列车蛇行运动仿真监测与虚拟试验研究*

孟建军，晏永，张艳龙，胥如迅

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070)

实时获取运行列车动力学状态，并对故障做出预先判断［1］，进而采取有效解决措施，对确保铁路安全运输十分重要。目前，国内在列车运行动力学性能检测试验中，普遍采用在试验列车中加挂试验车方式，已取得了较大进展，但这需要投入大量的人力，财力，物力以及时间成本等［2］。传统列车振动检测技术大多采用离线方式，与外界交互灵活性远远不够，即当列车出现剧烈振动时，需要司机干预，这种模式已不适用于轨道车辆发展的新需求。而虚拟试验技术以先进的计算机仿真技术为基础，可开发出集车辆检测、调试及性能评估为一体的虚拟试验环境，为高效、低成本开发和研制车辆产品提供一种可行的途径。随着列车迈向高速化发展时期，蛇行运动不仅影响列车运行稳定性，更对其安全造成严重隐患［3］。本文以列车横向振动MATLAB/Simulink模型作为监测对象，搭建基于LabVIEW的列车蛇行运动实时监测虚拟试验平台，在线显示运行列车横向振动状态，同时通过对固定时间段内采集到的反映蛇行运动特征的数据进行频谱分析，并对列车运行平稳性做出评价。

1 系统总体设计

横向振动作为导致列车蛇行运动发生的本质因素，影响着列车运行平稳性与安全性。本文通过建立横向振动17自由度Simulink模型，选用LabVIEW作为数据处理分析软件，通过LabVIEW SIT模块实现二者间的连接［4－6］，搭建包含检测、性能评估为一体的虚拟试验平台，系统结构如图1所示。检测参数包括影响列车安全及乘客舒适性的轮对横向位移、横向加速度，车体横向位移、横向加速度，当前列车数据采集完成后，利用LabVIEW建立的虚拟试验平台对当前及最近一段时间内数据进行处理分析，并给出当前运行车辆动力学性能指标。

图1 系统原理框图Fig.1 System principle diagram

2 列车横向振动建模

在对车辆横向动力学分析时，轮对主要考虑横摆和摇头自由度;构架和车体均需要考虑横摆、摇头和侧滚自由度。故单辆车的横向振动系统共有17个自由度。在建立整车运动微分方程时，作如下假设［7－8］:

(1)车辆沿着轨距不变、刚性路基上的平直轨道作等速运动，车轮连续不断与钢轨接触;(2)一系悬挂和二系悬挂的特性是线性的;(3)车体对于通过质心的纵向垂向平面左右对称，通过质心的横向垂直平面前后对称;(4)前、后转向架的结构与各个零部件以参数尺寸完全相同。

利用Simulink建立17自由度动车组单节拖车整车模型，如图2所示。

各模块主要功能如下:(1)车辆模型模块，实现15自由度车辆结构模型的所有微分方程，由轮对、转向架、车体等几个模块构成;(2)轨道谱fx和sp模块分别为方向不平顺与水平不平顺2个模块［9－11］，本文采用美国六级轨道谱［11］模拟列车运行轨道实际运行工况;(3)输入数据处理模块:主要是提供模型仿真实验所需要的所有参数;(4)输出数据处理模块:该模块便于输出模型结果，输出参数包括车体横向加速度、横向位移，轮对横向加速度、横向位移等。

图2 列车横向振动Simulink模型Fig.2 Train lateral vibration Simulink model

3 系统软件设计

本系统软件采用具有操作简单、开发周期短、功能完善等优点的虚拟仪器［3，12］Labview2012，利用模块化思想进行开发，进行编程，主要实现的功能如图3所示。

图3 系统分析显示平台功能框图Fig.3 System analysis and showing platform structure

数据采集功能的实现:LabVIEW SIT模块能够将MATLAB/Simulink工具与LabVIEW进行无缝集成，可以自动产生Simulink模型接口的LabVIEW代码。能够快速构建有很好的可视性、人机界面逼真度高的仿真系统能力［5，6，13］，具体方法如下:

Step1:Simulink中创建列车横向振动模型，如图2所示。其中列车运行速度v(km/h)为控制输入。输出性能指标如车体横向速度、轮对横向加速度、轮对横向位移等，加入SIT In、SIT Out节点，用于将模型运行数据传递到SIT Manager中。此外，还要加入Signal Probe探针以便和LabVIEW进行数据传送。最后文件保存为＊＊＊.mdl格式。

Step2:利用LabVIEW创建系统界面，主要包含列车横向振动实时运行车辆内部动力学参数曲线、数据处理分析显示与保存等。创建完成后保存。

Step3:与Simulink进行通信。在前面板中选择“工具≫SIT Connection Manager”，运行 SIT Connection Manager对话框，在“Category≫Model and Host≫Current Model”中打开选择Step1中创建的＊＊＊.mdl模型。在“Category≫Mapping”选择对应值建立Map关系。

图4 LabVIEW与Simulink连接程序框图Fig.4 Programming flowchart between LabVIEW and Simulink

Step4:在SIT Connection Manager建立关系后，LabVIEW中会自动生成程序面板的框图如图4所示。点击运行，LabVIEW与Simulink建立通信。

数据处理分析模块，主要用来显示当前列车运行动力学状态;对采集数据利用FFT进行频谱分析;给出当前运行列车Sperling平稳性指标。数据存储主要用来对采集数据、数据分析结果进行存储，以便日后查询。运行LabVIEW后，输入列车运行速度v，得到相关参数仿真曲线，以车体加速度为例，如图5所示。

图5 列车在线运行车体加速度Fig.5 Train on － line running vehicle acceleration

4 数据分析

4.1 列车蛇行振动判定

图5可知，列车横向振动在中低频若干频率上加速度值有明显振幅，提取该频率的加速度振动量。因为蛇行运动为一种自激振动，故由振动方程可知，该振动有以下特点:

(1)将加速度值通过低通滤波、加速度一位移变换后，所得的轨迹图像可观测到明显的正弦运动图像。可清楚的观测到其波峰、波谷及振动波长。

(2)通过傅里叶变换后可清楚的看到位移的频谱图在某频段有较大的幅值。当超过一定的阈值时，则可判断该时刻列车发生了蛇行运动。

当上述2个条件全部满足的情况下，可以判断该列车运行时产生了蛇行运动。

利用LabVIEW对采集数据进行预处理，使之转换为波形数组数据，利用频谱分析模块对设定一段时间内的数据进行频谱分析，如图6。提取该段时间内在某些频率加速度振幅比较大的点，来判断当前列车运行是否存在蛇行运动或其趋势。图7为采集波形经分析处理后的列车车体加速度频谱曲线。

图6 频谱分析程序框图Fig.6 Spectral analysis programming flowchart

图7 横向振动频谱分析Fig.7 Lateral vibration spectral analysis

4.2 平稳性指标

高速列车运行平稳性评价指标是列车运行品质的客观评判准则［14－15］，是列车动力学性能重要评价指标，我国在GB5599－1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规程中规定采用Sperling(斯佩林)指标来评价机车车辆的运行平稳性，并一直沿用至今。

本文以Sperling平稳性指标为例对列车运行平稳性展开研究，分析列车运行动态性能。平稳性指标通常是指按照GB5599－1985的要求，平稳性测量的每个速度级至少采集10至20段18 s的时间段。车体振动加速度包含多个频率成分，单一频率的平稳性指标计算主要按照Sperling经验公式计算:

式中:Wi为平稳性指标;Ai为振动加速度(g);fi为振动频率(Hz);F(fi)为频率修正系统。

频率修正系数如表1所示。

表1 频率修正系数Table 1 Frequency correction factor

不同频率加速度平稳性指标值再按下式进行合成，平稳性指标计算的频率范围为0.5～40 Hz，平稳性指标评定等级如图8所示。

假定列车当前是惰性运动的，将采集的列车运行振动数据首先进行处理，转换成波形数据，再进行统计分析，获取该段时间内车体加速度明显的振幅以及相应的频率值，根据式 (1)和式(2)求出多个频率下的列车横向振动平稳性指标。对新采集的数据重复进行上述操作，共10次，计算当前列车Sperling指数，并实时给出列车当前运行平稳性等级(1为优秀;2为良好;3为及格)，如图8所示。图9为车辆实时Sperling平稳性指标曲线走势图。

图8 Sperling平稳性指标(优秀)Fig.8 Sperling stability index(excellent)

图9 列车运行Sperling平稳性指标Fig.9 Sperling index on train running

5 结论

(1)以列车横向振动Simulink模型为对象，与LabVIEW相结合，利用虚拟试验技术研究模拟列车运行动力学状态，可以实时采集和显示列车动力学运行性能参数，并进行相关处理分析，实时反映蛇行运动特征以及运行平稳性能，为有效改善列车运行品质提供参考依据。

(2)传统试验方法建立在理论分析基础上，利用软件仿真或设计相关硬件对模型进行调试验证，对运行列车相关参数获取或者过于简单、或者开发阶段复杂，并存在研发成本偏高，与实际情况不符等问题。本文研究采用虚拟试验法不仅能够模拟在线处理列车运行信息，而且具有开发可靠性高、周期短和成本低等优点，在二次开发维护等方面也有明显优势。同时，系统丰富的网络化接口可为列车自动驾驶控制技术的研究提供有益借鉴价值。

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