一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置及方法与流程

1.本发明涉及电缆寿命预测的技术领域，特别是涉及一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置及方法。


背景技术：

2.由于高铁运行环境恶劣，在行车过程中出现的颠簸摆动容易导致部分车次中的某部件电缆发生疲劳性断裂破坏，但在与其余车次中同类产品进行对比时，其余车次的同类产品在不同的安装位置与不同的布局方式中均未发现疲劳损伤、断线等异常的情况，判断其故障与安装防护与运用条件相关。为提高高铁运行的安全性，需要对线路条件进行模拟还原，以使重新评估部件电缆的使用寿命，做好定时维修更换。但铁路运行环境复杂且无规律性，如何在实验室模拟其线路中的颠簸摆动是解决此问题的关键。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：提供一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置及方法，实现对模拟实车线路摆动工况的复现，有助于对线缆使用寿命进行评估，提高高铁运行的安全性。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置及方法，包括：plc程控系统、空气管路、空气管路驱动气缸、横向操作气缸、纵向操作气缸、上固定器、线缆、转角固定模块和上限位器；
5.其中，所述plc程控系统通过所述空气管路分别与所述空气管路驱动气缸、所述横向操作气缸和所述纵向操作气缸相连，所述横向操作气缸设置于所述纵向操作气缸下方；
6.所述上限位器通过所述转角固定模块与所述纵向操作气缸相连，所述上限位器与所述上固定器相连；
7.所述上固定器与所述线缆相连。
8.进一步地，还包括：下固定器、下限位器；
9.其中，所述下固定器和所述下限位器相连；
10.所述下固定器与所述线缆的相连；
11.所述下限位器设置于所述上限位器的下方。
12.进一步地，还包括第一固定板；
13.所述第一固定板设置有凸起卡槽；
14.所述第一固定板与所述横向操作气缸相连，所述第一固定板设置在所述横向操作气缸的下方。
15.进一步地，还包括振动台、活塞杆、导轨和所述导轨对应的轮轴；
16.所述活塞杆的第一端与所述空气管路驱动气缸相连，所述活塞杆的第二端与所述第一固定板相连；
17.所述第一固定板与所述轮轴相连，所述轮轴设置在所述第一固定板的下方；
18.所述空气管路驱动气缸和所述导轨设置在所述振动台上。
19.进一步地，所述转角固定模块的一端固定，所述转角固定模块摆动幅度的最大值为4.5
°
。
20.进一步地，所述疲劳试验装置外接计数器。
21.进一步地，本发明还提供一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法，包括：
22.对不同运行里程的未失效的线缆进行取样，形成样品集；
23.对所述样品集进行疲劳试验，统计所述样品集中各线缆发生断裂的失效数量；
24.按照第一预设公式对所述失效数量进行拟合计算，得到所述各线缆对应的失效率和失效时间函数；
25.根据所述失效率和所述失效时间函数，获取所述各线缆的疲劳次数；
26.按照第二预设公式对所述疲劳次数和所述各线缆对应的运行里程进行计算，得到疲劳等效里程。
27.进一步地，本发明还提供一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述所述的基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法。
28.进一步地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述所述的基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法。
29.本发明实施例一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置及方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
30.通过提供plc程控系统、空气管路、空气管路驱动气缸、横向操作气缸、纵向操作气缸、上固定器、线缆、转角固定模块和上限位器；其中，上固定器与线缆相连，用于模拟实车状态约束线缆；上限位器通过转角固定模块与纵向操作气缸相连，上限位器与上固定器相连，用于操作气缸施加位移与扭转角度；plc程控系统通过空气管路分别与空气管路驱动气缸、横向操作气缸和纵向操作气缸相连，横向操作气缸设置于纵向操作气缸下方，通过对控制空气管路的气路气压控制实现不同气缸的推动，从而产生颠簸工况。以现有技术相比，本技术装置结构简单，实现对模拟实车线路摆动工况的复现，有助于对线缆使用寿命进行评估，提高高铁运行的安全性。
附图说明
31.图1是本发明提供的一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置的一种实施例的结构示意图；
32.图2是本发明提供的一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法的一种实施例的流程示意图；
33.图3是本发明提供的一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法的一种实施例的抽样线缆样品对应的失效次数的数据示意图；
34.图4是本发明提供的一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法的一种实施例的基于威布尔分布原理推测出的各线缆样品对应的相关参数的数据示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1
37.参见图1，图1是本发明提供的一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置的一种实施例的结构示意图，如图1所示，该装置包括plc程控系统1、空气管路2、空气管路驱动气缸3、横向操作气缸9、纵向操作气缸7、上固定器8、线缆11、转角固定模块6和上限位器14，具体如下：
38.其中，所述plc程控系统1通过所述空气管路2分别与所述空气管路驱动气缸3、所述横向操作气缸9和所述纵向操作气缸7相连，所述横向操作气缸9设置于所述纵向操作气缸7下方；所述上限位器14通过所述转角固定模块6与所述纵向操作气缸7相连，所述上限位器14与所述上固定器8相连；所述上固定器8与所述线缆11相连。
39.本实施例中，通过调研实车安装状态，线缆11布置于某电机轴端，随车运动而产生颠簸工况，同时，由于车轴与转向架的相对位移，会产生摆动工况。同时基于实车状态采集的相关数据，如本疲劳试验装置的颠簸工况参考iec61373－2010中ⅲ类，摆动工况下最大扭转角度为4.5
°
，最大横动量为40mm，最大纵向偏移量为10mm，并以此为基础，对疲劳试验装置进行相关设计。
40.本实施例中，疲劳试验装置的结构由主体框架组成，主体框架中设置有上固定器8、线缆11和上限位器14，还设置有下固定器12和下限位器13；其中，上限位器14与上固定器8相连；上固定器8与线缆11相连；下固定器12和下限位器13相连；下固定器12与线缆11的相连；下限位器13设置于上限位器14的下方。主体框架将电缆模拟实车安装，通过上固定器8和下固定器12与线缆11相连来模拟实际的实车状态约束，通过下限位器13与下固定点相连来模拟线缆11的某电机轴端固定。
41.本实施例中，主体框架中设置有横向操作气缸9、纵向操作气缸7、和转角固定模块6。其中，横向操作气缸9模拟实车运行的横动量，最大位移可达到50mm，且横向操作气9缸和纵向操作气缸7相连，横向操作气缸9设置于纵向操作气缸7下方，整体可受纵向操作气缸7推动；纵向操作气缸7模拟运行的纵向偏移，最大位移可实现20mm；上限位器14通过转角固定模块6与纵向操作气缸7相连，用于施加位移与扭转角度；具体的，固定模块的一端为固定设置，另一端与纵向操纵气缸相连，受纵向操作气缸7的推动，从而实现角度偏转。本实施例中，主体框架中还设置有第一固定板10；第一固定板10设置有凸起卡槽；第一固定板10与横向操作气缸9相连，第一固定板10设置在所横向操作气缸9的下方，由于横向操作气缸9受第一固定板10的凸起卡槽的约束，导致横向偏转角度能精确实现4.5
°
。
42.本实施例中，疲劳试验装置的结构由主体框架组成，主体框架中设置有plc程控系统1、空气管路2和空气管路驱动气缸3。plc程控系统1通过空气管路2分别与空气管路驱动气缸3、横向操作气缸9和纵向操作气缸7相连，通过plc程控系统1控制空气管路2的气压，通过气压压力值变化驱动不同的操作气缸工作，利用编程协调各独立气缸交互工作；具体的，为实现不同交互工作之间不发生干涉，同步进行，通过利用plc编程，设计模拟实车状态摆
动工况的摆动频率0.75hz，工装设计以整体空间为基础，考虑颠簸工况强度、刚度的实现，整体采用铝镁合金结构，结构固有频率避开共振点与车体设计的共振频率。
43.本实施例中，主体框架还包括振动台、活塞杆4、导轨5和导轨5对应的轮轴；活塞杆4的第一端与空气管路驱动气缸3相连，活塞杆4的第二端与第一固定板10相连；第一固定板10与轮轴相连，轮轴设置在第一固定板10的下方；空气管路驱动气缸3和导轨5设置在振动台上，振动台位于主体框架的上方。具体的，当plc程控系统1控制空气管路2的气压驱动空气管路驱动气缸3，当对空气管路2驱动气缸通气时，缸体驱动活塞杆4做前后方向平行移动，又因活塞杆4的第二端与第一固定板10相连，通过导轨5和导轨5对应的轮轴，使活塞杆4拉动第一固定板10，以使第一固定板10同样进行前后方向的平行移动。
44.本实施例中，将主体框架中各模块结构进行整合，可实现在振动台上同时进行横纵两个方向的位移和一个角度的偏转，且该横纵两个方向的位移和一个角度的偏转在颠簸摆动的情况下也能实现，通过该摆动工况，复现实车在实际运行道路中的运行环境。本实施例中，疲劳试验装置还外接计数器，当上述全部动作操作完毕后，即可触发计数器开启，进行一次计数，并将该计数记为疲劳次数。
45.参见图2，图2是本发明提供的一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法的一种实施例的流程示意图，如图2所示，该方法包括步骤101－步骤105，具体如下：
46.步骤101：对不同运行里程的未失效的线缆进行取样，形成样品集。
47.本实施例中，除了获取实车调研的数据外，还选择不同里程的未失效的线缆，将不同里程的未失效的线缆作为样品进行取样，取样的过程中尽量保证平均性与生产一致性，如获取同一厂家同一批次生产的线缆，对于不同运行里程的线缆获取相同的数量作为样品，取样的数量可根据需求进行自定义，并将取样得到的多个线缆样品型形成一个样品集。
48.作为本实施例中的一种举例，获取样品状态为新品的10个线缆，同时获取样品状态为运行300万公里的10个线缆，还获取样品状态为运行400万公里的10个线缆，将上述获取的线缆进行集合，形成样品集。
49.步骤102：对所述样品集进行疲劳试验，统计所述样品集中各线缆发生断裂的失效数量。
50.本实施例中，将形成的样品集中的每一个线缆样品设置在基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置上进行疲劳试验，在疲劳试验中统计样品集中各线缆样品对应的发生断裂的失效数量，并将统计到的所有线缆样品对应的发生断裂的失效数量记录下来。
51.作为本实施例中的一种举例，对获取的样品状态为新品的10个线缆、样品状态为运行300万公里的10个线缆以及样品状态为运行400万公里的10个线缆进行编号，并对每个线缆进行疲劳试验，获取每个对应的线缆样品失效次数，如图3所示。
52.步骤103：按照第一预设公式对所述失效数量进行拟合计算，得到所述各线缆对应的失效率和失效时间函数。
53.本实施例中，基于线缆产品的故障一般是服从威布尔分布，通过去除早期失效率及耗损期失效率，其正常使用周期的失效率为常数，同时基于威布尔分布原理，结合步骤102得到的每个线缆样品对应的失效次数，推测出不同运行状态的线缆样品对应的失效样品数量fail#＝i，失效时间ln(t)，失效时间的函数time of fail，失效样品数量的函数f(ti)estimate，第一失效率的函数r(ti)estimate，第二失效率的函数ln{－lnr(ti)}，其
中，失效样品数量对应i，失效时间(t)，失效时间的函数(x)，失效样品数量的函数(i－0.3)/(n 0.4)，第一失效率的函数1－f(ti)，第二失效率的函数(y)，如图4所示。
54.将推测得到的不同行驶里程的线缆样品对应的失效样品数量，失效时间，失效时间的函数，失效样品数量的函数，第一失效率的函数，第二失效率的函数待入第一预设公式中，获取各线缆的不同运行状态对应的失效率和失效时间函数；其中，第一预设公式为基于威布尔分布原理与最小二乘法的获得如下拟合：
[0055][0056][0057][0058]
式中，β—函数的形状参数，代表了其分布的形状；η—函数的尺寸参数，代表了其分布的曲线的放大和缩小；n—为样本数量；y—为失效率的函数；x—为时间的函数；c—为β的函数。
[0059]
作为本实施例中的一种举例，将图4中推测得到的不同运行里程的线缆样品对应的相关数据代入第一公式中，得到运行状态为新品的线缆样品对应的失效率和失效时间函数为：
[0060]
y＝14.438x-54.639，
[0061][0062]
得到运行状态为300万公里的线缆样品对应的失效率和失效时间函数为：
[0063]
y＝6.7293x-23.231，
[0064][0065]
得到运行状态为400万公里的线缆样品对应的失效率和失效时间函数为：
[0066]
y＝19.834x-60.069，
[0067][0068]
步骤104：根据所述失效率和所述失效时间函数，获取所述各线缆的疲劳次数。
[0069]
本实施例中，根据各线缆的不同运行状态对应的失效率和失效时间函数，以90％的可靠度进行评估，进而计算出各线缆的不同运行状态对应的疲劳次数，即经历多少次疲劳试验后会发生失效。步骤105：按照第二预设公式对所述疲劳次数和所述各线缆对应的运行里程进行计算，得到疲劳等效里程。
[0070]
步骤105：按照第二预设公式对各线缆对应的疲劳次数和所述各线缆对应的运行里程进行计算，得到疲劳等效里程；如运行mi公里的样品在pi次疲劳后发生失效，则按照第二预设公式可以等效获得每次疲劳等效的公里数为：
[0071]
[0072]
其中，h表示疲劳等效里程数，mi表示线缆运行的里程数，pi表示该线缆对应的疲劳次数。
[0073]
本实施例中，获取疲劳等效里程数据需要较大的样本量进行统计计算，因此，计算出来的数据较为准确。
[0074]
作为本实施例中的一种举例，获取产品批次性的疲劳等效里程数据，可用于在线缆使用过程中评估其使用寿命，能帮助相关人员做好定时维修更换，为后期组装使用，提供参考依据。同时对于已经到维修寿命或更换寿命的产品，可通过疲劳装置延长试验时效，具有经济效益和节能环保的意义。对于新造的线缆，有助于排查早期故障与设计不足，提高产品可靠性与使用质量。
[0075]
本实施例中，还提供一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述步骤101－105所述的基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法。
[0076]
进一步地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述步骤101－105所述的基于模拟实车线路摆动的疲劳试验方法。
[0077]
综上，本发明一种基于模拟实车线路摆动的疲劳试验装置及方法，该疲劳试验装置包括plc程控系统、空气管路、空气管路驱动气缸、横向操作气缸、纵向操作气缸、上固定器、线缆、转角固定模块和上限位器；其中，上固定器与线缆相连，用于模拟实车状态约束线缆；上限位器通过转角固定模块与纵向操作气缸相连，用于操作气缸施加位移与扭转角度；plc程控系统通过空气管路分别与空气管路驱动气缸、横向操作气缸和纵向操作气缸相连，通过对控制空气管路的气路气压控制实现不同气缸的推动，从而产生颠簸工况。以现有技术相比，本技术装置结构简单，实现对模拟实车线路摆动工况的复现，有助于对线缆使用寿命进行评估，提高高铁运行的安全性。
[0078]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。