CN111209643B - 一种确定轨道交通变流器转动惯量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了用于确定轨道交通变流器转动惯量的方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤1、通过刚体模态测试确定该变流器的加速度响应值集合，并确定该变流器的质量；步骤2、根据该加速度响应值集合和该质量确定该变流器的转动惯量。通过本申请提供的确定轨道交通变流器的转动惯量的方法以及系统，能够利用相对简单的采集仪器和试验分析方法，解决了现有的基于三线悬吊法测量法试验难度较大的难题。通过上述方法可方便获得变流器柜体的结构参数，测试过程更为简单，为变流器与车体的动力学仿真分析提供了准确的现场实测数据，对于提高仿真准确度具备实际的应用价值。

Description

一种确定轨道交通变流器转动惯量的方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道技术领域，并且更具体地，涉及一种快速确定轨道交通变流 器的转动惯量的方法及系统。

背景技术

现有的轨道交通车辆变流器，主要通过减震器或螺栓固定连接与动车车体底 部，从而与车体之间构成一个动力学系统。车体与变流器两者之间往往相互影响， 车体振动通过连接部件传递至变流器柜体，影响部件可靠性；而变流器内部风机、 变压器等部件的工作也会影响到车体的振动特性，从而影响到乘客的舒适性。因 此，为了有效地分析车体、变流器振动传递特性，进行整体减振研究，建立准确 的车体、变流器动力学模型显得格外重要。

在进行变流器的动力学分析时，计算或测量变流器的转动惯量是一个必要的 步骤。对于刚体转动惯量的测量在人类生产实践当中是常常遇到的。比如在机械 设计制造、转动物体的研究、运动学理论的推导等很多领域需要考虑到它。工厂 中生产出的许多零部件也需要对它们的转动惯量进行测量，以确定它们的某些转 动性能是否符合标准。目前，变流器柜体转动惯量参数的获取通常通过三线悬吊 法获得，但该方法试验难度较大，且需要专用的工装，试验成本较高。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种轨道交通变流器转动惯量测 试方法及系统，能够快速获取变流器柜体的转动惯量，并保证测试结果的准确性， 从而为变流器柜体进行动力学等分析提供准确参数。

本申请提供的用于确定轨道交通变流器转动惯量的方法，包括以下步骤：步 骤1、通过刚体模态测试确定该变流器的加速度响应值集合，并确定该变流器的 质量；步骤2、根据该加速度响应值集合和该质量确定该变流器的转动惯量。

在一个实施方式中，在步骤1中，该加速度响应值集合通过以下的步骤确定： 步骤11、将该变流器通过弹性绳悬吊；步骤12、确定该变流器的基点以及变流 器柜体表面的多个测试点；步骤13、在坐标系中将基点作为原点并确定该多个测 试点相对于该基点的空间坐标，以建立用于测试的三维几何模型；步骤14、通过 刚体模态测试结合该三维几何模型确定该多个测试点的加速度响应值集合，该加 速度响应值集合由每个测试点的加速度响应值所组成。

在一个实施方式中，步骤14包括：步骤141、在每个测试点处布置三轴向加 速度传感器；步骤142、对该变流器进行激励，并利用该三轴向加速度传感器检 测该每个测试点的加速度响应值。

在一个实施方式中，步骤14通过移动传感器法或移动力锤法进行。

在一个实施方式中，在步骤11中，在该弹性绳和该变流器之间设置有刚性 绳索以减小结构阻尼。通过该实施方式，可以减小结构的阻尼，从而提高实验结 果的准确性。

在一个实施方式中，该变流器的质量通过设置于该弹性绳和行车之间的拉力 称重传感器进行测量。通过该实施方式，能够快速确定变流器的重量，减少测量 步骤，实现快速测量。

在一个实施方式中，拉力称重传感器为应变式力传感器。

在一个实施方式中，该多个测试点包括该变流器的柜体的面端点以及吊耳。 通过该实施方式，能够形成变流器柜体的整体三维几何模型，增加测试结果的准 确性。

在一个实施方式中，在步骤11中，该变流器离地高度为20cm。通过该实施 方式，能够方便实验人员对该变流器的测试点进行激励，提高实验准确性。

本申请还提供了一种确定轨道交通变流器转动惯量的系统，该系统包括：数 据采集模块，其用于收集该变流器的加速度响应值集合和质量；数据处理模块， 其用于根据该数据采集模块收集的加速度响应值集合和质量获得该变流器的转 动惯量。

通过本申请提供的确定轨道交通变流器的转动惯量的方法以及系统，能够利 用相对简单的采集仪器和试验分析方法，解决了现有的基于三线悬吊法测量法试 验难度较大的难题。通过上述方法可方便获得变流器柜体的结构参数，测试过程 更为简单，为变流器与车体的动力学仿真分析提供了准确的现场实测数据，对于 提高仿真准确度具备实际的应用价值。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能 够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明实施例的确定轨道交通变流器转动惯量的方法的示意 性流程图；

图2显示了根据本发明另一实施例的确定轨道交通变流器转动惯量的模态分 析测试的示意性流程图；

图3显示了根据本发明又一实施例的确定轨道交通变流器转动惯量的系统的 示意性框图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本申请的确定轨道交通变流器转动惯量的方法10的示意性流程图。 如图1所示，该方法10包括：

S11，通过刚体模态测试确定所述变流器的加速度响应值集合，并确定所述 变流器的质量；

S12，根据所述加速度响应值集合和所述质量确定所述变流器的转动惯量。

具体地，在现有技术中，转动惯量的测量通常采用三线悬吊法进行，该方法 不仅实验方法复杂且成本较高，不能够做到快速地获取变流器转动惯量。而刚体 模态测试一般用于通过获取刚体的加速度响应值而确定频率响应函数(Frequency Response Function，简称“FRF”)信号，本申请通过该变流器的加速度响应值集 合和质量获得转动惯量。

在S11中，可以先使用高精度称重设备对所述变流器进行称重，获得变流器 的质量。

同时，在确定该变流器的模态分析参数时，如图2所示，可以通过以下的步 骤进行：

S111，将所述变流器通过弹性绳悬吊；

S112，确定所述变流器的基点以及变流器柜体表面的多个测试点；

S113，在坐标系中确定基点为原点，并确定所述多个测试点相对于所述基点 的空间坐标，以建立用于测试的三维几何模型；

S114，通过刚体模态测试结合所述三维几何模型确定所述多个测试点的加速 度响应值集合，所述加速度响应值集合由每个测试点的加速度响应值所组成。

在S111中，将变流器柜体用多根弹性绳悬吊于行车上，弹性绳固定于柜体 的边缘或端点处。应理解，为保证测量结果的准确性，该多根弹性绳应当长度一 直，使得该变流器柜体平行于地面。

根据变流器柜体的尺寸和重量，弹性绳可以具有不同的尺寸和刚度，并且弹 性绳应当足够柔软。

在使用弹性绳支撑该变流器时，应避免弹性绳直接接触柜体部件，这样会增 加结构的阻尼，因此优选的是，在弹性绳和变流器柜体之间设置普通绳索或刚性 绳索，即使用普通绳索或刚性绳索的一端直接悬挂该变流器柜体，另一端再连接 到弹性绳上，在这种情况下，普通绳索或刚性绳索的长度也应当一致以保证变流 器柜体的平行。

优选地，该变流器柜体离地高度为20cm，这样可以方便实验人员对变流器 柜体进行模态测试(即激励操作)，保证测量结果的准确性。

可选地，在S111中，可以在弹性绳和行车之间设置高精度的拉力称重传感 器测量该变流器的质量，这样可以节省操作步骤，实现快速测量。优选地，该拉 力称重传感器为应变式力传感器。

在S112中，在选定变流器柜体的基点时，应当选择柜体上特征突出的点作 为基点，例如该柜体四角的凸耳；在选定变流器柜体的测试点时，应当选择体现 该柜体结构特征的点，优选地为该柜体的六个面的端点以及除基点外的凸耳所在 的位置。

下文中出于清楚描述的目的，以其中一个凸耳为基点，该六个面的端点以及 除基点外的凸耳作为测试点进行说明。将该基点作为原点，确定该多个测试点相 对于该基点的空间坐标。

在S113中，在LMS测试系统里，利用上述基点以及多个测试点的空间坐 标，在空间坐标系中将该多个测试点连线成面，从而在坐标系中建立该变流器柜 体的三维几何模型以用于后续测试，该三维几何模型即为该变流器柜体的几何结 构。

在S114中，作为一种实现方式，可以在每个测试点处布置三轴向加速度传 感器，然后在变流器柜体的某一已知激励点处利用力锤进行沿着坐标系的X轴方 向、Y轴方向和Z轴方向分别激励，该三轴向加速度传感器用于检测该测试点针 对激励在上述3个不同方向加速度响应值，多个测试点的各自沿不同方向的加速 度响应值组成该变流器的加速度响应值集合。

可选地，也可以在某一已知激励点处进行单次激励，在每个测试点处利用三 轴向加速度传感器检测该测试点在X轴、Y轴和Z轴方向上针对激励的加速度响 应值。

备选地，还可以采用移动传感器法或移动力锤法进行模态分析测试，由于二 者均为现有技术，在此不作赘述，这样可以在加速度传感器数量较少的情况下进 行该测试，节省了测试成本。

通过上述刚体模态分析测试可以获得该多个测试点的加速度响应值集合。在 S12中，将多个测试点的加速度响应值集合和该变流器的质量输入LMS测试系统 中，能够得到该变流器的转动惯量。

对选定频带内的所有谱线，对所有响应测量点P、Q…，对所有被考虑的输 入1，2，…，有下面给出的矩阵形式的运动学关系：

其中，Xp、Yp和Zp为测点P在坐标系中的坐标。

对应于每一谱线建立的超定方程组(输入自由度数大于或等于6)以最小二 乘法求解。即针对每一谱线，求出加速度矩阵。进一步再计算出涵盖全部频带的 参考加速度矩阵综合求解，即求出包括所有输出和所有谱线的总体方程组的最小 二乘解。

质心的坐标可以由下式得到：

其中，Xcog、Ycog和Zcog为质心在坐标系上的坐标分量；

Ixx、Iyy和Izz为刚体对坐标系各坐标轴的轴转动惯量；

Ixy、Iyz和Ixz为刚体在坐标系中的惯量积。

a为加速度响应值，m为刚体的质量。

一般地有：

其中，{Lg}为刚体对坐标系各个轴的动量矩；

[A]为惯量矩阵(对称阵)；

{wg}为角速度向量。

本申请还提供了一种确定轨道交通变流器转动惯量的系统20，如图3所示， 该系统20包括：

数据采集模块21，其用于其用于收集该变流器的加速度响应值集合和质量；

数据处理模块22，其用于根据该数据采集模块21收集的加速度响应值集合 和质量获得该变流器的转动惯量。

可选地，数据采集模块21可以为LMS数据采集设备、加速度传感器和应变 式力传感器，分别用于收集该变流器的加速度响应值集合和质量。

数据处理模块22可以为计算机等设备。

通过本申请提供的确定轨道交通变流器的转动惯量的方法以及系统，能够利 用相对简单的采集仪器和试验分析方法，解决了现有的基于三线悬吊法测量法试 验难度较大的难题。通过上述方法可方便获得变流器柜体的结构参数，测试过程 更为简单，为变流器与车体的动力学仿真分析提供了准确的现场实测数据，对于 提高仿真准确度具备实际的应用价值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、 “前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是 指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这 些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性 的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求 所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所 描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是， 结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种确定轨道交通变流器转动惯量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、通过刚体模态测试确定所述变流器的加速度响应值集合，并确定所述变流器的质量；

步骤2、根据所述加速度响应值集合和所述质量确定所述变流器的转动惯量；

在步骤1中，所述加速度响应值集合通过以下的步骤确定：

步骤11、将所述变流器通过弹性绳悬吊；

步骤12、确定所述变流器的基点以及所述变流器的柜体表面的多个测试点；

步骤13、在空间坐标系中将所述基点作为原点，并确定所述多个测试点相对于所述基点的空间坐标，以建立用于测试的三维几何模型；

步骤14、通过刚体模态测试结合所述三维几何模型确定所述多个测试点的加速度响应值集合，所述加速度响应值集合由每个测试点的加速度响应值所组成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤14包括：

步骤141、在所述每个测试点处布置三轴向加速度传感器；

步骤142、对所述变流器进行激励，并利用所述三轴向加速度传感器检测所述每个测试点的加速度响应值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤14通过移动传感器法或移动力锤法进行。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变流器的质量通过设置于所述弹性绳和行车之间的拉力称重传感器进行测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述拉力称重传感器为应变式力传感器。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个测试点包括所述变流器的柜体的面端点以及吊耳。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤11中，所述变流器离地高度为20cm。

8.一种确定轨道交通变流器转动惯量的系统，其特征在于，所述系统包括：

数据采集模块，其用于收集所述变流器的加速度响应值集合和质量；

数据处理模块，其用于根据所述数据采集模块收集的加速度响应值集合和质量获得所述变流器的转动惯量；

其中，所述加速度响应值集合通过以下的步骤确定：

步骤11、将所述变流器通过弹性绳悬吊；

步骤12、确定所述变流器的基点以及所述变流器的柜体表面的多个测试点；

步骤13、在空间坐标系中将所述基点作为原点，并确定所述多个测试点相对于所述基点的空间坐标，以建立用于测试的三维几何模型；

步骤14、通过刚体模态测试结合所述三维几何模型确定所述多个测试点的加速度响应值集合，所述加速度响应值集合由每个测试点的加速度响应值所组成。

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