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    基于耦合度的鐵道車輛平穩(wěn)性分析

    2018-02-08 05:21:22陳迪來(lái)宗聰聰
    關(guān)鍵詞:蛇行平穩(wěn)性耦合度

    陳迪來(lái), 沈 鋼, 宗聰聰

    (同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院, 上海 201804)

    運(yùn)行在軌道上的鐵道車輛除了受線路不平順激勵(lì)而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)以外,還由于車輛-軌道系統(tǒng)內(nèi)部自身激勵(lì)而產(chǎn)生自激振動(dòng)(以輪對(duì)為特征的振動(dòng)叫輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)).輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)在某些特殊工況下,還會(huì)導(dǎo)致車體或者構(gòu)架的劇烈振動(dòng)[1].輪軌激擾通過(guò)輪對(duì)傳到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架,再由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架傳到車體,造成車體劇烈振動(dòng),嚴(yán)重影響旅客乘坐舒適度.當(dāng)轉(zhuǎn)向蛇行運(yùn)動(dòng)頻率與車體某些固有頻率相接近時(shí),極易引起車體的振動(dòng)加劇.這種近似共振的頻率激擾,容易使車體和轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)發(fā)生耦合,使車體振動(dòng)的幅值擴(kuò)大.如果這種振動(dòng)長(zhǎng)期得不到抑制,就會(huì)造成晃車現(xiàn)象[2].

    車體晃動(dòng)時(shí),由于橫向晃動(dòng)頻率比較接近人體的敏感區(qū)域,從而嚴(yán)重惡化了旅客乘坐的舒適性.周勁松[3]、張洪等[4-5]基于模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法,對(duì)某客車橫向異?,F(xiàn)象進(jìn)行了分析.Dumitriu[6]分析了橫向懸掛參數(shù)對(duì)鐵道車輛乘坐舒適性的影響.Suarez等[7]研究了車輛不同的懸掛參數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響的靈敏性.池茂儒等[8]研究了轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)鐵道車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響.黃彩虹等[9]使用數(shù)值方法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了某高速列車車體低頻蛇行運(yùn)動(dòng)問(wèn)題.Iwnicki[10]對(duì)車體蛇行和轉(zhuǎn)向架蛇行之間的區(qū)別進(jìn)行分析,根據(jù)線性模型和非線性模型對(duì)車體的蛇行穩(wěn)定性進(jìn)行了分析.樸明偉等[11]建立了剛?cè)狁詈夏P?,分析了抗蛇行高頻阻抗對(duì)柔性車體底板橫向振動(dòng)的影響規(guī)律.何旭升等[12]對(duì)運(yùn)營(yíng)中的高速動(dòng)車組進(jìn)行振動(dòng)在線測(cè)試,發(fā)現(xiàn)車體出現(xiàn)晃動(dòng)時(shí)平穩(wěn)性指標(biāo)明顯大于2.5,晃動(dòng)主頻為1.5 Hz左右,主要表現(xiàn)為車體側(cè)滾和搖頭的耦合振型.

    對(duì)于轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)與車輛橫向平穩(wěn)性之間的耦合振動(dòng)的研究相對(duì)較少,本文首先利用Simpack建立了某型地鐵車的非線性模型,仿真再現(xiàn)了車體橫向平穩(wěn)性局部惡化現(xiàn)象;再根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的歐式貼近度識(shí)別不同速度工況下車輛系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),分析車輛橫向平穩(wěn)性局部惡化的原因.在此基礎(chǔ)上,提出了鐵道車輛系統(tǒng)所有模態(tài)間的耦合度這個(gè)概念,利用耦合度判斷轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)與車體橫向振動(dòng)的耦合程度,并據(jù)此來(lái)優(yōu)選懸掛參數(shù),提高車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性.

    1 地鐵車車體橫向晃動(dòng)現(xiàn)象的模擬

    1.1 車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

    某型地鐵在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中,在某些速度范圍內(nèi),車體出現(xiàn)橫向晃動(dòng)現(xiàn)象.根據(jù)某型地鐵車的參數(shù),如表1所示,利用Simpack軟件建立了動(dòng)力學(xué)仿真模型.模型簡(jiǎn)化成車體、構(gòu)架、輪對(duì)等構(gòu)成的多剛體系統(tǒng),各部件之間通過(guò)彈簧、阻尼等元件組成[13].

    表1 車輛的部分參數(shù)

    1.2 非線性臨界速度計(jì)算

    車輛的非線性臨界速度是車輛在線路上運(yùn)行允許的最高速度,當(dāng)車輛運(yùn)行的速度超過(guò)臨界速度時(shí),會(huì)產(chǎn)生一種不穩(wěn)定的蛇形運(yùn)動(dòng),他們的振幅隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷地?cái)U(kuò)大,使輪對(duì)左右搖擺直到輪緣撞擊鋼軌,甚至引起脫軌.

    仿真條件:給車輛的第一位輪對(duì)8 mm的橫移量為初始條件,然后計(jì)算在光滑直線上第一位輪對(duì)橫移量的收斂情況,如圖1所示.

    從圖1中可以看出,此車輛模型在速度為215 km·h-1時(shí),一位輪對(duì)的橫移量能完全收斂,但是在速度為216 km·h-1時(shí),一位輪對(duì)的橫移量不能收斂,輪對(duì)橫移的振動(dòng)變?yōu)椴环€(wěn)定的狀態(tài).即車輛的非線性臨界速度為215 km·h-1,高于設(shè)計(jì)的最高速度100 km·h-1.

    圖1 一位輪對(duì)橫向位移

    1.3 橫向晃動(dòng)現(xiàn)象的模擬

    借助1.1節(jié)車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型,對(duì)車輛的平穩(wěn)性進(jìn)行了仿真分析,仿真工況為:車輛運(yùn)行的速度為5~120 km·h-1(每個(gè)5 km·h-1為一個(gè)速度等級(jí)),軌道不平順采用美國(guó)5級(jí)線路不平順.

    圖2a是車輛垂向平穩(wěn)性隨車輛運(yùn)行速度的變化規(guī)律,從圖中可知,車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著運(yùn)行速度的增加而單調(diào)增加,并且在速度為120 km·h-1以下時(shí),垂向平穩(wěn)性的指標(biāo)均小于2.75,評(píng)定等級(jí)[1]為良.

    圖2b是車輛橫向平穩(wěn)性隨車輛運(yùn)行速度的變化關(guān)系,從圖中可知,車輛橫向平穩(wěn)性與速度的變化關(guān)系并不是呈線性關(guān)系.對(duì)于車體中部而言,在速度為50 km·h-1時(shí),橫向平穩(wěn)性出現(xiàn)了一個(gè)局部峰值;對(duì)于車體后端而言,在速度為45 km·h-1時(shí),橫向平穩(wěn)性出現(xiàn)了一個(gè)局部峰值.此時(shí)車輛的橫向平穩(wěn)性有所惡化,說(shuō)明車輛橫向出現(xiàn)了異?;蝿?dòng)現(xiàn)象,這與該地鐵車輛在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的現(xiàn)象相同.

    2 耦合度

    2.1 模糊貼近度

    模糊貼近度是描述兩個(gè)模糊集合之間的接近程度,即兩個(gè)模糊集合的相似程度.在模糊模式識(shí)別中,常采用貼近度識(shí)別模糊子集的模式類別.貼近度越接近1,說(shuō)明這兩個(gè)模糊子集越相似,貼近度越接近0,說(shuō)明兩個(gè)模糊子集的差異越大[14-15].

    (1)

    式中:Nxy為歐式貼近度,n為向量的維數(shù);子集x=

    a 垂向平穩(wěn)性

    b 橫向平穩(wěn)性

    [x1,x2,…,xn];子集y=[y1,y2,…,yn];xi≥0;yi≥0;i=1,2,…,n.首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理(歸一化處理),即:

    (2)

    式中:i=1,2,…,n;a=maxx;b=maxy;Nxy∈[0,1].

    2.2 模態(tài)追蹤

    假設(shè)某鐵道車輛系統(tǒng)有n個(gè)自由度,車輛運(yùn)行的速度為v,忽略軌道不平順,建立車輛模型的線性化方程[1],如下所示:

    (3)

    式中:Μ,C,K分別為車輛系統(tǒng)質(zhì)量,阻尼和剛度矩陣;Cwr,Kwr為與輪軌接觸參數(shù)有關(guān)的矩陣;q為廣義位移向量.

    (4)

    求解特征矩陣A的特征值λ和特征向量X,去掉特征值虛部為零的數(shù)據(jù),記為

    (5)

    對(duì)特征向量的幅值Yi和相位角ψi進(jìn)行歸一化,這樣就可以得到參數(shù)V1條件下歸一化的各個(gè)振型的特征向量,如表2所示.

    表2 參數(shù)V1條件下的特征向量

    根據(jù)2.2節(jié)原理,同樣可以得到參數(shù)V2條件下歸一化的各個(gè)振型的特征向量.

    根據(jù)模糊貼近度,計(jì)算不同參數(shù)條件下的特征向量的相似程度[16].

    (6)

    (7)

    Nij=ωNYij+(1-ω)Nψij

    (8)

    式中:NYij為不同參數(shù)條件下模態(tài)振幅的貼近度;Nψij為不同參數(shù)條件下模態(tài)相位角的貼近度;α,β分別為振幅和相位角的權(quán)重;Nij為模態(tài)綜合貼近度;ω為振幅在綜合貼近度中所占的比例.第j列中的N·j的第k個(gè)數(shù)值最大,就說(shuō)明:參數(shù)V1的第k個(gè)振型與參數(shù)V2的第j個(gè)振型最相似.按照上述原理,依次計(jì)算不同參數(shù)條件下的特征向量,然后利用歐式貼近度,進(jìn)行識(shí)別哪兩個(gè)模態(tài)最接近,把最接近的模態(tài)放在一起,這樣就實(shí)現(xiàn)了模態(tài)的追蹤.

    2.3 耦合度

    耦合度是模塊間的關(guān)聯(lián)程度的度量,是用來(lái)描述多個(gè)系統(tǒng)或者運(yùn)行形式相互彼此作用影響的程度[17].因此,在模糊貼近度的基礎(chǔ)上,提出了鐵道車輛系統(tǒng)所有模態(tài)之間的耦合度:

    (9)

    式中:D為耦合度,Nij為第i個(gè)模態(tài)和第j個(gè)模態(tài)之間的貼近度,ωij為權(quán)重系數(shù)(在設(shè)計(jì)權(quán)重系數(shù)的時(shí)候,應(yīng)考慮車輛系統(tǒng)中,垂向和橫向?yàn)槿躐詈蟍18]).

    3 車體橫向晃動(dòng)分析

    3.1 模態(tài)計(jì)算

    從圖2中可以看出,車輛在40~60 km·h-1速度區(qū)間內(nèi),車輛的橫向平穩(wěn)性有所惡化.為進(jìn)一步分析車輛橫向平穩(wěn)性惡化的原因,建立了23自由度的車輛線性化模型,根據(jù)貼近度原則,計(jì)算車輛所有剛體模態(tài)的頻率和阻尼比與速度的關(guān)系.

    從圖3中可以看出,轉(zhuǎn)向架蛇行頻率隨著速度的增加而增大,這與理論分析結(jié)果相同,說(shuō)明利用模糊數(shù)學(xué)的歐式貼近度原則,能有效追蹤剛體模態(tài).車體固有模態(tài)的頻率與速度無(wú)關(guān).速度區(qū)間為40~60 km·h-1時(shí),轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)的頻率與車體上心滾擺和搖頭的頻率相接近,并且車體上心滾擺的阻尼比急劇下降,最低下降到了10%,車體搖頭的阻尼比也急劇下降,最低下降到了14%,阻尼比越小,消能越慢.結(jié)合橫向平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果,說(shuō)明此時(shí)由于轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率和車體橫向固有頻率相接近而發(fā)生共振,惡化了局部橫向平穩(wěn)性指標(biāo).

    a 頻率

    b 阻尼比

    為了分析在頻率接近區(qū)域內(nèi)各個(gè)剛體模態(tài)的振型形式,將車輛系統(tǒng)的23個(gè)自由度均勻分布在羅盤圖上.圖4為速度為50 km·h-1時(shí),車體上心滾擺的矢量圖,圖4a為上心滾擺振型的各個(gè)自由度幅值相對(duì)大小,圖4b為各個(gè)自由度的相對(duì)相位.圖5為速度為50 km·h-1時(shí),轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)(同相)的矢量圖.對(duì)比圖4和圖5可以看出,在速度為50 km·h-1時(shí),車體上心滾擺和轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)(同相)的振動(dòng)圖極為相似,此時(shí)他們的歐式貼近度為0.998,說(shuō)明前后轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)(同相)引起的車體上心滾擺與車體固有的上心滾擺振動(dòng)形式相同,說(shuō)明此時(shí)發(fā)生了共振現(xiàn)象.同理研究發(fā)現(xiàn),在運(yùn)行速度50 km·h-1時(shí),車體搖頭和轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)(反相)歐式貼近為0.989,這也說(shuō)明在該速度區(qū)域,前后轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)(反相)引起的車體搖頭振動(dòng)與車體固有的搖頭振動(dòng)發(fā)生共振.

    a 振幅

    b 相位角

    3.2 耦合度分析

    圖6為該車輛模型各個(gè)模態(tài)之間的耦合度隨速度變化情況,耦合度的數(shù)值越大,說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模態(tài)相互影響的程度就越大,發(fā)生共振的可能也就越大.從圖中可以看出,速度區(qū)間為40~60 km·h-1時(shí),車輛系統(tǒng)的耦合度很大,這與橫向平穩(wěn)性惡化的速度區(qū)間相同,說(shuō)明利用耦合度能反映橫向平穩(wěn)性局部惡化的情況.

    a 振幅

    b 相位角

    圖6 耦合度變化情況

    4 參數(shù)優(yōu)化

    傳統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方法是不斷改變懸掛參數(shù)的數(shù)

    值,觀察車輛系統(tǒng)振動(dòng)情況,然后優(yōu)選懸掛參數(shù).但是對(duì)于車體異?;蝿?dòng)問(wèn)題,也很難確定一個(gè)觀察目標(biāo).但是依據(jù)本文的耦合度為優(yōu)化目標(biāo),可以方便快捷地優(yōu)選懸掛參數(shù),為解決車體異常問(wèn)題提供了可行的研究方法.

    取消牽引桿的橫向剛度,將抗側(cè)滾扭桿剛度減小到0.5 MN·rad-1,將二系垂向減振器的阻尼增大至70 kN·s·m-1,二系橫向減振器的阻尼增大到50 kN·s·m-1,其余參數(shù)不變.

    圖7為優(yōu)化后車輛的平穩(wěn)性隨速度的變化情況.從圖中可以看出,優(yōu)化后,車輛的垂向平穩(wěn)性基本不變,這也說(shuō)明轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛垂向平穩(wěn)性基本沒(méi)有影響.但是優(yōu)化之后的車輛橫向平穩(wěn)性沒(méi)有出現(xiàn)局部峰值,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著速度的增加而單調(diào)增大.

    圖8為優(yōu)化懸掛后,車輛系統(tǒng)幾種主要模態(tài)隨速度變化規(guī)律.從圖中可以看出,在某速度下,雖然轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)的頻率與車體的上心滾擺和車體搖頭頻率相接近,但是轉(zhuǎn)向蛇行運(yùn)動(dòng)的頻率快速穿過(guò)車體的固有模態(tài)的頻率,沒(méi)有發(fā)生相互影響的情況,并且各自的阻尼比均沒(méi)有出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象.

    a 垂向平穩(wěn)性

    b 橫向平穩(wěn)性

    a 頻率

    b 阻尼比

    圖9為優(yōu)化后車輛系統(tǒng)的耦合度情況,從圖中可以看出,優(yōu)化前系統(tǒng)的最大耦合度為47,優(yōu)化之后,系統(tǒng)的最大耦合度為38,下降了23.68%.

    圖9 耦合度變化情況(優(yōu)化后)

    5 結(jié)論

    (1) 基于模糊數(shù)學(xué)的歐式貼近度,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多自由度車輛系統(tǒng)的各剛體模態(tài)的自動(dòng)識(shí)別和追蹤,為分析各剛體模態(tài)頻率和阻尼比隨參數(shù)變化提供了有效的分析方法.結(jié)合車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)等分析方法,能夠更準(zhǔn)確地掌握鐵道車輛的動(dòng)力學(xué)特性.

    (2) 當(dāng)轉(zhuǎn)向架蛇行(同相)運(yùn)動(dòng)頻率與車體上心滾擺頻率相接近時(shí),這兩個(gè)模態(tài)的貼近度接近1,說(shuō)明這兩個(gè)模態(tài)的振型極為相似.由轉(zhuǎn)向架蛇行(同相)運(yùn)動(dòng)引起的車體上心滾擺與車體的固有上心滾擺發(fā)生耦合振動(dòng),這樣會(huì)惡化該速度段的橫向平穩(wěn)性.此時(shí)車體上心滾擺的阻尼比急劇下降,阻尼比下降到了10%.

    (3) 轉(zhuǎn)向架蛇行(反相)運(yùn)動(dòng)引起的車體搖頭與車體固有的搖頭發(fā)生耦合振動(dòng),也會(huì)惡化該速度段車輛的橫向平穩(wěn)性指標(biāo).如果轉(zhuǎn)向架蛇行(同相)運(yùn)動(dòng)頻率與車體固有上心滾擺頻率相接近的速度區(qū)間,與轉(zhuǎn)向架蛇行(反相)運(yùn)動(dòng)頻率與車體固有搖頭頻率相接近的速度區(qū)間相同時(shí),這樣會(huì)更進(jìn)一步惡化橫向平穩(wěn)性.

    (4) 車輛橫向平穩(wěn)性出現(xiàn)局部惡化時(shí),雖然平穩(wěn)性指標(biāo)沒(méi)有超過(guò)優(yōu)良評(píng)定等級(jí),但此時(shí)車輛系統(tǒng)的整體耦合度大,耦合度越大,發(fā)生共振的可能性就越大.以降低耦合度為優(yōu)化目標(biāo),能消除車體橫向平穩(wěn)性局部惡化問(wèn)題,減弱車體橫向耦合振動(dòng).

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