（车辆工程专业论文）机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发.pdf

堡兰! 曼j 蔓皇燮兰堡主笙壅：塾圭圭塑壁塑墨垒查塑墼塑竺里兰塑塑坌堑墨丝鳖竺茎茎 摘要 本文畎机车车辆转向架应力谱数据处理为基本研究内 容，主要开展了以下八方面的研究：大数据量数字信号去除 零点漂移、应力时间历程峰谷值挑选、应力时间历程小波处 理、双参数雨流计数法编制二维应力谱、应力谱统计推断、 估隳疲劳累积损伤、大数据量数字信号数字滤波、信号频谱 分析。在此基础上，应用模块化程序设计方法，用v i s u a lc + 编制了基于3 2 位操作系统的“机车车辆转向架应力谱数据处 理与频谱分析系统”软件，软件系统采用菜单式模块结构， - 3 l # i e , 寄图象处理功能，可以通过模块组合，随时完成某一功 能的数据处理。f 该软件系统操作简单直观、运行安全可靠， ：匙桶商业软件的雏形，通过对2 0 6 k p 型、s w - 1 6 0 型、t s j 0 4 - 5 0 型、c 舢z g 型、c w 一2 0 0 型、b d z 一2 0 0 型、2 0 9 h s 型、d f i l 型转 l f _ ：| 架疑军实测数据的处理，证明本文展开的研究是现实可行 的，羹j 遴一步进行机车车辆转向架的疲劳强度及可靠性研究 萸定了基础。 该软件系统同样可以应用于汽车、船舶、工程机械、动 力机械j ，叉建筑桥粱等领域。卜 奠谣：蕊应力名，零点保v 移t ，l 峰答值，小波挺理，雨滚计数 统丙隹断，疲劳累赖损伤，数字滠波，频谮分析 徐其瑞北方交通太学硬士论文机车车辆转向絮应力谱数据处理与频谱分析系统软件开芨 a b s 订a c t i nt h i st h e s i s t h es t r e s s s p e c t r u m d a t a p r o c e s s i n g o ft h e r o l l i n gs t o c kb o g i ei st a k e na st h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ht o p i c i t c o v e r se i g h ta s p e c t s i e 。r e m o v i n gt h ez e r od r i f tf r o mt h ed i g i t a l s i g n a l s s e l e c t i n g t h e p e a k v a l l e y v a l u e f r o mt h es t r e s s t i m e h i s t o r y , w a v e l e ta n a l y s i so ft h es t r e s s t i m eh i s t o r y , d r a w i n gu pt h e t w o d i m e n s i o n a ls t r e s s s p e c t r u mu s i n gr a i n f l o wc y c l ec o u n t i n g w i t ht w op a r a m e t e r s s t a t i s t i c a li n f e r e n c eo f 也es t r e s s s p e c t r u m e s t i m a t i n gt h ef a t i g u ea c c u m u l a t i v ed a m a g e t h ed i g i t a ls i g n a l s f i l t e r i n ga n d t h ef r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i so ft h ed i g i t a ls i g n a l s o nt h e s eb a s i s ，t h es o f t w a r ef o rt h es t r e s ss p e c t r u md a t ap r o c e s s i n g a n df r e q u e n c y s p e c t r u ma n a l y s i s o f 也er o l l i n gs t o c kb o g i ei s d e v e l o p e du s i n gm o d u l a rp r o g r a m m i n gm e t h o di n v i s u a lc - b + l a n g u a g e u n d e rt h ee n v i r o n m e n to ft h e3 2 一b i tw i n d o w s9 5 o p e r a t i n gs y s t e m t h es o f t w a r es y s t e mi sm a d eu po f as e r i e so f m e n u sb a s e do nt h em o d u l a rs t r u c t u r ew i t ht h ef u n c t i o no fi m a g e p r o c e s s i n g i tc a l lc a r r y o u tac e r t a i nk i n do fd a t a p r o c e s s i n g a ta n y t i m et h r o u g hm o d u l a rc o m b i n a t i o n t h es o 自! n v a r ei sn o t o n l y s i m p l e a n dv i s u a lf o r u s i n g b u ta l s o s a f e a n dr e l i a b l ew h e n r u n n i n g i th a st h ee m b r y o n i cf o r mo f as e to fc o m m e r c i a ls o f t w a r e t h r o u g ht h ep r o c e s s i n go ft h et e s t i n gd a t af r o mt h eb o g i et y p e d 2 0 6 k p , s w 一16 0 ，t s j 0 4 5 0 ，c w 一2 g ，c w 一2 0 0 ，b d z 2 0 0 ，2 0 9 h s ， d f 1 1e t c i ts h o w st h a t 也es t u d yi nt h i s 恤e s i si s v a l i d i t ya n d r e a l i t y t h es t u d yh a ss e tu paf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho n t h ef a t i g u es t r e n g t ha n d r e l i a b i l i t yo f t h er o l l i n gs t o c k b o g i e t h es o f t w a r es y s t e mi sa l s os u i t a b l ef o ro t h e rf i e l ds u c ha s a u t o m o b i l e ，s h i p ，e n g i n e e r i n gm e c h a n i s m ，p o w e rm e c h a n i s m ， b u i l d i n gb r i d g e a n ds oo n k e yw o r d s ：s t r e s ss p e c t r u m ，z e r od r i f t ，p e a k v a l l e y v a l u e ， w a v e l e t a n a l y s i s ，r a i n f l o wc y c l ec o u n t i n g ，s t a t i s t i c a l i n f e r e n c e ，f a t i g u e a c c u m u l a t i v e d a m a g e ，d i g i t a l s i g n a l sf i l t e r i n g ，f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 前言 现代工业正在向着重载、高速、高温、高压的方向发展，严重威胁 着现代工业设备安全的疲劳破坏问题日益突出。据统计，在现代工业的 各个领域，长期承受随机载荷的机械，大约有8 0 以上的结构强度失效 是由于疲劳破坏造成的。第二次世界大战前后，国际上发生了一连串的 飞机失事，引起了世界各国特别是航空部门的极大震惊，经过事故的调 查分析，发现这些事故都是由于疲劳破坏造成的。疲劳破坏不仅威胁着 航空工业，也给铁路、船舶、桥梁、动力机械、压力容器、工程机械等 造成威胁。因此，世界上工业发达国家都极为重视随机载荷作用下承载 构件的疲劳研究，开展疲劳寿命预估、疲劳强度设计和可靠性分析等研 究工作。 铁道车辆在运行过程中，转向架各部位所承受的实际应力是一个连 续的随机过程，这种应力的峰值和谷值随时间变化的情况称作应力时间 历程。在随机应力的长期作用下，承载构件将不断产生疲劳损伤，当累 积损伤达到一定程度，就会导致疲劳破坏，严重危及行车安全。 目前，在我国机车车辆主要构件的结构设计中正在逐步开展疲劳设 计，但采用名义应力法、局部应力一应变法以及损伤容限法等估算其疲 劳寿命时，还未考虑结构动态特性的影响；现行的疲劳试验也都采用单 一加载频率。事实上，在动态情况下。构件往往是在某一频带下工作， 当线路激扰频率与结构的固有频率接近或重叠时，将导致局部应力严重 集中并使其成为结构上的疲劳危险部位。例如，运行在大秦线上的波兰 进r n 货车转向架构架裂损严重，经过分析发现，构架侧梁在第四阶固有 频率下产生了共振，这是导致该部位裂损严重的主要原因。又如，北京 地铁车辆厂生产的焊接构架，按现行规范设计并通过了2 0 0 万次疲劳试 验，但在运行了5 万5 0 万公里后，有8 0 的构架横梁产生了疲劳裂纹， 据试验分析，这是由于横粱的一阶水平弯曲振型在电机吊座处产生了较 大的应变集中所致。不难看出，现有的设计计算方法和单一加载频率的 疲劳试验难以体现这些问题。机车车辆零部件承受交变载荷的作用，其 主要失效形式是疲劳破坏。随着运行速度的提高，一方面动态激励的幅 值和频率范围将大幅度提高；另一方面要求结构进一步轻量化；因此主 要承载构件的疲劳破坏问题必将日益突出。 当前，我国主要干线的快速列车已经全面开行，“九五”期同，客 车高速化、货车重载化已是铁路运输的既定发展方向。实现这一根本转 变，无疑将对客、货车辆的结构强度提出新的要求。但至今，在车辆的 研制过程中仍主委采用以安全系数保障强度裕度的定值方法，因此存在 着静强度富裕、疲劳强度不足、设计阶段不能预测寿命和没有疲劳可靠 性指标等问题。 徐其瑞北方交通大学顾士论文机车车辆转向桨应力谱数据处理与顿谴分析系统欤件开发 构件危险部位的应力谱是进行疲劳寿命评估及可靠性设计的基本数 据，世界上各铁路发达国家都投入了大量的人力、物力、财力进行现车 实测。如国际铁路联盟在转向架研制中，除了以u i c 标准规定的计算载 荷、g o o d m a n 曲线评定转向架的疲劳强度外，还十分重视危险部位应力 谱的实测，并以此为依据对转向架构架的疲劳强度进行评估。法国t g v 高速歹l j 车转向架构架，在经过1 0 7 周次的实验室疲劳试验后进行结构修 改，经过线路试验验证、测出其应力谱后定寿为3 0 年。国内铁道部四 方车辆研究所在“客货车转向架承载构件载荷谱研究” 1 3 课题中对我国 客货车转向架承载构件作了随机载荷数据的采集并用雨流计数法进行数 据处理，测试里程总计约1 2 0 0 0 余公里，实际共处理了约2 0 0 0 余公里 的数据。由于受到当时的条件限制，他们采用的是选取典型路段进行分 段测试，然后再将各段数据加以联接，这样编制出的载荷谱具有一定的 局限性。 本论文根据铁道部科技研究开发计划项目( 编号：9 7 , 7 3 2a ) “提速 机车车辆( d f l l 型和2 0 9 h s 型) 转向架构架疲劳寿命及可靠性研究”课 题的要求，从事机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统的软件 开发，以编制转向架构架的典型实测一维应力谱、二维应力谱和一维扩 展应力谱、对关键危险部位进行疲劳累积损伤的估算、作出典型工况下 构架应力响应的频谱和功率谱估计并找到振动的主频范围，从而为其疲 劳寿命评估与可靠性设计以及结构的动态修改提供基本依据。 椽其瑞北方交通太学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 第一章硬件测试系统与软件处理系统简介 1 1 机车车辆转向架动、静应力测试系统简介 各测点应变片 兀n n n n n 兀n 动态应变仪 l o c a l b u s h p e l 4 0 l b 数据采集系统 h p e l5 6 2 高速硬盘 s c s i 接口 高速硬盘数 据软件回放 图1 1 机车车辆转向架动、静应力测试系统硬件结构 s c s i 外置硬盘 机车车辆转向架动、静应力测试系统的硬件结构如图1 1 所示。动 态应变仪共有六台，其中两台为日本t m l 公司的s d a 一8 1 0 b 型、两台为 日本t m l 公司的s d a - 8 3 0 b 型、两台为臼本k y o w a 公司的m c c 一8 a 型。它 们的动态响应范围为：o 5 0 0 0 h z ：电阻平衡范围为1 0 0 0 0 s ，电容平 衡范围为5 0 0 0 口尸：应变测量范围为1 0 0 0 0 p e ；低通滤波的截止频率为 1 0 h z 、3 0 h z 、1 0 0 h z 、3 0 0 h z 、1 0 0 0 h z ；输出电压为5 ，。 h p 数据采集系统由五大部分组成：采用v x i 总线型式的数据采集系 统h p e l 4 0 1 b ；内置式控制单元模块h p e 6 2 3 3 s ；6 4 通道扫描式数据系统 板h p e l 4 1 3 ( 扫描频率i o o k h z ) ；1 6 通道独立a d 数据采集板h p e l 4 3 2 ( 采样频率5 1 2 k r z ) ：8 g 字节存贮量的高速硬盘h f e l 5 6 2 。 布片方案的确定是进行转向架结构动、静应力测试的关键环节之 一，对布片方案的基本要求是测点能够覆盖转向架结构的疲劳强度控制 点，转向架结构在实际运用条件下的疲劳强度控制点大致可以分为三 类：一类为静态控制点，这些点的静应力水平较高；另一类为动态控制 点，这些点的静应力水平虽不高，但在运用条件下却可能发生较大的动 应力；还有一类为结构控制点，主要位于主焊缝区和结构复杂部位。应 变片布在转向架的各测点上，在实际运用条件下，它随着该部位的局部 变形雨发生变形，导致它的电阻作相应变化。动态应变仪则感受电桥的 电阻变化而输出电压信号。h p e l 4 0 i b 型数据采集系统则采样各个通道的 电压信号、通过a d 转换生成数字信号并将其通过两种途径用二进制浮 点格式数据文件进行输出：一是通过s c s i 接口将扫描式采集板h p e l 4 1 3 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 采集的数据以一个大型二进制浮点格式数据文件存贮在外置s c s i 硬盘 中，同时生成个时间样点数据文件，它记录各时刻扫描式采集板 h p e l 4 1 3 采集的数据样点总数；二是通过本地总线将1 6 通道独立a d 数 据采集板h p e l 4 3 2 的采集信号临时存贮在高速硬盘h p e l 5 6 2 中，在数据 采集结束后，再通过软件回放把高速硬盘h p e l 5 6 2 的数据以1 6 个二进 制浮点格式数据文件存贮在外置s c s i 硬盘中。这个外置s c s i 硬盘中的 数据即是进行软件处理的原始数据。 1 2 机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统简介 【机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统 图1 2 机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统的总体构成 系统设置 指 定 系 统 工 作 目 录 设 置 系 统 数 据 常 量 设 置 系 统 数 据 文 件 设 置 各 测 点 通 道 号 设 置 系 统 图 象 界 面 恢 复 系 统 默 认 设 置 信号预处理 实 测 应 变 信 号 数 据 分 离 应 变 信 了 去 除 霉 点 漂 移 数 字 滤 波 参 数 设 计 应 变 信 号 数 字 滤 波 图13 系统设置一级菜单图14 信号预处理一级菜单 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 应变花处理单向通道处理 图1 - 5 应变花处理一级菜单图1 6 单向通道处理一级菜单 图1 7 其他处理一级菜单 疲劳累积损伤计算 直力谱统计推断 应力谱编制应力时间历程雨流计数 应力时间历程小波处理 找应力时间历程峰谷值应变信号转为应力信号 疲劳累积损伤计算 至1力谱统计推断 应 力谱编制 应力时间历程雨流计数 应力时问历程小波处理 找应力时间历程峰谷值 =向应力信号等效合成 应变信号转为应力信号 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 图象处理 量 列 信 号 波 形 绘 制 零 漂 处 理 波 形 比 较 两 列 信 号 波 形 比 较 三 列 信 号 波 形 比 较 应 力 循 环 参 量 线 图 图 象 处 理 窗 口 刷 新 恢 复 系 统 图 象 界 面 频谱分析 土 喜 信 磊 号 立 功 塞 叶谱 变 估 换 立 图1 8 图象处理一级菜单图1 9 频谱分析一级菜单 机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统主要由系统设置、 信号预处理、应变花处理、单向通道处理、其他处理、图象处理、频谱 分析等七个一级菜单组成，如图1 2 所示。每个一级菜单又包含若干个 二级菜单，有的二级菜单还包含若干个三级菜单，如图1 3 图1 9 所 不。 系统设置一级菜单中所包含的各模块其主要功能是设置整个软件系 统的运行环境、工作目录、默认参数、默认数据文件名、本次测试时各 单向通道的通道号、本次测试时各应变花的花号以及各应变花所包含的 三个应变片所对应的通道号，以避免重复性的工作，为后续数据处理提 供方便。每进行一次动应力测试之后，在进行数据处理之前都要进行系 统设置。 信号预处理一级菜单包含实测应变信号数据分离、应变信号去除零 点漂移、数字滤波参数设计、应变信号数字滤波四个二级菜单。实测应 变信号数据分离模块将扫描式采集板h p e 4 1 3 采集的大型二进制浮点格 式数据文件按扫描的通道进行数据分离，并分别以二进制浮点格式数据 文件进行输出。应变信号去除零点漂移模块将各通道的实际应变信号运 用线性零漂理论排除电信号零线漂移，得到真实的应变信号。对于有干 扰的信号，要先对其进行频谱分析以确定干扰频率范围，再根据具体情 况设计出相应的数字滤波器，并对该被干扰信号进行数字滤波，恢复该 信号的本来真实面目，这就是数字滤波参数设计和应变信号数字滤波两 个模块的功能。 单向通道处理一级菜单包含应变信号转为应力信号、找应力时间历 程峰谷值、应力时间历程小波处理、应力时间历程雨流计数、应力谱编 制、应力谱统计推断、疲劳累积损伤计算七个二级菜单。实测信号经过 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转 句架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 预处理之后，得到真实应变信号，对于单向通道，可由应力应变关系 盯= 占点 直接得到测点的应力信号。在疲劳累积损伤计算中，关心的是载荷的应 力循环，即应力时间历程中的极大值( 通称为峰值点) 和极小值( 通称 为谷值点) ，而数据采集系统的采样频率高达5 0 0 r z ，因此应力从一个极 值达到另一个极值的过程中可能会出现许多采样点，而这些点对于计算 疲劳寿命没有任何意义，因此在数据处理时将这些中间采样点舍去，只 保留有实际意义的应力极值点即峰谷值点，这一过程就是找应力时间历 程峰谷值。从挑峰谷值之后的应力时f 司历程波形可以看出，波形基本由 主波、高均值二级波、低均值二级波和三级波组媛”。在数据处理过程 中，为减小数据量，排除小噪声的干扰，有必要将不产生疲劳损伤的三 级波滤掉，这就是应力时间历程小波处理模块的功能。经过小波处理之 后的应力时间历程由一系列变化范围较大的应力峰谷值构成，将这种应 力时间历程简化为系列应力循环的过程称为“雨流计数”，本文采用 的是目前国际疲劳研究领域广泛应用的“二维雨流计数法”，这就是应 力时间历程雨流计数模块。二维雨流计数得到的是各应力循环的均值和 幅值，将均值、幅值按等间距划分为一定的级数，统计应力循环发生在 各段均值、幅值范围内的频数，并求相应的各组频数、组平均值、均值 波动中心、幅值波动中心的过程即是应力谱编制。实测应力时间历程毕 竟是有限的，要由有限的测试数据推测转向架的整个运用状况，必须进 行统计分析，对母体特征作出统计推断，这就是应力谱统计推断模块。 要对转向架的疲劳寿命作出评估，离不开疲劳累积损伤的计算，这一过 程由疲劳累积损伤计算模块来完成。单向通道处理一级菜单中各模块的 算法推导与软件实现将在第三章作详细论述。 应变花处理一级菜单包含应变信号转为应力信号、三向应力信号等 效合成、找应力时间历程峰谷值、应力时间历程小波处理、应力时间历 程雨流计数、应力谱编制、应力谱统计推断、疲劳累积损伤计算八个二 级菜单。除三向应力信号等效合成二级菜单外，其余二级菜单的算法与 单向通道处理中的样，只是功能和界面有所不同。应变花处理时，基 本思路是将复杂的三向应力状态转化为等效的单向应力状态进行处理。 其他处理一级菜单包含牵引拉杆载荷计算、测试桥路应力折算、应 力时间历程最值、信号时域抽样、数据文件处理、静态标定处理六个二 级菜单。由于牵引拉杆承受单向载荷，而测试得到的是应力信号，因此 有必要将此应力信号转化为载荷，计算公式为： ，= 删= 仃詈( d 2 一d a ) 其中，f 为载荷、仃为应力、d 和d 分别为牵引拉杆的外径和内径。在 动、静应力的现车实测中，有的部位的测试电路采用全桥或半桥的连接 形式，测试结果对真实信号有不同程度的放大因此在作数据处理时必 5 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开笈 须把这些部位的测试数据作相应的桥路放大系数处理，这就是钡4 试桥路 应力折算模块的功能。应力时间历程最值模块其主要功能是搜索各测点 整个应力时间历程中的若干个最大最小值及其发生的时刻并将搜索结 果以文本数据文件的格式输出，以便于测试时从宏观上把握各测点的应 力大小并决定进一步测试的取舍；也便于在数据处理过程中对某些典型 的大变程应力信号从转向架结构、运行工况等方面进行综合的分析，找 出原因并提出改进措旌。在这一模块中，输出的最值个数、应力最值的 小数点位数以及是否需要输出发生时间都是由用户输入或选择的。信号 时域抽样模块其主要功能是将整个应力时间历程中用户感兴趣的一段信 号以测试时间为依据抽样出来生成另一个输出文件进行单独处理，如作 频谱分析等。数据文件处理二级菜单包含五个三级菜单，其主要功能有： 将二进制数据文件进行格式转换，转化为文本数据文件，以便于用户进 行浏览；将二进制数据文件以百分比为依据进行截取，并将截取到的数 据以另个二进制数据文件进行输出；有时由于应力谱编制和疲劳累积 损伤计算的需要，把两段或更多段二进制浮点数据加以连接，形成一个 更大型的二进制浮点数据文件，或者把一个大型二进制浮点数据文件拆 分成两个小型二进制浮点数据文件。静态标定处理二级菜单包含静态标 定应变调整、静态标定应力计算、静强度主应力确定三个三级菜单，其 主要功能一方面是根据静、动应力测试的接线方案，以动应力测试的接 线方案为准进行各通道的静应变调整；另一方面则是计算各测点静态应 力的大小，并对应变花计算其静态情况下主应力的大小和方向。 图象处理一级菜单包含单列信号波形绘制、零漂处理波形比较、两 列信号波形比较、三列信号波形比较、应力循环参量线图、图象处理窗 口刷新、恢复系统图象界面七个二级菜单。单歹b 信号波形绘制模块用于 对单个二进制浮点格式数据文件进行波形绘制；零漂处理波形比较模块 用于对零漂处理前后的两个数据文件同时进行波形绘制，达到两列信号 波形比较的目的，以检验零漂处理的效果：两列信号波形比较模块用于 对两个二进制浮点格式数据文件进行波形比较；三列信号波形比较模块 用于同时绘制直角三轴应变花所对应的三个二进制浮点格式数据文件的 波形并作波形比较；应力循环参量线图模块用于绘制雨流循环计数处理 后的应力循环均值幅值数据文件的均值、幅值线图：图象处理窗口刷新 模块用于结束图象处理、关闭当前所有文件指针并返回系统待命状态； 恢复系统图象界面模块用于结束图象处理、关闭当前所有文件指针、显 示系统界面并返回系统待命状态。波形绘制时，软件系统会自动对数据 文件中的最大、最小值进行搜索，进而确定波形缩放比例，使整个波形 充满屏幕，同时每屏绘制的数据样点数也是可调的，而且用户对异常信 号还有干预权，可以对指定长度的数据样点作清零处理或连线处理。在 作数据处理时，数据处理过程中的各个阶段与图象处理功能相结合，不 仅可以验证数据处理过程的正确、合理性，还可以为下一步的处理提供 6 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谙数据处理与频谱分析系统轼件开发 决策依据。 频谱分析一级菜单包含信号傅立叶变换和信号功率谱估计两个二级 菜单。信号傅立叶变换模块可以对抽样信号进行f f t ，并将变换生成的 信号幅值用谱线图的形式表示出来。信号功率谱估计模块在f f t 的基础 上，求出信号的功率谱估计，并将谱估计值用谱线图的形式表示出来， 提供信号所含各频率成份的功率或能量大小的信息、或展示其幅值方差 在频域上的分布，不仅简单直观，而且可以逐步搜索到各具体谱线所对 应的频率，为对受噪声干扰的信号进行数字滤波提供依据：同时还可以 找到特定工况下机车车辆转向架的主频振动范围，这一结果与模态分析 的结论相结合，可以对承载构件的应力响应特性进行综合分析，为结构 的动态修改奠定基础。 第二章信号预处理 h p e l 4 0 1 b 型数据采集系统共有4 8 个通道，其中扫描式采集板 h p e l 4 1 3 采集的3 2 通道数字信号通过s c s i 接口以一个大型二进制浮点 格式数据文件存贮在外置s c s i 硬盘中；另外16 通道独立a d 数据采集 板h p e l 4 3 2 采集的数字信号通过本地总线临时存贮在高速硬盘h p e l 5 6 2 中。在不进行数据采集的时候，可以用h p 专用软件将存贮在高速硬盘 h p e l 5 6 2 中的1 6 通道采集数据按通道从高速硬盘回放到外置s c s i 硬盘， 成为1 6 个二进制浮点格式数据文件。对于前3 2 通道采集的数据，必须 用本软件系统按通道进行分离，成为3 2 个二进制浮点格式数据文件。 这4 8 个与相应测点部位对应的二进制浮点格式数据文件在本文中称为 原始数据。 由于动应力测试时间长，应变片、仪器设各工作环境比较复杂，因 此电子系统的输出由于温度、外界环境等因素不可避免地会产生零点漂 移现象，在数据处理过程中必须予以消除。 动应力测试过程复杂，工作环境比较恶劣，有时个别信号会受到来 自外界的各种干扰的影响，产生严重的信号失真现象，针对这种情况， 本文专门开发了频率选择数字滤波处理模块，以达到排除干扰、恢复信 号真实面目的目的。 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与额谱分柝系统软件开发 2 13 2 通道数据分离 在数据分离模块中，需要输入待分离的大型二进制浮点数据文件 名、分离后生成的输出数据文件名( 不含扩展名) 、对应于这个待分离 数据文件的测试通道数( 记为n u m ) 、以及待分离的测试通道号，输出数 据文件的扩展名对应于相应的通道号。这一模块的软件实现很简单，先 用f r e a d 函数一次性读取n u m 个浮点数据放入缓冲区，再逐个提取与待 分离的测试通道号对应的数据用f w r i t e 函数写入相应的输出数据文件， 直到输入数据文件读完为止。 数据分离后生成的数据文件格式为：单列二进制浮点型，浮点数据 表示动态应变仪输出的电压信号，单位为伏特。 2 2 去除信号的零点漂移 在恒温、恒湿的环境中，在试件不受力的条件下，粘贴在试件上的 应变片的指示应变随时间变化的特性称为零点漂移。本文所涉及的信号 是动应力信号，采用的是应变片、补偿片加动态应变仪组成的测试电桥 系统。每次在试验前，也就是在启车前进行动态应变仪的调平衡处理， 动态应变仪的输出为零，从理论上讲，在停车后动态应变仪的输出信号 也应当是零，事实上，由于电子设备的发热、以及各种外界因素的影响， 动态应变仪的输出往往不是零，而是相对于零线有一个明显的偏移，这 就是所谓的测试信号零点漂移现象。 本文采用的是分段线性零漂理论进行信号的零漂处理，其基本思想 是：假设信号的零漂在较短时间内是线性变化的，将长的应力时间历程 分成若干段，认为各段内的零漂是线性的，则整个应力时间历程的零漂 连起来是一条折线，用实测信号逐点减去这条折线便得到我们所需要的 信号。 那么这条折线是如何确定的呢? 首先根据实测信号求各段的信号均 值，设为s ，是，s ，s 。( 其中为霉漂分柝段数) ，如图2 1 所示， 而且我们总假设数据采集刚开始时是没有零漂的，因此折线的起点为 零；后续各段则考虑折线的连续性，因此各段交界处的折线端点总取两 段均值的平均值；对于最后一段折线，其左端点可由连续性来确定，其 右端点可以根据折线、过左端点的水平线、过右端点的垂直线所围成的 三角形面积与最后一段均值线、过左端点的水平线以及过左右端点的两 条垂直线所围成的矩形面积相等来确定。如果每段的信号样点数为 ， 以信号样点数表示横坐标，信号值的大小表示纵坐标，以图2 1 所示 = 6 为例，则零漂折线各点的坐标计算公式如下： 绦其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向桨盔力谱数据处理与额避分援系统软件开发 图2 1 线性零漂处理的原理图( n = 6 ) 图22c w 一2 0 0 型转向架某部位实测信号零漂处理前后的波形比较 4 0 ，o )i m 荆、托剐、扣刳 e 小，荆、g 1 6 吲 - 9 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 需要指出，在实际进行零漂处理时，选择零漂分析段数比较关键， 每段的时间太短，会对比较典型的信号造成较大的失真，因为机车车辆 转向架在实际运行时，过道岔可能会出现某一段应力水平整体大幅度提 高的情况：每段的时间太长，电子信号的漂移就不能认为是线性的，实 际可能是二次的或者更复杂。实践表明，在信号采样频率为5 0 0 h z 的情 况下，每1 0 1 5 分钟作为一段，本文提出的线性零漂理论能够较好地 反映实测信号零点漂移的真实状况，图2 2 所示即为长春客车厂生产的 c w - 2 0 0 型转向架于1 9 9 8 年6 月2 0 曰在京广线进行2 0 0 k m h 以上提速试 验时采集的一段信号零漂处理前后的波形比较。 在进行去除信号的零点漂移处理时，输入为原始数据文件，单列二 进制浮点格式：输出为单列二进制浮点格式数据文件，浮点数据为表示 应变量的大小的电压信号，单位为伏特。 2 3 信号数字滤波 在动应力的现车实测过程中，难免会有个别通道的信号出现大的干 扰，对于这种情况，只要干扰是有规律的，我们就可以通过频谱分析， 找出信号的主要干扰频带，然后再用频率选择数字滤波的办法将干扰成 分滤掉。然而事实上，由于干扰信号可能与有效信号叠加，因此实际处 理时往往采用带阻数字滤波，当这个带的宽度很小时，可以认为是点阻 滤波，以尽可能大地衰减干扰信号、尽可能小地衰诫有效信号。本论文 从数字滤波的通用性出发，设计了低通、高通、带通、带阻四种频率选 择数字滤波器，可以有效地对受干扰信号进行数字滤波处理。关于频率 选择数字滤波器的设计及其数字滤波的软件实现在第四章作详细论述。 徐其瑞 北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力潜数据处理与频谱分析系统软件开发 第三章应力谱数据处理 3 1 将应变信号转化为应力信号 静态标定时，动态应变仪在落车前调平衡并设定静态灵敏度系数k 。， ( 单位：应变伏特) ，落车后各通道采集的数据即为转向架各测点的静 应变( 单位：伏特) 。动态测试时，动态应变仪在启车前调平衡并设定 动态灵敏度系数k 。( 单位：应变伏特) ，车辆运行时各通道采集的数据 即为转向架各测点的动应变( 单位：伏特) 。 根据材料力学中的虎克定律，在单向应力状态下，当应力水平低于 材料的弹性极限时，应力与应变成正比，比例常数为材料的弹性模量。 静应力的计算公式为：口，= e k 。x 。 动应力的计算公式为：g d v = e k 。c d v 其中，s ，为静态标定的应变值，。，为动态测试的应变值，e 为材料的 弹性模量。 软件实现时，先求待处理通道的静应力盯。再打开该通道的动应变 测试数据文件( 即经过零漂处理之后的数据文件) ，逐个读取动应变测 试数据求出相应的动应力巧并将动静应力之和( 3 - 。+ 盯。作为与 该通道对应的测点所承受的实际应力写入输出数据文件，这个输出数据 文件即为该测点的应力时间历程。该模块的算法比较简单，不作详述。 在作应变信号转化为应力信号处理时，输入为经零漂处理之后的数 据文件，单列二进制浮点格式，浮点数据为表示应变量大小的电压值， 单位为伏特；输出为应力时间历程，数据文件的格式为单列二进制浮点 格式，浮点数据表示应力值的大小，单位为m p a 。 3 2 挑选应力时间历程的峰谷值 前面已经提到，在疲劳研究领域，关心的是应力时间历程中的极大 极小值点( 即应力峰谷值点) ，而不关心介于峰、谷值点之间的过渡数 据样点，因此必须把这些过渡数据样点加以过滤，这一数据处理过程即 是挑选应力时间历程的峰谷值。 挑选应力时间历程峰谷值模块的流程图如图3 1 所示，其编程思路 是：先从输入数据文件读取两个应力值，并将第一点写入输出数据文件， 再比较第一个应力值与第二个应力值的大小，如果第一个应力值小于第 二个应力值，则认为第一个应力值为应力谷值点，然后无条件转向应力 峰值点寻找模块，找到应力峰值点之后再无条件转向应力谷值点寻找模 块，如此循环往复直至输入数据文件读完为止；如果第一个应力值不小 堡苎壁! ! 互窒望查堂堡主笙塞垫主兰塑堑塑墨壁垄塑墼塑丝墨皇塑堂坌塑墨堑竺堡茎垄 图3 t 挑选应力时间历程峰谷值模块流程图 - 1 2 垫! l j t 方变通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 于第二个应力值，则认为第一个应力值为应力峰值点，然后无条件转向 应力谷值点寻找模块，找到应力谷值点之后再无条件转向应力峰值点寻 找模块，如此循环往复直至输入数据文件读完为止。 在应力峰值点寻找模块中，将当前最近的一个应力数据样点( 即s ，) 赋给s ，逐点读取下个应力数据样点作为新的s ，比较s 与s ，的大 小，如果s s ：则认为当前的s 即为所要找的应力峰值 点。应力谷值点寻找模块与此相类似，这里不作详述。 在应力时间历程峰谷值挑选模块中，有两点需要说明：1 本文所处 理的数字信号是机车车辆转向架各测点在实际运用中的应变信号用 5 0 0 h z 的采样频率采样得到的，这个采样频率对于转向架的主频振动范 围来说是足够高的，它完全能够捕捉到应力信号这个连续随机过程的极 值点，因此不必用曲线拟台的办法扫1 来进行应力极值点的推断，而直接 用采样信号进行应力极值点的寻找。2 为对实测典型信号的运用工况进 行全面系统的分析，在数据处理过程中需要保留各应力信号的发生时刻 这个信息。由于应力时间历程的峰谷值挑选需要过滤掉介于应力峰、谷 值数据样点间的过渡数据样点，为保留时刻信息，本文在输出数据文件 中增加了列长整型数据，它对应于各应力峰谷值数据样点的位置序列 号( 即该应力峰谷值数据样点在原应力时间历程数据文件中的顺序号) 。 在应力时间历程峰谷值挑选处理时，输入为应力时间历程数据文 件，单列二进制浮点格式，浮点数据表示应力值的大小，单位为m p a ； 输出数据文件为双列二进制格式，第二列为浮点型，表示应力峰谷值的 大小，单位为m p a ，第一列为长整型，表示与第- n 应力峰谷值对应的 位置序列号。 国3 2 硼- - 2 v , 型转向架蜜铡应力时间历程峰谷值挑选前后的波形比较 一1 3 - 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向粲应力谱数据处理与频莆分析系统软件开发 图3 2 为c w 一2 g 型转向架京广线2 0 0 k m h 以上提速试验时的一段 实测应力时间历程峰谷值挑选前后的波形比较。 3 3 应力时间历程小波处理 在随机疲劳载荷作用下的机械零部件，如何精确地确定其疲劳寿 命，是国际疲劳研究领域十分关注的问题。根据目前对疲劳研究的成果 可知，造成疲劳寿命估算精度不高的原因是多方面的，但对机械零部件 所承受的疲劳载荷处理不当，在应力谱编制过程中没有很好地遵循损伤 等效原则是其中的主要原因之一。 f u c h s 等人通过对汽车谱的试验后指出，频次不到全谱1 0 的大载 荷占整个谱损伤的9 5 ：h e u l e r 等人对各种载荷谱采用不同的取舍标 准做了大量试验，结果表明，低于材料疲劳极限5 0 的小载荷对试样的 损伤可以不计 3 。小载荷的取舍方法很多，都是依据经验确定的，现已 证明，材料疲劳极限以下的小载荷对金属材料或零部件仍能造成损伤， 其损伤大小与材料本身的微观结构、载荷谱类型有关，因此采用常比例 系数舍去小载荷，常常与实际损伤差异较大，且目前没有统一的作法。 随机疲劳载荷历程中的小载荷取舍的唯一标准，就是舍掉小载荷前后对 材料或零部件造成的损伤等效。滤掉不产生疲劳损伤的三级波的过程就 是应力时间历程小波处理模块的功能。 应力时间历程小波处理的算法比较复杂，其主程序流程图如图3 3 所示，主要编程思路是：系统当前待处理的始终是四个应力峰谷值数据 样点，设定一门槛值。采用“四峰谷值点穷举法”进行数据样点的 过滤处理。先根据四个应力峰谷值数据样点中第点为峰值点和第点 为谷值点分成两个大的模块；每一大模块中再分别按照四个应力峰谷值 数据样点可能出现的各种构成情况采取穷举的办法进行一一考虑；针对 各种具体的四峰谷值构成情况，最终可以归结为三种处理办法( 这在本 文中称为三个专用处理模块) 。 应力时间历程小波处理主程序流程图如图3 3 所示。主程序首先读 取四个应力峰谷值数据样点e ，e ，e 、，e 。，判断e 与e 的大小，如果 e 。 e ，则置标识符f l a g = 1 ，否则置标识符f l a g = 一l ，如果输入数据文 件读完则置f l a g = 0 ；再对标识符f l a g 进行判断，如果f l a g = 0 则主程 序结束，如果f l a g = l 则调用“当前四个峰谷值数据样点中第一点为峰 值点处理模块”，如果搬= 一i 则调用“当前四个峰谷值数据样点中第 一点为谷值点处理模块”。 小波处理时当前四个峰谷值数据样点中第一点为峰值点处理模块的 流程图如图3 4 所示。该处理模块对图3 9 所穷举的四峰谷值点中第一 点为峰值点的七种可能的构成情况进行了相应的处理，并最终归结为调 徐其瑞 北方交遥大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 图3 3 应力时间历程小波处理主程序流程图 用三个小波处理专用模块。与此相类似，小波处理时当前四个峰谷值数 据样点中第一点为谷值点处理模块的流程图如图3 5 所示。该处理模块 对图3 ，1 0 所穷举的四峰谷值点中第一点为谷值点的七种可能的构成情 况进行了相应的处理，也最终归结为调用三个小波处理专用模块。 从图3 9 和图3 1 0 可知，需调用小波处理专用模块一进行处理的 四峰谷值点的构成分为以下两种情况：第一、二两点之差的绝对值大 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 - 1 6 至il王鬟卷j冒拳罂誊文砖嘎嚣骚瓤蜒验彗牛目控盯蓄封文鲻f， e 二 ；i 徐其瑞北方交通大学硕士论文机车车辆转向架应力谱数据处理与频谱分析系统软件开发 - 1 7 - 丑篓避卷娶斟爿g裆最近垛【=1未曙赫犁枯世一如日坦盯蛋斟剞鲻f，b n 西 徐其瑞北方交通大学硕士论烹机车车辆转向架应力谱数据处理与额谱分析系统软件开发 于所设定的门槛值即l e 。一e ：j 。，且四点构成的三段折线里收敛趋势 即l e l e ，1 j e ，一e ，b 1 e ，一e 4 1 ；第一、二两点之差的绝对值大于所 设定的门槛值即旧一e ，i 。，且第二、三两点之差的绝对值也大于所 设定的门槛值即l e ：一，l 。在这两种情况下，将当前第一点写入输 出数据文件，后续三点分别作为新的第一、二、三点，并从输入数据文 件中读取下一个数据样点作为新的第四点，由于新的四峰谷值数据样点 中第一点的峰、谷性质正好与原四峰谷值数据样点中第一点的峰、谷性 质相反，因此需要对标识符f l a g 作符号取反处理即砌g = 一f l a g ，如果 输入数据文件读完则置f l a g = 0 ，然后逐级返回主调函数，继续采用“四 峰谷值穷举法”进行判断处理，这就是小波处理专用模块一的功能。其 流程图如图3 6 所示。 图3 6 小波处理专用模块一流程图