車輛動態響應檢測系統

■ 梁志明 劉伶萍 劉維楨

1 車輛動態響應檢測系統概述

車輛動態響應檢測系統（簡稱檢測系統）在CRH380B-002高速綜合檢測列車的不同位置安裝車體、構架、軸箱加速度傳感器，采用多斷面分布式采集技術，在不同地點（動車組1、3、8號車）進行數據采樣和處理，根據車輛動態響應，評價、分析模型輔助評價軌道狀態。

1.1 檢測系統構成

檢測系統在1、3、8號車各安裝了一個斷面加速度傳感器，包括車體、構架、軸箱橫向和垂向加速度，每斷面單軸傳感器共計8個。每斷面的車上設備由一臺計算機、一臺加速度測量儀、一臺同步信號傳輸轉換器組成，1、3、8號車的設備分別安裝在1號機柜、18號機柜、29號機柜中，一臺遠程控制計算機安裝在13號機柜中。

檢測系統對3個斷面的車體、構架、軸箱加速度信號進行采集處理（見圖1），接收整車時空同步信息，為采集到的數據打上時間、里程標簽，同時將檢測數據通過網絡傳輸到中央處理計算機。

縱向加速度正方向為列車8號至1號車沿軌道運行方向，垂向加速度正方向為車輛垂直運動向上的方向，橫向加速度正方向為車輛縱向水平向左橫向運動的方向。1、3、8號車3個斷面傳感器安裝方向見圖2。在軟件中可進行調整，以保證傳感器輸出極性與定義一致。

1.2 主要技術指標

圖1 檢測系統對加速度信號進行采集處理示意圖

圖2 傳感器安裝方向

表1 檢測系統技術指標

檢測系統技術指標見表1。檢測系統安裝在最高試驗速度400 km/h的檢測列車上，傳感器量程選擇應考慮需要分析的頻帶內的振動加速度幅值范圍，又要考慮傳感器本身所能感受的頻帶內的振動加速度幅值范圍，并兼顧振動環境的沖擊，根據實際采集的數據分析，可能對傳感器量程進行調整，以提高信噪比。檢測系統頻響可根據具體情況靈活調整。

1.3 技術特點

列車高速運行時，軌道不平順激起軸箱、構架和車體各單元振動，各種軌道不平順引起的車輛振動特性不同。為研究列車對軌道不平順的動態響應，找出軌道不平順激勵規律，以分析評價軌道不平順狀態，更好地輔助評價線路質量。

檢測系統采用分布式和網絡化的測試方法，采用計算機遠程控制分布在不同地點的測試設備同步工作，并通過網絡傳輸數據和同步信息。由于測量數據量大、測點分散，以及測試實時性、可靠性和遠距離協同操作的要求，分布式網絡化測試系統從體系結構、數據傳輸、數據處理、人機接口至系統的綜合性能與傳統的測試系統不同。在綜合檢測列車的1號車1位、3號車2位和8號車2位端部分別設置了軸箱、構架、車體加速度傳感器，在3號車設置了遠程控制計算機，控制分布在3個斷面的軸箱、構架、車體加速度信號同步采集，并通過網絡傳輸數據。按照空間里程位置同步輸出波形，按照評價分析模型進行數據處理及統計，檢測斷面可擴展。

2 檢測原理與方法

構建多斷面車輛動態響應數據采集處理單元和數據分析單元。實現車體、構架和軸箱3斷面，頭車、尾車、中間車的多車輛加速度動態響應數據采集和分析功能，利用車輛動態響應結果對線路狀態進行評價。檢測系統由數據采集單元、數據處理單元和時空同步校準單元構成。

2.1 數據采集單元

數據采集單元主要完成各斷面加速度響應通道數據采集工作，實現多通道數據同步，生成CIT格式文件；可根據試驗用的傳感器種類、數量和參數，確定試驗線路、使用的數據采集系統類型等，以及定義試驗模型和設置原始參數；繪制波形圖及臺賬信息，并顯示振動加速度、速度脈沖、地面標志、陀螺儀等多種類型的信號波形，數據可連續同步保存到硬盤等存儲介質上。在采集或回放過程中，用戶可打開速度里程表同步查看速度里程信息。主要硬件模塊為加速度測量儀和信號同步裝置。

加速度測量儀對加速度傳感器供電，并將信號引入采集裝置，通過分布式采集單元設置主控端和終端，接收綜合系統送來的距離脈沖，遠程控制計算機控制各斷面采集裝置，并對信號進行采集。加速度傳感器輸入分為左軸箱、右軸箱、構架和車體加速度，每個接口可輸入3個通道，還有距離脈沖輸入及備用接口。

在檢測系統中的3個不同位置安裝加速度測量儀，其中包括數據采集裝置。采集裝置在時間上是同步的，同步信號可以是GPS模塊接收來的絕對時間，也可以是以一臺采集裝置的時間為標準，將標準時間以DCF77的數據格式傳送到其他采集裝置。如果采集裝置之間距離很遠，采用線纜傳輸信號可能衰減、延時，并容易受到干擾。因此采用光纜遠距離傳送同步信號，信號同步裝置將DCF77數據格式的同步信號轉換成光信號，通過光纜傳輸至遠端，再將光信號轉換回電信號，輸入至采集裝置，使采集裝置之間達到同步（見圖3）。

2.2 數據處理單元

數據處理單元是實時或后處理CIT格式文件，對CIT格式原始數據進行數據濾波處理、區段統計、生成散點圖、打印報表及計算能量集中率等指標。根據算法要求，處理多通道加速度響應數據和計算車輛動態響應指標。采用靈活的Matlab和C++聯合編程實現算法集成功能，為算法指標試算和應用提供一個平臺，可以打印及預覽波形圖和報表，查看波形圖、散點圖、超限報表、總樣本報表和區段匯總報表等。

（1）散點圖。CIT格式文件處理后可根據文件保存斷面生成響應的TXT文件，TXT文件統計的是軸箱、構架、車體每200 m的不同濾波最大值，散點圖（見圖4）是在坐標系顯示統計的最大值（顯示一個斷面）。圖中藍色曲線表示速度，紅色方點表示200 m最大值的位置（獲得焦點后會顯示詳細信息）。在坐標軸內可用左鍵拖放顯示數據，單擊右鍵切換顯示類型及還原原始坐標大小。

圖3 同步信號傳輸與采集裝置同步示意圖

（2）區段統計。區段統計分200 m最大值統計、200 m超限值統計、軸箱標準差統計和構架平均能量集中率統計。200 m最大值統計即每200 m為一區段，數據濾波取絕對值得到最大值，軸箱的濾波范圍為200～450 Hz帶通濾波，構架橫向加速度濾波范圍為低通10 Hz，車體垂向加速度濾波范圍為低通20 Hz，車體橫向加速度濾波范圍為低通10 Hz。目前，超限值統計標準是軸箱垂向≥150 m/s2，構架橫向≥8.0 m/s2，車體垂向≥2.5 m/s2，車體橫向≥2.0 m/s2。軸箱標準差的濾波范圍為低通200 Hz，濾波后200 m統計均方差。

（3）報表打印與setup.ini配置文件。目前，數據處理軟件可提供區段超限值和散點圖打印功能，在報表打印設置窗體內可選擇打印類型、斷面、車次、路線，散點圖需要選擇結構方向，支持打印預覽。

2.3 時空同步校準單元

通過反射內存卡接收綜合發送的里程速度信息，并經CAN口轉發給數據采集設備，以模擬通道方式進行保存，為數據鋪設線路里程標，實現數據在時間和空間上的同步。

（1）數據預處理。數據采集單元具有8個模擬輸入通道，通道間相互隔離，隔離電壓不小于300 V（10 s），每個通道可獨立調理，給傳感器提供5 V/10 V/12 V/15 V/24 V電源；可進行8階低通、4階高通及帶通濾波，截止頻率2～5 kHz采用軟件控制調節；A/D采樣精度16位，最大總采樣頻率50 kHz，各通道同步采樣，采樣頻率可調，電壓最大測量范圍≥±60 V，測量電壓精度≤0.1%；頻響≥8 kHz（-0.2 dB）。

（2）增量式編碼器通道。數據采集單元內置4個增量式編碼器通道，每個通道可接入數字信號或模擬信號，測量速度、距離、轉速、轉角，采樣率不低于50 kHz，輸入電壓范圍≥±30 V，計數頻率≥32 MHz，模擬帶寬500 kHz，可用軟件調整閾值和滯后范圍。

（3）CAN總線配置。數據采集單元配置2個CAN總線節點，支持ISO 11898（High Speed 1MBaud）和ISO 11519（Low Speed）傳輸協議。

3 數據分析

3.1 實測數據時域

檢測系統在車輛運行時測量斷面各部分的加速度響應。加速度的改變取決于運行狀態。在各種運行條件下，檢測系統的軸箱加速度響應與線路間隔100 m焊接接頭的特征相符；曲線欠超高工況下車輛通過，橫向加速度應與曲線通過附加離心加速度趨勢相符；多次測量結果重復性良好。

車輛以400 km/h速度3次通過實驗線的軸箱加速度波形見圖5。圖中藍、紅、綠分別為3次通過實驗線時的軸箱接頭響應特征，可以看出軸箱加速度對線路100 m間隔接頭短波不平順響應特征與理論分析一致。圖中數據為1 000 Hz截止頻率，分別統計1、2、3、4、5軸箱左側和右側垂向加速度及軸箱橫向加速度，計算3次通過5個沖擊點的幅值標準差。軸箱左側最大垂向加速度23.20 m/s2，均值14.44 m/s2；軸箱右側最大垂向加速度15.37 m/s2，均值11.51 m/s2；軸箱最大橫向加速度3.43 m/s2，均值2.42 m/s2，重復性良好。

圖4 散點圖

圖5 軸箱加速度波形

圖6 欠超高曲線車體加速度波形

車輛以400 km/h速度3次通過試驗線欠超高曲線時的車體加速度波形見圖6、車體橫向加速度波形見圖7。曲線超高設置的均衡速度為330 km/h，通過半徑9 000 m的曲線，理論計算車體橫向未平衡加速度為-0.48 m/s2，實測車體橫向加速度為-0.55 m/s2；通過半徑14 000 m的曲線，理論計算車體橫向未平衡加速度為0.28 m/s2，實測車體橫向加速度為0.3 m/s2。實測車體橫向加速度為未平衡加速度，與曲線方向超高設置理論響應一致，重復性良好，動態響應準確。

在試驗線K757+200和K752+800 2處設置三角坑，綜合檢測列車通過時，構架加速度在K757+200處的響應特征見圖8，車體加速度在K752+800處的響應特征見圖9。構架和車體加速度響應與線路設置三角坑的特征相符、里程位置對應。

3.2 實測數據頻域特性分析

以320 、350 、380和400 km/h速度測試車體橫向加速度頻域響應特性，車體橫向加速度頻譜分析見圖10，車體橫向加速度在大于10 Hz時衰減，響應特征符合檢測系統車體橫向加速度設置。

圖7 欠超高曲線車體加速度波形

圖8 構架加速度響應特征

圖9 車體加速度響應特征

以320、350、380和400 km/h速度測試車體垂向加速度頻域響應特性，車體垂向加速度頻譜分析見圖11，車體垂向加速度在大于20 Hz時衰減，響應特征符合檢測系統車體垂向加速度設置。

以320、350、380和400 km/h速度測試構架加速度頻域響應特性，構架加速度頻譜分析見圖12，構架加速度在大于50 Hz時衰減，響應特征符合檢測系統構架加速度設置。

圖10 車體橫向加速度頻譜分析

圖11 車體垂向加速度頻譜分析

以320、350、380和400 km/h速度測試軸箱在0～1 000 Hz振動頻段的響應特性，軸箱加速度頻譜分析見圖13。從圖中可以看出，軸箱加速度信號基本覆蓋了軌道不平順響應特征頻段。

圖12 構架加速度頻譜分析

圖13 軸箱加速度頻譜分析

4 結論

（1）通過試驗證明，車輛動態響應系統檢測數據穩定，軸箱加速度響應與線路間隔100 m焊接接頭的特征相符；通過欠超高曲線時，橫向加速度與曲線附加離心加速度趨勢相符，重復性良好。

（2）頻域分析表明，車輛動態響應數據能夠正確反映軌道存在的各種不平順激勵，尤其是短波不平順，可以利用車輛動態響應輔助評價軌道不平順。

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