具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一：

本实施中公开了一种侧风下列车气动性能测试方法，包括以下步骤：

将待测试的列车表面划分为多个矩形单元；获取所述多个矩形单元实际的压力方向以及压差；对于任一个矩形单元A，所述矩阵单元A的压差是指与其在列车的横向或垂向相对的矩形单元B之间的压差；并根据所述多个矩形单元实际的压力方向以及压差计算所述列车的气动荷载。

此外，在本实施例中，还公开了一种侧风下列车气动性能与动力学性能协同测试方法，包括以下步骤：

采用上述侧风下列车气动性能测试方法获取列车的气动荷载，并采集列车的横向加速度；

根据所述气动荷载以及列车的横向加速度计算所述列车的动力学指标。

此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明中的侧风作用下列车气动性能与动力学性能协同测试方法及系统，通过将待测试的列车表面划分为多个矩形单元；获取所述多个矩形单元实际的压力方向以及压差；对于任一个矩形单元A，所述矩阵单元A的压差是指与其在列车的横向或垂向相对的矩形单元B之间的压差；并根据所述多个矩形单元实际的压力方向以及压差计算所述列车的气动荷载，进而修正现有的气动荷载测量方法未考虑矩形单元实际方向带来的误差，提高气动荷载测量的准确性；此外，本发明创新性地提出侧风下列车气动性能与动力学性能协同测试方法及系统，该系统结合气动性能测试结果、车辆横向加速度进行动力学性能测试，无需测力轮对测定轮轨间作用力，大大增大了动力学性能测试的适用范围、缩短了动力学性能测试准备周期、降低了动力学性能测试的成本。

实施例二：

实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对侧风作用下列车气动性能与动力学性能协同测试方法的具体步骤进行了优化，对列车气动性能与动力学性能协同测试系统的具体结构进行了介绍，包括以下内容：

在本实施例中，公开了一种侧风下列车气动性能测试方法，包括以下步骤：

将待测试的列车表面划分为多个矩形单元；即，分割运行列车车身侧面/顶面的投影面，得到车身长度方向A列，车身高度/宽度方向B行，共A×B个矩形单元；

获取所述多个矩形单元实际的压力方向以及压差；采用小量程、高精度的差压传感器直接测量每个矩形单元形心的差压，将差压从矩形单元的实际法向方向分解到对应气动力的方向，然后采用积分的方法求得车辆的横向力、升力与侧滚力矩。对于每个矩形单元，测得形心的差压，计算整个单元上的气动载荷，求和后得到车辆的气动载荷，即

式中：F_y与F_z分别为车辆受到的横向力与升力，M_x为车辆受到的侧滚力矩，Δp_wli为列车迎风面与背风面上第i个矩形单元形心的差压，Δp_brj为列车底面与顶面上第j个矩形单元形心的差压，S_wli为迎风面与背风面上第i个矩形单元的正投影面积，S_brj为底面与顶面上第j个矩形单元的正投影面积，L_wli为迎风面与背风面上第i个矩形单元形心对应的力臂，L_brj为底面与顶面上第j个矩形单元形心对应的力臂。k_wli与k_brj均为修正系数。k_wli用于将差压从迎风面与背风面上第i个矩形单元的实际法向方向分解到F_y的方向，由相应矩形单元的法向量计算得到；k_brj用于将差压从底面与顶面上第j个矩形单元的实际法向方向分解到F_z的方向，测试时由于流线型部位上下两个面的方向不一致，不能直接分解得到，由数值数据库插值得到。

此外，在本实施例中还公开了一种侧风下列车气动性能与动力学性能协同测试方法，该方法根据列车气动性能测试得到的横向力、升力与侧滚力矩以及车体横向加速度测试结果，使用三质量模型计算得到倾覆系数与脱轨系数。

其中，如图1所示，列车的三质量模型将车辆简化为三部分质量，即簧下质量m₀(主要为轮对)、一系与二系之间的质量m₁(主要为转向架构架)与二系以上质量m₂(主要为车体)。侧风作用下，各部分质量发生横向偏移，簧下质量m₀的横向位移为y₀，一系与二系之间的质量m₁的横向位移为y₁，二系以上质量m₂的横向位移为y₂。z_CoG0为簧下质量m₀质心距轨面高度，z_CoG1为一系与二系之间的质量m₁质心距轨面高度，z_CoG2为二系以上质量m₂质心距轨面高度。迎风侧轮轨接触点b与背风侧轮轨接触点a间距2b_A＝1.5m。

其中，一系与二系之间的质量m₁的横向位移

式中：a_q为未平衡横向加速度，即车体横向加速度测试结果，K_y1为每一系弹簧横向刚度。

二系以上质量m₂的横向位移为：

式中：K_y2为每二系弹簧横向刚度，K_z2为每二系弹簧垂向刚度，K_arb为每转向架抗侧滚扭杆刚度，h₂为二系弹簧距轨面高度，b₂为二系弹簧横向跨度。

车辆受到侧风的影响，对背风侧轮轨接触点a有侧滚力矩

M_x,lee＝M_x+F_z(b_A-y₂)， (8)

由车辆质量引起的恢复力矩为：

M_m＝(m₀+m₁+m₂)gb_A， (9)

(m₀+m₁+m₂)g＝8P， (10)

式中：g为重力加速度，P为左右侧车轮的平均轮重。

由一系与二系之间的质量m₁与二系以上质量m₂分别发生横向位移y₁与y₂引起的力矩

M_CoG＝m₁gy₁+m₂gy₂， (11)

由未平衡横向加速度引起的力矩为：

M_la＝m₀a_qz_CoG0+m₁a_qz_CoG1+m₂a_qz_CoG2， (12)

根据倾覆系数定义，有

式中：P₂为车轮轮重增载侧的轮轨压力，P₁为车轮轮重减载侧的轮轨压力。

图1中，轮对左侧为轮重增载侧，右侧为轮重减载侧，对背风侧轮轨接触点a取力矩平衡方程，有

-m₀gb_A-m₁g(b_A-y₁)-m₂g(b_A-y₂)+4P₁·2b_A+M_la+M_x,lee＝0， (14)

联立式(9)-(14)即可得到倾覆系数。为保证评价列车运行安全性是保守的，引入方法因子f_m，不同车辆对应的方法因子列于表1。则倾覆系数为：

脱轨系数为：

表1不同车辆对应的方法因子

此外，在本实施例中，还公开了一种侧风下列车气动性能与动力学性能协同测试系统，该测试系统用于完成列车气动性能与动力学性能测试，由气动载荷测试、加速度测试、速度测试、里程测试、数据采集设备6、上位机7与触发器8等模块组成，能够实现被测模拟信号的A/D转换以及数据的实时处理、存储、显示与分析等功能，如图2所示。

其中，数据采集设备6内置NET2801以太网总线数据采集卡，采样频率设置为256Hz。采用6阶Ⅱ型切比雪夫滤波器，阻带衰减为60dB，截止频率为43Hz。

数据采集卡能够自动采集被测模拟信号并送到上位机7。根据采样定理，合理设置数据采集卡的采样频率，使得原始模拟信号在频谱上无混叠失真。

气动载荷测试模块由拍式感压片2、采样管3与差压传感器4组成。如图3所示，将拍式感压片2固定于车辆表面测点(上文所述矩形单元形心)处，通过采样管3将拍式感压片2与固定于车下的差压传感器4相连。迎风面与背风面(底面与顶面)对应测点接到同一个差压传感器4，迎风面(底面)接入正压接口，背风面(顶面)接入负压接口，以保证横向力与升力的正方向。为防止雨水进入采样管3，影响测试结果准确性，拍式感压片2固定时应保持铜管朝上，如图4所示。为保持测试信号的同步性，采样管3长度应保持一致。

对于不同频率的脉动压力信号，采样管长度会影响其幅值，过长的采样管会使压力幅值大幅衰减。侧风作用下列车周围的脉动压力信号通常为低频信号，故需深入研究低频时采样管长度对压力幅值的影响，以保证本发明测试结果的准确性。如图5所示，不同压力脉动频率与不同采样管长度对应的压力幅值误差，采样管长度由1m增加到10m，压力脉动频率由0.2Hz增大到1.0Hz。采样管长度不超过3m时，通过采样管获得的压力幅值比原始压力幅值大。随后，由采样管得到的压力幅值开始衰减，压力脉动频率越大，幅值衰减越明显。对于低频脉动压力信号，采样管长度不超过8m时，压力幅值误差小于5％，其测试结果是可以接受的。由于侧风作用下列车1受到的非定常气动载荷频率较低，因此，采样管3长度不超过8m时，测量误差小于5％，如图5所示。

差压传感器4测得的差压信号由数据采集卡自动采集，并送到车内的上位机7(PC)。上位机7进行滤波与数据清理后，通过式(3)-(5)得到车辆受到的横向力、升力与侧滚力矩。其中，横向力、升力与侧滚力矩测试结果如图6所示。

加速度测试由加速度传感器5实现。加速度传感器5固定于车下，用于测试车体的横向加速度，同样由数据采集卡自动采集并送到上位机7。上位机7进行滤波与数据清理后，结合预先输入测试系统的车辆动力学参数，分别通过式(15)与(16)得到车辆的倾覆系数与脱轨系数，从而评价侧风作用下列车1运行安全性。其中，采集的横向加速度、车辆的倾覆系数与脱轨系数如图7所示。

速度测试与里程测试均由GPS定位器实现。GPS定位器可以实时测得列车1速度，计算速度在时间上的积分即可得到里程。

将触发器8连接到数据采集卡，实现气动载荷测试与加速度测试的同步动作。

试验中，上位机7实时处理并存储测试数据，能够实现滤波、数据清理、数据可视化与数据集成等功能，如图8所示。首先对测试数据进行低通滤波，防止信号干扰。其次对测试数据进行清理，进一步过滤数据，包括清除重复数据、清除异常数据、填写缺失数据与分箱等步骤。之后计算得到车辆的横向力、升力、侧滚力矩、横向加速度、倾覆系数、脱轨系数、速度与里程等数据，并将其可视化。最后，将测试数据集中，为进一步分析侧风作用下列车1运行安全性提供数据基础。同时，试验前将线路条件与线路实际情况(包括曲线半径、超高、防风设施类型、里程、长短链等信息)预先输入测试系统，试验时可根据里程实时得到线路条件与线路实际情况，进而对测试数据进行分析，得到列车气动性能与动力学性能的影响因素。

另外，本测试系统可扩展性强。可将车载风速仪、倾角传感器与位移传感器等仪器接入数据采集卡，从而集成到本测试系统中。还可将摄像设备安装在车下，与上位机7相连，实时观察轮轨关系。

综上所述，相比现有的通过压力积分测量列车气动载荷的方法未考虑矩形单元的实际方向。本发明引入修正系数k_wli与k_brj，将差压由矩形单元的实际方向分解到横向力与升力的方向，修正了由于未考虑矩形单元实际方向带来的误差。此外，本发明在改进列车气动性能测试的基础上，创新性地提出侧风下列车气动性能与动力学性能协同测试方法及系统，结合气动性能测试结果、车辆横向加速度与动力学参数计算得到倾覆系数与脱轨系数等动力学指标，为分析引起侧风作用下运行安全最主要的因素——列车气动载荷的详细规律和动力学指标相关参数提供了依据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。