城轨车辆运行平稳性状态监测与性能演化分析＊

王兴宇，胡林桥

（成都运达科技股份有限公司，四川 成都610097）

列车平稳性是评价车辆运行性能和乘客乘坐舒适度的重要指标，反映了车辆振动的客观量级和频率[1]。车辆振动是复杂的随机信号，具有周期性和并发性的特点，对车辆平稳性进行长时间监测是有必要的[2]。目前的平稳性测试以便携性和临时性的设备为主，其系统集成度不高，数据不能长期积累[3]。本研究设计出一种车载采集与地面分析相结合的平稳性监测系统，满足对平稳性进行长期监测的需求。

1 车载平稳性监测系统

车载平稳性监测系统对车辆运行过程中车体垂向和横向加速度进行检测、处理、传输。通过安装在车体底部的加速度传感器采集车体振动信号，经过前置数据处理器将信号进行放大和滤波处理，滤波后的信号通过模数转换和运算处理生成信号数据包，使用以太网自动传输至地面系统进行存储和平稳性计算输出。该系统的主要硬件模块如下。

1.1 传感器模块

本系统采用压电式三轴振动加速度传感器，量程为±10 g，灵敏度500 mV/g。根据GB 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》[4]，将测定车辆车体垂向和横向振动加速度的传感器安装在心盘内侧距心盘中心线小于1000 mm 的车底架中梁下盖板上。

1.2 前置数据处理器

前置数据采集器主要包括信号调理模块和AD 转换模块，调理模块可对模拟信号进行放大和二阶抗混叠滤波处理，能够改善信号的信噪比。12 位AD 转换电路的每个通道能达到10 kps 采样速率，提供数字滤波器实现采样功能。标准以太网接口可实现数据通信和监听功能。

1.3 车载主机模块

车载主机由电源板、CPU 板、网关板组成，实现对前置采集数据的收集，并上传至地面系统。电源板将输入电源转换为DC5 V、DC24 V 给系统各部分提供驱动电源，保证系统正常工作。CPU 板将采集信号进行汇总打包处理，按一定规则生成数据包，并通过网关板实现以太网通信，传输至地面系统。

2 车辆平稳性评估方法

车辆平稳性指标值是由车体垂向或横向振动加速度计算得到的。从车载监测系统采集的车体振动加速度信号的采样频率是2048 Hz，满足GB 5599—1985和采样定理的要求。车辆平稳性指标的计算方法如下。

将车载采集数据解析后得到用实际物理量表示的离散数据{Ai}（i=1，2，…，n）。

取20 s 的振动数据进行FFT 变换并计算其频谱。

对各个振动频率对应的所有频谱分别进行如下计算，求得平稳性指标W：

式（1）中：W为平稳性指标；A为振动加速度，g；f为振动频率，Hz；F（f）为频率修正系数。

上式为单一频率振动对应的平稳性值，车体振动信号是非平稳随机信号，在同一振动方向同时存在多种频率成分，将各频率的平稳性值进行加权处理，合成的平稳性指标为：

式（2）中：Ai为振动信号经过频谱分析后频率fi所对应的振动加速度幅值。

对于垂向振动和横向振动，修正系数不同，但最终计算得出的平稳性具有相同的评定等级。一般车辆的平稳性不低于2 级标准，即平稳性指标不大于2.75。频率修正系数如表1 所示。车辆运行平稳性等级如表2 所示。

表1 频率修正系数

表2 车辆运行平稳性等级

本系统的地面软件通过服务器接收以太网传输的数据包，解析后得到车体振动信号，以秒为单位进行数据存储。算法软件自动提取原始数据进行平稳性指标计算，每次计算以20 s 的步长滑动取数据，每秒得到一个平稳性值，并按对应时间进行存储。

3 车辆平稳性演化分析

在车载装置的数据采集和地面软件的指标计算的基础上，通过长期对车辆平稳性的监测，可对车辆平稳性的演化过程进行分析。平稳性值是离散数据，需要从中提取出表示平稳性状态的特征值来反映其在时间尺度上的演化过程。本系统将车辆的振动信号按单趟车次进行划分，计算出每趟的平稳性值，并从每趟的平稳性值中提取出一个表征其状态的特征值，即均方根值。为了控制线路对平稳性的影响，每个站点区间单独提取一个特征值。

本系统监测的城轨车辆在某地铁正线正常运营，行驶速度在0～80 km/h 之间。在此以车辆在一个站点区间内运行的数据为例，进行平稳性演化分析。该区间内车辆平稳性值的变化情况如图1 所示，结合速度曲线可以看出，平稳性值的大小与速度呈现正相关；垂向平稳性值比横向稍大，但变化趋势一致；平稳性状态良好，没有超过阈值2.75。

平稳性演化如图2 所示，给出了一年内平稳性特征值的变化过程，每个数据点表示单日的特征值，即单日内所有车次特征值的平均值。由图2 可知，平稳性特征值在局部呈现小范围波动状态，整体则表现出缓慢增大的趋势，说明该车辆与平稳性相关的性能有所降低。通过系统的持续监测，将形成较为完整的车辆平稳性演化曲线，由此可整体判断车辆平稳性所处的状态。

图1 车辆垂向和横向平稳性指标值

图2 车辆垂向和横向平稳性特征值演化趋势

4 结论

本平稳性监测系统对城轨车辆的车体振动信号进行在线采集，并将数据传输至地面软件进行平稳性计算和分析。由实测数据分析结果可知，该系统能够有效采集数据并正确计算平稳性指标，同时可提取出特征值，反映平稳性的演化过程。