基于EMD的氣動(dòng)載荷作用下動(dòng)車(chē)組橫向振動(dòng)提取研究

邵云龍,陳春俊,何洪陽(yáng)（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川　成都610031）

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基于EMD的氣動(dòng)載荷作用下動(dòng)車(chē)組橫向振動(dòng)提取研究

邵云龍,陳春俊,何洪陽(yáng)
（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

摘要：為研究高速動(dòng)車(chē)明線會(huì)車(chē)時(shí)引起其橫向振動(dòng)的主要原因以及分析氣動(dòng)載荷對(duì)于動(dòng)車(chē)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，以線路實(shí)驗(yàn)采集的車(chē)體表面壓力與列車(chē)振動(dòng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用EMD分解得到振動(dòng)信號(hào)的各個(gè)本征模（IMF）分量；對(duì)分解后的IMF分量進(jìn)行相關(guān)性分析，利用相關(guān)性原理來(lái)重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)。重構(gòu)信號(hào)即為氣動(dòng)載荷作用下的動(dòng)車(chē)組橫向振動(dòng)。對(duì)比分析動(dòng)車(chē)組在有氣動(dòng)載荷與無(wú)氣動(dòng)載荷下的橫向穩(wěn)定性。結(jié)果表明：明線會(huì)車(chē)時(shí)氣動(dòng)載荷引起的橫向振動(dòng)頻率主要集中在低頻段0.3～10 Hz內(nèi)，動(dòng)車(chē)組橫向振動(dòng)加速度及橫向平穩(wěn)性的影響比只考慮軌道不平順時(shí)要明顯增大，明線會(huì)車(chē)時(shí)氣動(dòng)載荷是引起列車(chē)橫向振動(dòng)的主要原因。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組；橫向振動(dòng)；EMD分解；相關(guān)性系數(shù)

0 引　言

動(dòng)車(chē)組在高速運(yùn)行時(shí)，由于軌道不平順和氣動(dòng)載荷的影響，車(chē)體振動(dòng)加劇。此類(lèi)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題一直是動(dòng)車(chē)組外型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究方向，科研人員對(duì)于列車(chē)-軌道系統(tǒng)以及車(chē)體結(jié)構(gòu)問(wèn)題通過(guò)建模仿真的方法做了大量的研究，但對(duì)于由氣動(dòng)載荷引起的列車(chē)振動(dòng)的問(wèn)題研究較少。當(dāng)動(dòng)車(chē)組明線會(huì)車(chē)時(shí)，車(chē)體受到的氣動(dòng)力和力矩急劇增大，容易造成輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力變大，對(duì)其安全運(yùn)行造成很大影響[1]。目前對(duì)于動(dòng)車(chē)組空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究重點(diǎn)為車(chē)體受到的氣動(dòng)力，在有外界環(huán)境風(fēng)的條件下動(dòng)車(chē)組會(huì)車(chē)時(shí)列車(chē)氣動(dòng)性能和運(yùn)行安全的影響。董亞男[2]通過(guò)流體力學(xué)軟件CFD建模的方法研究?jī)闪袆?dòng)車(chē)組交會(huì)時(shí)車(chē)體受到的側(cè)向力、側(cè)傾力矩、側(cè)偏力等，以探究車(chē)速、側(cè)風(fēng)、路況等因素的改變對(duì)列車(chē)會(huì)車(chē)時(shí)橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。Aeho Hwang等[3]對(duì)于動(dòng)車(chē)組會(huì)車(chē)時(shí)車(chē)體的氣壓、氣動(dòng)載荷和振動(dòng)等進(jìn)行了分析。

利用CFD以及UM、ADAMS、SIMPACK等仿真軟件單獨(dú)或聯(lián)合仿真分析車(chē)體振動(dòng)特性具有很大的局限性：仿真模型的計(jì)算會(huì)忽略掉其他耦合關(guān)系的影響，與實(shí)際結(jié)果有偏差；仿真模型的計(jì)算量巨大，耗時(shí)較長(zhǎng)；多體動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算振動(dòng)時(shí)將車(chē)體視為剛體或半彈性體；考慮其彈性形變與安裝工藝等引入的誤差。因此，本文提出一種基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取氣動(dòng)載荷下振動(dòng)特性的方法，以此來(lái)探究動(dòng)車(chē)組在明線會(huì)車(chē)時(shí)引起車(chē)體振動(dòng)的主要原因，并分析會(huì)車(chē)時(shí)氣動(dòng)載荷對(duì)列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由壓力傳感器、加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理器、多芯屏蔽信號(hào)線、IMC數(shù)據(jù)采集器、便攜式電腦和GPS等部分組成，各傳感器將測(cè)得的壓力信息記錄在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。由于在采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)以220 V/50 Hz供電，由此導(dǎo)致測(cè)量值在50 Hz及倍數(shù)頻率處存在工頻干擾。在頻域中，利用有一定阻帶寬度的陷波濾波器組，消除工頻干擾的基波和諧波成分。線路實(shí)驗(yàn)即利用上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)跟蹤監(jiān)測(cè)記錄某型高速動(dòng)車(chē)組在明線運(yùn)行，明線會(huì)車(chē)等工況下車(chē)體表面壓力變化幅值和車(chē)體振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2 明線會(huì)車(chē)工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

高速行駛的動(dòng)車(chē)組周?chē)牧鲌?chǎng)受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，當(dāng)兩車(chē)明線會(huì)車(chē)時(shí)，這一擾動(dòng)將會(huì)加劇，尤其是開(kāi)始與結(jié)束會(huì)車(chē)時(shí)刻，造成動(dòng)車(chē)組會(huì)車(chē)側(cè)的空氣壓力發(fā)生突變，形成瞬間的壓力沖擊。由于列車(chē)交會(huì)瞬間空氣壓力波引起車(chē)體的振動(dòng)響應(yīng)，尤其是橫向振動(dòng)變化較為明顯。

動(dòng)車(chē)組在線路上明線會(huì)車(chē)時(shí)，其橫向振動(dòng)加速度的時(shí)域和頻域如圖1所示，由圖可知加速度在0～20 Hz頻段內(nèi)有峰值突起；氣壓的時(shí)域、頻域如圖2所示，頻譜圖中幅值大的頻率小于50 Hz。根據(jù)會(huì)車(chē)壓力波的頻率特征并考慮減小計(jì)算誤差，本文確定氣動(dòng)載荷引起的振動(dòng)頻率范圍分布在0.735～50 Hz之間。

圖1 會(huì)車(chē)橫向振動(dòng)加速度時(shí)頻圖

圖2 會(huì)車(chē)氣壓時(shí)頻圖

設(shè)計(jì)一個(gè)通帶截止頻率0.735Hz，阻帶截止頻率50 Hz，邊帶區(qū)衰減0.1dB，截止區(qū)衰減30dB的2階切比雪夫?yàn)V波器帶通濾波器，并利用濾波器對(duì)明線和會(huì)車(chē)工況的橫向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，其時(shí)頻譜圖對(duì)比如圖3所示。高速動(dòng)車(chē)組在線路上運(yùn)行時(shí)，車(chē)體受到的橫向振動(dòng)主要是由軌道不平順和氣動(dòng)載荷作用引起的，由圖可初步觀察出：動(dòng)車(chē)組在明線上運(yùn)行時(shí)，列車(chē)橫向振動(dòng)主要由軌道不平順引起；會(huì)車(chē)時(shí)橫向振動(dòng)在時(shí)域上與明線運(yùn)行時(shí)非常相近，僅在會(huì)車(chē)時(shí)的頭波、尾波處有較明顯的區(qū)別；在明線與會(huì)車(chē)橫向振動(dòng)的頻域?qū)Ρ戎?，低頻段有明顯區(qū)別，而高頻部分幅值相當(dāng)，會(huì)車(chē)時(shí)的振動(dòng)頻譜有較多的大幅值低頻分量。

圖3 濾波處理后明線與會(huì)車(chē)振動(dòng)對(duì)比

3 氣動(dòng)載荷引起的橫向振動(dòng)提取

首先對(duì)濾波后的明線與明線會(huì)車(chē)兩種工況下的橫向振動(dòng)進(jìn)行EMD分解[4]，對(duì)比兩種工況下振動(dòng)的各個(gè)分量，作為氣動(dòng)振動(dòng)提取的依據(jù)之一。EMD分解出來(lái)的IMF分量包含了信號(hào)從高到低不同頻率段的成分，每個(gè)頻率段的頻率分辨率都隨信號(hào)本身變化，具有自適應(yīng)多分辨分析特性[5-6]。并對(duì)各個(gè)IMF求頻譜，如圖4所示，由于IMF1、IMF2、IMF7和IMF8幅頻特性非常相近，在此不列出。由圖5可知會(huì)車(chē)與明線橫向振動(dòng)的分量IMF5的幅頻特性差別非常大，而其他分量區(qū)別不明顯。

其次，對(duì)明線會(huì)車(chē)時(shí)的振動(dòng)與氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解，再對(duì)EMD分解的各IMF分量做Pearson相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)。0.2～0.4為弱相關(guān)，0.4～0.6為中等強(qiáng)度相關(guān)，0.6～0.8為強(qiáng)相關(guān)，0.8～1為極強(qiáng)相關(guān)[7-8]。以此來(lái)作為提取的第2個(gè)依據(jù)。其結(jié)果較多，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

圖4 明線與明線會(huì)車(chē)振動(dòng)IMF頻譜對(duì)比

圖5 IMF5分量頻譜對(duì)比圖

表1 會(huì)車(chē)氣壓與振動(dòng)IMF相關(guān)性表

EMD的重構(gòu)是由于EMD方法具有完備性，即分解后的各個(gè)分量相加就能獲得原始信號(hào)的性質(zhì)[5-6]。

根據(jù)以上兩個(gè)依據(jù)選出明線與會(huì)車(chē)工況有明顯區(qū)別的振動(dòng)加速度分量IMF5，以及橫向振動(dòng)分量中與氣壓分量相關(guān)系數(shù)＞0.4的對(duì)應(yīng)分量IMF6、IMF7 與R8重構(gòu)數(shù)據(jù)，并認(rèn)為重構(gòu)后數(shù)據(jù)即為氣動(dòng)載荷引起的振動(dòng)特性，其時(shí)頻域特性如圖6所示。氣動(dòng)載荷引起的振動(dòng)特性在時(shí)域上與氣壓變化變化規(guī)律大致相同，幅值范圍為-0.48～0.68m/s2；頻率主要集中在低頻段0.3～10 Hz內(nèi)，在2，3.7 Hz幅值較大。

利用此方法提取的氣動(dòng)載荷下的橫向振動(dòng)特性對(duì)比西南交通大學(xué)的李雪冰等[9]通過(guò)建立CFD車(chē)體模型仿真明線會(huì)車(chē)壓力波作用下車(chē)體受到的橫向振動(dòng)特性非常接近，證明此種方法能提取較正確的氣動(dòng)振動(dòng)特征。

4 氣動(dòng)載荷對(duì)列車(chē)橫向平穩(wěn)性的影響

車(chē)體的橫向加速度是評(píng)價(jià)車(chē)輛橫向平穩(wěn)性中最重要的參數(shù)之一[9]。本文對(duì)明線會(huì)車(chē)時(shí)車(chē)體橫向振動(dòng)加速度提取出由氣動(dòng)載荷引起的橫向振動(dòng)，其提取后的余項(xiàng)即是由軌道不平順以及車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等引起的車(chē)體橫向振動(dòng)[10]。利用上文選出氣動(dòng)載荷引起的橫向振動(dòng)分量后剩余的IMF分量，包括IMF1、IMF2、IMF3與IMF4，進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，獲得動(dòng)車(chē)組在沒(méi)有氣動(dòng)載荷作用下運(yùn)行時(shí)的車(chē)體橫向振動(dòng)加速度。其時(shí)頻圖如圖7所示，由圖可看出動(dòng)車(chē)組在明線會(huì)車(chē)時(shí)不考慮氣動(dòng)載荷下的橫向振動(dòng)在時(shí)域上幅值范圍為-0.25～0.25m/s2，與明線運(yùn)行時(shí)車(chē)體橫向振動(dòng)波形相似；在頻域上主要集中在低頻段0～20 Hz內(nèi)，并在4，11.4，15 Hz處有較大幅值。

圖7 無(wú)氣動(dòng)載荷作用下橫向振動(dòng)時(shí)頻圖

圖8 有無(wú)氣動(dòng)載荷時(shí)橫向振動(dòng)對(duì)比圖

對(duì)比氣動(dòng)載荷引起的橫向振動(dòng)與無(wú)氣動(dòng)載荷時(shí)車(chē)體的橫向振動(dòng)，如圖8所示。可以看到在考慮明線會(huì)車(chē)的氣動(dòng)載荷影響時(shí)，動(dòng)車(chē)組的橫向振動(dòng)明顯增加，橫向加速度最大時(shí)增加近3倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文擬研究一種基于希爾伯特EMD分解方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，用來(lái)提取動(dòng)車(chē)組橫向振動(dòng)中氣動(dòng)載荷引起的振動(dòng)特征。提取到由氣動(dòng)載荷引起的動(dòng)車(chē)組橫向振動(dòng)以后，將考慮和不考慮氣動(dòng)載荷時(shí)的動(dòng)車(chē)組的橫向加速度進(jìn)行了對(duì)比分析,得出結(jié)論：在明線會(huì)車(chē)工況下，引起動(dòng)車(chē)組橫向振動(dòng)的主要因素是車(chē)體受到會(huì)車(chē)壓力波作用產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷；會(huì)車(chē)時(shí)氣動(dòng)載荷使動(dòng)車(chē)組的橫向平穩(wěn)性惡化變差。因此高速動(dòng)車(chē)組在會(huì)車(chē)時(shí)的氣動(dòng)振動(dòng)問(wèn)題應(yīng)成為科研人員設(shè)計(jì)車(chē)型、結(jié)構(gòu)等必須考察的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

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（編輯：劉楊）

Study on the feature extraction of train lateral vibration under aerodynamic loads based on EMD

SHAO Yunlong，CHEN Chunjun，HE Hongyang
（School of Mechanical Engineering of Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract:The lateral stability of high-speed EMUs whenpassing by each other on an open track would be affected badly at the intersection by track irregularity and aerodynamic loads.To find out the causes of vibration and analyze how the aerodynamic load affects EMU stability，the method namely empirical mode decomposition（EMD）is employed to analyze and obtain each intrinsic mode function（IMF）of vibration signals based on the experimental data-collected surface pressure and vibration data of a train. The correlativity of thedecomposed IMF is analyzed and the vibration signal is restructured with the correlation theory. The reconstructed signal is the transverse vibration of the train under the action of aerodynamic loads.The lateral stability of the train with and without aerodynamic loads is comparatively analyzed. The results indicate that the frequency of transverse vibration caused by aerodynamic loads when the trains pass each other on the open track is mainly within 0.3-10 Hz，and influence ratio of lateral acceleration and lateral stability is greatly increased if only track irregularity is considered. So，it can be seen that the main reasonof transverse vibration is aerodynamic load.

Keywords:EMU；transverse vibration；EMD decomposition；correlation coefficient

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）04-0098-04

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.04.021

收稿日期：2015-04-1；收到修改稿日期：2015-05-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375403）

作者簡(jiǎn)介：邵云龍（1989-），男，河北唐山市人，碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)閯?dòng)車(chē)組檢測(cè)。

通訊作者：陳春?。?967-），男，四川蒲江縣人，教授，博士，主要從事自動(dòng)控制、高速列車(chē)氣動(dòng)性能測(cè)試、振動(dòng)控制等研究。