基于EMD的氣動載荷作用下動車組橫向振動提取研究

邵云龍,陳春俊,何洪陽（西南交通大學機械工程學院，四川　成都610031）

?

基于EMD的氣動載荷作用下動車組橫向振動提取研究

邵云龍,陳春俊,何洪陽
（西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

摘要：為研究高速動車明線會車時引起其橫向振動的主要原因以及分析氣動載荷對于動車組運行穩定性的影響，以線路實驗采集的車體表面壓力與列車振動數據為基礎，利用EMD分解得到振動信號的各個本征模（IMF）分量；對分解后的IMF分量進行相關性分析，利用相關性原理來重構振動信號。重構信號即為氣動載荷作用下的動車組橫向振動。對比分析動車組在有氣動載荷與無氣動載荷下的橫向穩定性。結果表明：明線會車時氣動載荷引起的橫向振動頻率主要集中在低頻段0.3～10 Hz內，動車組橫向振動加速度及橫向平穩性的影響比只考慮軌道不平順時要明顯增大，明線會車時氣動載荷是引起列車橫向振動的主要原因。

關鍵詞：動車組；橫向振動；EMD分解；相關性系數

0 引　言

動車組在高速運行時，由于軌道不平順和氣動載荷的影響，車體振動加劇。此類動力學問題一直是動車組外型、結構設計的一個重要研究方向，科研人員對于列車-軌道系統以及車體結構問題通過建模仿真的方法做了大量的研究，但對于由氣動載荷引起的列車振動的問題研究較少。當動車組明線會車時，車體受到的氣動力和力矩急劇增大，容易造成輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力變大，對其安全運行造成很大影響[1]。目前對于動車組空氣動力學問題的研究重點為車體受到的氣動力，在有外界環境風的條件下動車組會車時列車氣動性能和運行安全的影響。董亞男[2]通過流體力學軟件CFD建模的方法研究兩列動車組交會時車體受到的側向力、側傾力矩、側偏力等，以探究車速、側風、路況等因素的改變對列車會車時橫向穩定性產生的影響。Aeho Hwang等[3]對于動車組會車時車體的氣壓、氣動載荷和振動等進行了分析。

利用CFD以及UM、ADAMS、SIMPACK等仿真軟件單獨或聯合仿真分析車體振動特性具有很大的局限性：仿真模型的計算會忽略掉其他耦合關系的影響，與實際結果有偏差；仿真模型的計算量巨大，耗時較長；多體動力學軟件計算振動時將車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驗數據提取氣動載荷下振動特性的方法，以此來探究動車組在明線會車時引起車體振動的主要原因，并分析會車時氣動載荷對列車運行平穩性的影響。

1 實驗數據的采集

整個測試系統由壓力傳感器、加速度傳感器、信號調理器、多芯屏蔽信號線、IMC數據采集器、便攜式電腦和GPS等部分組成，各傳感器將測得的壓力信息記錄在計算機中進行處理。由于在采集實驗數據時整個測試系統以220 V/50 Hz供電，由此導致測量值在50 Hz及倍數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。線路實驗即利用上述數據采集系統跟蹤監測記錄某型高速動車組在明線運行，明線會車等工況下車體表面壓力變化幅值和車體振動數據。

2 明線會車工況的實驗數據分析

高速行駛的動車組周圍的流場受到強烈擾動，當兩車明線會車時，這一擾動將會加劇，尤其是開始與結束會車時刻，造成動車組會車側的空氣壓力發生突變，形成瞬間的壓力沖擊。由于列車交會瞬間空氣壓力波引起車體的振動響應，尤其是橫向振動變化較為明顯。

動車組在線路上明線會車時，其橫向振動加速度的時域和頻域如圖1所示，由圖可知加速度在0～20 Hz頻段內有峰值突起；氣壓的時域、頻域如圖2所示，頻譜圖中幅值大的頻率小于50 Hz。根據會車壓力波的頻率特征并考慮減小計算誤差，本文確定氣動載荷引起的振動頻率范圍分布在0.735～50 Hz之間。

圖1 會車橫向振動加速度時頻圖

圖2 會車氣壓時頻圖

設計一個通帶截止頻率0.735Hz，阻帶截止頻率50 Hz，邊帶區衰減0.1dB，截止區衰減30dB的2階切比雪夫濾波器帶通濾波器，并利用濾波器對明線和會車工況的橫向振動數據進行濾波處理，其時頻譜圖對比如圖3所示。高速動車組在線路上運行時，車體受到的橫向振動主要是由軌道不平順和氣動載荷作用引起的，由圖可初步觀察出：動車組在明線上運行時，列車橫向振動主要由軌道不平順引起；會車時橫向振動在時域上與明線運行時非常相近，僅在會車時的頭波、尾波處有較明顯的區別；在明線與會車橫向振動的頻域對比中，低頻段有明顯區別，而高頻部分幅值相當，會車時的振動頻譜有較多的大幅值低頻分量。

圖3 濾波處理后明線與會車振動對比

3 氣動載荷引起的橫向振動提取

首先對濾波后的明線與明線會車兩種工況下的橫向振動進行EMD分解[4]，對比兩種工況下振動的各個分量，作為氣動振動提取的依據之一。EMD分解出來的IMF分量包含了信號從高到低不同頻率段的成分，每個頻率段的頻率分辨率都隨信號本身變化，具有自適應多分辨分析特性[5-6]。并對各個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可知會車與明線橫向振動的分量IMF5的幅頻特性差別非常大，而其他分量區別不明顯。

其次，對明線會車時的振動與氣壓數據進行EMD分解，再對EMD分解的各IMF分量做Pearson相關性分析，相關系數絕對值越大，相關性越強。0.2～0.4為弱相關，0.4～0.6為中等強度相關，0.6～0.8為強相關，0.8～1為極強相關[7-8]。以此來作為提取的第2個依據。其結果較多，部分數據如表1所示。

圖4 明線與明線會車振動IMF頻譜對比

圖5 IMF5分量頻譜對比圖

表1 會車氣壓與振動IMF相關性表

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

根據以上兩個依據選出明線與會車工況有明顯區別的振動加速度分量IMF5，以及橫向振動分量中與氣壓分量相關系數＞0.4的對應分量IMF6、IMF7 與R8重構數據，并認為重構后數據即為氣動載荷引起的振動特性，其時頻域特性如圖6所示。氣動載荷引起的振動特性在時域上與氣壓變化變化規律大致相同，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，在2，3.7 Hz幅值較大。

利用此方法提取的氣動載荷下的橫向振動特性對比西南交通大學的李雪冰等[9]通過建立CFD車體模型仿真明線會車壓力波作用下車體受到的橫向振動特性非常接近，證明此種方法能提取較正確的氣動振動特征。

4 氣動載荷對列車橫向平穩性的影響

車體的橫向加速度是評價車輛橫向平穩性中最重要的參數之一[9]。本文對明線會車時車體橫向振動加速度提取出由氣動載荷引起的橫向振動，其提取后的余項即是由軌道不平順以及車輛自身結構特點等引起的車體橫向振動[10]。利用上文選出氣動載荷引起的橫向振動分量后剩余的IMF分量，包括IMF1、IMF2、IMF3與IMF4，進行數據重構，獲得動車組在沒有氣動載荷作用下運行時的車體橫向振動加速度。其時頻圖如圖7所示，由圖可看出動車組在明線會車時不考慮氣動載荷下的橫向振動在時域上幅值范圍為-0.25～0.25m/s2，與明線運行時車體橫向振動波形相似；在頻域上主要集中在低頻段0～20 Hz內，并在4，11.4，15 Hz處有較大幅值。

圖7 無氣動載荷作用下橫向振動時頻圖

圖8 有無氣動載荷時橫向振動對比圖

對比氣動載荷引起的橫向振動與無氣動載荷時車體的橫向振動，如圖8所示。可以看到在考慮明線會車的氣動載荷影響時，動車組的橫向振動明顯增加，橫向加速度最大時增加近3倍。

5 結束語

本文擬研究一種基于希爾伯特EMD分解方法的實驗數據處理方法，用來提取動車組橫向振動中氣動載荷引起的振動特征。提取到由氣動載荷引起的動車組橫向振動以后，將考慮和不考慮氣動載荷時的動車組的橫向加速度進行了對比分析,得出結論：在明線會車工況下，引起動車組橫向振動的主要因素是車體受到會車壓力波作用產生的氣動載荷；會車時氣動載荷使動車組的橫向平穩性惡化變差。因此高速動車組在會車時的氣動振動問題應成為科研人員設計車型、結構等必須考察的重點問題之一。

參考文獻

[1]魯滔.新型快速行郵車動力學性能分析[D].成都：西南交通大學，2012.

[2]董亞男.高速列車在側風環境中會車的空氣動力特性模擬研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[3] HWANG J，LEE D. Numerical simuation of flowfield around high speed trains passing by each other[J]. Jsme International Journal Serb Fluids & Thermal Engineering，1999，44（3）：451-464.

[4]方松，曾京.高速鐵路客車振動特性時頻分析[J].中國測試，2013（1）：88-92.

[5] HUANG N E，SHEN Z. The empirical mode decomposition and Hilbert specttrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J]. Proceedings of the Royal Society of London，Series A，1998（454）：903-995.

[6] WU Z H，HUANG N E. Ensemble empirical mode decompsition:a noise-assisted data analysis method [J]. Advances in Adaptive Data Analysis，2011，1（1）：1-41.

[7]孫新建，李成業.巖石爆破震動信號分析的EEMD濾波方法研究[J].水利水電技術，2013（1）：101-104.

[8]董新峰，張為民，姜源.基于EMD復雜度與鑒別信息的磨削顫振預測[J].振動、測試與診斷，2012（4）：602-607.

[9]李雪冰，候傳倫，張曙光，等.高速列車交會時的風致振動研究[J].振動與沖擊，2009（7）：81-84.

[10]李再幃，練松良，周俊磊.基于改進EMD方法的軌道不平順時頻分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2012（5）：702-706.

（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

文獻標志碼：A

文章編號：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

基金項目：國家自然科學基金項目（51375403）

作者簡介：邵云龍（1989-），男，河北唐山市人，碩士研究生，專業方向為動車組檢測。

通訊作者：陳春俊（1967-），男，四川蒲江縣人，教授，博士，主要從事自動控制、高速列車氣動性能測試、振動控制等研究。