一种用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成方法与流程

本发明涉及轨道交通车辆设备技术领域，特别涉及一种用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成方法。

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。

为了真实反映动车组变流器在运行环境下的振动烈度，往往采用实测数据对其进行实验室模拟试验。大量的振动测量结果往往无法直接用于振动环境的模拟，只有通过恰当的归纳处理才能够反映出动车组变流器的综合振动特征，并且归纳出振动环境规范谱。

上述归纳处理方法通常采用HB/Z 87-84、GB/T 10593.3-90和GJB/Z 126-99的统计方法，然而针对动车组变流器来说，目前还未有相关机构或个人进行振动环境规范谱的研究；本发明提出用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成方法，能够针对动车组变流器进行质量检验，对于振动适应性评价具有一定作用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成方法，该生成方法可以获得精准的振动环境规范谱，对于动车组变流器的振动检测提供了可靠保障。

为实现上述目的，本发明提供一种用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成方法，包括如下步骤：

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预设容差系数F进行频域数据归纳，形成振动环境规范谱。

相对于上述背景技术，本发明提供的振动环境规范谱的生成方法，其核心在于，获取在动车组行驶过程中变流器的振动数据，并且将上述振动数据进行数据分段，形成多组分段数据，针对每一组分段数据计算得到加速度功率谱，从而形成多个特征样本；由于形成多组分段数据，从而增加了特征样本数量，进而提高了后续的计算精度。针对多个特征样本，本发明可以按照预设容差系数F进行频域数据归纳；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进行频域数据归纳；即，结合轨道交通关于可靠性的要求，优选按照第二容差系数F₂＝1.65进行频域数据归纳；采用如上设置方式，可以得到较为精准的振动环境规范谱，从而对动车组变流器的振动检测提供了可靠保障。

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具体包括：

根据每一组所述分段数据通过快速傅里叶变换得到所述加速度功率谱，根据每个所述加速度功率谱形成特征样本。

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。

优选地，所述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的步骤具体包括：

判断同一测点下全部测量次数所对应的全部所述特征样本中同一频率点的样本能否归纳为同一总体，若是，则进入下一步；

根据所述预设容差系数F利用容差法对同一测点下所述同一频率点的多次测量数据进行估计，得到同一测点的估计样本；

根据每个测点的所述估计样本进行频段划分，针对每个测点的所述估计样本得到多个不同频率范围内的频率样本G_k(p，q)；

判断全部所述估计样本中对应于同一频率范围内的多个所述频率样本G_k(p，q)是否能够归纳为同一总体，若是，则进入下一步；

根据公式G_h(p)＝[X_h(p)+F×S_h(p)]²对各个频率范围内的平直谱进行估计；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，F为容差系数，S_h²(p)为所述加速度功率谱的谱密度的方根方差；

在双对数坐标下，根据各个频率范围内的所述平直谱得到振动环境规范谱。

优选地，所述判断全部所述估计样本中对应于同一频率范围内的多个所述频率样本G_k(p，q)是否能够归纳为同一总体的步骤具体包括：

根据所述频率样本G_k(p，q)相邻谱线所对应的进行参数估计与假设检验，若检验为真，则全部所述频率样本G_k(p，q)能够归纳为同一总体。

优选地，所述在对数坐标下，根据各个频率范围内的所述平直谱得到振动环境规范谱的步骤具体包括：

在双对数坐标下，将各个所述频率范围内的平直谱内的数据点相连接，以形成所述振动环境规范谱。

优选地，所述获得动车组变流器在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：

将用以获取所述振动数据的传感器设置于所述变流器的安装座，且所述安装座与动车组的车身本体连接。

优选地，所述获得动车组变流器在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：

将用以获取所述振动数据的传感器设置于所述变流器的布点处，且所述布点的刚度和振动烈度分别与所述变流器的安装座的刚度和振动烈度相同，而所述安装座与动车组的车身本体连接。

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用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的动车组变流器的结构示意图。

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用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成方法的流程图；图2为本发明实施例所提供的动车组变流器的结构示意图。

本发明提供的一种用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成方法，主要包括如下步骤：

S1、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；

S2、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；

S3、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；

S4、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9振动；本发明采集变流器9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9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9的安装座1的方式；即，变流器9的安装座1与动车组的车身本体连接，安装座1能够实现变流器9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预设容差系数F进行频域数据归纳，其中，预设容差系数F具体为第一容差系数F₁＝1.64或者第二容差系数F₂＝1.65进行频域数据归纳，从而形成振动环境规范谱。

在这一步骤中，本发明的核心在于利用第一容差系数F₁＝1.64或者第二容差系数F₂＝1.65进行容差计算，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，步骤S2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，进行步骤S3，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。

针对上述步骤S4中频域数据归纳的方法，本文给出如下实施方式：

根据上述假设，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，特征样本为频域数据。

针对同一测点来说，一个测点处的数据往往采集多次，假设M次，即一个测点共有M组的5个特征样本；

首先、判断同一测点下全部测量次数所对应的全部所述特征样本中同一频率点的样本能否归纳为同一总体，若是，则进入下一步；

具体来说，针对一个测点共有M组的5个特征样本来说，每一个特征样本均具有Z个频率点，判断同一频率点下全部测量次数所对应的全部特征样本能否归纳为同一总体；即，M组的5个特征样本的同一频率点能够归纳为同一总体，若可以，则进行第一次归纳，即，根据所述第一容差系数F₁＝1.64或者所述第二容差系数F₂＝1.65利用容差法对同一测点下所述同一频率点的多次测量数据进行估计，得到同一测点的估计样本。

需要说明的是，当上述总体的数量＞45时，优选采用第二容差系数F₂＝1.65，而当上述总体的数量趋于无穷大时，则优选采用第一容差系数F₁＝1.64；结合轨道交通的可靠性要求，本发明最优选取第二容差系数F₂＝1.65。除此之外，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。

即，针对同一测点的M次采集数据归纳为一次采集数据，且归纳为同一测点的一个估计样本，一个估计样本中包含Z个频率点。

然后、根据每个测点的所述估计样本进行频段划分，针对每个测点的所述估计样本得到多个不同频率范围内的频率样本G_k(p，q)；

由于具有多个测点，每个测点具有一个估计样本，即一条曲线；将多个测点分别对应的多个估计样本绘制于同一坐标中，即多条曲线绘制于同一坐标中，进行频段划分，每一频段内具有多条曲线。

之后，判断全部所述估计样本中对应于同一频率范围内的多个所述频率样本G_k(p，q)是否能够归纳为同一总体，若是，则进入下一步，进行第二次归纳。

根据公式G_h(p)＝[X_h(p)+F×S_h(p)]²对各个频率范围内的平直谱进行估计；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，容差系数F具体为第一容差系数F₁＝1.64或者为第二容差系数F₂＝1.65，S_h²(p)为所述加速度功率谱的谱密度的方根方差；

最后，在双对数坐标下，根据各个频率范围内的所述平直谱得到振动环境规范谱。

针对上述步骤，根据所述频率样本G_k(p，q)相邻谱线所对应的进行参数估计与假设检验，若检验为真，则全部所述频率样本G_k(p，q)能够归纳为同一总体。

除此之外，针对上述最后一步中，在双对数坐标下，将各个所述频率范围内的平直谱内的数据点相连接，以形成所述振动环境规范谱。

简单来说，步骤S41～步骤S46进行了两次归纳，并且每次归纳之前均进行了相应的假设检验；在第一次归纳时，针对同一测点M次采集归纳为一次采集，且归纳为同一测点的一个估计样本，估计样本包含Z个频率点。在第二次归纳时，将各个相邻的频率点进行归纳为同一点，上述计算步骤与现有技术类似，可以参数现有技术利用第一容差系数F₁＝1.64或者为第二容差系数F₂＝1.65进行计算。

针对容差系数的取值，结合轨道交通的可靠性要求，本发明最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。

如上文所述，针对测点的布置方式，将测点布置于变流器9的安装座1处，如果变流器9的安装座1无法安装传感器，则应选取与安装座1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用于动车组变流器的振动环境规范谱的生成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。