[发明专利]一种基于地面检测的城轨列车悬挂系统故障诊断方法

权利要求书

1.一种基于地面检测的城轨列车悬挂系统故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用SIMPACK车辆动力学仿真软件和ABAQUS有限元分析软件，构建轮轨接触的刚柔耦合模型，利用SIMPACK计算轮轨接触力和轨道振动加速度，分析列车振动产生的力的传递规律，根据力的传递规律，得到在轨道布设加速度传感器方案；

步骤2：根据SIMPACK车辆动力学仿真软件计算结果，结合所述轮轨接触的刚柔耦合模型中列车运行时相应信号变化情况，验证所述轨道布设加速度传感器方案的合理性，计算传感器布设间隔和测量误差，构建列车故障仿真模型，得出传感器的布设规律，包括：根据SIMPACK计算结果得出，刚性耦合轮轨两侧的接触力在x,y,z方向是恒定不变的，而刚柔耦合建模中，随着列车的运行，由于轨道激励造成的车体振动，轮轨接触力会在x,y,z方向产生明显的波动，当列车悬挂系统零部件发生故障时，相应的信号变化情况为：动力学部件故障——部件动力学性能参数变化——车辆动力学响应特性改变——动力学响应信号；

基于地面检测的列车故障诊断，需要测得列车在运行过程中，轨道上的垂向加速度，传感器在布设时考虑以车辆运行速度的大小来衡量测量的误差，

其中，f＝1000Hz,v_act＝30m/s；

由此可知传感器布设间隔的计算公式为

η表示测量误差，v_act车辆实际运行速度，v_mea为测量得到的车辆运行速度；s为传感器间隔距离，C为允许误差的阈值，f为仿真过程中的采样频率；

根据公式，得到传感器布设间隔和测量误差的关系趋势线，由拟合曲线可知，在测量误差和传感器的布设间隔呈现一种反比例关系，根据测量误差和传感器的布设间隔的关系进行布设实验，根据故障检测的结果，得到最佳的传感器布设规律；

步骤3：根据所述传感器的布设规律在轨道两侧布设加速度传感器，采集轮轨振动加速度信号，对所述加速度信号进行处理，利用时频分析和谱细化分析方法实现列车悬挂系统故障的检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析列车振动产生的力的传递规律，根据力的传递规律，得到在轨道布设加速度传感器方案，具体为：

1)分析重力传递顺序：车体上部的重量——二系弹簧悬挂装置——转向架构架——轴箱弹簧悬挂装置——轮对——钢轨；

2)分析横向力传递顺序：钢轨——轮对——轴箱定位装置——转向架构架——二系弹簧悬挂装置——车体底架——车体；

当车轮经轨道不平顺时，车轮产生一个向上的垂直加速度

没有弹簧减震装置时，瞬时动作用力

有弹簧减震装置时，瞬时动作用力

Q为轮载，q为簧下质量；z为轮轨接触时轨道的形变量，g为重力加速度，g＝9.8m/s2，k为弹簧的刚度，h为轨道不平顺值，t为时间；

根据上述力的传递规律和轮轨接触瞬时作用力的情况，得到在轨道布设轨道传感器方案。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用SIMPACK车辆动力学仿真软件和ABAQUS有限元分析软件，构建轮轨接触的刚柔耦合模型，利用SIMPACK计算轮轨接触力和轨道振动加速度，包括：

在ABAQUS有限元分析软件中建立柔性轨模型，轮轨上表面每隔一定距离D选一个参考点，共n个点，轮轨下表面每隔2D选一个参考点，共n/2个点，将这n+n/2个点作为主节点，保留节点的6个自由度，其中，D为间隔距离，n为自然数，将柔性轨道模型导入SIMPACK模型，实现构建轮轨刚柔耦合模型，在SIMPACK中进行接触力和振动加速度的计算。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

在仿真模型的基础上，在轨道两侧各布设加速度传感器，进行加速度信号的测量，仿真过程中设置n种不同的工况进行故障的初步诊断；

对仿真模型进行离线积分运算，得到n-1种故障工况的时域结果；

对振动加速度进行傅里叶变换，得到n-1种故障工况的频域结果；

对比仿真模型的时域和频域分析结果，各工况间的没有明显的特征区别，因此对模型进行基于傅里叶变换和基于线性调频Z变换的谱细化分析；

由傅里叶变换和基于线性调频Z变换的谱细化分析结果可知，不同工况的傅里叶变换谱细化分析和线性调频Z变换的分析效果相同，故障工况与正常工况相比的傅里叶变化幅值和线性调频Z变换幅值会有明显的偏大，通过谱细化分析能够区分故障工况和正常工况，实现列车悬挂系统故障的检测。