轨道车辆垂向振动Matlab建模与仿真,基于matlab/simulink的车辆建模与故障分析

随着铁路行业高速发展,列车运行速度逐渐提高,铁路安全越来越受到人们的重视,如何保证铁道车辆运行安全及其故障监测成为一个亟待解决的重大课题。客车车辆在结构上的故障主要有一系弹簧断裂、减振器失效、空气弹簧漏气、高圆弹簧断裂、车轮踏面擦伤、轴承故障以及蛇形减震器故障等等[1],各种故障对车辆运行品质有不同程度的影响,严重情况下可能会威胁到车辆的安全运行。因此,对车辆故障的监测与识别成为了保证车辆安全运行中必不可少的措施。目前,对铁道车辆的故障监测主要有地面和车载两种形式,其中在车载监测系统中,使用振动加速度传感器监测车辆运行状态较为普遍,以此可以迅速实现检测信号的分散收集、处理及故障判别[2]。对于利用振动加速度响应进行监测的系统,信号可能会受到多方面的影响,如轨道随机不平顺激励的干扰、车辆本身非线性对信号传递的干扰以及各种故障叠加后对检测信号的干扰等等。文章中仅建立整车线性动力学模型,不考虑轮轨蠕滑等非线性因素对信号的影响,主要讨论不同位垂向悬挂故障时,振动加速度信号具有的统计特性规律以及影响数字特征的因素。1建立车辆模型由于matlab/simulink软件可以使用面向对象的框图建模[3],同时具备子系统封装的特点,对于含有弹簧阻尼的线性系统,可以拆分为悬挂子系统和刚体状态子系统,按刚体间不同的连接形式,快速建立系统线性模型。以简化的车辆二自由度系统为例[4],其运动微分方程:m1刚体:Fk1+Fc1-Fk2-Fc2=m1Z1m2刚体:Fk2+Fc2=m2Z2式中:Fk1=K1(Z0-Z1);Fc1=C1(Z0-Z1);Fk2=K2(Z1-Z2);Fc2=C2(Z1-Z2);Zi(i=0,1,2)分别为车轮、m1和m2离平衡位置的位移。与m1相连接的弹簧阻尼分别为K2,C2,K1,C1,在任意时刻t,车轮、m1,m2运动状态不同,在相互作用下会产生Fk1,Fc1,Fk2,Fc24个弹簧阻尼力作用在m1上,将4个弹簧阻尼力作为m1受力输入端口,Z1作为状态输出端口。同理对于m2,Fk2,Fc2作为受力输入端口,Z2作为状态输出端口。因此对于m1,m2状态子系统,其输入为弹簧阻尼力,输出为刚体运动状态,对于悬挂子系统Fk1,Fc1,Fk2,Fc2,其输入为悬挂两端刚体的运动状态,输出为弹簧阻尼力。以上述方法为基础建立车辆的simulink框图模型,模型以目前应用较多的无摇枕四轴客车为例,自由度分别是车体和前后转向架沉浮、横移、点头、侧滚及摇头,以及车轮沉浮、横移、侧滚及摇头,共31个自由度,其中将一、二系悬挂作为悬挂子系统,将转向架和车体作为刚体状态子系统,建模时忽略了轮轨蠕滑和车轮侧滚引起的横向力变化。2车辆悬挂的故障分析2.1一、二系悬挂故障形式及统计特性主要讨论车辆垂向一、二系悬挂故障形式,尤其是单一悬挂故障,将前转向架前轴左侧一系悬挂记为一系11位悬挂,右侧为一系12位悬挂,其余类推。在模型中对故障的检测是通过车辆振动加速度信号来实现,测量点位于前后转向架和车体中心。由于车辆正常运行和悬挂故障时振动响应信号不同,经过时域和频域分析,提取出信号的统计特性,并计算出相应的数字特征,以此判别车辆运行中是否出现故障。在时域分析中,信号的统计特性主要用3个典型的数字特征来描述,分别是均值(t)、方差S2(t)和均方根值(t)。在频域分析中,主要使用加速度功率谱密度P[5],其数字特征是局部频率段上的均方根值(f)。仿真中,以车体和前转向架为例,一系悬挂故障用刚度增大10倍[6],阻尼为0模拟,二系悬挂故障用刚度增大20倍,阻尼为0模拟。加速度检测信号采样

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