车辆试验（精选9篇）
车辆试验 篇1
摘要：铁路作为现代社会的一种重要运输方式, 在正式投入运营之前, 必须进行严格的、多环节的试验论证工作, 而对于车辆的试验论证是其最重要的环节之一。本文通过对铁路车辆试验计划编制的分析, 提出进度计划管理的初步看法和建议, 以完善试验进度计划控制管理。
关键词：计划编制,进度管理,动态进度计划机制
近年来, 我国铁路系统为实现建设世界一流铁路网络的宏伟目标, 加快铁路现代化建设步伐, 取得了显著成绩。2008年国务院根据我国综合交通体系建设的需要, 确定到2020年, 全国铁路营业里程达到12万公里以上, 建设客运专线1.6万公里以上。
铁路作为现代社会的一种重要运输方式, 在正式投入运营之前, 必须进行严格的、多环节的试验论证工作, 而对于车辆的试验论证是其最重要的环节之一。由于铁路车辆试验特定技术规范和功能的要求, 使得试验设计、资源分配和质量控制的特殊性及不可预见性, 增加了试验管理过程中的控制风险。在这种情况下, 为使铁路车辆试验得以在正式运营前提供良好的数据支持, 势必对规范试验管理提出新的要求。本文以双层集装箱车进行车辆试验为例, 提出对铁路车辆试验的计划编制的理解以及进度计划管理的初步看法和建议, 以进一步完善试验进度计划控制管理。
一、准确全面的制定试验计划
我国铁路的特点是覆盖范围广, 线路条件复杂。针对不同的线路条件和运营要求等, 要制定相应的试验计划。现行的铁路车辆试验中, 一般试验计划的内容为:试验目的、试验区段、技术评判标准、试验具体内容、时间人员安排等。其表现形式比较单一, 内容涵盖程度小, 对于整体的计划安排及试验中可能出现的问题设想不够全面。在制定计划的流程时, 通常都是根据以前实施过的试验计划及以往经验进行部分修改, 未能运用先进的计划管理技术手段, 提高试验的可靠性水平, 实现科学严密的统筹管理。
试验计划编制过程中:首先, 要明确试验目的, 进行试验环境调查, 掌握影响计划和试验的一切内外部影响因素, 写出调查报告。本次双层集装箱车试验属于首次对此类型车辆进行的大规模试验, 试验目的是检验X2H、X2K型双层集装箱车的线路适应性和双层集装箱车的运行平稳性、运行稳定性 (安全性) , 为下一步双层集装箱车的设计生产, 为开行双层集装箱运输提供依据。试验线路是京广线下行北京东-广州大朗间和京沪线北京-上海杨浦间, 试验线路较长, 需要考虑天气、线路、突发环境因素对试验的影响情况;其次, 通过试验的结构分析, 分解试验目标、试验过程, 以便制订详细的实施方案。再次, 根据试验评价标准和被试车辆主要技术参数编制试验清单以及确定试验管理信息化编码方案、计划编制的时间参数;最后, 对制订计划方案进行分析, 确保计划方案是能够实施并达到预期目标、最优的方案。试验计划应主要包括实施计划、人员组织计划、技术计划、文件控制计划、应急计划、支持计划等。试验计划要明确各阶段的主要任务、负责人、配合单位及阶段性可交付成果。 (图1)
二、建立完善的动态进度计划机制
动态进度计划机制是对项目进度计划实施与项目进度计划变更所建立的动态控制活动, 是一项系统工程, 是一个动态控制过程, 所涉及的各方面都必须围绕项目的主进度计划有条不紊地进行。在以往的试验中, 试验计划没有建立完善的动态进度计划控制机制, 导致试验的实施过程中, 有些工作的完成情况严重拖延试验进度, 还有在一些试验计划中, 不关键的工作占用过多时间, 试验过程中发现, 却无法相应调整进度。
动态进度计划就是在项目正式开始实施后, 要时刻对每项活动的进度进行监督, 及时、定期的将项目实际进度与项目计划进度进行比较, 掌握和度量项目的实际进度与计划进度的差距, 一旦出现偏差, 必须采取措施纠正, 以维持项目进度的正常进行。例如, 试验中在调试仪器时, 无法调试成功, 排除了环境因素、人为因素后, 判定为仪器本身发生故障, 而试验所用的仪器都是专业仪器, 在外地不能及时更换, 就涉及到仪器制作调试, 远程运输等多方面的问题, 会对整体试验进度有所影响, 在制定计划时是无法预测的。对于试验本身来说, 是有失败的可能性的, 这个失败不仅是指试验中出现问题导致无法进行, 也是指试验结果与理论计算和模拟计算中的结果差别很大。试验进行中, 要及时按计划对试验情况进行监督和检查。这就需要对试验的运行状况进行连续的跟踪观察, 并将观察结果与计划目标加以比较, 如有偏差, 及时分析偏差原因并加以纠正。试验的计划进度控制对于试验管理过程来说, 是非常重要的环节, 直接关系到试验的成败。
通过建立完善的动态进度计划机制, 可以有效地保证进度计划的落实与执行, 减少各单位和部门之间的相互干扰, 确保试验项目试验目标的实现。双层集装箱在京广段线路试验的测试数据表明, 所有车辆运行平稳性属优, 但其中有一类型车辆在车辆通过轨接头、道岔等具有冲击激扰的工况下, 垂向不同程度地表现出对线路的适应性较差, 也就是表明运行稳定性较差。针对这种情况, 经过研究和讨论, 建议对这一型号的车辆的摩擦减振装置的摩擦副进行更换, 由于原来的更换为高分子组合式重新进行下一阶段试验。该型车的垂向指标与前一次运行试验相比有大幅的减小, 数值基本符合“规范”的要求, 但对车辆在高速长时间运行情况下的可靠性的影响有待进一步考察。
项目进度计划是表达项目中各项工作的开展顺序、开始和完成时间及相互衔接关系的时间安排。编制项目进度计划是车辆试验实施过程中的关键环节, 项目进度计划是项目进度控制的前提和依据, 项目进度计划编制的科学合理与否直接关系到项目的资源配置与优化、协调与沟通, 并进而对试验时间和试验数据可靠性产生重要影响。
试验进度计划编制应是一个动态的过程, 也是一个循环进行的过程。随着试验的进行, 分阶段的重新评估自上而下的计划进度和预算, 对最后限定日期和费用的预测会一次比一次更接近实际。这样可使试验组织有一个切合实际的计划作为指导, 有助于提高计划的质量, 加大准确性。保证了即使由于试验环境变化而引起的偏差, 也能及时的进行调节, 增加计划的灵活性, 提高试验组织的应变能力。将试验的实际进度与计划进度进行比较分析, 确定实际进度与计划不相符合的原因, 进而找出对策, 这是进度计划控制的重要环节之一。通过比较分析, 为管理者明确了实际进度与计划进度之间的偏差, 为采取调整措施提出了明确任务。
试验过程中, 相关负责人应认真编写试验进展报告, 主要包括试验关键点检查报告、试验运行状态报告、试验阶段工作完成报告、重大突发性事件报告等。通过对试验进展报告做详细的分析, 弄清对接下来的试验内容产生的影响, 便于进行更新试验进度计划。
三、结论及建议
铁路车辆试验管理是一个复杂的系统工程, 也是责任艰巨的工程。作为试验管理来说, 做好试验的计划安排, 根据计划组织、实施、控制的进展, 协调处理各项任务是主要的工作内容, 其中试验计划工作尤为重要。而计划的实施、控制则需要当地铁路各部门之间的协同配合。笔者参与过几十个类似的试验, 我们通过积累, 发现试验的计划编制工作是试验成功的最重要环节, 通过建立完善的动态进度计划机制, 提高了试验计划的灵活性和可操作性。建议编制相关的计算机编程软件, 使得试验步骤详细化, 建立良好的动态进度计划, 需要对试验数据和相关工作变化及时详细地进行分析, 以便于适时调整更新试验进度, 确保试验的顺利进行。
参考文献
[1]包晓春, 廖培林.计划编制与进度控制方法论-暨P3软件参考手册[M].上海:上海普华应用软件有限公司出版, 2009.
[2]马汉武, 马自强.工业工程与项目管理[M].北京:化学工业出版社, 2006.
[3]卢向南.项目计划与控制[M].北京:机械工业出版社, 2009.
车辆试验 篇2
不同侧碰试验形态的车辆结构耐撞性研究
基于侧面碰撞对乘员伤害的严重性,应用计算机仿真方法开展轿车侧面碰撞研究,通过对车身侧面结构变形、能量响应、加速度响应、乘员逃生空间等方面的深入分析,揭示不同侧面碰撞形态的碰撞特性,并据此提出了相应的改进措施.结果表明:与车对车侧面碰撞相比,车对障碍物侧面碰撞增大了对乘员造成更严重的损伤的风险,对车身的耐撞性提出了更高的.要求,通过提高门槛梁、地板横梁强度可以有效的提高车辆抗柱撞的车身结构安全性.
作 者：覃祯员 胡俊宇 王欣 颜长征 Qin Zhen-yuan Hu Jun-yu Wang Xin Yan Chang-zheng 作者单位：重庆车辆检测研究院,国家客车质量监督检验中心,重庆,401122刊 名：机械研究与应用英文刊名：MECHANICAL RESEARCH & APPLICATION年，卷(期)：201023(1)分类号：U461.91关键词：侧面碰撞 结构响应 仿真分析 改进措施
车辆试验 篇3
（1.神龙汽车有限公司技术中心，武汉 430056；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）
车辆自适应巡航控制系统 （Adaptive Cruise Control system，下简称ACC）是一种被广泛研究且具有广阔前景的车辆主动安全装置。一般认为ACC是一种增强驾乘舒适性的电控装置，其原理是利用激光/毫米波雷达、摄像头等传感器对相同车道内前方目标进行检测，通过电控系统自主地对发动机及制动系统的联合控制实现安全车距保持功能［1，2］。ACC有助于缓解驾驶员的驾驶疲劳感，现已经越来越多被应用于国内外中高档轿车上。
在ACC系统开发过程中，涉及的关键技术主要包括：①车辆状态测量（轮速、质心加速度、横摆角速度等）；②目标检测与跟踪（基于雷达或摄像头的目标检测与跟踪）；③ACC核心控制算法的开发；④发动机、制动系统的通讯与控制等。利用CAE软件辅助开发与设计能显著提高ACC装置开发效率，尤其在ACC核心控制算法开发过程中，CAE软件辅助开发具有结果直观、开发周期短、成本低廉等显著优势。
CarSim是一种专业的车辆动力学仿真软件，能准确模拟车辆对驾驶员操作行为、空气动力学以及路面激励的响应。在车辆操纵稳定性、平顺性、燃料经济性、动力性等领域有广泛应用［3］。其优势体现在能方便的模拟各种复杂路面几何形式及峰值附着特性、模拟复杂的驾驶员操作行为和试验工况、通过简单的系统定义输出复杂的多刚体机械结构动力学模型等。其强大的可扩展性及丰富的接口使其能方便的与 Matlab/Simulink、dSpace、Labview 等软件进行联合仿真，用于各种高级功能开发，尤其在车辆电控系统的开发模拟方面具有显著优势。同时CarSim软件存在一定局限性，主要体现在：某些部件具有显著几何非线性特性及材料非线性特性，需要借FEM方法进行刚柔耦合计算才能获得较理想的计算值，CarSim在处理此类部件上显得手段较单一。
结合现有条件，拟采用CarSim与Simulink联合仿真的方式进行ACC控制器开发，并将成功开发的ACC控制器移植到试验样车，以完成原理样机的试验。其具体开发流程可以描述为：
（1）在CarSim和Simulink环境下进行基于试验的参数化建模，并完成试验对标；
（2）在CarSim与Simulink的集成环境下进行ACC控制器开发调试；
（3）将ACC控制器移植到样车嵌入式电控系统，并完成实车试验。
1 基于CarSim和Simulink的建模与试验对标
为了保持CarSim的模型特性与物理样车的一致性，在建模过程中需尽可能准确的模拟物理样车各部件的特性，试验样车主要参数见表1、表2。在CarSim中能便捷地按车辆结构参数建立模型，同时也能在模板中建立车辆发动机、变速箱、转向器等特性；对于CarSim没有专门定义的部件则需要在Simulink中定义，如节气门开度特性、制动轮缸电磁阀特性等［2］。
表1 试验样车主要参数
试验样车在CarSim中建立的发动机特性曲线及动力因数曲线见图1、图2。
表2 试验样车变速箱及主减速器传动比
将已经建立好的模型与试验进行对标。考虑到ACC工作主要涉及直线加速、滑行、减速等工况，分别利用上述工况的试验数据与相同工况下的仿真数据进行比对，结果见图3～图6。
图3～图6中仿真与实车试验的结果对比表明，在加速、制动以及滑行状态下，CarSim模型均能较精确的反映试验样车的性能，符合ACC控制器开发要求。
2 ACC控制策略及控制器开发
当主车道内存在目标车辆时，ACC车辆通过传感器检测前方主车道目标的车距与相对车速，并依据自身车速计算出安全车距［4］。ACC车辆通过控制发动机节气门开度与主动调节制动轮缸压力实现对车速的调节。本文选取的车辆安全车距为：
式中：ddes为安全车距，m；Vtar为目标车辆纵向速度，m/s；Tset为驾驶员设定的时间，s；d0为距离变量，m，一般依路面类型选取。
以ddes作为车距控制目标设计ACC控制器。实际车距与安全车距偏差如式（2）所示：
式中：ed为实际车距与安全车距偏差，m；dreal为实际车距，m；其它参数意义同上。
定义实际车距与安全车距偏差变化率为：
车辆ACC控制器结构见图7。
考虑到控制程序的可移植性，采取模糊控制策略作为 ACC控制手段［5］（见图 8）：以实际车距与安全车距的偏差ed以及偏差变化率作为输入，并确定车距偏差ed论域为［-30 m，30 m］，车距偏差变化率论域为［-15 m/s，15 m/s］。以车辆期望加速度作为模糊输出，且期望加速度区间为论域为［-0.6 m/s2，0.6 m/s2］。
利用控制器得到的期望加速度数据，进行发动机节气门控制或制动系统主动压力调节控制，其方法可以简述为：当期望加速度高于某一阈值时，采取控制节气门开度的方式进行速度调控；当期望加速度处于某两阈值之间时，通过使发动机保持怠速开度进行控制；当期望加速度低于某一阈值时，保持发动机怠速开度，同时对制动系统进行主动压力调节，使制动器轮缸内产生一定压力，以实现减速控制［2～6］。
3 ACC控制仿真结果及初步实车试验结果
利用上一节开发的ACC控制器进行CarSim/Simulink联合仿真，仿真工况描述如下：ACC车辆以90 km/h的初始速度在良好附着平直路面行驶，雷达检测到主车道正前方60 m处存在车速约80 km/h的目标车辆。在CarSim中设置目标车辆为4×2后驱GT车，其发动机功率300 kW。由于初始车距大于安全车距，且ACC车辆速度略高于目标车辆速度，控制器调节发动机节气门首先使实际车距与安全车距接近，同时使ACC车辆车速与目标车辆车速一致。此后车辆进入稳定的ACC控制，保持相对车距在安全车距附近，同时保持ACC车辆车速与目标车速基本相同。图9与图10对比结果显示，ACC仿真控制器控制效果良好。
将ACC模糊控制器移植入自主研发的ACC电控系统并进行ACC实车试验，初步试验结果如图11与图12所示。试验中利用Delphi ESR毫米波雷达检测目标车辆与ACC主车的相对速度、相对距离及方位角，并依据自主开发的目标识别及跟踪算法对目标车辆实施跟踪［2］。ACC控制器根据实测计算得到的相对距离变化率及相对速度变化率利用从仿真控制器中移植得到的控制算法进行期望加速度计算，并利用电子节气门开度控制和制动轮缸主动建压及压力调节技术分别实现车辆的加速及减速控制。
实车试验结果表明：
（1）ACC车辆能准确检测并跟踪车道内目标；
（2）ACC车辆能依据目标车辆运动变化自主地实现车速调节并保持安全车距；
（3）现有算法并不完善，在目标车辆出现急加速或急减速时控制器存在一定程度的滞后与超调，需要进一步完善。
4 结论
本文利用CarSim/Simulink联合仿真的方法建立了某试验样车的车辆动力学仿真模型并通过试验对标验证了模型与样车的一致性；基于仿真模型在联合仿真环境下设计并开发了ACC控制器并进行了车辆自适应巡航仿真试验；将仿真控制器移植到自主研发的车辆ACC电控系统并进行实车试验并实现了基本功能。
［1］Xiao Lingyun，Gao Feng.A comprehensive review of the development of adaptive cruise control systems［J］.Vehicle System Dynamics， 2010，48（10）：1167-1192.
［2］李径亮.车辆 ABS/ASR/ACC 集成技术研究［D］.北京：北京理工大学，2012.
［3］吴利军，刘昭度，何玮.汽车ACC跟随控制策略研究［J］.汽车工程， 2005，27（5）：514-515.
［4］Daniele Corona and Bart De Schutter.Adaptive Cruise Control for a SMART Car：A Comparison Benchmark for MPC-PWA Control Methods ［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2008，16（2）.
［5］Li Jingliang，Liu Zhaodu.Design of ACC controller based on double level mamdani reasoning ［J］.Proceedings of the 2009 WRI Global Congress on Intelligent Systems，GCIS 2009，2009，2：233-237.
［6］马岳峰，刘昭度，吴利军，等.基于ABS的ABS/ASR集成液压系统设计［J］.液压与气动，2004（6）： 27-29.
进行轨道车辆气候试验的优点 篇4
目前绝大多数气候试验的测试, 都是为了车辆制造商们要求通过试验来验证车辆部件特有的功能性和旅客的舒适性能否满足相关的标准。
有一种观点认为, 只有在特殊情况下才会为降低风险花一定费用进行气候试验。导致这种情况的出现往往是由于缺乏有关气候风洞试验能够对减少风险、增加可靠性方面的信息报道, 以下内容将会填补这方面的空白。
1 初期状况
铁路专家早在40多年前就已经清楚地认识到可重复模拟的气候条件对现代轨道车辆的发展非常有必要。这就导致了1961年在维也纳的阿森纳尔立项筹建世界上第一个可以适用于机车车辆装备进行试验的气候实验室。这个大规模项目的开展实施是通过堪称楷模的国际合作成功完成的, 国际合作在国际铁路联盟 (UIC) 的研究和试验办公室 (ORE) 、奥地利联邦政府和不同的欧洲铁路权威机构间开展, 该实验室设备于1973年—1974年间进行过更新改造, 目的是让它继续能满足现代车辆气候试验的要求。
但这些设备的使用寿命到期后, 它的接替者、新的维也纳气候风洞实验室已于2003年1月1日正式投入使用 (图1、图2) 。多数轨道车辆制造商参与到新的阿森纳尔铁路技术中心 (RTA) 试验站的经营中, 强调需要一个这样的试验设备, 并且清楚地指明在试验站经营者和制造商之间的角色转换。
轨道车辆制造商们有综合的各种不同的任务预先分配给运营商们, 让其参与他们的产品研发过程。这尤其适用于预防性的质量保证, 其中也包括气候试验。尽管有这种角色的转换, 但是绝大多数气候试验仍是作为验证性能是否满足买方 (运营商) 的要求而进行的。
进而, 虽然车辆在运用中的担保成本通常远远超过在原型或第一系列车辆的维修成本, 但是多数制造商们还未实现将气候试验纳入他们的产品开发过程, 作为质量保证测试以降低成本和风险。随之而来, 伴随着交货延期, 由于车辆不可用引起的停运费用, 或者由于扣留最后款项产生的附加费用, 均可导致成本显著上升。
直到已经出现安全性和可靠性问题以后, 才会开始展开解决问题的研究工作, 实际上没有任何研究和开发活动会超出特定项目的范围来开展和进行 (图3～图6) 。
2 热舒适性
维也纳气候风洞实验室可以吸收利用大量的专家意见, 这些意见的获得主要来自于几十年来在阿森纳尔实验室进行的轨道车辆试验。从热舒适性试验中总结的经验已经结合在欧洲铁路联盟标准UIC 553“客车加热、通风和空调”中, 其中详细说明了客车舒适性标准。标准UIC 553-1则描述了试验要求, 以验证与上述标准的要求相一致。
新的CEN标准考虑了特殊的运用要求:
(1) 用于干线铁路车辆的空调系统 (参照标准EN 13129-1和EN 13129-2) ;
(2) 用于城市内和市郊车辆的空调系统 (参照标准EN 14750-1和EN 14750-2) ;
(3) 用于司机室空调系统 (参照标准EN 14813-1和EN 14813-2) 。
上述标准详细说明了用于轨道车辆的热舒适性的统一的欧洲标准, 而且应该有利于轨道车辆制造商们较好的计划性、降低风险性, 并为运营商们提供更高质量的系统。最后但最重要的是, 可以提高乘坐舒适性。但是, 制定标准必须被应用和执行。气候概念必须适应于特殊的设计参数, 并且应根据车辆的概念。
即使空调系统满足所有的热舒适性要求, 也会在实际中由于微小的调整、优化和维护而产生令人不满意的结果。在车辆处于不同的加热或制冷负荷情况下, 进行车内气流分布参数的调整, 以及在所有的气候运行条件下优化控制单元, 是特别重要的环节。这些都只能在一个合适的气候实验室内, 且在整车试验状态下才能有效地进行。
而数值方法, 例如计算流体力学 (CFD) 只能帮助选择出最适合的空调概念, 它们无法取代实际的优化和调整工作。可以理解的是, 因为车辆内部的实际空气流动和舒适性条件, 是不同于特殊的假设理想状态下计算出的数值结果。
3 功能性试验
单个部件的安全性相关参数和正确的功能性以及可靠性, 都能通过在极端气候条件下的特殊功能性试验进行测试。功能性试验可以根据气候条件要求分成以下几类:
(1) 极端温度和湿度 (所有机械的、电气的、电子的、气动的部件) ;
(2) 雨和风 (整车、走廊、门、窗特有的密封性, 风挡玻璃雨雪刷的正常功能) ;
(3) 湿雪 (所有接触外部环境条件的机械部件, 例如门、脚蹬、连接器和制动系统等) ;
(4) 干雪 (粉末状雪花进入空调进风口、渗透密封装置等) ;
(5) 冰 (所有接触外部环境条件的机械部件, 例如门、脚蹬、连接器和制动系统等) 。
但是, 仅有单独的气候静止实验室还是远远不够的。除了有气候和风的条件以外, 试验也必须模拟实际运行条件下, 转向架以及车辆的牵引和制动性能。这些试验通过测力计进行测试, 该测力计还可以作为制动测力计使用。
(K值是一个热传递系数, 用于描述空气从车内通过墙体将热量传递到车外的过程)
制冷系统的设计在机车车辆中是一个重要方面, 气候风洞实验室设计是为了能真实模拟环境条件, 例如温度、湿度和太阳辐射以及机械负载。风速模拟在为特殊的制冷单元提供一个模拟真实流动环境条件方面起到非常重要的作用。
测力计也能够用于测试牵引或制动力的传递, 允许测试轮对受力曲线作为驱动速度的函数, 并在特殊运行状态下将辅助单元的能源消耗也考虑在内。测力计试验应该在极端气候条件下与其他的功能性试验一同进行:
(1) 冷启动试验;
(2) 低温环境下预热试验 (预热单元设计) ;
(3) 粉末状雪花侵入空调进风口 (空调单元的电动机冷却空气、新鲜空气进风口……) ;
(4) 不同部件, 如制动块在冰和雪条件下的正常功能测试;
(5) 由于热的废排空气重新吸入空调系统 (例如, 电动机冷却或空调单元) 而造成通风系统的短路, 导致空调制冷性能降低。
此外, 可以在不同的气候条件下如下雪、冰或水等进行制动性能试验, 摩擦试验装备的优点包括直接与轨面接触, 准确地模拟风、雪和冰等气候条件, 以及对整车和主要零部件进行试验的能力 (图7) 。
4 空气动力学
空气动力学试验在气候实验室内主要对部件, 例如伸缩仪或风挡玻璃雨雪刷进行测试。但是在车辆模型上的测试也包括侧向风影响和空调单元的空气流动 (新鲜空气进风口、冷凝器排出空气) 。特别是由于冰雪而引起的空气动力学特性的改变只能在1∶1模型上进行测试, 因为轮廓的改变对部件的空气动力特性影响很大。
5 实际经验
气候试验在车辆交付之前有助于检验车辆的可靠性。在试验过程中任何被发现的错误通常可以通过较小的付出进行排除, 这种方法的优点在于可以在相同的气候条件下立即对所采取措施进行试验测试, 以验证改进措施的有效性。
实际上每次试验都会发现问题, 气候风洞试验已经被再三证明其价值。每一项错误的发现由于早于大批量生产, 都会降低故障的风险性和运行过程中的额外成本。举以下3个实际例子:
(1) 车体隔热不良或有空气泄漏
车辆的车体中有不良的隔热性能和/或空气泄漏, 通常会对客室区或司机室内的热舒适性起到负面影响, 还会导致冷凝水的形成。在外温较低的情况下, 还会导致通过台区域地板表面温度降低至冰点以下, 继而结成冰, 这将导致严重的安全隐患。
原因可以在气候风洞实验室内非常简单而迅速地判断出来:空气泄漏可以通过烟雾和风速模拟来确定位置。车辆的车体、门、窗和通道等部分的隔热问题, 则可以通过使用红外热成像仪来进行判定。
(2) 门和脚蹬的问题
门和脚蹬在冰雪覆盖情况下无法正常操作。车门区域冰雪的堆积阻碍甚至阻止了车门 (自动翻转的) 的开启和关闭, 能导致可回收的脚蹬粘住无法正常操作。对控制系统中的一些目标值进行修改或改进, 通常能有效地消除这些问题或者相当大程度地改善这些情况。这些测试均可以在反复模拟的冰雪条件下有效地进行研究和试验。
(3) 司机室能见度不够的问题
在极端气候条件下司机的能见度不够, 司机室前风挡玻璃和侧窗内的加热器和空调进风口的功能不正常都可以导致玻璃上起雾, 冰雪的堆积可导致能见度降低, 甚至会使风挡玻璃雨雪刷完全丧失功能。司机室风挡玻璃的冲洗机、雨雪刷和加热系统以及空调系统的微小调整, 都可能是造成玻璃上起雾的一个原因。在不同的气候条件下进行优化运行, 可以为防止起雾、冰冻等问题的出现提供解决方案。
6总结
通过气候风洞试验可提高车辆能效 篇5
1 概述
RTA试验中心的气候风洞实验室已经逐步发展成为倍受大多数轨道车辆制造商和铁路运营商们尊重的试验中心, 可以提供“人工的”气候条件下相当宽范围的气候试验测试。例如, 温度从-50 ℃～+60 ℃, 风速最高可达300 km/h, 还可以模拟冰、雨和雪等自然条件。在试验测试过程中可以利用丰富的经验, 优化加热、通风和空调系统, 以保证旅客列车得到更高程度的热舒适性。热舒适性试验的一个例子是最近刚测试过的新型Pendolino列车 (图1) 。功能性试验主要是在模拟真实的运行条件下, 进行单独的部件与安全性相关的参数和正常功能性以及可靠性测试。
考虑到日益增长的能源使用在经济与环境方面的重要性, 这项主要的专门技术现在也能够应用于空调系统的能效测试, 每年1辆旅客车厢的空调系统能源消耗可以达到100 MW·h。能源消耗的测试可提供一个合理的评估能源优化方案的基本依据, 确定节约的潜能, 为轨道车辆计算寿命周期成本和发展能量分类方案。
RTA试验中心在本文中已经分析了2种节能方法:按需求量控制新风的供给量和废排空气的热回收。分析表明, 这些措施的综合利用可以带来能源的节省, 而且还可以降低CO2的排放量 (最高可达17%) 。
2 能源消耗的分析
2.1 在轨道线路上或气候风洞实验室内进行测试
轨道车辆空调系统的能源需求和功率消耗分析, 需要有在不同环境和运行条件下的准确性能测试数据。
在铁路线上的测量可以在一个给定的时间和气候条件下记录总的能量消耗, 也可以在一列车中装有不同空调系统的2辆车上同时进行测试研究, 以便获得它们能源消耗的直接比较。但是, 由于不断变化的外部气候条件, 几乎无法在铁路线上得到准确的、可重复的不同环境和运行条件下的能源消耗分析。
相反, 在气候风洞实验室内可以根据需要反复模拟不同的环境和运行条件。例如, 以模拟满员的形式, 记录在稳定状态下的功率消耗数据。许多与能源分析有关且必需的环境和运行的参数组合, 已经被应用在与舒适度相关的标准的气候试验项目中 (表1) , 因此, 获得舒适性能测试数据有了额外的好处。
注:×, ○——稳定条件 (1 h稳定状态) ;——→非稳定条件 (3 K/h) ; ○——试验已经包括在EN 13129中。
补充试验主要是针对加热和制冷之间的过渡期进行测试。这段过渡期的试验要求更详细地研究测试, 以便能够画出一条连续的对应不同负载条件的性能曲线。
测试性能数据应基本保证车辆上所有的辅助设备的全部能源消耗, 包括空调系统、逆变器和蓄电池等。其他辅助设备与空调系统的能源消耗相比是较低而且是恒定的常数, 能够比较容易地按需要计算出来。为了进行详细分析, 并为了总结出空调系统的节能潜力的结论, 当然需要分别测量单个部件的能源消耗, 如风机、辅助加热单元、基本加热单元和压缩机等的消耗功率。
以下举例说明在测量全部能量消耗和包括所有辅助设备的能源消耗的基础上, 1辆双层旅客车厢在外温0 ℃、最小风速 (车辆静止状态) 和车内无旅客负载条件下的测量结果 (图2) 。瞬时功率测量值清楚地显示出车内温度是通过16 kW加热单元来控制的。在稳定状态时, 平均功率消耗大约为20 kW, 车内平均温度为22 ℃。在试验的开始阶段, 将设定温度由20 ℃改变到22 ℃以后仅用2 h就可以达到稳定状态。
消耗功率是通过将所有要求的参数组合起来的方式确定的, 可以整理出用于进一步计算的温度——单独功率曲线。
2.2 计算能源消耗
图3为计算能量消耗的示意图。首先, 这个过程要求在标准的试验循环中确定功率曲线。图3的左上角显示1辆旅客车厢在120 km/h的风速条件下, 车内有旅客和无旅客负载情况下的2条功率消耗曲线。另外, 车辆运行的气候实验室的环境数据必须用于计算实时的消耗功率。图3左下方的图表示一年中每个月的平均温度曲线。功率曲线、气候数据和特别的运行参数如车辆使用和旅客负载比例都需要用于计算, 例如, 每年针对每个客户的能源消耗有详细精确的计算。在图3的右上角图为每月的能源消耗显示。
如果将同样标准化的参数用于计算, 就可以在不同车辆或不同车辆设计的能效之间进行比较。另外, 优化策略的定量效果也可以得到证明, 潜在的节能效果也可以得到确认和分析。同时, 这些参数能够用于客观地证明寿命周期成本数据以及评价车辆的空调系统的能效, 用能量分类方案将车辆能效分为七级, 用A～G表示。
3 潜在的节约
3.1 概述
负荷计算是确定加热、制冷、去湿和加湿供风空气所需能量的基础, 供风主要作用是平衡热负荷。
车内热负荷是由车内外可变的干扰引起的。干扰会对车内空气的特殊状态有长期的影响, 因而对乘客区的热舒适性有显著的影响。总的来说, 可变的干扰将分成以下几种情况:
(1) 内部可变化的干扰有人体散热、散湿量, 灯具和配电柜的散热量等;
(2) 外部可变化的干扰有直接或漫射太阳辐射热和热传导, 焓和湿空气流动通过次要的热交换。
图4所示轨道车辆空调系统的能量需求受许多因素影响, 导致优化方案的多样性。但是, 所有的单一能效测试必须验证其对整个系统的影响效果。例如, 车体内较厚的隔热材料可以使空调系统减少能量需求, 但是增加的车辆自重会导致车辆牵引方面的能量需求增加。检测全部能量消耗才能揭示是否有降低能耗的效果。由于这个原因, 能源优化不能成为空调供应商自己的任务。
节能的简单措施可归纳如下:
按需求量控制新鲜空气供给量;
智能优化的空调控制;
按需要进行设定温度调节控制。
新的设计理念如下:
(1) 优化的车体隔热性能和/或风道系统;
(2) 能起作用的有效的隔热, 例如, 利用废排空气热量加热车体表面;
(3) 废排空气热量回收;
(4) 由负载决定的制冷系统;
(5) 热泵。
另外, 正常维护和控制指定参数都有助于显著降低能源消耗。
3.2 可控的新风量和废排空气热回收
在本节将考虑2种不同措施的节能潜力, 也就是在1辆旅客车厢内按需求量控制新鲜空气供给量和废排空气的热量回收。
前文已经描述了在旅客车厢内模拟有无旅客负载, 并以120 km/h的速度模拟运行状态下测试出来的基本能量消耗曲线图。在这些测试中, 由温度决定的新鲜空气摄入量必须满足EN 13129的要求。
由于较少的乘客需求较少的新鲜空气, 按需求量控制新鲜空气供给量能够在车内乘坐率为100%以下时, 可在空调新风量的调节、加热和制冷、去湿等方面节省能源。要实现这项措施, 空调系统必须收到关于车内乘坐率的实时信息, 必须能够通过风机风速和风门的调节调整新风供给量。车内乘坐率可以通过使用空气质量传感器、CO2传感器或者车辆质量传感器来检测确定, 车辆质量传感器已经安装在相当多的运输车辆上用于制动控制。
在废排空气热量回收系统中, 一种空气对空气的热交换器已经用于将废排空气的热量传递给供风量, 因此, 显著降低了维持空调能力的能源需求。下面观察资料中, 将假定热量交换率为60%。另外, 比较观察是在下面综合参数和假设条件基础上:
(1) 考虑乘坐率 (旅客人体的热量) 的影响;
(2) 日常车辆运行从早6:00～晚22:00;
(3) 旅客的乘坐率在30%～100%之间 (平均乘坐率在56%) , 依照图5所示的旅客乘坐率曲线;
(4) 节能效果仅考虑加热模式。
图5所示在1月份平均日间温度下, 采用节能措施与旅客乘坐率的曲线。数字表明按需控制新风量的节能效果随乘坐率而变化, 当乘坐率为100%时节能为0。相反, 废排空气热回收率的节能效果是与乘坐率无关的。以上两种优化措施同时使用时可以得到更好的节能效果。
图6举例说明这种结果。当外温为-10 ℃时, 检验出采用不同节能措施的功率需求。提供能量需求曲线与应用于加热模式下所有外温的另一曲线的关系。能量需求曲线表明, 未采取优化措施和采取废排空气热回收措施后, 能量需求曲线随着旅客乘坐率升高反而下降, 因为热量的增加是由旅客产生的。在较高的平均旅客乘坐率下, 最佳的节能效果可以通过采用废排空气热回收的方式获得。但是, 在平均旅客乘坐率条件下, 即使按需求控制新风量也可以达到较为明显的节能效果, 而这种方式比较容易实现。
由图7可知, 在不同外温条件下, 旅客乘坐率按60%考虑, 采取不同节能措施的能量需求。数据表明, 在较低的外温和较大的车内外温差条件下, 节能效果明显好于适中的外温和较小的车内外温差条件。图8显示了采取优化措施后检测的每月能量消耗的比较。
表2列出了与初始的能量消耗数据相比有可能的年节能量。8.8%的节能效果是由于采用按需控制新鲜空气供给量, 因此, 将现有车辆的CO2传感器进行改造是可行的。给车辆提供必要的装备可以在短期内获利, 例如可调节的新风风门和程序控制单元, 这些设备对于大多数现代车辆而言是标准化部件。采取废排空气热回收是更为有效的优化方式, 节能效果可以达到13.8%, 而且最重要的是采用这种节能优化方式与车内旅客乘坐率无关。但是, 这项措施用于新造车辆上是更加明智的选择, 因为通常要求在车内气流分布设计概念上要有所改变。
在每一个案例中, 回顾所采取的优化措施都有节能效果, 如果在轨道车辆上连续坚持使用, 将会在总的能源消耗和散热方面有明显的降低。图9所示是通过对假定的3 000辆车实现节能优化措施后, 所能获得的每年节能和降低CO2排放量效果的预测。
4 结论和展望
通过分析2种特殊的优化措施, RTA试验中心的试验团队已经成功地证明了空调系统潜在的节能效果, 并指出随着CO2排放量降低的经济性收效。
当前使用的标准气候风洞试验循环不仅适用于判定空调系统的能量消耗, 而且适用于优化和确定节能措施。气候风洞实验室能够模拟所有的环境和运行条件, 要求收集记录准确的性能测试数据, 可以作为进一步分析的基础。另外, 气候风洞试验能够根据车辆将来的能量分类标准, 用于确定特殊的、用于寿命周期成本分析的、在特定条件下的每年能量消耗值和评价空调系统的能效比。
RTA试验中心在以轨道运输节能为目的的研究和分析方面做出了显著的贡献。
毛红梅译自《Railvolution》2008, №2, 2～4
车辆试验 篇6
1 转向制动法规
ISO 7975:2006 Passenger cars—Braking in a turn—Open-loop test method,
ISO 14794:2003重型商用车和客车—转弯制动—开环试验方法,
JASO Z 113-1992乘用车转向中制动试验规程,
SAE J 2675 Combined Cornering and Braking Test for Truck and Bus Tires,
SAE J货车轮胎转向制动试验。
2 转向制动试验方法 (乘用车)
2.1 转向制动的形式
低速、中速和高速转向制动, 转向半径有小有大或曲线的, 制动减速度也由有小有大或变化的等不同形式;转向制动路面有平坦和带坡度, 路面材料也不尽相同、附着系数有小有大或是变化的;选择合适的速度、转向曲率半径、制动减速度和路面材料进行转向制动效能试验评价制定法规尤为重要。
2.2 新安装制动 (衬块/蹄片) 的试车程序
制动衬片将按车辆制造商推荐的下列条件;如果制造商推荐的不可用, 制动衬片将使用下列一个程序条件。
对于装有盘/盘式制动系统的车辆, 应完成总数60次制动;在下列减速度率下, 车辆从初速度为100km/h将被减速到大约2 0 k m/h。
对于装有盘/鼓式或者鼓/鼓式制动系统的车辆, 应完成总数200次制动;在下列减速度率下, 车辆从初速度为100km/h将被减速到大约20km/h。
在这些制动期间, 制动盘和/或者制动鼓温度不得超过200℃;用于试车制动的轮胎禁止用于接下来的制动距离测量。
2.3 热身
应遵照在ISO 15037-1:1998的6.1内指定的程序在试验之前加热轮胎和其它车辆组件。
除加热制动系统轮胎之外, 从初速度大约100km/h应完成5次全行程制动;这些制动的每一次内, 制动驱动应达到足够引起防抱死制动系统在多数制动期间起作用;为了避免制动上的过分紧张, 在每一单一制动开始前制动盘/鼓的温度应低于120℃。
2.4 制动温度
前制动盘的温度将在80℃～120℃之间, 然而后制动盘的温度在每一试验运行之前将不低于120℃;如果必要, 运行之间将冷却制动;推荐安装可靠的温度传感器监视制动器温度。
2.5 最初的驾驶条件
按最初的驾驶条件如ISO 15037-1:1998的6.2.1和6.2.3内规定的运行稳态回转, 将按照呈交的半径和侧向加速度的组合适用于初始条件;因为大家知道结果的重要性和随着试验速度的增加提高不同车辆之间的辨别力, 这个路线的标准半径将是100m, 可以使用从30m～200m的附加半径范围。
借助运行侧向加速度不是5m/s2的附加试验, 主要步长为1m/s2能加宽呈交的一个半径和一个侧向加速度的初始结合。
2.6 制动程序的性能
当已经达到初始稳态驾驶条件时, 转向轮由一个机械装置固定或者由驾驶员稳固的握着;应松开加速器踏板和尽可能快的应用制动。
对于带手动变速器的车辆, 试验应和试验速度条件相协调在最高档下完成;离合器可以立刻分离或者在试验运行末尾时;选定的选择 (齿轮位置和离合器分离) 应在试验报告中指出。
对于带自动变速器的车辆, 应用标准驱动模式, 变速杆的位置和选定的驱动程序应记录在试验报告中。
有适应齿轮选择或者无级变速器的轿车在一个给定速度下可以使用不同的齿轮或速比;对于这些轿车, 为了决定齿轮比的作用应记录发动机转速;它将被记录在试验报告中。
制动踏板或制动开关的启动被认为是制动开始时刻t0, 制动期间, 制动系统内的压力或制动踏板力或制动踏板行程应尽可能 (可以作为在制动踏板下一个可以调节的制动) 保持恒定和转向轮应被固定直到试验运行结束时为止。
在增加纵向加速度等级方面应制作关于一个半径和侧向加速度结合的测试运行, 在带有传统制动系统的车辆上 (如果可能) 至少一个前轮发生锁止之前;在所有车轮已经发生锁止之前可以超过这一点连续试验导致进一步车轮锁止, 但是在这些条件下的试验可能导致速度和轮胎特征的巨大变化, 那些可以引起试验结果差异很大;装备一个防抱死制动系统的车辆, 在时间tn测得的平均纵向加速度峰值之前应连续试验。
最小制动作用应对应一个2m/s2平均纵向加速度, 而且应以不超过1m/s2的增量增加;如果结果随着纵向加速度很快变化, 应选择更小的增量。
3 转向制动时受力分析及待测量的变量
3.1 转向制动时车辆受到的力
车辆转向制动时要受到法向力、制动力、转向力、向心力以及空气阻力等的作用, 轮胎要受到纵向力、侧向力和法向力的作用, 还要受转向力矩、制动力矩和反挠度力矩的作用;由于轮胎的纵向附着系数大于横向附着系数, 同一车辆在相同速度和减速度转向制动时, 造成同轴左右轮荷的差值加大, 为了防止车轮抱死, 比单纯转向、制动时的效能会降低;因此车辆转向制动时方向稳定性差, 容易跑偏, 转向制动的制动距离要大于直线行驶制动的制动距离, 而且车辆容易侧滑、甩尾而失去控制引起侧翻。
3.2 转向制动时要测量的变量 (乘用车)
应决定下列变量:严格说来, 根据侧向加速度的检验结果不应用于不同车辆性能的比较;这是因为测得的侧向加速度与中间的X轴成直角并且不垂直于车辆路线;为了克服这个困难, 能校正侧向加速度适于车辆侧滑角, 那些提供向心加速度;然而, 这个校正范围不可能超过几个百分点而且大体上被忽略。
推荐决定下列变量:
——主缸输出压力或者在制动线路内那些至少触发一次前轮制动 (pB) ;而且
——车轮旋转速度 (ω1-ω4) ;
ISO 8855定义的变量如不是踩制动踏板瞬间的制动距离和制动时刻, t0;靠使用直接固定在制动踏板上的开关或一个制动踏板力的传感器, 当踏板力超过10N时设置一个信号可以决定驱动制动踏板。
3.3 转向制动要测量变量的公式
3.3.1 时间定义和标准评价的要求, 制动对应时间期间纵向加速度型式
3.3.2 纵向加速度几何平均值,
平均纵向加速度是每一制动期间测得的纵向加速度平均值。
借助下列每一方法可以获得这个平均值:
(1) 测量制动距离需要车辆从t0时刻停止, 在那种情况给予纵向加速度:
那里:
Seff为实际制动距离, 米 (m) ;Veff为实际初速度, 米/秒 (m/s) ;
(2) 取时间t0～tf时间期间纵向加速度平均值。
3.3.3 横摆速度 (dψ/dt)
参考横摆速度:
时间t和依据车辆已保持的初始半径为R0的纵向速度VX, t。
3.3.4 侧滑角 (β)
在观察期间和tbm (βmax) 表示在达到最大之前t0后通过的时间之间侧滑角的最大值:
4 效能评价
4.1 转弯制动时方向稳定性试验
实际交通道路状况存在纵向和横向路面不平度, 也有直线路和曲线路构成, 不同路面附着系数也有差别, 车辆行驶状况变化很大;所以单纯按照制动标准、法规用试验场不同摩擦系数制动试验路面评价车辆的制动性能仍不能完全反映出车辆制动系统的真实的制动效能, 制动时易跑偏、方向稳定性差, 容易引起翻车事故, 因此需要进行转向制动时方向稳定性分析试验。
基本是在半径为80R的定圆弯路上进行, 分干燥路面试验和湿润路面试验;通过测量轮胎产生的侧向力、侧滑角和接地点的垂直方向力、侧向加速度、跑偏量以及横摆角速度等, 能获得更加解析性的性能评价。
4.2 利用各种数据按如下方法进行评价
(1) 停车时路线偏移量。从转弯制动时的停车距离和路线偏移来评价车辆的方向稳定性。
转向制动时发生中性、过多和不足转向车辆停车距离用下式计算:
路线偏移量用下式计算:
式中, V为车速;R0为固定的转弯半径;φ`为发生的偏移率。
(2) 偏移率偏差。以定转弯半径转弯制动时发生的偏移率的差来评价车辆的方向稳定性。
偏移率偏差用下式计算:
式中, φ`t为任意时刻t时发生的偏移率;φ`reft为V/R0在任意时刻t时参照偏移率。
(3) 偏移率变化率。用定转弯半径转弯制动时发生的偏移率的比值评价车辆制动时的方向稳定性。
偏移率变化率用下式计算:
式中, φ`max为最大偏移率;φ`0为定转弯半径转弯时的偏移率。
5 结语
通过对国际转向制动法规介绍、试验方法评价和受力分析, 增加转向制动性能试验是可行的, 建设转向制动试验场地也迫在眉睫;根据对待测变量和转向制动效能的评估, 可预知车辆的操控性好坏, 整体提高了车辆预防安全技术品质, 减少、避免碰撞和翻车等交通事故发生, 为整车出口创汇、参与制定车辆国际化技术法规做贡献。
参考文献
[1]ISO14794:2003重型商用车和客车—转弯制动—开环试验方法[S].
车辆试验 篇7
关键词：城市轨道交通,车辆段,试验速度
0引言
青岛地铁3号线是青岛市首条地铁线路, 于2009年6月开工建设试验段, 2010年6月进入全线施工阶段, 预计将于2015年年底正式通车运营。线路全长25.1km, 跨越市南区、市北区、四方区、李沧区等4个行政区, 设车站22座, 其中换乘站6座, 总投资130亿元。按照规划发展, 青岛市将形成轨道交通线19条, 全长814.5km。截至2013年7月, 青岛地铁3号线及2号线一期工程、R1蓝色硅谷轨道交通快线已全面开工建设, 预计分别于2015年底和2017年建成通车。随着青岛地铁的快速发展, 3号线作为首条线路, 其建设变得更为重要。
本文依据青岛市地铁3号线的实际情况, 对其车辆段试验线进行验算, 提出青岛地铁3号线车辆段试验线最高试验速度的分析意见及分析方法, 供新线建设参考。
1 计算的原始依据
(1) 青岛地铁3号线车辆段试验线全长1 280m。
(2) 试验线全长分为7段, 如表1所示。
(3) 青岛地铁3号线车辆用户需求书提供的速度、加 (减) 速度参数如下:
1) 最高运行速度:Vmax=80km/h。
2) 加速度:列车从0加速到80km/h的加速度≥0.6m/s2。
3) 减速度:列车在最高运行速度80km/h时, 从发出制动指令到停车, 最大常用制动平均减速度≥1.0m/s2。
(4) GB50157—2013《地铁设计规范》6.2.1条规定, 在正常情况下, 允许未被平衡的横向加速度为0.4m/s2。当曲线超高为120mm时, 最高速度限制应按下式计算:
在瞬间情况下, 允许短时出现未被平衡的横向加速度为0.5m/s2。当曲线超高为120mm时, 瞬间最高速度限制应按下式计算:
2 假设条件
(1) 试验线两端各留50m安全距离。考虑往返双向试验, 两端也各留120m列车长度, 中间直接用于运行试验的长度仅为940m。
(2) Vmax=80km/h惰行时间至少需要10~12s。
3 临界状态下的平衡计算
这里所谓的“临界状态”就是指:试验列车在R450m、外轨超高120mm的线路上运行时的横向加速度所形成的作用在列车上的离心力F (背离曲率中心) , 理论上正好被轨道法向支撑力FN的水平分力F′ (指向曲率中心) 所平衡。
现以列车作为研究对象, 在临界状态下, 作用在列车上有三个力, 即列车重力 (G) 、轨道的法向支持力 (FN) 、离心力 (F) 。
在临界状态下三力构成平衡:
另, 由牛顿定律知:
由式 (3) 、 (4) , 得:
由式 (5) 解得:
即列车位于R450m、外轨超高120mm的轨道上运行时, 在临界平衡状态下, 列车的理论运行速度为V=18.752m/s≈67.5km/h。
当列车速度高于V=67.5km/h时, 理论上车轮轮缘会挤压外轨;当列车速度低于V=67.5km/h时, 车轮轮缘会挤压内轨。
列车位于R450m、外轨超高120mm的轨道上运行时, 在临界平衡状态下, 列车横向加速度为:
这个加速度a临界所形成的离心力, 在临界平衡状态下, 理论上被轨道法向支撑力FN的水平分力F′完全平衡。
4 列车在R450曲线段上最高试验速度分析
我们期望在车辆段试验线上能进行80km/h速度的运行试验, 能否满足要求主要取决于两个制约因素:一是试验线长度, 二是试验线中段的R450曲线。
4.1 试验线长度
由假设条件 (1) 可知, 直接用于运行试验的长度仅为940m。其间经历列车从0加速到80km/h, 然后以80km/h速度惰行10~12s, 再制动减速到速度为0。现以下列条件计算:
列车0→80km/h加速, 加速度a=0.6m/s2, 然后80km/h惰行12s, 其后80km/h→0减速, 减速度a=1.0m/s2。计算结果如图1所示。
运行总长度927m, 与可运行长度940m匹配。说明试验线长度满足80km/h速度惰行10~12s的试验要求。
4.2 试验线中段的R450曲线
试验线中段的R450曲线所允许的最高试验速度可按式 (1) 进行计算, 问题的关键在于是否满足式 (1) 的前提条件, 即: (1) 允许未被平衡的横向加速度为0.4m/s2; (2) 曲线超高为120mm。其中条件 (2) 已经满足, 下面探讨条件 (1) 。
由式 (7) 知, 在临界平衡状态下, 列车横向加速度 (a临界=0.781 4m/s2) 理论上已经被完全平衡。若在试验线中段的R450曲线上试验80km/h速度, 此时的横向加速度为:
则:
未被平衡的横向加速度为0.316m/s2, 满足式 (1) 的前提条件0.4m/s2。
至此, 试验线中段的R450曲线, 曲线超高120mm, 未被平衡的横向加速度0.316m/s2<0.4m/s2。那么, 所允许的最高试验速度为:
5 结语
综上所述, 青岛地铁3号线车辆段试验线全长1 280m, 试验线中段R450曲线 (曲线超高120mm) 。该试验线理论上能满足80km/h速度的试验要求, 在80km/h速度下可惰行10~12s。
参考文献
[1]GB50157—2013地铁设计规范[S].
[2]GB50490—2009城市轨道交通技术规范[S].
提高轨道车辆可靠性的性能试验 篇8
在风洞实验室中,根据实际情况人工模仿相关的气候条件,对轨道车辆进行有说服力的空调试验。当前,这些试验可以根据车辆运营商的需要,除了证明单一部件的性能外,还可以对运营中出现的故障进行分析。
1 可靠性
根据文献[1]的说明,可靠性是产品在给定的条件下,在规定的期限中不出现故障的可能性。技术系统经常在产品的寿命周期内表现出一个失效关系,这在术语上称之为“浴盆曲线”(图1)。
开始出现的故障是由装配缺陷或设计缺陷引起的。所以在寿命周期的初始阶段,系统的可靠性比较低。在消除这些故障之后,失效率接近于较低的一个常数。这个常数保持在整个使用周期内。这些失效现象主要是由操作故障、维护缺陷,或没有完全消除早期失效范围内的故障引起的。在寿命周期的后期阶段,由于磨耗和疲劳现象增加,失效率重新上升。可靠性直接对可支配性产生影响。根据文献[1]的说明,可靠性作为一种可能性来定义,指的是一个系统如果按规定使用和维护在规定的时间之前,或在定义的期间内处于正常功能状态的可能性。
通过频繁的维护可达到高可靠性,但这样降低了可支配性。原则上要求在改善可靠性的同时,也要提高可支配性。
为了保证可靠性,需要采用一个全面的质量安全程序,例如对于轨道车辆,要求符合标准EN 50126“可靠性、可支配性、完整性和安全性的规范和证明(RAMS)”中的规定。此程序的其中一部分要求证明,在规定的气候条件下所有系统的性能。
尽管很多单一部件由制造商单独地进行过测试,在整个系统运行中还是会经常出现一些故障。因此,必须对整个系统在规定的气候条件下,对所有部件功能进行试验。通过这些性能试验,也可以对极端气候条件下的可靠性进行预测。
2 实践中的可靠性
德国联邦铁路几十年前提出“所有人谈论天气,我们不”的口号。他们通过口号指出,利用铁路进行旅行在任何天气都可以准时,并可以保证舒适性——与当时的汽车形成鲜明对比。
今天的情况如何呢?汽车在乘坐舒适性方面早已赶上来,并且所有的上班族都有过在寒冷的冬日等候晚点列车的经历。铁路运营中的晚点和故障出现的主要原因是,在特殊的气候条件下车辆缺乏可靠性。在车辆投入运营之前,对所有部件进行详细的气候试验,可以提前发现缺陷并予以解决。
为了能够有效地进行气候试验,要求对部件的耐气候性具有尽可能详细的专业知识。由于铁路企业的相关故障记录仅包括有限的信息,因此,在RTA试验中心的学位论文[2]中,通过对铁路运营商和轨道车辆行业的问卷调查,获得了详细的关于车辆部件和系统在特殊气候条件下的故障情况。
图2为不同车辆部件故障频率的研究结果。
图3为不同部件在不同气候条件下的关联性。从图3可以看出,在气温和空气湿度较高的夏季,对于变频器和空调装置的考验比冬季条件要高,而在冬季会引发受电弓和信号鸣笛出现故障。
图4为单一部件故障频率和故障重要性的进一步调查结果。这些结果来自于对2005年9月在维也纳举行的“提高轨道车辆可靠性的气候试验”研讨会中的80位铁路专家问卷调查。这些结果在部件故障频率分布方面,与文献[2]中的问卷结果可以进行对比。有趣的是几乎所有列举部件的关联性都分布在“高”一类中。这说明所有的专家大部分从其经验中认识到特殊气候条件下可靠性的确是一个问题。
3 气候条件
对于特殊部件,为了使气候性能试验尽可能地接近现实情况,不仅仅要考虑临界的运行条件,而且还要考虑自然中出现的气候条件。
在标准EN 50125-1:2000“车辆设备的环境条件第一部分:铁道车辆运行必需的设备”和标准EN 60721-3-5:1998“环境条件分类,第三部分:环境影响因素及其极限值的分类,第5节:轨道车辆的组装”中,描述了不同气候区域的环境条件以及应用方式,并且进行了分级。
虽然标准中给出的关于温度、相对湿度、风速、太阳辐射、降雨等极限值可以作为性能试验的参考值,但没有说明性能试验中实际的临界气候条件、多种因素如何相互作用,以及气候条件详细的布置。
例如,在EN 50125-1中关于降雨规定,降水量6 mm/min其产生的影响必须要考虑到风和车辆运动方面的因素。如果涉及到部件的防水性能或刮雨器性能,这的确是对于实际降雨的一个准确的描述。对于司机的视野,降雨较大以及外部温度较高,在内部玻璃上产生凝结水,并由此带来的潮湿都是需要研究的问题。
对于降雪、冰冻和冰雹,在标准EN 50125-1中同样仅仅只有提示:“必须考虑到雪和/或冰雹的影响。要考虑到降雪的所有可能的形式。在车辆上可能有大量的粉末状雪并且融化。列车中后面的车辆大部分会遇到这样的情况。另外,在静止状态时融化的雪会重新结冰。”或者“必须注意由降水形成的冰或降下的冰霜,对运行车辆所有设备产生的影响,包括安装在车辆内部和外部的所有设备。”
4 性能试验
在性能试验中,必须模拟运行状态以及相应的气候条件,以便发现可能存在的缺陷,如错误的结构设计或没有考虑到的相互影响。对于性能试验,最近在相关标准中可以理解为“型式试验”和“验证”的含义。
根据标准EN 50215的规定,“型式试验是用于证明一个或多个装置、一个系统或整个车辆的结构设计符合要求的技术规范和相关标准。”
根据标准EN 50126,“验证是通过检验和客观的证据,证明满足规定的要求。”
4.1 气候条件的分类
轨道车辆上几乎所有的单一部件都要在严格的气候条件下进行性能试验,以检验系统的可靠性。这些性能试验根据要求的气候条件,可以分为下列几类:
(1) 极端气温和湿度下的机械、电动、电子和气动部件;
(2) 降雨和气流对整列车密封性的影响,特别是风挡、车门和车窗。检验刮雨器的性能也很重要;
(3) 潮湿的雪对于所有暴露在外部的机械部件,如车门、脚蹬、车钩和车顶设备会产生影响;
(4) 干雪被高速风吹动时经常会侵入吸气口,并且对车辆的密封产生影响;
(5) 机械部件如受电弓、断路开关、车门、脚蹬和车钩上的结冰会引起部件功能故障或系统功能的失效。
4.2 准动态试验
在实验室中对静止的车辆进行试验还不够,除了在实验室中制造相应的气候条件外,还必须要模拟车辆的运行。为了使用风机模拟运行产生的气流,以及在风洞中应用滚动试验台,双轴滚动试验台中有一根轴是传动轴,可以用来测量传递的牵引力和制动力。这样可以确定车轮圆周力与运行速度的关系曲线,其中要考虑对应运行状态下辅助机组的能耗。
与在摩擦试验台上进行的制动试验相比,其主要优点是实际的轮轨接触、气流的模拟、可以适当使用雪和冰,以及应用装配所有关键部件的完整被试车辆[4]。
对于滚动试验另外一个重要的方面是制冷设备的配置和测试。在引用文献[5]中详细阐述了在滚动试验台上不同系统试验的试验目标。在风洞中,不但可以接近现实的模拟环境状态——温度、湿度和光照,也可以通过滚动试验台模拟机械载荷[6]。很重要的一点是模拟行驶气流,以模拟在车辆上具体安装情况下冷却器的气流关系。
4.3 实践得出的经验
气候试验可以在列车交付前帮助证明轨道车辆的可靠性。如果发现有缺陷,大多数情况下可以在气候试验中使用对比的方式,以较低的费用解决这些问题。这样解决问题的优点是可以立即检验相同条件下采用改进措施的效果。
由于可以发现几乎所有试验检查的缺陷,所以气候试验的花费是非常值得的。所有在车辆交付前发现的故障,可以减少运行后部件出现的早期失效问题,并且可以避免花费昂贵的维修改造费,这样就能降低故障,并且节约运营后的额外开支。
4.4 试验运行示例
4.4.1 车体
隔热和密封性不好对于车辆内部的气温会产生很大的影响,或者在车厢内和司机室中会出现冷凝水现象。当外部温度非常低时,通过台区域的地板温度可以降到冰点,这可能会导致结冰,从而成为安全隐患。
对于出现这种问题的原因可以在风洞中进行确定:利用烟雾和气流可以确定泄漏的位置,或者使用温度传感器检验车体、车门、车窗和通过台的隔热情况。
4.4.2 车门和脚蹬
在车门区域,冰雪的堆积使车门不能打开或者不能完全打开或关闭,或者脚蹬不能自动翻转,以及可能造成可拉伸的脚蹬不能正常操作。
通常采用一些结构上的处理方式,或对控制系统稍微进行一些改动,就足以解决或改善相应的问题。利用重复制造的冰雪条件,可以有效地检验这些改进措施。
4.4.3 司机室前窗玻璃和侧窗玻璃
由于玻璃加热性能不足或者吹风不利条件下,司机室的前窗玻璃和侧窗玻璃会出现凝结水现象。冰雪的堆积使视野条件恶化直到雨雪刷完全失效。
刮雨器、玻璃清洁系统和加热系统与司机室的空气调节配合不利,可能是造成产生这种现象的一个原因。通过在不同的气候条件下变化调整,可以找到解决方案。
4.4.4 带制动设备的转向架
转向架的部件如减振装置、撒砂装置、倾摆机构和制动装置都是对安全性能至关重要的部件,这些部件即使在极端的气候条件下也不能失效。在这些大部分暴露在外面的部件上面会有冰雪堆积。这样的后果是功能上的部分受损一直到完全的失效,例如撒砂装置的冻结。
在风洞中利用滚动试验台,可以接近实际模拟车下条件。对于这些问题可以检验一些辅助措施,如对撒砂装置加热,或包裹隔热材料是否有效。
4.4.5 电源供应和电子设备
车辆的全部电源供应从受电弓通过主开关、变压器、变流器、蓄电池到电子设备,必须在任何气候条件下都保持可靠的性能。对于所有的电子部件,温度过低或过高以及过大的空气湿度都可能出现问题。在出现冰冻时,大多数情况下受电弓也会出现机械问题。
通过进行风洞试验,可以及时地发现此类问题,并且采取改善措施。
4.4.6 空调装置
空调装置对于轨道车辆的安全性意义不是很重要,但是在出现故障或失效时,对于司机室的工作条件以及乘客的舒适度都会有感官上的影响。在极端高温(超出设计要求,例如35 ℃以及对于中欧地区超出50%相对湿度),空调装置不会完全停机,而是仅仅降低了制冷效率。另外,空调通风设备也用来供应车内新鲜空气。
对于在不同负载下车辆内部气流分布的调整、空调系统控制的最优化以及极端工况下最大消耗功率等数据的获取,绝对有必要在风洞中进行相关的试验。
5 总结
上述的性能试验仅仅是几个从实践中得出的例子。在后面的表1中全面概括了不同部件的一些典型的性能试验,除了描述故障情况和试验中的气候条件,对于性能要求也进行了简短的说明。
关于性能试验执行和评价的详细的技术说明,保证了较高程度的标准化。对于其他极端气候条件下的性能试验,以及性能试验效率持续的评定,从运行中得到的反馈是必不可少的。
性能试验本质上的贡献在于,降低运行中的风险以及提高轨道车辆在所有气候条件下运行的可靠性。从实际试验中可以看出,对完整车辆进行检验是必要的,因为最好的部件控制并不能保证整辆车正常运行。
在风洞中进行试验较大的优点是气候条件的可重复性,因此,可以立即验证采用的改进措施——这可以节约时间和费用。
参考文献
[1]B.Bertsche,G.Lechner.Zuverlssigkeit im Fahrzeug-undMaschinenbau,Springer-Verlag,2004.
[2]G.Richter.Entwicklung und Bewertung neuer Funktionstests imKlima-Wind-Kanal Wien zur Erhhung der Verfügbarkeit undZuverlssigkeit von Schienenfahr-zeugen,Technische Hochschulein Aachen,2005.
[3] G.Haller.Climatic tests to increase reliability of rail vehicles[C].Proceedings of RTA Workshop Vienna,2005.
试验模态技术在车辆中的应用 篇9
目前, 我国的整车生产企业达到120家左右, 该数目几乎是欧美日三个地区汽车生产厂家的总和, 但是国内的产量之和也不及国外的一个大公司产量, 而且在质量等方面也存在很大差距。汽车安全系数是民众最为关心的问题, 所以把好质量关直接关系到汽车制造业的生死存亡。
1试验模态技术介绍
模态指的是物体结构所固有的动态特征, 包括频率、阻尼比、振型等参数。具体的模态参数可由计算或者试验来取得。试验模态分析的实质是将被测试物的物理坐标系统转换到模态坐标系统中来, 再通过测试其频率、阻尼、模态振型等特征来描述其结构。
对于机械制造行业而言, 试验模态技术主要有以下作用: (1) 评价现有结构动态特征, 对结构进行强度设计; (2) 深入洞察振动发生的根本原因, 快速识别结构设计的薄弱环节; (3) 有助于快速检查产品质量, 减少产品召回损失, 提高其竞争力[1]。
2试验模态技术在车辆中的具体应用
2.1系统组成
在车辆模态测试中, 可采用的方法有单点激振和多点激振, 其中多点激振的精度较高。但是由于多点激振布置点及后续调整较为麻烦, 且单点激振的测试精度也足以满足日常使用, 所以通常采用的是单点激振法进行。
单点激振模态测试系统的组成主要包括以下几部分: (1) 激振部分。其主要包括激振器、信号发生器及功率放大器; (2) 信号采集部分。其主要包括加速度传感器、阻抗头、A/D数据转换器等; (3) 数据分析部分。
2.2传感器及测试点的布置
在模态试验中, 要求传感器的动态范围、工作频段较宽, 有一定对抗干扰能力, 且灵敏度和线性都较好。得益于材料技术的发展, 目前的传感器体积和质量都大大减小, 且功能和精度得到显著提高。在车辆测试中, 一般选用压电式加速传感器和阻抗头。在进行传感器安装时, 需要根据测量规定的方向测定其真实制动信号, 据此选择合适的固定方式和位置[2]。
对响应测试点位置、数目、安设方向进行确定时应按照以下原则进行: (1) 可以有效显示设置频率范围内的结构振型情况; (2) 应将所有的关键点包含在测试范围内; (3) 测量方向与激振方向能够保持一致。
2.3在白车身测试中的应用
某制造商的白车身模态分析系统如图1所示。车身被四根橡皮悬吊在刚性支架上, 车身保持水平, 尽可能使车身处于自由状态, 以减少外界的干扰。在此利用电动激振器单点激振, 激振信号为白噪音[3]。因为白噪音的激振频带较宽、信噪比及波峰因数较好, 能够呈现多阶模态。此外, 该方式的试验速度较快, 适合布置多个测点。在选择激振点时, 应注意布置在非节点上, 例如车身的承载梁上。这样可防止激振幅度变化过大, 又利于激振能量顺利传遍与整个车身。
激振器的基座要求安装在刚性结构上, 其与阻抗之间通过一条长度为10cm、直径为5mm的杆连接, 它主要起着保证力的传播方向以及过载保护作用。本项目在测量激振力及振动响应时, 设计选用B&K型压电式阻抗头及加速度计。其中加速度计的固定方式为磁铁吸力, 为了使传感器便于在测点之间移动。一般在车身框架、门窗、发动机位置处布置实振测点;而对于面积较大的部位, 例如车顶、后盖等采用网格化布点形式[4]。
2.4在车内噪音测试中的应用
车内噪音模态测试时要求车辆分别以不同速度行驶。本项目的测试点分别布置在前后排司机及成员的耳朵处, 且要求传感器距车厢距离超过0.20m, 方向指向前方[5]。表1表示了白车身优化前后车内噪音的测试对比结果。从测试结果中可以看到在白车身优化之后噪音水平有了较大的降低水平, 最高达到2.3分贝, 不仅使车内环境变得舒适, 而且也大大增加了车身的可靠性。
2.5在轮胎测试中的应用
轮胎对于减少车辆震动, 保证运行平稳具有直接影响, 也是关系到车辆安全的最直接部位。众所周知, 轮胎的动态特性和车胎内部的气压直接相关, 所以重点对不同胎压时轮胎的动态特性进行测量。该测试项目也是采用橡皮绳将轮胎悬吊, 之后采用激振锤对固定点施加径向脉冲激励, 压电加速器采用胶水黏结在胎面, 共布置了24组, 每组5个测点[6]。
3结束语
试验模态技术具有检测系统简单、检测速度快、结果精确等优点, 在现代车辆制造中有着广泛的应用。文章介绍了该技术在白车身、车内噪音、轮胎等部位的测试应用情况, 为以后该类型工作提供了一定的技术参考, 具有一定的实用价值。
摘要：试验模态技术是借助计算机分析系统通过振动模态试验来得到车辆结构的动态特征, 为其结构设计和改型提供必要的基本参数, 是当前汽车制造业极为倚重的技术之一。希望通过文章的分析, 能够对相关工作提供参考。
关键词：试验模态,汽车制造,振动,分析
参考文献
[1]郑德清, 张立民, 李原辉.纯模态试验方法在车辆中仿真分析中的应用[J].噪声与振动控制, 2011 (2) :18-23.
[2]王永, 张永利.试验模态分析技术在车辆降噪中的应用[J].汽车技术, 2009 (5) :24-26.
[3]葛剑敏, 王卫防.轮胎模态试验及在轮胎结构设计中的应用研究[J].轮胎工业, 2011 (4) :36-39.
[4]尹念东.虚拟试验技术及其在车辆工程中的应用[J].上海汽车, 2013 (4) :56-59.
[5]孟霞, 李.复合材料板架结构中纯模态试验技术的应用[J].噪声与振动控制, 2013 (4) :18-22.