车辆动力学试验方法

1、2020/6/28,2016年培训,车辆动力学试验简介,倪纯双 轮轨关系研究室 机车车辆研究所,2016年培训,2020/6/28,2,提纲,管理布局 CRH系列动车组的特点 整车型式试验 动力学性能试验,2020/6/28,3,管理布局,中国铁路总公司,运输局,车辆部,机务部,客车处,货车处,动车处,地方铁路公司,城轨地铁,神华集团等,装备技术处,科技管理部,2020/6/28,4,管理布局,2020/6/28,5,管理布局,2020/6/28,6,管理布局,海外市场,澳大利亚 新西兰,哈萨克斯坦 白俄罗斯 南非,巴西 阿根廷 巴基斯坦 印度 斯里兰卡 伊拉克 伊朗 沙特 土耳其,2020/

2、6/28,7,提纲,管理布局 CRH系列动车组的特点 整车型式试验 动力学性能试验,2020/6/28,8,CRH系列动车组的特点,动力分散,动力集中,独立式,铰接式转向架,2020/6/28,9,CRH系列动车组的特点,高速转向架,2020/6/28,10,CRH系列动车组的特点,高速转向架技术弹簧悬挂装置,2020/6/28,11,CRH系列动车组的特点,四 个 技 术 平 台,2020/6/28,12,CRH系列动车组的特点,CRH2A,CRH3C,CRH5A,CRH1A,技术引进阶段,2020/6/28,13,CRH系列动车组的特点,消化吸收再创新阶段,CRH1B/1E,CRH2B/2

3、C/2E,CRH380A(L),CRH380B(L),CRH380D,CRH380CL,2020/6/28,14,CRH系列动车组的特点,CRH1动车组,CRH1动车组原型为庞巴迪为瑞典铁路生产的皇后系列（Regina），转向架以AM96为原型。,2020/6/28,15,CRH系列动车组的特点,CRH2动车组,CRH2原型为JR东日本E2-1000高速动车组，转向架在原川崎重工生产的动车转向架DT206和拖车转向架TR7004B的基础上改进发展而来，国产后的型号分别为SKMB-200和SKTB-200型转向架,2020/6/28,16,CRH系列动车组的特点,CRH3动车组,CRH3原型为西

4、门子为西班牙制造的Velaro E高速动车组，转向架以ICE3使用的SF500型为原型，SF500为国际著名的SGP公司和Adtranz公司联合设计完成。,2020/6/28,17,CRH系列动车组的特点,CRH5动车组,CRH5原型车为阿尔斯通为芬兰制造的SM3型高寒动车组，转向架分别装有AX30499、AX109567、AX30500转向架，动车转向架有一根动力轴和一根非动力轴。,2020/6/28,18,CRH系列动车组的特点,运用性能及存在的问题 转向架失稳报警问题、共振问题 维修部件不能互换，维修周期不一致 旅客界面、司机操作界面等不一致 不同车型互联互通问题 重联运行 列车救援（车

5、钩） 列车热备（定员）,2020/6/28,19,针对2013、2014年新采购动车组，重点对旅客界面、操作界面、运用界面、维护界面、制动系统、监测保护等六个方面，包括车种、定员、司机台布置、前端车钩高度及型式、功能设施等33个项点进行统型。,集中国内各方力量，实现同一速度等级产品的完全统一。 2014年底组织中车开展样车设计和制造；2015年结合大西线开展试验验证；2016年试运考核等工作,结合高级修对动车组进行改造，包括取消半包间结构，调整一等车数量等，实现定员相对统一； 通过研制统型过渡车钩，实现既有各型动车组相互间的救援连挂。,既有动车组统型改造,近期采购动车组统型,研制中国标准动车组

6、,CRH系列动车组的特点,中国标准动车组,2020/6/28,20,CRH系列动车组的特点,中国标准动车组,860mm 890mm 915mm 920mm,920mm,统一车轮直径,拖车轮对互换 动车车轮互换,分体式轴箱,2020/6/28,21,提纲,管理布局 CRH系列动车组的特点 整车型式试验 动力学性能试验,2020/6/28,22,整车型式试验,型式试验与例行试验 型式试验是对产品的基本参数、结构、性能等是否符合设计要求进行的试验 例行试验是对批量生产的产品而做的常规性试验。 整车与零部件型式试验 整车型式试验应该在新设计的第一列动车组上进行。 当有下列情况之一时，也应对整车进行型式

7、试验： 结构或工艺有重大改变时 当整车或关键零部件制造地点发生变化时 停产五年后再生产时,2020/6/28,23,整车型式试验的标准 国外标准 国际电工委员会标准 IEC 61133 欧洲标准 EN 50215 日本工业标准 JIS E 4041 国内标准 高速动车组整车试验规范（送审稿）,国际电工委员会（IEC）于1992年制订了IEC 61133电力机车车辆和电传动热力机车车辆制成后投入使用前的试验方法第一版。2006年10月更新发布了第二版IEC 61133铁路应用 - 铁道车辆 组装完成后和投入运用前的铁道车辆整车试验。IEC 61133得到世界各国普遍认可，德国、法国、意大利、日本

8、等IEC成员国均等效采用，或以其为基础制定相应标准。 由于IEC 61133标准为适用于所有机车车辆和所有成员国，只规定了各成员国可以接受的内容，因此需要相应的成员国根据各国的具体情况作进一步的调整和细化。,整车型式试验,欧洲标准化委员会（CEN）于1999年制订了EN 50215铁路运用组装完成后投入运用前的机车车辆的试验。该标准是以IEC 61133为基础制订的，根据欧洲情况调整和细化了相应的内容。,1999年，日本在IEC 61133 电力机车车辆和电传动热力机车车辆制成后投入使用前的试验方法的基础上，等效采用，分别制订了电动车组、电力机车、内燃动车组、内燃机车等4个标准。其中JIS E

9、 4041电动车组装后投入运营前的试验规范标准适用于电动车组。其编制标准时基本遵守原技术内容，但是，根据其国内情况调整和细化了相应的内容。,2008年，在长期实践和理论研究的基础上，借鉴IEC61133的技术内容，规范了我国高速动车组整车试验行为，决定建立了我国高速动车组试验验证体系，由于IEC 61133标准为适用于所有机车车辆和所有成员国，只规定了各成员国可以接受的内容，因此根据我国的具体情况作进一步的调整和细化。主要增加了高速所特有的项目，如滚振台试验，压力保护、过分相、整车气密性、车体自振频率、实车动应力和疲劳评估等。,2020/6/28,24,整车型式试验,共计28个方面71个试验项

10、目,2020/6/28,25,提纲,管理布局 CRH系列动车组的特点 整车型式试验 动力学性能试验 （1）国内外标准及动力学指标 （2）轮轨力的测量方法 （3）传感器选型 （4）线况识别方法 （5）测试方案和测试系统,2020/6/28,26,国内外动力学试验标准一览,2020/6/28,27,动力学测试指标,2020/6/28,28,稳定性指标,脱轨系数 轮轨间横向力对垂直力之比（国内Q/P，欧洲Y/Q，美国L/V） 19世纪70年代，Nadal 经验公式，判别轮缘有否爬轨,轮缘角 轮缘与钢轨间的摩擦系数,2020/6/28,29,稳定性指标,脱轨系数 例按BR规定， 轮缘角为6870，Q/

11、P不大于1； 轮缘角为60， Q/P不大于0.85 Q和P一般用测力轮对测得，都是动态力。 现代蠕滑理论发现，Nadal公式可以 继续适用，是对脱轨条件的一种保守的估计。 铁运200828号文规定限值为0.80,2020/6/28,30,稳定性指标,轮重减载率 轮重减载量P与该轴平均轮重P的比值 P=P-Pd ，Pd为实际轮重 用于评定在特定工况下因轮重减载过大而引起脱轨 临界脱轨条件计算：,轮对脱轨的作用力计算简图,若取1= 70，1= 0.36，tan2= 1/ 20, 2= 0.25,铁运200828号文规定限值为：0.65(准静态) / 0.80(动态),2020/6/28,31,稳定

12、性指标,轮轴横向力H 用于评定车辆在运行过程中是否会因为过大的横向力而导致轨距扩宽或线路产生严重变形等 铁运200828号文规定限值为10+P0/3，P0为静轴重，单位为kN 轮轨垂向力 用于评定车辆在运行过程中是否会因为 过大的垂向力而导致轨道疲劳等 铁运200828号文规定限值为170kN,2020/6/28,32,稳定性指标,横向稳定性 横向平面内存在蛇行运动，超过某一临界速度会出现失稳 铁运200828号文规定，当构架横向加速度滤波10Hz、峰值有连续6次以上达到或超过极限值810m/s2（与转向架的设计相适应）时，判定转向架横向失稳,2020/6/28,33,稳定性指标,蛇形运动频率

13、研究,自由轮对假设时的蛇行运动频率：,刚性定位转向架假设时的蛇行运动频率：,为车轮踏面锥度 b为滚动圆间距； r0为车轮半径， S0为轴距， V为车辆运行速度,2020/6/28,34,舒适性指标,背景 第二次世界大战前，德国铁路车辆研究所的Sperling等就振动对人体生理感觉的影响进行了大量试验研究 运行品质由车辆本身来衡量，而舒适性则还与旅客对振动环境的敏感度有关 平稳性指标W GB5599-85 j振动加速度；f振动频率；F(f)修正系数 对横向振动而言，人体对2Hz以下的振动最敏感； 对垂向振动而言，人体对48Hz间的振动最敏感,2020/6/28,35,舒适性指标,平稳性指标W,频

14、率加权系数表,2020/6/28,36,舒适性指标,舒适度N UIC513-1994 0.4100Hz,2020/6/28,37,舒适性指标,2020/6/28,38,舒适性指标,试验评定（铁运200828号文） 运行品质：车体横向、垂向加速度均不能超过2.5m/s2 平稳性指标W W 2.5 （客室） W 2.75 （司机室） 舒适度指标NMV NMV 2.0 （客室） NMV 3.0 （司机室）,2020/6/28,39,影响动力学性能指标的主要因素,车辆因素,2020/6/28,40,影响动力学性能指标的主要因素,线路因素,线路偏差,线路几何形位,轨道支撑结构,道岔,路遂、路桥过渡段,站

15、内线,线 路 激 扰,曲率,缓和曲线形位和长度,超高,随机不平顺,周期不平顺,确定性缺陷,2020/6/28,41,提纲,管理布局 CRH系列动车组的特点 整车型式试验 动力学性能试验 （1）国内外标准及动力学指标 （2）轮轨力的测量方法 （3）传感器选型 （4）线况识别方法 （5）测试方案和测试系统,2020/6/28,42,测力轮对的制作原理和方法,参考标准：GB5599-85 测量方法：,垂直力测量贴片位置,横向力测量贴片位置,2020/6/28,43,测力轮对的制作原理和方法,制作流程,有限元应力分布计算,测力轮对加工,轮对应力分布测试,选点布置应变片并组桥,桥路校正,封装,2020/

16、6/28,44,轮轨力的测量,信号传输：集流环 数据采集,SR系列集流环,2020/6/28,45,轮轨力的测量,无线旋转测量装置,问题提出,集流环只能安装在轴端，而高速列车轴端的设备越来越多，如防滑器、ATP信号传感器、接地装置等，往往会发生冲突,系统功能构成,2020/6/28,46,轮轨力的测量,无线旋转测量装置,系统典型工作原理,2020/6/28,47,轮轨力的测量,无线旋转测量装置,模拟和数字方式 系统抗干扰能力 感应方式供电和电池供电 系统各通道的同步问题 工作温度问题 采样频率和带宽问题,使用注意事项,2020/6/28,48,提纲,管理布局 CRH系列动车组的特点 整车型式试

17、验 动力学性能试验 （1）国内外标准及动力学指标 （2）轮轨力的测量方法 （3）传感器选型 （4）线况识别方法 （5）测试方案和测试系统,2020/6/28,49,加速度传感器,各种型号加速度参数比较,2020/6/28,50,加速度传感器,加速度传感器选型,2020/6/28,51,加速度传感器,车体振动加速度传感器测点布置,2020/6/28,52,加速度传感器,构架振动加速度传感器测点布置,2020/6/28,53,加速度传感器,轴箱振动加速度传感器测点布置,2020/6/28,54,位移传感器,拉线式位移传感器,LXW-5 POT 200型拉线式位移传感器,有效测量范围：0-200mm

18、 输入电压：+12VDC 输出信号：0-5V 非线性误差：0.4% 工作温度：-25-75 绳索材料：高柔性金属芯丝 耐久：全量程500万次,2020/6/28,55,速度传感器,传统速度传感器,DF系列速度传感器,对于单圈脉冲数为200，每米69个脉冲（ 915mm轮径） 一般需要对轴箱的压板和轴箱盖进行加工 车轮空转、踏面磨耗均会带来误差,绝对测量方法,2020/6/28,56,速度传感器,雷达测速传感器,GSS20型微波雷达测速传感器,2020/6/28,57,速度传感器,激光测速传感器,CORREVIT L-400 RAIL型激光测速传感器,2020/6/28,58,陀螺仪,AR-56

19、F型单轴陀螺仪,2020/6/28,59,提纲,管理布局 CRH系列动车组的特点 整车型式试验 动力学性能试验 （1）国内外标准及动力学指标 （2）轮轨力的测量方法 （3）传感器选型 （4）线况识别方法 （5）测试方案和测试系统,2020/6/28,60,动力学线况识别方法,传统方法 人工记录，通过对讲机确认当前速度和线况 缺点： 速度及线况的对应精度差，容易造成混迭现象 当动力学性能指标不理想时，传统的方法则很难判断是机车车辆本身的性能问题还是线路缺陷的问题,2020/6/28,61,动力学线况识别方法,1.地面信号触发方法,2020/6/28,62,动力学线况识别方法,2.车载GPS全球卫

20、星自动定位方法,2020/6/28,63,动力学线况识别方法,3.里程采集方法,车辆运行速度：,连续里程：,n0-轮对每转一圈产生的脉冲数 D-轮对的直径，km0-初始采样里程 n-单位时间内的脉冲数，N-脉冲累计数,在不考虑线路的长短链和滚动圆位置误差的情况下，采样里程的误差只与初始里程km0和轮径D有关。,截距误差，直接修正,线性积累误差，线性修正,2020/6/28,64,动力学线况识别方法,3.里程采集方法,位移波形和线路图的对比（原始图）,位移波形和线路图的对比（里程修正后）,存在长短链的情况下,在数据处理软件中设计长短链断点，每部分单独修正 选择一个对线况比较敏感的测试通道进行里程

21、修正,2020/6/28,65,动力学线况识别方法,3.里程采集方法,2020/6/28,66,动力学线况识别方法,4.实时检测方法,背景,一些如大件运输等的监运试验，由于试验线路长（往往超过1000km），试验线路不确定，很难得到试验的线路图，基于线路图资料的方法将失效,2020/6/28,67,动力学线况识别方法,4.实时检测方法 位移计法,由里程采集方法可知，纵向位移的慢变趋势项与线路的曲线半径紧密相关,S-车体和构架之间纵向动态位移,2020/6/28,68,动力学线况识别方法,4.实时检测方法 位移计法,优点,比较简单，成本较低,缺点,精度稍差，比例系数需要标定,采用位移计检测得到的

22、曲线半径,2020/6/28,69,动力学线况识别方法,4.实时检测方法 陀螺仪法,借鉴摆式列车的思想，在被试车的构架上安装陀螺仪，即可测得试验线路的曲线半径和超高,采用陀螺仪检测得到的曲线半径（曲率）,2020/6/28,70,动力学线况识别方法,结论与建议 在一般的机车车辆鉴定性试验中采用里程采集方法 在长距离监运试验中采用陀螺仪的实时检测方法 在需要精确定位时，可采用地面信号触发方法。,2020/6/28,71,提纲,管理布局 CRH系列动车组的特点 整车型式试验 动力学性能试验 （1）国内外标准及动力学指标 （2）轮轨力的测量方法 （3）传感器选型 （4）线况识别方法 （5）测试方案和测试系统,2020/6/28,72,动力学试验