车辆运行姿态与平稳性的动态检测与分析毕业论文范文免费预览.docx

本科生毕业论文（设计）题 目 车辆运行姿态与平稳性的 动态检测与分析 学生姓名 指导教师 学 院 专业班级 完成时间 2012年6月 二一二年六月本科生毕业论文(设计) 目录 车辆运行姿态与平稳性的动态检测与分析the dynamic test and analysis of vehicle runningattitude and stability二0一二年六月目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1研究车辆运行平稳性的背景及意义11.2 车辆运行平稳性的概念21.3 国内外的研究现状21.4 论文的主要内容3第2章 铁路车辆运行平稳性的评价标准42.1 sperling平稳性评定标准42.2 iso2631评估方法62.3 两种方法的比较8第3章 车辆运行姿态理论分析103.1车辆运行性能103.2 车辆的运行姿态103.3 车辆动力学模型的分类113.4 车辆动力学模型的确定123.5 车辆振动的原因123.5.1轨道振动的因素123.5.2.车辆结构振动的因素12第4章 姿态检测装置及串口通信分析134.1 姿态检测装置简介134.2 串口通信设备134.2.1 串口通信的概述134.2.2串口数据传输144.3 姿态检测装置的特点144.4 车辆运行姿态的检测过程154.5 车辆运行姿态的检测过程164.6 实验数据分析17第5章 运行姿态检测及数据处理185.1 数据分组185.2 加速度的计算185.3 功率谱的计算205.4 平稳性指数的计算215.4.1 sperling指数的计算215.4.2 iso2631总加权加速度有效值法22第6章 铁路车辆运行平稳性检测与分析实例236.1 实验数据分析236.2 gui概述236.2.1 关于guide的介绍236.3 实验结果分析266.3.1 数据采集266.3.2 gui的制作266.3.4 sperling指数的计算276.3.5 iso2631总加权加速度有效值评价法的计算286.3.6 图形的显示及分析28总结34结束语35参考文献36附录 程序代码错误!未定义书签。附录 毕业设计英文文献原文错误!未定义书签。附录 毕业设计英文文献翻译稿100本科生毕业论文(设计) 摘要摘要我国铁路运输正迎来跨越式发展的历史机遇，追求高品质的铁路运输成为历史发展的必然要求。研究铁路车辆运行平稳性是保证列车运行品质的基础内容和关键环节。有很多因素影响到车辆平稳性的等级。其中，横向振动加速度和垂向振动加速度是两个关键的因素。本文首先对车辆运行姿态进行分析，并且针对横向振动和垂向振动的情况引入车辆动力学垂向与横向动力学模型。其次在了解rs232串口的理论知识和熟悉使用相应编程语言的方法上，使用xwadu5650姿态方位组合导航系统进行车辆振动加速度的试验数据的采集。最后通过matlab编程实现振动加速度，车辆运行平稳性sperling指数和iso2631指数的计算，并且比较sperling指数法和iso2631指数法两种方法的优劣。用matlab汇编制作的图形用户界面显示加速度计算结果、平稳性指数计算结果、时域频域图以及功率谱图。掌握车辆运行平稳性，可以准确知道车辆运行是否安全，知道旅客的舒适程度。掌握车辆运行平稳性对车辆运行性能的预测有一定帮助，有助于改善车辆运行平稳性，提高铁路运输行业的服务质量。关键字：铁道车辆；振动加速度；车辆运行姿态；平稳性；检测；评价i本科生毕业论文(设计)error! no text of specified style in document.abstractthe railway transportation of our country is meeting with a historic opportunity of great-leap-forward development， which is accompanied by the inevitable requirements of high quality railway transportation. studying the running stability of a railway vehicle is the basis and key points to ensure the quality of the train operation. there are many factors that can affect the stability of vehicle. among them, the lateral and vertical vibration accelerators are two key factors. this paper firstly analyses of vehicle operation attitude, and then introduces vehicle dynamics into vertical and lateral dynamic model for transverse vibration and vertical vibration. secondly, with the knowledge of the rs232 standard serial port and familiarity of the corresponding programming language, this paper uses xw-adu5650 attitude combined navigation system to collect the vehicle vibration acceleration test data. finally, this paper calculates vibration acceleration, the vehicle running smoothness sperling index and iso2631 index with matlab ide, and compares the sperling index method and iso2631 index method. in matlab graphical user interface shows acceleration index calculation, stability calculation results, and shows the time domain, frequency domain, power spectrum graph. master the running stability of vehicles, we can know whether vehicle is running safely, and the comfortable degree of passengers. master the running stability of vehicles, it helps to predict the vehicle performance and improve the running stability of vehicles, and the service quality of railway transportation industry.keywords: railway vehicle; acceleration of vibration; the stance of vehicles; stability; test; detection; evaluate41本科生毕业论文(设计)error! no text of specified style in document.第1章 绪论1.1研究车辆运行平稳性的背景及意义随着国力的增强，铁路运输正向着高速化、舒适化的方向前行，我国也在不失时机地抓紧完善现代化的铁路运输系统。铁路运输与公路、水运、航空、管道运输相比，铁路运输有安全程度高、运输能力大、运输成本低等优点，而且还具有潜能大、受天气条件影响小等优点。铁路客运列车是人们外出、旅行的重要工具，其舒适程度直接影响到人们的旅行感受。影响车辆运行舒适性的因素有很多，主要是车辆运行产生的振动对旅客的产生影响，除此之外还有振动、坐姿、座椅、服务设施、噪声、温度、湿度、压力、气流组织、空气品质等等因素对车辆运行品质的影响。车辆运行平稳性的好坏直接影响到旅客乘坐的舒适度。平稳性的评价指标和评价方法制定是否合理，不仅关系到车辆平稳性评价是否准确，而且直接影响到乘客的舒适性和车辆的运营成本。因此我们要准确知道车辆运行平稳性指数的大小和车辆可运营的范围。这让我们准确知道车辆运行是否安全，旅客的舒适程度的大小，以及对车辆运营成本的预算。当然平稳性指数的大小与很多因素有关，比如车辆的平稳程度、运行轨道的不平顺程度、车辆运行的速度等等，但是总的说来体现在车辆运行振动加速度和角速率上，车辆运行振动加速度有垂直方向、横向和沿着车辆前进方向的加速度，而角速率有沿垂直、横向和前进方向的回转运动。车辆运行平稳性的大小完全取决于振动加速度的大小和角速率的大小的合成。车辆振动必然会让人们感到不舒适。在客车运行平稳性指数评估中常常用车辆运行舒适性的大小来衡量平稳性的大小，但是乘客的舒适度与人体的灵敏度有关，不同的人在相同乘车条件下感觉也有所不一样，因此在车辆平稳性的估计中常常使用到频率修正系数或者是加速度加权因子。对于中国铁路运输发展的现状，中国地域辽阔、人口众多、资源分布不均，所以经济、快捷的铁路运输占有更大的优势，成为一种受广泛使用的运输方式。因此在中国，铁路运输不仅仅为众多人们提供交通工具，并且还承担起资源、矿物等物品的运输任务。据统计目前日均运送旅客372万以上，而且铁路运输承担5%的木材、85%的原油、60%的煤炭、80%的钢铁及冶炼物资的运输任务 。对于如此重要的铁路交通工具，对于科学技术如此发达的中国，面临着铁道车辆的一次次提速的情况下，掌握铁道车辆运行平稳性是非常重要的。在掌握车辆运行平稳性的基础上，我们可以准确知道车辆运行是否安全，了解旅客的舒适程度，以及对车辆运营成本的预算。如果车辆的平稳性指数没在可允许的范围内，我们可以找出不平稳的原因，然后改善它，到达提高车辆运输平稳性的目的，达到旅客乘车舒适性的要求。对于铁路车辆运行平稳性研究的意义在于，改善车辆运行平稳性有利于提高铁路运输行业的服务质量，给人民大众提供一个更好的乘车环境。1.2 车辆运行平稳性的概念车辆的运行平稳性12主要指车体的振动平稳特性，主要用车体振动18加速度来衡量。影响车辆运行平稳性的因素是多方面的，对车辆运行平稳性的评估也显得十分复杂。要定量地描述平稳性能，必须包括物理的、心理的和生理的各方面的评价。车辆振动是根本来源，车辆振动的大小与线路的质量和车体的结构有关。车辆的运行时，由于车体的振动必然引起人体感觉不舒适，于是便形成了车辆振动舒适性的概念11, 13，即：车体的振动对人体舒适感受的影响。1.3 国内外的研究现状多年以来对于铁道车辆运行平稳性的检测和评价，没有一个标准的评价指标，国际化标准组织150和国际铁路联盟uic分别制定了相应的标准，日本、美国、西欧国家和前苏联经过专门研究，通过大量实验，在国际标准的基础上进行了修订，制定了适合本国应用的具体标准。多年来国内外许多人投入到这一项事业中，也相继取得了很多成果。国外最早对铁路客车进行舒适性研究的是德国的esperling和法国的mmaujin，他们具体研究方法在相差不多的测试条件下测出加速度和频率值，再标明人们的直观感受，最后利用利用概率统计方法把一组数据点画出等舒适感觉的曲线。其次是英国的jcloach在前人研究的基础上，将舒适度的研究发展到了一个相对比较完善的阶段。之后，griffin就车辆振动对舒适性的影响进行了研究。 同时德国hreiter和ft meister对普通情况下的人体对振动的敏感性进行过研究。另外loach在车辆运行平稳性方面有些见解，他认为，造成人体不舒适的主要原因不是加速度的绝对值，而是在激扰频率下的加速度变化。rnjaneway对前人的研究进行分析总结之后，他于1948年发表了关于载客车辆的振动限度一文。1965年，主要代表则是美国的fpradko、trorr和ralee，他们开始对于车辆振动的评价和研究，。他们把随机振动理论应用在各种运输环境中，并且用各种频率和振幅的正弦输入为条件，然后输出测量乘客的响应，最后根据输入和输出的功率谱力度来确定人体系统的频率响应函数。在20世纪60年代，pradko和lee共同发表了人体振动响应理论，两年之后他们又合作发表了人体振动解析分析。在原来研究的基础上，他们进一步划分了物理客观响应和主观反应二者的关系。他们认为需要一个新的参数把振动现象和主观反应联系起来，而这个新的参数便是能量的流量。因为他们认为能量的流动是由于人体存在阻尼和弹性引起的，他们将这种流动称之为平均吸收功率。在我们国家，在车辆运行平稳性的研究方面起步相对晚一点，但是相关的研究成果也不少。我国的研究人员结合我国特色的地理因素，通过大量的实验，在国际标准上进行修订，在1985年提出适合我国的评定标准gb5599-85标准1，在2000年万里翔和许明恒提出铁道车辆运行平稳性评价方法10，在2003年倪纯双对车辆运行平稳性指标和舒适度指标做出新的成果3，1999年铁道科学研究院铁道建筑研究所在我国干线轨道不平顺功率谱方面做出研究成果8， 2004年周劲松在机械工程学报上对铰接式高速列车运行平稳性的见解11。以及在校的学生的硕士博士论文，中南大学博士彭波在2010年对铁道客车乘坐舒适性建模、仿真与虚拟试验研究13，西南交通大学刘转华的硕士学位论文12铁道车辆运行平稳性评价方法的研究以及段和朋的硕士学位论文18铁道车辆振动特性及平稳性研究。1.4 论文的主要内容鉴于车辆系统的复杂性，一般只对影响车辆振动的主要因素进行分析。车辆运行平稳性理论模型的借用车辆动力学模型垂向与横向动力学模型。传统的车辆工程学科所考虑的货车车辆动力学模型为一系悬挂垂向刚体模型，客车车辆动力学模型为二系悬挂垂向刚体模型。这种模型经过对车辆系统的高度物理抽象，将车体、转向架及轮对均视为刚体，各部分通过二系弹性悬挂系统连接，在垂向平面内研究车辆的振动平稳性。随着考虑因素的复杂和多样化，针对研究问题的不同方面，铁道车辆运行平稳性理论模型获得了不同层面的发展和完善，在车辆动力学中列出常用的车辆运动模型，在本文中主要是探究垂向加速度和横向加速度对平稳性指数大小的影响，因此建立车辆垂向与横向动力学模型。在本文中主要完成的任务有以下几部分：1. 了解rs232串口与计算机设备进行通信的方法，学会使用adu5650型姿态方位组合导航系统进行试验数据的收集，并通过转换器转换成txt文件2. 对铁道车辆运行姿态进行分析，用xw-adu5650姿态方位组合导航系统对车辆运行姿态做出动态检测，并记录数据分析振动加速度的打和估计车辆运行平稳性指数的大小。分析车辆运行姿态，掌握车辆的运行情况和车辆不平稳的原因；3. 介绍常用的车辆运行平稳性的评估方法，主要有sperling和iso2631总加权加速度有效值法，并且比较sperling平稳性评定指标和iso2631平稳性评定指标的优劣；4. 学会使用matlab工具对数据的处理方法；5. 用matlab工具对实验数据进行时域、频域图的绘制，对实验数据进行振动加速度的计算，振动加速度的计算包括计算振动加速度的最大值、平均最大振动加速度、振动加速度的最大推断值和功率谱；6. 用matlab工具对铁道车辆运行平稳性进行计算分析，包括计算sperling平稳性指数和iso2631总加权加速度有效值的计算，并且评定车辆的运行等级；7. 在matlab中图形用户界面中对实验数据的加速度、时域频域图、功率谱图以及平稳性指数的计算结果的窗口显示。本科生毕业论文(设计) error! no text of specified style in document.第2章 铁路车辆运行平稳性的评价标准在车辆工程4和车辆系统动力学5中对于车辆的介绍，车辆运行平稳性是指列车在运行过程中产生的各种振动影响旅客乘坐的舒适度和装运货物的完整性。影响车辆运行平稳性的因素是多方面的，因此对车辆运行平稳性的评价也显得十分复杂。要定量地描述平稳性能, 必须包括物理的、心理的和生理的各方面的评价。车辆振动是更本来源，车辆振动的大小与线路的质量和车体的结构有关。车辆的运行平稳性主要指列车运行时车体的振动平稳特性，主要用车体振动加速度来衡量。目前，国际上采用较多的有两种评价方法。 2.1 sperling平稳性评定标准1.sperling平稳性指数的计算以及车辆运行等级的判定sperling平稳性指数是德国人sperling（斯佩林）等人提出来评定车辆的运行品质。sperling等人做了大量的实验，这些实验主要是研究振动对人体的生理感觉的影响。在大量实验之后，他们制定并提出评定车辆本身运行品质和旅客乘坐舒适度的指标。其中车辆的运行品质主要是由车辆本身来确定，舒适度的大小与车辆和旅客对振动环境的敏感度有关，敏感程度通过振动频率修正系数的大小来体现。sperling平稳性评定指数在国际上得到了广泛的使用。国家铁道联盟（uic）以及前社会主义国家铁路联合组织都采用sperling平稳性指数的评定方法。依据国家标准1可以知道sperling指数的平稳性估计评价过程。(1) 我国客货车运行平稳性指数计算公式：wi=7.0810ai3fif(fi) （2-1）其中: w平稳性指数； a振动加速度，单位cm/s2；f振动频率，hz； f(f)频率修正系数，其大小如表2-1。表2-1 频率修正系数垂直振动横向振动0.55.9hzf(f)=0.325f20.55.4hzf(f)=0.8f25.920hzf(f)=400/f25.426hzf(f)=650/f220hzf(f)=126hzf(f)=1计算出平稳性指数，再根据表2-2可以确定客车的平稳性等级。表2-2 客车运行平稳性等级平稳性等级评定平稳性指数w1级优2.52级良好2.52.753级合格2.753.0(2) 我国货车运行平稳性指数分别按平稳性指标、最大振动加速度和平均最大振动加速度评定。其计算公式和公式（2-1）是一样的。根据上面公式把平稳性指数计算出来，再根据表2-3可以确定货车的平稳性等级。表2-3 货车运行平稳性等级平稳性等级评定平稳性指数w1级优3.52级良好3.54.03级合格4.04.25实际车辆运行的振动是随机的，也就是说振动频率和振幅都是会随时间的变化而变化，因此要考虑在一个方向上同时存在两种以上的频率的情况。其方法是把频率分段计算出wi，然后再求出全部频率段的总指数，其计算公式： w=10w110+w210+wn10 （2-2）2. 振动加速度的计算振动加速度的数据的计算包括振动加速度的最大值、最大推断值、平均最大值以及功率谱的计算。(1) 振动加速度的最大值最大振动加速度amax，在每一分析段落中的振动加速度的最大值。(2) 振动加速度的最大推断值振动加速度的最大推断值 a（j）按下式计算：aj=a+3 （2-3）其中，振动加速度的平均值a=1ni=1nai （2-4）方差=i=1n(ai-a)(n-1) （2-5）此处，n 为每一速度级分析段的采样总点数。(3) 振动加速度的平均最大值平均最大振动加速度按下式计算:amax=1mi=1maimax （2-6）此处，m 为分析的段数，aimax为每一分析段所选取的最大振动加速度。(4) 功率谱的估计功率谱估计涉及到信号与系统、随机信号分析、概率统计、随机过程以及矩阵代数等一系列基本科学。功率谱估计应用非常广泛，在雷达、通信、生物医学等方面做出有非常重要的作用。功率谱估计有经典谱估计法和现代谱估计法之分。经典谱估计法可以分为直接法和间接方法。直接法是利用快速傅里叶变换fft算法对有限个数据x(n)进行傅立叶变换得到功率谱的方法，直接法又叫周期图法。间接法师先得到样本数据的自相关函数估计，然后进行傅里叶变换得到功率谱的方法。由于直接法得到的功率谱估计存在谱线起伏大、分辨率不够高等缺点。因此提出了一些改进的方法，比如bartlett法、welch法。现代谱估计法主要是针对经典谱估计法的分别率低和方差性能差等问题提出的。大致可分为参数模型谱估计和非参数模型谱估计。参数谱估计主要有ar模型、ma模型、arma模型等。非参数模型谱估计主要有最小方差法和music等方法。2.2 iso2631评估方法依据iso2631标准2,14可以知道iso2631评估的具体方法。1. iso2631总加权加速度有效值法14iso2631总加权加速度有效值评价法的提出以振动加速度有效值、振动频率、持续受振时间和振动方向这四个基本的振动参数来定义振动对人体的影响。如图2-1所示为垂直振动在持续受振时间内保持工作效率界限图线。图2-1 疲劳时间与垂直振动的关系根据实验者的感觉，在iso2631总加权加速度有效值评估中，把振动划分为三个不同的人为界限：保持舒适性界限、保持工作效率界限、保持健康与安全界限，这三个标准分别依据三条准则定义为减少舒适性界限、疲劳降低工效界限、暴露极限：(1) 减少舒适性界限：这个界限涉及到人体的舒适性保护，它是关于人在乘坐交通运输工具时，人们进行如看书、写字和吃东西行为的难易程度问题；(2) 疲劳降低效率界限：这个界限指人体对振动的时间极限，如果振动时间超过该极限，那么就被认为人们在进行一项危险且损害工作效率的工作；(3) 暴露时间极限：这个极限值涉及人体的健康和安全，如果没有事先警告和特别理由，一般不建议在暴露极限范围外进行工作。铁路客车的振动属于宽带随机振动，人体感觉的干扰效应来至不同频带的振动，应将对人体最敏感频率范围以外的其它频带的振动加速度有效值进行频率加权，等效折算为最敏感频率范围的加权加速度有效值。根据能量相加原理，在一定频率范围内，将1/3倍频程的多个不同频带的振动加速度均方根值，用不同的加权因子进行加权修正，按式(2-7)计算总加权加速度有效值。通过计算得到的总加权加速度有效值at与表2-4进行比对，就可以得到乘客的振动舒适性等级。at=1naiti (2-7)式中： at加权加速度有效值；ai1/3倍频程第i频带中心频率处的振动加速度均方根值；ti对应的加权因子。对于垂直振动，ti的计算公式如式(2-8)所示。 ti=0.5f2 0.1f4hz 4 48hz （2-8） 表2-4 总加权加速度有效值与人的主观感受之间的关系总加权加速度有效值(m/s2)人的主观感受总加权加速度有效值(m/s2)人的主观感受2.0极不舒适2. iso2631三分之一倍频带法三分之一倍频带法认为许多三分之一倍频带中对人体产生影响最大的，主要是由人体感觉的振动强度最大的(折算到人体敏感频带范围以后) 那一个三分之一倍频带所造成。此方法的衡量是在车辆运行中产生的振动过程中，用三分之一倍频率处的振动加速度的大小来衡量车辆运行平稳性的大小。2.3 两种方法的比较1. sperling评估方法存在三个问题：(1) 将垂向振动与横向振动分离开来, 没有同时考虑垂向与横向振动对人体的生理及心理的相互影响。因此，当根据垂向振动确定的平稳性指标等级与横向振动确定的平稳性指标等级有较大的差异时，按照某一个方向的平稳性指标等级来判断车辆的优劣显然是片面的；(2) 该评价方法不够灵敏由于人体对不同振动频率的反应不同。当对应某一频率范围的平稳性指标w 值很大( w 值大于4 ) ，判断振动已超出了人体能够承受的限度，但在其它频带中w值都很小，由于该方向总的平稳性指标是不同振动频率的平稳性指标求和，因而可能该方向总的w值并下大，从而认为该车辆的平稳性能符合要求，这样的判断是不正确的；(3) 该评价方法没有考虑车辆的运行速度。由于车辆的运行平稳性能与车辆的运行速度有着直接的关系，而且w 值并不一定按车速的规律性变化，当某一车辆在不同的车速段其平稳性指标w 值有较大的差异时，按照某一车速段来确定该车辆的运行平稳性能显然也是不准确的。2. iso2631评价标准存在的问题：(1) 1/3倍频方法的问题，按照1/3评价方法，对于图2-2中a、b 两种车型, 人能够承受的时间均为8 h，由此而认为这两种车辆的平稳性能相同，显然是不合理的。因此，三分之一倍频程评价法的缺陷在于没有考虑不同频率加速度均方根值的影响及不同方向振动的影响。图2-2 两种不同振动承受时间相同情况的比较fc是三分之一倍频带的振动频率；是垂直加速度均方根值(2) iso2631总加权加速度评定方法存在的问题：这种评价方法是建立在假定人体作为一个整体接受带宽随机振动的基础上，这样就会导致在某窄带中加速度均方根值远远超过了允许值，但在其它频带中加速度均方根值较小，由于补偿作用，使总的加权值不大。iso2631两种评价方法都没有考虑不同振动方向对人体的共同影响以及可能出现某些车辆在不同车速段及不同的运行线路人体所承受的振动时问有较大的差异时，导致对车辆平稳性能产生的误。第3章 车辆运行姿态理论分析3.1车辆运行性能铁道车辆是一种运载工具，主要担任运送旅客和各种货物的任务。铁道车辆一般有一个质量较大的容纳旅客或者装载货物的车体和两台起承载、走行、导向等作用的转向架。车体与转向架之间或转向架构架与轮对之间设置具有一定弹性的悬挂装置，在车体与转向架之间、构架与轮对之间形成弹性约束。车体、转向架构架、轮对和弹性悬挂装置共同组成一个弹簧质量系统。车辆在轨道上运行时，由于与轨道之间有相互作用，产生各种垂向和横向作用力并引起车辆产生各种振动。旅客长期乘坐不断振动的车辆会感到疲劳，车辆剧烈振动会损伤运送的货物，轮轨之间的作用力和车辆振动到达一定程度时会影响行车安全。3.2 车辆的运行姿态在车辆工程4和车辆系统动力学5中关于车辆运行姿态的介绍，任何一个刚体，在空间内有六个自由度。车辆的研究过程中也不例外。在车辆动力学研究中，可以用六个广义坐标在坐标系中表示出来。过车体质心o点作三个互相垂直的坐标轴x、y、z，并规定x轴与车辆运行方向一致，y轴水平向右，z轴向下。沿x、y、z轴三个方向的回转运动，以、表示。如图所示。在一般情况下，车体运动是上述六种形式运动的不同组合。图3-1 车体在空间的坐标位置在车辆动力学中，习惯上对6种运动形式给定专门的术语：沉浮振动即车体沿z轴方向作平行位移；横摆振动即车体沿y轴方向作平行位移；伸缩振动即车体沿x轴方向作平行位移；摇头振动即车体绕z轴作回转振动；点头振动即车体绕y轴作回转振动；侧滚振动即车体绕x轴作回转振动。一般在车辆结构的研究中，常常出现刚体不唯一。整体车辆系统的自由度可按下列公式求出：dof=6n-r式中：n车辆系统中刚体的数目r车辆系统中刚性约束数的数目车辆是由车体、转向架构架、轮对等基本部件组成。车辆系统中刚体的数目比较多，在实际的车辆动力学中要根据研究的情况来确定刚体的数目。在车辆系统动力学研究中，基本部件可以被认为是刚体，只有在研究车辆各部件的弹性振动时，才把它们看成弹性体。因此在各部件之间都存在弹性约束或者刚性约束，以实现限制车辆结构中各部件的相对运动。车辆是一个多自由度系统，在列车运行过程中会出现复杂的振动现象，但是这些振动现象又是由若干个基本运动组成的结果。在车辆振动的研究中，为了方便，常常把发生在纵向面内的沉浮与点头运动归结在一起称为垂直振动；车辆的侧滚、横摆和摇头运动归结在一起称为横向振动。由于车辆的结构特点，一般车辆的垂直振动与横向振动之间具有弱耦合性，因此，车辆的垂向和横向的振动可以分开来研究。3.3 车辆动力学模型的分类在车辆系统动力学5中关于车辆模型的介绍，在车辆的各种动力学性能的研究时，需要将实际系统抽象为物理或力学模型，在这些物理或力学模型的基础上建立数学模型，建立微分方程，描述车辆系统的运动规律。由于研究的对象、目的和运行条件不一样，不可能建立一个通用的模型来解决所有的动力学问题。为研究车辆和列车的各种动力学特性，已经建立了下列常用的模型：1. 车辆动力学(1) 垂向与横向动力学模型：用于研究车辆对各种轨道不平顺的响应；(2) 横向稳定性建模：用于预测车辆蛇行运动的特性及临界速度；(3) 曲线通过模型：用于分析车辆通过曲线时轮对的偏移和轮轨间的作用力，以及检验车轮的脱轨条件。2. 列车动力学(1) .纵向动力学模型：用来研究由于列车操作、编组、制动和各种运行工况下作用在车辆之间的纵向动力特性；(2) 横向动力学模型：用来分析车辆在轮轨作用力、曲线超高力和离心力、以及纵向力分量等综合作用下，列车在横向平面内的稳定性；(3) 垂向动力学模型：主要研究车辆中车钩分离及车体与转向架分离的垂向稳定性。3.4 车辆动力学模型的确定车辆平稳性指数主要是受到垂直振动加速度和横向振动加速度的影响。对于垂向振动加速度和横向振动加速度的研究模型是车辆动力学垂向与横向动力学模型，用于分析产生振动加速度的原因，即分析车辆产生各种振动的原因。3.5 车辆振动的原因在车辆工程4、随机振动6和现代随机振动19中对车辆运行时车体的振动描述，实际的轨道不可能是绝对平直和刚性的，轨道存在各种各样的不平顺，实际的车轮也不是理想的几何圆形。因此，列车在轨道上运行，轮轨之间会出现不断变化着的轮轨作用力，这些轮轨作用力会激起车轮的振动。引起车辆振动的原因很多，有些是确定的，有些是随机的。下面介绍一些有规律的振动因素。3.5.1轨道振动的因素1. 轨道接头处的轮轨冲击在我国一般线路上轨道是由12.5m和25m长的钢轨通过鱼尾板连接起来的。车轮通过钢轨接头时，轨道在接缝处会出现明显的形状变化。这些局部形状变化会使车轮通过接头时轮轨接触点出现跳跃。2. 轨道垂向变形轨道是具有弹性的，当车辆沿轨道运行时，在车体重量的作用下，轨道随着轮对的移动出现垂向的弹性变形。在一般线路上轨道接头处刚度较小，其垂向弹性变形量也比轨条中部的大，而且轨道接头处的轨道还永久变形，轨道在接头处的垂向变形量也比轨条中部大。根据统计，轨道接头附近的下沉量比轨条中部大10%15%。3. 轨道局部不平顺铁道车辆在轨道上运行时受到轨道各种局部不平顺的影响。比如，车辆通过曲线时轨道垂向的超高及其顺坡，横向方向的变化、曲率半径的变化和轨距的变化。再比如车辆过道岔、轨道不连续、钢轨初始弯曲、钢轨磨耗、伤损、松动等等。4. 轨道随机不平顺轨道的不平顺，有些是可以用确定的形式来描述，但是有些线路是不确定的，随机随地变化的。常把轨道不平顺分为轨距、水平、高低和方向不平顺四种。在此特别说明轨道方向不平顺是实际轨道中心线与理想轨道中心线的左右差。3.5.2.车辆结构振动的因素车辆本身结构特点同样会引起车辆振动，主要原因有几个：车轮偏心、车轮不均重、车轮踏面擦伤、锥形踏面轮对的蛇形运动。第4章 姿态检测装置及串口通信分析本文要描述车辆运行姿态，计算车辆运行振动加速度以及评估车辆运行平稳性的大小，把车辆运行位置数字化，用数据来描述车辆的运行状况，用数据来计算车辆振动加速度，用数据来对车辆运行平稳性的估计，因此掌握车辆运行状况，获取车辆行走位置的数据是关键。xw-adu5650姿态方位组合导航系统9可以测试出车辆运行位置的数据。4.1 姿态检测装置简介xwadu5650姿态方位组合导航系统具有惯性导航和全球卫星定位系统的优点。避免了它们的很多不足。惯性导航具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗干扰性强、全天候工作等优点，是一种能够提供多种导航参数，完全自主的导航系统。但它的精度随时间而变化，长时间工作会累积较大误差，这使惯性导航系统不宜作长时间导航。而全球卫星定位系统具有较高的导航精度，但由于运动载体的机动变化，常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号，甚至对已跟踪的信号容易失锁。为发挥两种技术的优势，更有效全面地提高产品的性能，增强系统的可靠性、可用性和动态性，采用多传感器数据融合技术将卫星定位定向与惯性测量相结合，推出了全新姿态方位组合导航系统。通过使用更高精度的mems陀螺和加速度计以及改进组合导航与姿态测量算法，使产品的技术性能得到更进一步提高。4.2 串口通信设备在车辆运行位置的数据采集过程中，要用串口进行数据的传送。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有多种种，比如rs-232c、rs-422、rs-485。但都是在rs232标准的基础上经过改进而形成的。rs232串口通信在计算机上一种通用的通信协议。在xw-adu5650姿态方位组合导航系统中数据的传输是通过rs-232c、rs-422串口实现的。在visualc+/turboc串口通信编程实践20中可以学习到关于串口的知识。4.2.1 串口通信的概述1.串口通信基本概念计算机与外界的信息交换称为通信。基本的通信方式有串行通信和并行通信两种。串行通信是指一条信息的各位数据被逐为按顺序传送的通信方式，串行通信既有数据位传送，按位顺序进行，一根传输线即可完成传送数据及成本低，串行通信的距离达到几千米等特点。并行通信是指一条信息的各位数据被同时传送的通信方式，并行通信既有数据同时传输，速度快，效率高等特点，并行通信因为成本高，因此传送数据的距离有限。2.串行通信概述串行通信是数据在一根数据信号线上逐为传输，每一位数据都占据一个固定的长度。由于在cpu与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行传输，因此在串行接口中，必须要有“接收位移寄存器”（串并）和“发送位移寄存器”（并串）。串行通信的作用有：实现数据格式化、进行串并转化、控制数据传输速率、进行错误检测、进行ttl与eia电平转换、提供eia-rs-232c接口标准所要求的信号线。串行通信电路的组成部分由可编程的串行接口芯片、波特率发生器、eia与ttl电平转换器以及地址译码电路组成。串口通信协议是一种通信双方的约定。约定包括数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检查纠错方式以及控制字符定义等问题的一种统一。4.2.2串口数据传输串口有串口设置区、接收显示区、发送输入区，在串口设置区里设置波特率、数据位、停止位和奇偶校验等主要的参数。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。波特率是衡量通信速度的参数，波特率是传送位数的能力，常常也叫频率。数据位就是通信中衡量实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不一定是8位，有可能是5、7和8位，如何设置取决于你要传送的数据。停止位是用于表示单个包的最后一位，典型值为1，1.5和2，由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有自己的时钟，很可能在两台通信设备传送数据过程中出现了一些不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会，停止位用的越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据的传输越慢。奇偶校正在串口中主要用于检错。有四种检错的方式：奇、偶、高和低。奇偶校正是对数值最后面一位奇偶的检验，高低校正是对逻辑值的简单判断。然而在串口中奇偶校正位可以没有。接收区可设置为自动清空，也可设置手动清空。为了看清楚接收的数据，可以让显示暂时停止（但是数据仍然在接收），之后可以继续显示。接收的数据显示格式为asc码，也可设置为十六进制显示。数据可点击“保存”存为txt文件。发送显示区可以填写需要发送的数据，输入要发送的字符数据后，单击“手动发送”按钮；如果选择“自动发送”后，则会每隔一个设定的周期发送一次文件，直到取消“自动发送”为止。4.3 姿态检测装置的特点xwadu5650内置四种应用模式，适应产品在不同环境下应用，分别为车载模式（地面应用），船载模式（海上应用），飞行模式（航空应用）、静态应用。下面对xwadu5650实验设备的特点和使用方法作相应介绍。1.系统特点：(1) 动态性能好、全姿态工作、实时性高；(2) 不受磁场环境影响、无惯性漂移，抗干扰性强、可靠性高；(3) 精度高、无累积误差、兼容多种组合模式、保持时间长；(4) 双gps利用载波测量技术精确计算航向值，航向精度视两gps间基线长度而定，基线越长精度越高；(5) 动态使用时，还有gps轨迹角输出，尤其能为车辆、有人机、无人机、浮空器等准确提供偏流角；(6) 预计未来通过升级可兼容北斗导航系统。2.系统功能：(1) 获得精确时间；(2) 测量载体三维位置数据(经度、纬度、高度)；(3) 测量载体三轴姿态数据，包括航向角、俯仰角、横滚角；(4) 数据记录；(5) 数据输出。3.使用限制:(1) 高度：小于18000m(2) 速度：车辆速度小于515m/s(3) 角速度：车辆角速率在100/s以内(4) 加速度：车辆加速度的偏差在2g以内4.4 车辆运行姿态的检测过程1. 备好直流稳压电源或蓄电池（12vdc）、笔记本电脑、测试载体和本产品装箱单上所标示的物品；2. 将adu5650主机安装在载体上，主机铭牌上标示的坐标系xoy面尽量与载体被测基准面平行，y轴与载体前进方向中心轴线平行，两个gps天线分别固定在载体上，前后天线分别安装在载体的前进方向和后退方向上，应尽可能的将其安置于测试载体的最高处以保证能够接收到良好的gps信号，同时要保证两个gps天线相位中心形成的连线与测试载体中心轴线方向一致或平行；3. 分别将两根天线馈线连接到前后gps天线和主机单元“前天线”和“后天线”接口上，并注意前、后天线的一致对应（“前天线”接口对应连接摆放在被测载体前进方向的天线；“后天线”接口对应连接摆放在被测载体后退方向的天线）。严格区分前后天线，不能颠倒，使用时上方应无遮挡，避免带电拔插接插件；4. 用量尺准确测量从gps后天线的中心点到前天线中心点的距离（测量精度要求精确至2mm），两个天线的间距可根据具体安装环境而定，但间距大小影响定向精度；5. 特别需要注意的是：xw-adu5650的主机单元必须与被测载体固连，主机安装底面应平行于被测载体的基准面，主机铭牌上标示的y轴指向必须与被测载体的前进方向一致、并与两个gps天线中心连线构成的基线平行。测试时，两个gps天线也必须安装于同一载体；6. 将数据电源线连接到xw-adu5650主机的“数据/电源”接口，将db9接头连接到笔记本电脑的串口；7. 将12vdc电源连接到数据电源线的电源接头上，注意区分两根引线的极性，并分别用绝缘胶带进行防护，防止短路；8. 检查各个连接位置，确保各接点均连接正确，电源引脚极性无颠倒；4.5 车辆运行姿态的检测过程1. 打开电源并在笔记本电脑上运行xwadu软件：(1) 设定串口号和波特率：a选定串口：如com1 b设定串口波特率（115200bps）(2) 设定基线长度a在菜单栏点击工具，找到设置基线长度b输入测量的基线长度，如1.000（单位：m）注意：基线长度应尽量测量准确，若测量误差超过3mm，将影响定向精度，造成定向错误或不定向。c点击“保存”按钮，系统提示设置成功后，则完成了基线设定(3) 数据