基于EMD的气动载荷作用下动车组横向振动提取研究

邵云龙,陈春俊,何洪阳（西南交通大学机械工程学院，四川　成都610031）



基于EMD的气动载荷作用下动车组横向振动提取研究

邵云龙,陈春俊,何洪阳
（西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

摘要：为研究高速动车明线会车时引起其横向振动的主要原因以及分析气动载荷对于动车组运行稳定性的影响，以线路实验采集的车体表面压力与列车振动数据为基础，利用EMD分解得到振动信号的各个本征模（IMF）分量；对分解后的IMF分量进行相关性分析，利用相关性原理来重构振动信号。重构信号即为气动载荷作用下的动车组横向振动。对比分析动车组在有气动载荷与无气动载荷下的横向稳定性。结果表明：明线会车时气动载荷引起的横向振动频率主要集中在低频段0.3～10 Hz内，动车组横向振动加速度及横向平稳性的影响比只考虑轨道不平顺时要明显增大，明线会车时气动载荷是引起列车横向振动的主要原因。

关键词：动车组；横向振动；EMD分解；相关性系数

0 引　言

动车组在高速运行时，由于轨道不平顺和气动载荷的影响，车体振动加剧。此类动力学问题一直是动车组外型、结构设计的一个重要研究方向，科研人员对于列车-轨道系统以及车体结构问题通过建模仿真的方法做了大量的研究，但对于由气动载荷引起的列车振动的问题研究较少。当动车组明线会车时，车体受到的气动力和力矩急剧增大，容易造成轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力变大，对其安全运行造成很大影响[1]。目前对于动车组空气动力学问题的研究重点为车体受到的气动力，在有外界环境风的条件下动车组会车时列车气动性能和运行安全的影响。董亚男[2]通过流体力学软件CFD建模的方法研究两列动车组交会时车体受到的侧向力、侧倾力矩、侧偏力等，以探究车速、侧风、路况等因素的改变对列车会车时横向稳定性产生的影响。Aeho Hwang等[3]对于动车组会车时车体的气压、气动载荷和振动等进行了分析。

利用CFD以及UM、ADAMS、SIMPACK等仿真软件单独或联合仿真分析车体振动特性具有很大的局限性：仿真模型的计算会忽略掉其他耦合关系的影响，与实际结果有偏差；仿真模型的计算量巨大，耗时较长；多体动力学软件计算振动时将车体视为刚体或半弹性体；考虑其弹性形变与安装工艺等引入的误差。因此，本文提出一种基于实验数据提取气动载荷下振动特性的方法，以此来探究动车组在明线会车时引起车体振动的主要原因，并分析会车时气动载荷对列车运行平稳性的影响。

1 实验数据的采集

整个测试系统由压力传感器、加速度传感器、信号调理器、多芯屏蔽信号线、IMC数据采集器、便携式电脑和GPS等部分组成，各传感器将测得的压力信息记录在计算机中进行处理。由于在采集实验数据时整个测试系统以220 V/50 Hz供电，由此导致测量值在50 Hz及倍数频率处存在工频干扰。在频域中，利用有一定阻带宽度的陷波滤波器组，消除工频干扰的基波和谐波成分。线路实验即利用上述数据采集系统跟踪监测记录某型高速动车组在明线运行，明线会车等工况下车体表面压力变化幅值和车体振动数据。

2 明线会车工况的实验数据分析

高速行驶的动车组周围的流场受到强烈扰动，当两车明线会车时，这一扰动将会加剧，尤其是开始与结束会车时刻，造成动车组会车侧的空气压力发生突变，形成瞬间的压力冲击。由于列车交会瞬间空气压力波引起车体的振动响应，尤其是横向振动变化较为明显。

动车组在线路上明线会车时，其横向振动加速度的时域和频域如图1所示，由图可知加速度在0～20 Hz频段内有峰值突起；气压的时域、频域如图2所示，频谱图中幅值大的频率小于50 Hz。根据会车压力波的频率特征并考虑减小计算误差，本文确定气动载荷引起的振动频率范围分布在0.735～50 Hz之间。

图1 会车横向振动加速度时频图

图2 会车气压时频图

设计一个通带截止频率0.735Hz，阻带截止频率50 Hz，边带区衰减0.1dB，截止区衰减30dB的2阶切比雪夫滤波器带通滤波器，并利用滤波器对明线和会车工况的横向振动数据进行滤波处理，其时频谱图对比如图3所示。高速动车组在线路上运行时，车体受到的横向振动主要是由轨道不平顺和气动载荷作用引起的，由图可初步观察出：动车组在明线上运行时，列车横向振动主要由轨道不平顺引起；会车时横向振动在时域上与明线运行时非常相近，仅在会车时的头波、尾波处有较明显的区别；在明线与会车横向振动的频域对比中，低频段有明显区别，而高频部分幅值相当，会车时的振动频谱有较多的大幅值低频分量。

图3 滤波处理后明线与会车振动对比

3 气动载荷引起的横向振动提取

首先对滤波后的明线与明线会车两种工况下的横向振动进行EMD分解[4]，对比两种工况下振动的各个分量，作为气动振动提取的依据之一。EMD分解出来的IMF分量包含了信号从高到低不同频率段的成分，每个频率段的频率分辨率都随信号本身变化，具有自适应多分辨分析特性[5-6]。并对各个IMF求频谱，如图4所示，由于IMF1、IMF2、IMF7和IMF8幅频特性非常相近，在此不列出。由图5可知会车与明线横向振动的分量IMF5的幅频特性差别非常大，而其他分量区别不明显。

其次，对明线会车时的振动与气压数据进行EMD分解，再对EMD分解的各IMF分量做Pearson相关性分析，相关系数绝对值越大，相关性越强。0.2～0.4为弱相关，0.4～0.6为中等强度相关，0.6～0.8为强相关，0.8～1为极强相关[7-8]。以此来作为提取的第2个依据。其结果较多，部分数据如表1所示。

图4 明线与明线会车振动IMF频谱对比

图5 IMF5分量频谱对比图

表1 会车气压与振动IMF相关性表

EMD的重构是由于EMD方法具有完备性，即分解后的各个分量相加就能获得原始信号的性质[5-6]。

根据以上两个依据选出明线与会车工况有明显区别的振动加速度分量IMF5，以及横向振动分量中与气压分量相关系数＞0.4的对应分量IMF6、IMF7 与R8重构数据，并认为重构后数据即为气动载荷引起的振动特性，其时频域特性如图6所示。气动载荷引起的振动特性在时域上与气压变化变化规律大致相同，幅值范围为-0.48～0.68m/s2；频率主要集中在低频段0.3～10 Hz内，在2，3.7 Hz幅值较大。

利用此方法提取的气动载荷下的横向振动特性对比西南交通大学的李雪冰等[9]通过建立CFD车体模型仿真明线会车压力波作用下车体受到的横向振动特性非常接近，证明此种方法能提取较正确的气动振动特征。

4 气动载荷对列车横向平稳性的影响

车体的横向加速度是评价车辆横向平稳性中最重要的参数之一[9]。本文对明线会车时车体横向振动加速度提取出由气动载荷引起的横向振动，其提取后的余项即是由轨道不平顺以及车辆自身结构特点等引起的车体横向振动[10]。利用上文选出气动载荷引起的横向振动分量后剩余的IMF分量，包括IMF1、IMF2、IMF3与IMF4，进行数据重构，获得动车组在没有气动载荷作用下运行时的车体横向振动加速度。其时频图如图7所示，由图可看出动车组在明线会车时不考虑气动载荷下的横向振动在时域上幅值范围为-0.25～0.25m/s2，与明线运行时车体横向振动波形相似；在频域上主要集中在低频段0～20 Hz内，并在4，11.4，15 Hz处有较大幅值。

图7 无气动载荷作用下横向振动时频图

图8 有无气动载荷时横向振动对比图

对比气动载荷引起的横向振动与无气动载荷时车体的横向振动，如图8所示。可以看到在考虑明线会车的气动载荷影响时，动车组的横向振动明显增加，横向加速度最大时增加近3倍。

5 结束语

本文拟研究一种基于希尔伯特EMD分解方法的实验数据处理方法，用来提取动车组横向振动中气动载荷引起的振动特征。提取到由气动载荷引起的动车组横向振动以后，将考虑和不考虑气动载荷时的动车组的横向加速度进行了对比分析,得出结论：在明线会车工况下，引起动车组横向振动的主要因素是车体受到会车压力波作用产生的气动载荷；会车时气动载荷使动车组的横向平稳性恶化变差。因此高速动车组在会车时的气动振动问题应成为科研人员设计车型、结构等必须考察的重点问题之一。

参考文献

[1]鲁滔.新型快速行邮车动力学性能分析[D].成都：西南交通大学，2012.

[2]董亚男.高速列车在侧风环境中会车的空气动力特性模拟研究[D].北京：北京交通大学，2008.

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（编辑：刘杨）

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

文献标志码：A

文章编号：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

基金项目：国家自然科学基金项目（51375403）

作者简介：邵云龙（1989-），男，河北唐山市人，硕士研究生，专业方向为动车组检测。

通讯作者：陈春俊（1967-），男，四川蒲江县人，教授，博士，主要从事自动控制、高速列车气动性能测试、振动控制等研究。