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

王興宇，胡林橋

（成都運(yùn)達(dá)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(yùn)行性能和乘客乘坐舒適度的重要指標(biāo)，反映了車輛振動的客觀量級和頻率[1]。車輛振動是復(fù)雜的隨機(jī)信號，具有周期性和并發(fā)性的特點(diǎn)，對車輛平穩(wěn)性進(jìn)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(shè)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(shè)計出一種車載采集與地面分析相結(jié)合的平穩(wěn)性監(jiān)測系統(tǒng)，滿足對平穩(wěn)性進(jìn)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(yùn)行過程中車體垂向和橫向加速度進(jìn)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(jìn)行放大和濾波處理，濾波后的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和運(yùn)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(jìn)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(xué)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(jìn)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(dá)到10 kps 采樣速率，提供數(shù)字濾波器實現(xiàn)采樣功能。標(biāo)準(zhǔn)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(jī)模塊

車載主機(jī)由電源板、CPU 板、網(wǎng)關(guān)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(jìn)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(guān)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(biāo)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(biāo)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(jìn)行FFT 變換并計算其頻譜。

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

式（1）中：W為平穩(wěn)性指標(biāo)；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(yīng)的平穩(wěn)性值，車體振動信號是非平穩(wěn)隨機(jī)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(jìn)行加權(quán)處理，合成的平穩(wěn)性指標(biāo)為：

式（2）中：Ai為振動信號經(jīng)過頻譜分析后頻率fi所對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，即平穩(wěn)性指標(biāo)不大于2.75。頻率修正系數(shù)如表1 所示。車輛運(yùn)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(yùn)行平穩(wěn)性等級

本系統(tǒng)的地面軟件通過服務(wù)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(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。算法軟件自動提取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)性指標(biāo)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(yīng)時間進(jìn)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(biāo)計算的基礎(chǔ)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)區(qū)間單獨(dú)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(yùn)營，行駛速度在0～80 km/h 之間。在此以車輛在一個站點(diǎn)區(qū)間內(nèi)運(yùn)行的數(shù)據(jù)為例，進(jìn)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(jié)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(guān)；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(diǎn)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(guān)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(biāo)值

圖2 車輛垂向和橫向平穩(wěn)性特征值演化趨勢

4 結(jié)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(jìn)行在線采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至地面軟件進(jìn)行平穩(wěn)性計算和分析。由實測數(shù)據(jù)分析結(jié)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(biāo)，同時可提取出特征值，反映平穩(wěn)性的演化過程。