高速列车运行动力学参数检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种高速列车运行动力学参数检测方法，包括如下步骤：建立列车动力学状态的随机振动数值仿真模型，完成功率谱响应仿真计算；对线路测试传感器优化布置，测量列车在线路运营时各测试点的动态响应时域信息，测试信号经过频域功率谱分析处理后提取车辆部件动态响应特征；由数值仿真功率谱与线路测试功率谱的吻合，建立动力学参数检测的基本方程；求解该基本方程，获得并输出功率谱密度吻合条件下的车辆动力学检测参数。本发明以列车的动力学参数作为监测对象，混合现场测试技术与动力学仿真技术，建立动力学参数检测的基本方程完成高速列车动力学参数的检测，实现对高速列车运行状态动力学参数的长期行为评估，为列车运营的安全、可靠提供技术保障。
【专利说明】高速列车运行动力学参数检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于实测信息的高速列车动力学参数检测方法，特别涉及一种针对长期运营的高速列车运行动力学参数特征发生变化的检测方法。
【背景技术】
[0002]为了能够准确预测高速列车在长期服役运营环境下的动力学响应行为，高速列车系统的动力学参数检测获得越来越多的关注。就问题的本质而言，该技术属于服役高速列车系统动力学参数辨识技术，也属于列车动力学模型修正的问题范畴。对于常规的土木工程结构模型修正技术而言，目前从模型识别的对象，识别参数的选取，测试数据的选择，以及求解方法都已经获得较大进展。然而就高速列车系统动力学参数检测而言，由于服役列车所经历环境荷载的随机性，以及列车系统本身的复杂性，其参数辨识相关技术还处于起步阶段。
【发明内容】
[0003]本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种高速列车运行动力学参数检测方法，实现对高速列车运行状态动力学参数的长期行为评估，为列车运营的安全、可靠提供技术保障。
[0004]为实现上述目的，本发明的技术方案是:
[0005]一种高速列车运行动力学参数检测方法，包括如下步骤:
[0006]步骤A、建立列车动力学状态的随机振动数值仿真模型，完成功率谱响应仿真计算，按车体、构架等部件分类输出部件整体或局部动力响应；
[0007]步骤B、对列车线路测试传感器进行优化布置，测量高速列车在线路运营时各测试点的动态响应时域信息，测试信号经过频域功率谱分析处理后提取车辆部件动态响应特征；
[0008]步骤C、由车辆系统随机振动数值仿真功率谱与线路测试功率谱的吻合，建立动力学参数检测的基本方程，S(X)=Sm，
[0009]其中，Sm为由所述步骤B实际测试的功率谱密度值，S(X)为相应由修正模型计算的功率谱密度值；
[0010]步骤D、求解步骤C中的基本方程，获得并输出功率谱密度吻合条件下的车辆动力学检测参数，完成车辆系统动力学参数检测。
[0011]进一步，根据权利要求1所述的高速列车运行动力学参数检测方法，其特征在于:在所述步骤A中，采用弹性车体有限元模型，并通过一系、二系连接系统与转向架、轮对耦合组成列车车辆动力学模型，应用无穷周期结构进行轨道模拟，建立典型轨道子结构模型，应用虚拟激励法进行随机轨道不平顺处理，进行车辆-轨道结构耦合动力学虚拟简谐分析，最终完成功率谱响应仿真计算。
[0012]进一步，在所述步骤B中，所述测试传感器的优化布置，具体包括在列车轴箱、转向架和车体安装用于测试的传感器，所述传感器至少包括加速度传感器，其中，前后转向架加速度测试分为垂向、横向两个通道，车体加速度测试分前后横向和垂向通道，转向架、车体测试分为不同采集单元，每个单元均独立工作。
[0013]进一步，在所述步骤B中，信息处理流程为轴箱、转向架或车体测试信号，经信号预处理模块后进行A/D转换，并经信号处理分析进行信号特征提取。
[0014]进一步，所述信号处理分析及特征提取采用现代功率谱估计方法，具体包括:首先通过对布设的所述传感器采集的测试数据估计出信号的AR参数模型、MA模型或ARMA模型，再按照不同参数模型的输出功率完成时域信号的功率谱估计。
[0015]进一步，在所述步骤C中，建立动力学参数检测的基本方程的步骤具体为:
[0016]建立影响车辆动力学行为的参数列表体系，此参数列表通过映射关系最终反映在如步骤A中车辆动力学有限元模型中；
[0017]通过修正系数调整车辆动力学系统的设计参数，并将车辆动力学有限元模型中修正模型的质量、阻尼和刚度矩阵表示为修正系数的函数；
[0018]如果步骤B实际测试的M个功率谱密度值表示为Sm =(5;,?*,...,?)1'，而相应由
修正模型计算的功率谱密度值表示为S (X) = (S1 (X)，S2 (X)，…，Sm(X) ) t，在理想情况下，修正后模型的计算功率谱值应与测试功率谱值相等，即得S(x)=Sm。
[0019]进一步，在所述步骤D中，采用信赖域型的L-M算法求解所述步骤C中的基本方程，获得该基本方程的最小二乘解。
[0020]综上内容，本发明所述的高速列车运行动力学参数检测方法，以高速列车的动力学参数作为监测对象，混合现场测试技术与动力学仿真技术，建立了动力学参数检测的基本方程，应用信赖域型L-M求解算法获得参数检测基本方程的最小二乘解，实现高速列车动力学参数的检测，实现对高速列车运行状态动力学参数的长期行为评估，为列车运营的安全、可靠提供技术保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明流程图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0023]如图1所示，一种高速列车运行动力学参数检测方法，以高速列车的动力学状态作为监测对象，混合现场测试技术与动力学仿真技术，通过测量高速列车在线路运营时各测试点的动态响应信息，且测试信号经过频域功率谱分析处理后提取车辆构件动态响应特征，由车辆系统随机振动数值仿`真功率谱与线路测试功率谱的吻合，建立动力学参数检测的基本方程，再应用信赖域型L-M求解算法，获得参数检测基本方程的最小二乘解，最终实现高速列车动力学参数的检测。
[0024]该检测方法具体包括以下步骤:
[0025]步骤A、建立列车动力学状态的随机振动数值仿真模型，完成功率谱响应仿真计算，按车体、构架等部件分类输出部件整体或局部动力响应。[0026]为准确反映车体整体、局部振动状态，采用弹性车体有限元模型，并通过一系、二系连接系统与转向架、轮对耦合组成列车车辆动力学模型。应用无穷周期结构进行轨道模拟，只需建立自由度极大缩减的典型轨道子结构模型，并应用其周期性边界条件，就可以得到整个轨道结构的频响特性。应用虚拟激励法进行随机轨道不平顺处理，考虑不同轮对位置处随机激励为同源完全相干模式，按谱分解观点构造具有滞后相位虚拟简谐激励。完成如上虚拟简谐激励作用下，车辆-轨道结构耦合动力学虚拟简谐分析，并按虚拟激励法基本原理完成功率谱响应仿真计算，最终按车体、构架等部件分类输出部件整体或局部动力响应。
[0027]车辆由车体(有限元模型)、2个转向架和4个轮对构成，它们之间通过一系和二系悬挂装置连接。轨道视为三维三层离散点支撑的无限长链式结构，包括钢轨，枕木和道床，选取相邻枕木之间的钢轨，以及轨下的枕木和道床作为子结构系统。钢轨采用空间梁单元离散，每个节点具有5个自由度；轨枕视为刚体，考虑其垂向、横向和转动3个自由度；道床离散为刚性质量块，只考虑其垂向振动。
[0028]三类轨道不平顺模拟为零均值平稳高斯随机过程，且彼此互不相关，其功率谱分别为Sv(co)、Sa(?)和&(ω)。考虑4个车轮受到同源轨道的随机激励，其实质为完全相干多点激励问题，四个轮轨接触点处的轨道不平顺组成的向量为:
[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)的功率谱矩阵，可以表示为如下形式:
【权利要求】
1.一种高速列车运行动力学参数检测方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤A、建立列车动力学状态的随机振动数值仿真模型，完成功率谱响应仿真计算，按车体、构架等部件分类输出部件整体或局部动力响应； 步骤B、对列车线路测试传感器进行优化布置，测量高速列车在线路运营时各测试点的动态响应时域信息，测试信号经过频域功率谱分析处理后提取车辆部件动态响应特征； 步骤C、由车辆系统随机振动数值仿真功率谱与线路测试功率谱的吻合，建立动力学参数检测的基本方程，S(X)=Sni ； 其中，Sm为由所述步骤B实际测试的功率谱密度值，S(X)为相应由修正模型计算的功率谱密度值； 步骤D、求解步骤C中的基本方程，获得并输出功率谱密度吻合条件下的车辆动力学检测参数，完成车辆系统动力学参数检测。
2.根据权利要求1所述的高速列车运行动力学参数检测方法，其特征在于:在所述步骤A中，采用弹性车体有限元模型，并通过一系、二系连接系统与转向架、轮对耦合组成列车车辆动力学模型，应用无穷周期结构进行轨道模拟，建立典型轨道子结构模型，应用虚拟激励法进行随机轨道不平顺处理，进行车辆-轨道结构耦合动力学虚拟简谐分析，最终完成功率谱响应仿真计算。
3.根据权利要求1所述的高速列车运行动力学参数检测方法，其特征在于:在所述步骤B中，所述测试传感器的优化布置，具体包括在列车轴箱、转向架和车体安装用于测试的传感器，所述传感器至少包括加速度传感器，其中，前后转向架加速度测试分为垂向、横向两个通道，车体加速度测试分前后横向和垂向通道，转向架、车体测试分为不同采集单元，每个单元均独立工作。
4.根据权利要求3所述的高速列车运行动力学参数检测方法，其特征在于:在所述步骤B中，信息处理流程为轴箱、转向架或车体测试信号，经信号预处理模块后进行A/D转换，并经信号处理分析进行信号特征提取。
5.根据权利要求4所述的高速列车运行动力学参数检测方法，其特征在于:所述信号处理分析及特征提取采用现代功率谱估计方法，具体包括:首先通过对布设的所述传感器采集的测试数据估计出信号的AR参数模型、MA模型或ARMA模型，再按照不同参数模型的输出功率完成时域信号的功率谱估计。
6.根据权利要求1所述的高速列车运行动力学参数检测方法，其特征在于:在所述步骤C中，建立动力学参数检测的基本方程的步骤具体为: 建立影响车辆动力学行为的参数列表体系，此参数列表通过映射关系最终反映在如步骤A中车辆动力学有限元模型中； 通过修正系数调整车辆动力学系统的设计参数，并将车辆动力学有限元模型中修正模型的质量、阻尼和刚度矩阵表示为修正系数的函数； 如果步骤B实际测试的M个功率谱密度值表示为》Τ? =(5,'?'…，而相应由修正模型计算的功率谱密度值表示为S (X) = (S1 (X)，S2 (X)，…，Sm(X) )\在理想情况下，修正后模型的计算功率谱值应与测试功率谱值相等，即得S(x)=Sm。
7.根据权利要求1所述的高速列车运行动力学参数检测方法，其特征在于:在所述步骤D中，采用信赖域型的L-M算法求解所述步骤C中的基本方程，获得该基本方程的最小二乘解。·
【文档编号】G01M17/08GK103852269SQ201210506733
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月1日 优先权日:2012年12月1日
【发明者】刘天赋, 丁叁叁, 田爱琴, 高宝杰, 项盼, 张有为, 赵岩 申请人:南车青岛四方机车车辆股份有限公司