隨著鐵路行業高速發展,列車運行速度逐漸提高,鐵路安全越來越受到人們的重視,如何保證鐵道車輛運行安全及其故障監測成為一個亟待解決的重大課題。客車車輛在結構上的故障主要有一系彈簧斷裂、減振器失效、空氣彈簧漏氣、高圓彈簧斷裂、車輪踏面擦傷、軸承故障以及蛇形減震器故障等等[1],各種故障對車輛運行品質有不同程度的影響,嚴重情況下可能會威脅到車輛的安全運行。因此,對車輛故障的監測與識別成為了保證車輛安全運行中必不可少的措施。目前,對鐵道車輛的故障監測主要有地面和車載兩種形式,其中在車載監測系統中,使用振動加速度傳感器監測車輛運行狀態較為普遍,以此可以迅速實現檢測信號的分散收集、處理及故障判別[2]。對于利用振動加速度響應進行監測的系統,信號可能會受到多方面的影響,如軌道隨機不平順激勵的干擾、車輛本身非線性對信號傳遞的干擾以及各種故障疊加后對檢測信號的干擾等等。文章中僅建立整車線性動力學模型,不考慮輪軌蠕滑等非線性因素對信號的影響,主要討論不同位垂向懸掛故障時,振動加速度信號具有的統計特性規律以及影響數字特征的因素。1建立車輛模型由于matlab/simulink軟件可以使用面向對象的框圖建模[3],同時具備子系統封裝的特點,對于含有彈簧阻尼的線性系統,可以拆分為懸掛子系統和剛體狀態子系統,按剛體間不同的連接形式,快速建立系統線性模型。以簡化的車輛二自由度系統為例[4],其運動微分方程:m1剛體:Fk1+Fc1-Fk2-Fc2=m1Z1m2剛體:Fk2+Fc2=m2Z2式中:Fk1=K1(Z0-Z1);Fc1=C1(Z0-Z1);Fk2=K2(Z1-Z2);Fc2=C2(Z1-Z2);Zi(i=0,1,2)分別為車輪、m1和m2離平衡位置的位移。與m1相連接的彈簧阻尼分別為K2,C2,K1,C1,在任意時刻t,車輪、m1,m2運動狀態不同,在相互作用下會產生Fk1,Fc1,Fk2,Fc24個彈簧阻尼力作用在m1上,將4個彈簧阻尼力作為m1受力輸入端口,Z1作為狀態輸出端口。同理對于m2,Fk2,Fc2作為受力輸入端口,Z2作為狀態輸出端口。因此對于m1,m2狀態子系統,其輸入為彈簧阻尼力,輸出為剛體運動狀態,對于懸掛子系統Fk1,Fc1,Fk2,Fc2,其輸入為懸掛兩端剛體的運動狀態,輸出為彈簧阻尼力。以上述方法為基礎建立車輛的simulink框圖模型,模型以目前應用較多的無搖枕四軸客車為例,自由度分別是車體和前后轉向架沉浮、橫移、點頭、側滾及搖頭,以及車輪沉浮、橫移、側滾及搖頭,共31個自由度,其中將一、二系懸掛作為懸掛子系統,將轉向架和車體作為剛體狀態子系統,建模時忽略了輪軌蠕滑和車輪側滾引起的橫向力變化。2車輛懸掛的故障分析2.1一、二系懸掛故障形式及統計特性主要討論車輛垂向一、二系懸掛故障形式,尤其是單一懸掛故障,將前轉向架前軸左側一系懸掛記為一系11位懸掛,右側為一系12位懸掛,其余類推。在模型中對故障的檢測是通過車輛振動加速度信號來實現,測量點位于前后轉向架和車體中心。由于車輛正常運行和懸掛故障時振動響應信號不同,經過時域和頻域分析,提取出信號的統計特性,并計算出相應的數字特征,以此判別車輛運行中是否出現故障。在時域分析中,信號的統計特性主要用3個典型的數字特征來描述,分別是均值(t)、方差S2(t)和均方根值(t)。在頻域分析中,主要使用加速度功率譜密度P[5],其數字特征是局部頻率段上的均方根值(f)。仿真中,以車體和前轉向架為例,一系懸掛故障用剛度增大10倍[6],阻尼為0模擬,二系懸掛故障用剛度增大20倍,阻尼為0模擬。加速度檢測信號采樣