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基于分数阶的空气弹簧建模及电动汽车主动悬架控制研究

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汽车工程 2024年第7期46卷 1282-1293,1301页

作者：冯桂珍赵东鹏李韶华石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043 石家庄铁道大学机械工程学院石家庄050043

电控空气悬架系统(electrically controlled air suspension, ECAS)具有调节悬架刚度和车身高度的功能,可有效改善车辆乘坐舒适性和操纵稳定性。以某乘用车ECAS为对象,利用分数阶理论描述橡胶气囊的黏弹性阻尼特性,考虑等效阻尼及滞回... 详细信息

电控空气悬架系统(electrically controlled air suspension, ECAS)具有调节悬架刚度和车身高度的功能,可有效改善车辆乘坐舒适性和操纵稳定性。以某乘用车ECAS为对象,利用分数阶理论描述橡胶气囊的黏弹性阻尼特性,考虑等效阻尼及滞回特性对其热力学模型进行了优化,结果与实验数据吻合良好,验证了优化后的空气弹簧模型的精确性。在此基础上,考虑车辆纵横向动力学特性与Dugoff轮胎模型,建立14自由度整车ECAS动力学模型,提出模型预测(model predictive control, MPC)主动悬架控制方法,以可测变量为控制器输入,实现直线及转向行驶工况下的主动控制。仿真与整车台架实验研究表明,分数阶修正模型可以很好地反映ECAS变刚度特性,基于MPC的主动悬架控制策略能实时调整空气弹簧刚度,控制车身姿态,有效改善电动汽车行驶时的平顺性与稳定性。论文的研究方法为车辆悬架系统建模及主动控制提供了一种新思路。

关键词：空气悬架热力学黏弹性阻尼分数阶模型预测控制

轮轨激扰下轨道车辆轴箱轴承振动与润滑特性分析

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中国机械工程 2024年第4期35卷 580-590页

作者：马巧英杨绍普刘永强石家庄铁道大学交通运输学院石家庄050043 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043 石家庄铁道大学机械工程学院石家庄050043

基于赫兹接触和弹流润滑理论建立了考虑轴箱轴承的轨道车辆模型,研究了轮轨激扰对轴箱轴承的振动特性和油膜刚度特性的影响规律。分别采用MATLAB/Simulink和UM软件建立了轴承动力学模型和轨道车辆模型,通过相互作用力实现二者的耦合关... 详细信息

基于赫兹接触和弹流润滑理论建立了考虑轴箱轴承的轨道车辆模型,研究了轮轨激扰对轴箱轴承的振动特性和油膜刚度特性的影响规律。分别采用MATLAB/Simulink和UM软件建立了轴承动力学模型和轨道车辆模型,通过相互作用力实现二者的耦合关系。模拟了轴承和轮对的典型故障形式,并详细分析了这些故障对轴承的振动特性和润滑特性的影响。研究结果表明:润滑可以有效减小轴承的振动;轴承的局部故障将导致油膜刚度的增大,轴承故障和车轮扁疤都对润滑的影响较为显著;此外,轮轨激扰会降低轴承外圈的振动比率,但是会增大车辆其他部件的振动,对车体的振动几乎无影响。

关键词：轴箱轴承弹流润滑建模轮轨激扰振动特性

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变转速工况下基于快速谱平均峭度图的列车轮对轴承故障诊断

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铁道学报 2024年第5期46卷 38-47页

作者：刘文朋杨绍普刘泽潮刘永强顾晓辉石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄050043

由于受到轮轨激励的干扰,轮对轴承故障特征易被背景噪声所淹没,且在变转速模式下故障特征具有时变性,进一步加剧了提取难度。为此,提出一种基于快速谱平均峭度图的列车轮对轴承故障特征提取方法。根据频谱趋势将频谱划分为若干子带,采用... 详细信息

由于受到轮轨激励的干扰,轮对轴承故障特征易被背景噪声所淹没,且在变转速模式下故障特征具有时变性,进一步加剧了提取难度。为此,提出一种基于快速谱平均峭度图的列车轮对轴承故障特征提取方法。根据频谱趋势将频谱划分为若干子带,采用Meyer小波构造带通滤波器,计算每个窄带滤波信号的平均峭度并构造快速谱平均峭度图;选取最优频带进行解调,消除背景噪声的影响;通过相位函数对滤波信号进行迭代广义解调,解决时变故障冲击间隔带来的频谱模糊问题。仿真和试验分析结果表明所提方法有效克服了强背景噪声和时变故障特征的干扰,为变转速工况下轮对轴承故障特征提取提供了新的解决策略。

关键词：轮对轴承故障诊断变转速平均峭度迭代广义解调

分段线性系统经典数学模型的修正与动力学分析

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力学学报 2024年第1期56卷 225-235页

作者：张瑞良申永军韩东石家庄铁道大学机械工程学院石家庄050043 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043

由于间隙的存在,很多机械系统可以简化为分段线性模型,而简化后的模型中副簧系统通常包含阻尼.在大多数文献建立的数学模型中,主、副系统的接触点与分离点固定在间隙处.文章研究发现,由于副簧系统中弹簧与阻尼的力学特性不同,主、副系... 详细信息

由于间隙的存在,很多机械系统可以简化为分段线性模型,而简化后的模型中副簧系统通常包含阻尼.在大多数文献建立的数学模型中,主、副系统的接触点与分离点固定在间隙处.文章研究发现,由于副簧系统中弹簧与阻尼的力学特性不同,主、副系统的接触点与分离点位置实际上是随着系统参数和运动状态而变化的.若忽视这一点,后续的包括分岔和混沌在内的动力学分析就会出现误差甚至错误.首先基于经典的数学模型,用数值方法揭示了在简谐激励下主系统未返回到间隙处就与副簧系统提前分离,证明了经典数学模型的不当之处.进一步研究发现主系统不仅会出现提前分离,还会出现接触滞后的现象.因此对系统的接触与分离条件提出了修正,得到了更合理的数学模型.研究发现修正后的接触点、分离点位置与修正前相差较大,修正后的幅频响应曲线与修正前存在一定差别;在复杂运动中,修正前后的运动性质也可能发生改变,证明了修正后的模型更加合理,更能反映工程实际.然后,采用平均法并对平均法的积分区间进行推广,求得了修正模型的幅频响应的解析解,并通过龙格库塔法验证了解析解的正确性.对解析解进行稳定性分析,得到了解析解的稳定性判别式.最后,探究了修正模型的副簧系统参数对主系统幅频响应的影响.

关键词：非线性振动分段线性系统平均法动力学行为接触

均匀流场下平单轴光伏支架扭转气动失稳特征试验研究

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振动工程学报 2024年第5期37卷 838-846页

作者：马文勇康霄汉张晓斌陈伟谭强石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室河北石家庄050043 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄050043 江苏国强兴晟能源科技有限公司江苏常州213363

由于发电量明显高于固定式光伏系统,平单轴光伏发电系统近些年得到了广泛的应用。平单轴光伏支架由于扭转刚度较低,在大风天气下容易出现扭转气动失稳现象,从而造成支架结构破坏。为了进一步深入了解该振动的发生条件和机理,本研究通过... 详细信息

由于发电量明显高于固定式光伏系统,平单轴光伏发电系统近些年得到了广泛的应用。平单轴光伏支架由于扭转刚度较低,在大风天气下容易出现扭转气动失稳现象,从而造成支架结构破坏。为了进一步深入了解该振动的发生条件和机理,本研究通过节段模型测振风洞试验研究结构自振频率、倾角、阻尼等参数对扭转气动失稳的影响,分析了气动阻尼和气动刚度随着风速和倾角的变化规律。研究表明,平单轴光伏支架的扭转气动失稳表现出较强的气动耦合效应,气动阻尼和气动刚度是影响平单轴光伏支架气动失稳的重要参数,对风速和倾角的变化较为敏感,该失稳现象具备自激振动的特点;扭转刚度的提高在某些倾角下可以有效地限制振幅,同时可提高结构在各倾角的临界风速;扭转气动失稳的倾角范围为-15°~20°,0°倾角附近临界风速较高,若采用小倾角进行保护时,建议将大风保护角度设为0°。

关键词：气动失稳平单轴光伏支架风洞试验临界风速气动阻尼

振动压实中后期振动轮与压实路面的接触非线性动力学研究

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振动工程学报 2024年第7期37卷 1161-1168页

作者：刘景旭路永婕王建西商祥志石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄050043 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043

在考虑随振土体质量的基础上,建立三自由度振动压路机-土耦合动力学模型,通过分析振动轮的时频域图、Poincaré截面图、最大Lyapunov指数和轮-土动态接触力等响应,研究振动压路机振动轮在压实过程中的非线性动力学响应特性。数值仿真结... 详细信息

在考虑随振土体质量的基础上,建立三自由度振动压路机-土耦合动力学模型,通过分析振动轮的时频域图、Poincaré截面图、最大Lyapunov指数和轮-土动态接触力等响应,研究振动压路机振动轮在压实过程中的非线性动力学响应特性。数值仿真结果表明,随着路基压实度的增大,振动轮由单一周期运动演变为多周期运动,最终进入混沌状态;在演变过程中,振动轮加速度的频域特征由最初的单一基频向基频伴随有整倍频谐波过渡,最终以基频和1/2倍次谐波为主要部分;在进入混沌状态后减小激振力和增大激振频率都可以使混沌状态退化至近似单一周期运动,其中减小激振力对响应特征的影响为:频域响应存在较弱的1/3倍、2/3倍及高倍次谐波;而增大激振频率对响应特征的影响为:振动轮压实运动的单一周期更为明显。

关键词：非线性振动振动轮振动压实非线性接触混沌

基于GA-LSTM自适应卡尔曼滤波的路面不平度识别

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振动与冲击 2024年第9期43卷 121-130页

作者：李韶华李健玮冯桂珍石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043 石家庄铁道大学机械工程学院石家庄050043

准确、快速地识别出车辆当前行驶的路面激励信息,是实现智能底盘控制进而保证车辆平顺性的关键。针对传统路面不平度识别算法准确率低、自适应性差等问题,提出了基于遗传算法(genetic algorithm,GA)优化长短期记忆神经网络(long short-t... 详细信息

准确、快速地识别出车辆当前行驶的路面激励信息,是实现智能底盘控制进而保证车辆平顺性的关键。针对传统路面不平度识别算法准确率低、自适应性差等问题,提出了基于遗传算法(genetic algorithm,GA)优化长短期记忆神经网络(long short-term memory networks,LSTM)自适应卡尔曼滤波的路面不平度识别算法。基于2自由度车辆悬架模型,通过灰色关联法选择LSTM神经网络的特征输入变量,并采用GA优化LSTM神经网络的模型参数以准确识别路面等级,并据此实时更新卡尔曼滤波器算法中的噪声矩阵,实现了在复杂路况下对路面不平度的自适应识别。仿真和试验研究表明,所提出的基于GA-LSTM自适应卡尔曼滤波算法能够快速准确的识别路面不平度与路面等级,与传统卡尔曼滤波算法相比,相关系数、均方根误差和最大绝对误差分别提高3.11%、37.5%和51.2%,表明所提算法对复杂工况具有很好的自适应能力。

关键词：路面不平度识别自适应卡尔曼滤波器 GA-LSTM 灰色关联法

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高速列车齿轮箱箱体动态疲劳寿命评估方法

中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 1953-1965页

作者：豆硕刘鹏飞刘志明王文静石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

随着列车运行速度的提高,轮轨激励载荷的频率范围和能量急剧增大,齿轮箱箱体产生了明显的弹性振动响应,加速了箱体疲劳失效。为在服役振动环境下评估箱体的动态疲劳寿命,首先,基于模态叠加法建立考虑箱体动态特性的疲劳寿命评估方法,获... 详细信息

随着列车运行速度的提高,轮轨激励载荷的频率范围和能量急剧增大,齿轮箱箱体产生了明显的弹性振动响应,加速了箱体疲劳失效。为在服役振动环境下评估箱体的动态疲劳寿命,首先,基于模态叠加法建立考虑箱体动态特性的疲劳寿命评估方法,获取箱体单阶模态对疲劳寿命的贡献值。然后,建立高速列车齿轮传动系统台架模型,通过虚拟激振器施加线路实测的轮对振动加速度模拟齿轮箱的服役振动环境。最后,采用准静态叠加法和模态叠加法对箱体进行疲劳寿命评估。研究结果表明:台架模型结果与线路实测的箱体动应力响应波形和主频特征一致,应力有效值相对误差可以控制在10%以内,验证了模型的准确性。高频轮轨激励环境下箱体模态对疲劳寿命的影响较大,准静态叠加法无法准确反映箱体吊耳根部等危险点的疲劳寿命,箱体存在显著影响疲劳寿命的关键模态,为通过动态设计方法提高列车齿轮箱箱体疲劳性能提供了基础。

关键词：高速列车齿轮箱箱体台架模型动态疲劳寿命

分数阶Rayleigh-Duffing系统的主共振

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振动与冲击 2024年第16期43卷 111-117页

作者：陈聚峰王媛媛申永军李向红石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043 石家庄铁道大学数理系石家庄050043 石家庄铁道大学机械工程学院石家庄050043

利用多尺度法研究了谐波激励下分数阶Rayleigh-Duffing系统的主共振。首先,利用多尺度法得到系统的一次近似解析解,通过数值仿真发现解析解与数值解吻合较好,验证了近似解析解的准确性;然后,建立了稳态解的幅频方程及相频方程,基于Lyapu... 详细信息

利用多尺度法研究了谐波激励下分数阶Rayleigh-Duffing系统的主共振。首先,利用多尺度法得到系统的一次近似解析解,通过数值仿真发现解析解与数值解吻合较好,验证了近似解析解的准确性;然后,建立了稳态解的幅频方程及相频方程,基于Lyapunov稳定性理论得到了稳态解的稳定性条件;最后,通过数值仿真并结合幅频曲线,分析发现非线性刚度系数、线性阻尼系数以及分数阶阶次等参数对系统动力学特性有重要影响,这对此类系统的优化和控制有重要意义。

关键词：分数阶导数多尺度法 Rayleigh-Duffing系统主共振