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列车悬挂系统的性能监测

任宁  
【摘要】:作为保障列车安全运行的卫士,悬挂系统的性能监测技术近年来受到了广泛的关注。它定量分析悬挂系统的性能,从而为列车的性能维护和预检修提供参考。这不仅提高了列车的稳定性和安全性,还降低了列车的运营成本。传统的监测技术往往是总体性的,不能很好地反映出某个元件的性能。而近年来计算机技术和传感器技术的进步为该技术的发展带了新的契机,新提出的监测技术实时性好,精度高,能直观地反映各个元件的性能,更加适应现代铁路部门的需求。本文分别从横向悬挂系统和垂向悬挂系统出发,利用车载传感器测量得到的数据,提出了监测列车悬挂系统性能的方法。具体内容包括: ①介绍了列车悬挂系统的定义与分类,从列车脱轨事故报告出发分析性能监测的必要性,并阐述了悬挂系统的故障原因和故障类型。同时,从车载传感器技术出发,描述了国内外性能监测方法的发展现状。 ②介绍了轨道不平顺信号的概念和组成,分别利用白噪声滤波法和基于频谱采样的三角级数法模拟了轨道高低不平顺信号。在分析列车的运动模态后,分别建立了垂向悬挂系统和横向悬挂系统的模型,为进一步分析弹簧和阻尼器的性能监测方法打下基础。 ③为了监测二系横向悬挂系统的性能,从七自由度模型出发,先利用车载传感器测得转向架和车体的加速度,再运用基于FFT变换和频域计算的方法分别得到转向架和车厢的速度,最后结合最小二乘法的原理计算得到弹簧的刚度和阻尼器的阻尼系数。而对于采用天棚阻尼控制的二系悬挂系统,先用同样方法估计出转向架和车厢的速度,再利用阻尼器输出可测的特点筛选出输出不为0的那些时间点对应的数据,然后结合最小二乘法计算得到悬挂系统性能参数大小。 ④创新性地提出了一种基于互相关的垂向悬挂系统性能监测方法。从列车垂向悬挂系统的机理模型出发,先根据故障特点确定了两个性能指标作为研究的切入点。突破了传统互相关方法的瓶颈,从理论上推导了互相关方法的表达式,使互相关从定性分析方法跃变为定量分析方法。然后,对于轨道的高低不平顺信号难以直接精确测量的技术难题,本章又提出了改进后的互相关方法,从理论上完整地阐述了监测弹簧刚度和阻尼器的阻尼系数的过程。而仿真研究也验证了改进后的互相关方法对于定量分析悬挂系统性能参数的有效性。 ⑤对于垂向悬挂系统,本章提出了一种基于模拟滤波的性能监测方法。先对悬挂系统的模型求两次导数并做拉普拉斯变换,再引入模拟滤波器从而得到新的模型方程,然后选择合适的方法估计性能参数。具体的实现步骤是,首先利用车载传感器测量转向架的加速度和转角加速度,经过零阶保持器后获得连续信号。其次,设计合适的模拟滤波器处理该信号,并以相同周期采样再次得到离散信号。再次,结合最小二乘法的原理计算出悬挂系统的弹簧刚度和阻尼器的阻尼系数,并利用二分法处理历史数据以获取故障发生的确切时间。该方法的重点是根据转向架的加速度频谱和噪声频谱设计合适的模拟滤波器,这样才能尽可能多地保留有用信号,使结果更加准确。从新的思路解决了转向架绝对位移和绝对速度难以直接测量的技术性问题。仿真研究的结果显示这种方法能准确计算出弹簧和阻尼器的参数,并且可以对故障发生的时间点进行定位。


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