(p)为所述加速度功率谱的谱密度的方根方差；除此之外，针对获取振动环境长寿命试验谱的其他计算过程可以参考现有技术，本发明将不再赘述。

需要说明的是，无论是第一容差系数F₁＝1.64还是第二容差系数F₂＝1.65，均应考虑到一定的误差即，第一容差系数F₁的取值可以为1.64±0.009；第二容差系数F₂的取值可以为1.65±0.009。

如上文所述，针对激励点的布置方式，将激励点布置于变流器的安装座处，如果变流器的安装座无法安装传感器，则应选取与安装座的刚度和振动烈度相同的布点进行安装，从而能够得到有效的振动时域数据，以便后续振动环境规范谱的生成。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的动车组变流器的试验方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。