Research on lateral vibration coupling mechanism of high-speed train based on singular coefficients.pdf Введение При применении длинномерных высокоскоростных железнодорожных поездов опасность боковых связанных колебаний заключается в том, что они обладают склонностью к самовозбуждению. Например, высокодобротный боковой резонанс сцепки под транспортным средством вызывает структурную усталость в опорной системе фартука, создающей проблемы для безопасности. И если рыскание двигателя имеет особенности динамического поведения, то это приводит к проблеме безопасной работы ведущей колесной пары. В мировой практике технология применения скоростных железных дорог достигла высокого уровня, однако все еще существует много противоречивых моментов в их эксплуатации. С точки зрения развития высокоскоростных колесно-рельсовых технологий скоростная, высокоскоростная и сверхскоростная железные дороги [1-4] взаимно связаны, но в то же время технически различны, что породило следующие технологические инновации: 1) упругое ограничение позиционирования колесной пары, фокусированное на проблеме ее самоустойчивости; 2) жесткое ограничение позиционирования колесной пары, фокусированное на управлении неустойчивым змеевидным движением (вилянием) тележки; 3) использование колесных пар с независимым вращением колес или с магнитной подвеской для полного устранения проблемы боковой устойчивости. Таким образом, применение высокоскоростных железных дорог в своих трех основных технических аспектах, а именно: железнодорожное полотно, железнодорожные транспортные средства и условия эксплуатации, наряду с очевидными техническими преимуществами, требует преодоления негативных последствий. В настоящее время высокоскоростные тележки используют технологию демпфирования колебаний конструктивными демпфирующими ограничителями, подавляющими низкочастотные колебания тележки, но в то же время усиливающими негативные эффекты в диапазоне более высокочастотных колебаний виляния [5, 6]. Например, тележки серии ICE3 имеют повышенный высокочастотный импеданс: чем больше вибрация головной части, тем сильнее будет боковое возмущение корпуса поезда в области задней тележки. Поэтому подавляющий виляние (anti-snake - «анти-змеиный») высокочастотный импеданс служит источником соответствующего возбуждения, формирующего связанные боковые колебания между корпусом транспортного средства и ходовой частью. Интенсивность связанных колебаний зависит от добротности боковых колебаний кузова транспортного средства [7], поэтому для обеспечения стандартного 30-летнего срока службы корпуса из алюминиевого сплава был принят метод использования резиновой подвески под транспортным средством [8]. Механизм связи поперечных колебаний - это основной закон, определяющий характер колебаний высокоскоростного поезда. Существующая тележка имеет две следующие типовые конфигурации, а именно исходную конфигурацию тележки многосекционного электропоезда (EMU - Electrical Multiple Unit) и регулируемую на месте по мере износа. Под влиянием механизма связи боковых колебаний возникают сингулярности в их поведении: небольшие извилистые колебания в качестве независимого возбуждения [9], высокодобротный поперечный резонанс подвагонной связи [10, 11] или возмущение кузова транспортного средства боковым ветром (например, при проходе через туннель) [12-14], ведущее к раскачке двигателя задней тележки. Другими словами, общими техническими причинами различных отказов из-за вибрации или усталости высокоскоростного поезда является механизм связи между поперечными колебаниями. Согласно концепции жестко-гибкого взаимодействия и жесткости системы [15, 16], анализируемая частотная область может быть расширена несколькими способами [17]. Как показано в [17], с увеличением скорости возбуждаются более высокочастотные колебания и соответствующий диапазон анализа в частотной области расширяется. Однако необходимость этого расширения не столь очевидна, поскольку высокочастотный колебательный отклик возбуждается не в полном объеме, а происходит лишь незначительное увеличение соответствующей амплитуды. Кроме того, сокращение шага динамического моделирования и обобщение картины частных взаимодействий до общего взаимодействия теоретически может увеличить диапазон частотной характеристики, но, учитывая увеличение времени расчета и значимость достигаемого уточнения результата для целей исследования, эффект не очевиден [17]. Поэтому необходимо изучить оптимальный диапазон частотной характеристики [18] и сформулировать технические контрмеры. Сингулярный коэффициент определяется как отношение максимальной амплитуды выброса в выборке статистики потока поездов к среднеквадратичному отклонению (RMS)3 при вероятности 99.75% [19]. Рис. 1. Контраст сингулярного коэффициента для боковых ускорений в поезде и под поездом Для того чтобы обеспечить соответстду симуляцией и реальным экспериментом, коэффициент демпфирования резиновой подвески под поездом был выбран равным 5%. Как показано на рис. 1, существуют совершенно разные режимы колебаний в поезде и под поездом. Сингулярный коэффициент бокового ускорения дополнительного инвертора под поездом составляет менее 2.0, это означает, что боковые колебания под поездом являются негауссовским процессом с явными признаками резонансов. В то же время коэффициент бокового ускорения средней части пола превышает 2.0, что свидетельствует о нестационарности процесса. Отклик на внешнее воздействие усиливается. Когда резиновая подвеска хорошо демпфирует, например, если принять коэффициент демпфирования за 30%, то сингулярный коэффициент остается неизменным. При рассматриваемом фактическом (5%) демпфировании резиновой подвески исходная управляемость тележки многосекционного электропоезда, как уже отмечено, имеет проблему в недостаточном запасе устойчивости тележки [20]. Это вызывает подрезной износ пути и образует небольшое змеевидное возмущение, являющееся источником бокового резонанса, что приводит к слишком большой среднеквадратичной погрешности оценки при сингулярном коэффициенте менее 2.0. 1. Явление биений и определение связанных колебаний Моделирование жестко-гибкой связи расширяет анализируемую полосу частот, но из-за междумодовых связей высокого порядка механизм поперечных колебаний вызывает необходимость новой концепции сингулярных коэффициентов. В то же время, в сочетании со знанием законов колебательного движения и аналитической механики, в работе рассматривается классический случай возникновения биений, а также уточняется определение и механизм формирования связанных колебаний [21], что имеет определяющее значение для разработки мероприятий по снижению вибрации для практики высокоскоростных железных дорог. Связанные колебания - один из самых сложных механизмов в аналитической механике. По этой причине в классической теории колебаний связанные колебания рассматриваются довольно кратко. Когда собственные частоты двух степеней свободы системы очень близки по значению, возникает очень важное явление - «явление биения». Как пример, биения возникают из слабой связи двух маятников, т.е. в целом явление не уникально для систем с двумя степенями свободы. Явление биений - это результат сложения двух гармонических функций с одинаковой амплитудой и близкими частотами. Если вышеуказанная простая система имеет связи, то она должна иметь следующие характерные черты: системе с двумя степенями свободы присущи два вида движений - синхронные колебания и биение между парциальными колебаниями. По мере увеличения жесткости пружины увеличивается и частота биений, что вызывает так называемый флаттер или дребезг, т.е. пружина действует как передаточная среда. Увеличение жесткости пружины вызывает изменение механического состояния системы, изменяя топологическое соотношение между подструктурами, т.е. приводит к возникновению дополнительных связей. В то же время, когда два маятника достигают частот, близких друг к другу, обмен энергией между подсистемами может вызвать резонанс на частоте связи. Применяемый в числе инновационных технологий для тележек серии ICE3 демпфер, подавляющий виляния (anti-snake damper), действует аналогично соединяющей пружине в задаче о связанных осцилляторах, играя важную роль в формировании связанных боковых колебаний. Например, при линейных испытаниях с помощью системы сигнализации о вибрациях электропоезда выявляется недостаточная устойчивость тележки, при этом на колесе образуется вогнутая поверхность качения, так что рама прицепа резонирует и часто испытывает боковой флаттер (рис. 2). В моторном вагоне нет такого явления, поскольку оно, в основном, обусловлено нелинейным гистерезисом наклонных колебаний рамы прицепа. Рис. 2. Сравнение измеренных ускорений боковой рамы тележки и их оценочных значений Энергия боковых колебаний рамы прицепа высока, поэтому демпфер, подавляющий виляния, имеет высокую вероятность снижения нагрузки до нулевых значений, что приводит к мгновенному изменению значения его жесткости. Подобно поведению шлепка, возмущения в среде передачи приводят к появлению соответствующих воздействий, которые заставляют подсистемы взаимодействовать друг с другом, образуя механизм взаимно связанных поперечных колебаний. Особенно примечательно, что у длинных тележек из-за многоканальных и перекрестных воздействий [22], механизм поперечных колебательных связей исходно твердых механических структур уподобляется жидкостно-твердой связи, еще более затрудняя понимание проблемы. Поэтому в соответствии со случаем вышеупомянутых биений связанных колебаний находят объяснение два основных момента. Во-первых, вибропередающая среда (пружина) является необходимым условием для существования связанных колебаний. Во-вторых, по мере увеличения жесткости пружины частота биений увеличивается настолько, что биения превращаются в флаттер. Анализ возбуждения бокового флаттера по типу вибрации рамы тележки заставляет ввести в рассмотрение еще два ключевых параметра: энергию возбуждения и связанные резонансы. Данный факт обобщает и предполагает определение связанных колебаний и трех основных условий их возбуждения. Это подчеркивает значение понимания технических недостатков тележки ICE3 и формулирования соответствующих рекомендаций. Определение связанных колебаний Рис. 3. Механизм формирования связей между колебаниями Основываясь на простом принципе явления биений, можно расширить понимание особенностей колебательного поведения высокоскоростного поезда. С точки зрения системного динамического анализа связанные колебания определяются следующим образом. Имеется система с несколькими независимыми степенями свободы, между которыми существуют независимые связи, так что в итоге подсистемы взаимодействуют через передаточную среду, в результате чего становятся возможными связанные колебания. Топологическое отношение между двумя элементами определяется внутренним силовым отношением между ними, которое может отражать состояние системы и зависит от внешних условий. Это топологическое отношение называется связанным возмущением. Топологические отношения изменяются по мере изменения состояния системы, что, в свою очередь, приводит к обмену энергией между элементами и возникновению связей. Как показано на рис. 3, связанные колебания имеют четыре основных аспекта: независимое возбуждение, связанное возбуждение, передаточная среда и возможность резонанса связи. Для высокоскоростных поездов с тележками серии ICE3 механизм связанных поперечных колебаний является основным законом поведения. Главным источником возбуждения, порождающим связанные колебания, служит возбуждение колеса - рельса, например, на малых радиусах поворота. Эти возбуждения аналогичны известному явлению «нащупывания дороги», которое будет порождать такие независимые возбуждения, как вынужденные колебания рамы тележки, или неустойчивые меандровые колебания тележки, или небольшие извилистые колебания тележки. Жесткий характер позиционирования колесной пары и подавляющий виляния (anti-snake) высокочастотный импеданс, т.е. сочетание двух технических факторов, приводят к большим демпфирующим характеристикам движущегося корпуса поезда. Это ведет к передаче бокового высокочастотного возмущения от корпуса поезда к задней тележке и играет роль передаточной среды для боковых колебаний. В то же время «анти-змеиный» демпфер играет роль элемента связи в формировании механизма связанных поперечных колебаний. По мере увеличения скорости транспортного средства его повышенный высокочастотный импеданс стимулирует обмен энергией между кузовом и ходовой частью, в свою очередь, эта связь формирует связанные поперечные колебания. Кроме того, независимое возбуждение может также вызывать связанные колебания, охватывающие подвагонные агрегаты и ходовую часть. В соответствии с определением связанных колебаний и на основе выводов моделирования и их подтверждения линейными испытаниями уточняются три основных механических условия определения механизма поперечных связанных колебаний. 2. Трековое испытание на альпийской скоростной дороге С фактической динамической жесткостью резиновой подвески связан ряд неопределенных прараметров, например, колебательная добротность. Очень важно учитывать, в частности, влияние нелинейных характеристик резиновых материалов. Во время первого внедрения летней карты движения со скоростью 300 км/ч было проведено испытание на трассе альпийского скоростного маршрута для контроля поведения добротности колебаний под вагоном. Например, рассмотрен вспомогательный преобразователь, в котором одна из точек подвеса функционирует неправильно, и локальное боковое покачивание вызывает боковые колебания кузова транспортного средства, включая горизонтальные удары по алюмосплавному корпусу. Рассмотрим монотонный процесс (рис. 4), измерим ускорение в трех направлениях (xyz) на резиновом основании, а также ускорение в трех направлениях под транспортным средством на монтажной опоре. Частота дискретизации составляет 1 кГц, а частота анализа - 500 Гц. Рис. 4. Результаты измерения ускорений на резиновом основании транспортного средства и под ним Контраст по сигналу стационарного процесса 1200-1500 с Расположение испытательной точки В поезде (резиновые изоляторы) Под поездом (подвесной рычаг) Ускорение (RMS)3/g Направление ускорения Исходные данные испытаний 50 Гц- обрабо- танных Исходные данные испытаний 50 Гц- обрабо- танных х - продольная 0.0328 0.0140 0.0466 0.0302 y - боковая 0.1075 0.0218 0.0432 0.0313 z - вертикальная 0.0475 9.0315 0.0870 0.0569 В таблице приведены среднеквадратичные отклонения (RMS3) исходного и отфильтрованного сигналов. Можно видеть, что RMS3 для бокового ускорения транспортного средства является самым большим, а для вертикального ускорения - вторым по величине. Особенно до и после обработки фильтром нижних частот 50 Гц RMS3 бокового ускорения сильно варьируется, что указывает на генерацию транспортным средством относительно высокочастотных колебаний. Сравнительный анализ спектральных характеристик отклика ускорения в испытании показывает, что в боковом ускорении транспортного средства присутствуют два основных высокочастотных колебания. Высокочастотная вибрация с основной частотой 290 Гц вызвана аэродинамическим возмущением плинтуса, а с основной частотой 350 Гц она тесно связана с динамическим поведением ходовой части. То есть высокодобротный боковой резонанс под транспортным средством непосредственно не влияет на кузов транспортного средства, но оказывает косвенное влияние на его сопутствующую высокочастотную вибрацию. Механизм связи поперечных колебаний и три его основных механических состояния Для анализа мод высокого порядка и остаточной силы жестко-гибкой связи предложено понятие сингулярного коэффициента для высокочастотного колебательного поведения [23]. Сингулярный коэффициент применяется для уточнения поперечной связи. Механизм связи характеризуется тремя основными критерими: достаточная энергия возбуждения, колебательная среда передачи энергии и возможность связанного резонанса. Анализ результатов путевых испытаний полностью объяснил боковой резонанс тягового преобразователя большей массы под транспортным средством, который вызывает этот резонанс и приводит к тому, что одна из точек подвески вызывает боковую турбулентность. Объективно говоря, такая форма отказа объясняла проблему безопасности при эксплуатации высокоскоростной железной дороги - появление горизонтальных ударов кузова поезда. Сингулярные коэффициенты бокового ускорения применимы для разработки двух других условий при рассмотрении механизма поперечной вибрационной связи. Обычно отдают предпочтение трем типичным параметрам борьбы с виляниями тележки: исходной конфигурации тележки электропоезда, усовершенствованной тележке и дистанционному управлению тележкой, при этом высокочастотный «анти-змеиный» импеданс все более увеличивают [24]. Сингулярный коэффициент используется для оценки бокового ускорения транспортного средства и нижней его части. В качестве объектов анализа упоминаются передний палец, средняя и задняя часть пола транспортного средства, а также вспомогательный преобразователь частоты. Из рис. 5 можно сделать два вывода: по мере увеличения коэффициента демпфирования резины частотные характеристики горизонтальных колебаний транспортного средства и нижней его части становятся подобными. Если коэффициент демпфирования принимается равным 5%, то при усовершенствованной или удлиненной тележке добротность резонансной характеристики под транспортным средством, например, для вспомогательного инвертора, изменится и будет приближена к характеристике средней части пола. Рис. 5. Контраст сингулярного коэффициента с боковыми ускорениями в поезде и под поездом Таким образом, наличие бокового резонанса вспомогательного инвертора зависит от динамического поведения ходовой части. Если запас устойчивости тележки недостаточен или имеют место неустойчивые извилистые колебания, то высокая колебательная добротность ходовой части, особенно вспомогательного инвертора [24], неизбежно приведет к появлению бокового резонанса. По мере того как высокочастотный «анти-змеиный» импеданс еще больше увеличивается, между корпусом транспортного средства и ходовой частью образуется все более прочная боковая связь. Сравнение сингулярных коэффициентов бокового ускорения передней, средней и задней частей пола показывает, что сингулярный коэффициент бокового ускорения задней части является наибольшим (рис. 6). Рис. 6. Сравнение сингулярных коэффициентов боковых ускорений заднего пола То есть чем сильнее высокочастотный «анти-змеиный» (подавляющий виляния) импеданс, тем более заметным будет большое демпфирующее действие корпуса движущегося поезда, так что он будет генерировать все более сильное горизонтальное высокочастотное возмущающее воздействие на интерфейс задней тележки. Как показано на рис. 6, а, если коэффициент демпфирования резины равен 5%, то сингулярный коэффициент бокового ускорения пола по мере увеличения «анти-змеиного» высокочастотного импеданса будет быстро увеличиваться от значения 2.2 до 2.4. По мере того, как изменяются боковые вибрационные характеристики вспомогательного инвертора, меняется и величина боковой вибрационной связи, т.е. будет усилено боковое возмущение кузова транспортного средства на стыке задней тележки. Подводя итог, нетрудно сделать следующие два вывода: 1. Энергия возбуждения связанных боковых колебаний обладает сложными особенностями. В исходной конфигурации тележки электропоезда энергия возбуждения зависит, в основном, от устойчивости тележки. Например, неустойчивое извилистое колебание определяет добротность частотной характеристики колебаний под транспортным средством, особенно бокового резонанса вспомогательного инвертора, и боковую ударную нагрузку на алюмосплавной корпус. Если «анти-змеиный» высокочастотный импеданс будет увеличен, например, в усовершенствованной или регулируемой в ходе пробега тележке, то добротность боковых колебаний под транспортным средством изменится, например, колебательные характеристики вспомогательного инвертора и среднего пола будут более схожи. Однако величины связи между боковыми колебаниями также изменяются, а энергия возбуждения зависит от возмущающего воздействия кузова и образует поперечное взаимодействие между кузовом и задней тележкой. Это связанное возбуждение взаимодействующих колебаний, означает, что «анти-змеиный» высокочастотный импеданс служит в качестве возбуждающей связи, устанавливающей взаимодействие между корпусом и ходовой частью. 2. Боковая сингулярность задней части пола высока. Это указывает на то, что кузов транспортного средства соединен с интерфейсом задней тележки, таким, как вторичная боковая подвеска, которая представляет собой передаточную среду для высокочастотных поперечных колебаний. Под влиянием длинноволновой неровности колеи и двух основных негативных факторов влияния поперечного ветра на возмущение кузова особое внимание следует уделять безопасности ведущего колеса. Как показано на рис. 6, б, коэффициент демпфирования резины, соответствующий наименьшей степени поперечной связи между корпусом и ходовой частью, составляет 0.5-1.5%. Поэтому при современном типе электропоездов и скорости 350 км/ч тележка должна быть одним из ключевых объектов оптимизации, направленной на снижение добротности боковых колебаний за счет снижения добротности резиновой подвески. Заключение Для серии тележек ICE3 механизм связанных поперечных колебаний является основным законом, который доминирует в вибрационном поведении высокоскоростного поезда. В сочетании с принципом жестко-гибкой связи и математической статистикой предложена новая концепция сингулярных коэффициентов, корректность которой полностью подтверждена тестовыми экспериментами. Механизм связи поперечных колебаний и три его основные технические характеристики продемонстрированы путем применения сингулярного коэффициента, а причины колебательной сингулярности, такие, как возникновение флаттера из-за рыскания двигателя, обоснованно объясняются. При сложности и неопределенности условий эксплуатации скоростной железной дороги необходимо особое обеспечение устойчивости от вредных воздействий поперечного ветра. Поскольку в случае воздействия поперечного ветра на корпус транспортного средства в характеристике рысканья двигателя появляется сингулярность, то это сразу же приводит к высокочастотному раскачиванию, что, в свою очередь, усиливает эффект жидкостно-твердого взаимодействия. Таким образом, иссдедование механизма поперечной вибрационной сцепки и его трех основных технических условий имеет большое инженерное значение для строительства высокоскоростных железных дорог Китая и стратегии устойчивого развития.

Скачать электронную версию публикации