本發(fā)明涉及一種軌道交通變流器振動優(yōu)化領(lǐng)域，尤其涉及一種基于模態(tài)解耦技術(shù)的軌道交通變流器振動優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的軌道交通車輛用變流器中，通常集成了變流器模塊、控制箱和變壓器等電氣部件組成。由于變壓器的重量較大，且變壓器工作時產(chǎn)生的交變磁致伸縮力會傳遞至變流器柜體，振動過大時會嚴(yán)重影響到變流器模塊、控制箱等電氣部件的疲勞壽命及變流器柜體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

目前，變壓器在變流器柜體中的固定方式較為簡單，通過螺栓直接固定于變流器柜體上，或在變壓器與變流器柜體之間安裝減振墊，對減振墊的剛度和安裝位置等參數(shù)的研究還很少，其結(jié)果極有可能導(dǎo)致減振墊性能不匹配而產(chǎn)生損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種可快速、準(zhǔn)確確定變流器減振墊設(shè)置方案，降低減振墊與系統(tǒng)不匹配風(fēng)險的基于模態(tài)解耦技術(shù)的軌道交通變流器振動優(yōu)化方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：一種基于模態(tài)解耦技術(shù)的軌道交通變流器振動優(yōu)化方法，包括如下步驟：

s1.建立變壓器磁致伸縮力坐標(biāo)系，確定變壓器質(zhì)量和慣量；

s2.設(shè)置減振墊參數(shù)，所述減振墊參數(shù)包括剛度、位置坐標(biāo)和角度；

s3.建立變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型；

s4.求解所述變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型的預(yù)設(shè)階的模態(tài)解耦率；

s5.當(dāng)所述模態(tài)解耦率均大于預(yù)設(shè)的解耦標(biāo)準(zhǔn)時，確定所述減振墊參數(shù)，完成變流器振動優(yōu)化，否則設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化減振墊參數(shù)，跳轉(zhuǎn)至步驟s4。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s1中所述變壓器磁致伸縮力坐標(biāo)系是以變壓器磁致伸縮力變化中心作為系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)，以磁致伸縮力法向作為x軸，以磁致伸縮力最小且與x軸垂直的方向作為y軸的直角坐標(biāo)系，z軸垂直于xy平面。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述變壓器慣量包括x向平動慣量jx、y向平動慣量jy、z向平動慣量jz、x向轉(zhuǎn)動慣量jxy、z向轉(zhuǎn)動慣量jxz、y向轉(zhuǎn)動慣量jyz。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述慣量通過lmstest.lab剛體模態(tài)測試方法測試確定。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s3中所述變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型通過matlab軟件建立，所述變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型包括變壓器的質(zhì)量、變壓器的轉(zhuǎn)動慣量、減振墊參數(shù)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s4中所述預(yù)設(shè)階的模態(tài)解耦率包括1至6階模態(tài)解耦率。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s5中所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式(1)所示：

式(1)中，y為優(yōu)化目標(biāo)，i為系統(tǒng)固有頻率的階數(shù)，k為最優(yōu)設(shè)計(jì)變量向量，φii(k)為對應(yīng)于第i階固有頻率的振動占優(yōu)方向所占的振動能量百分比。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s5中，通過matlab軟件的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)fgoalattain對減振墊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s5中所述預(yù)設(shè)的解耦標(biāo)準(zhǔn)為80％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的基于模態(tài)解耦技術(shù)的軌道交通變流器振動優(yōu)化方法，可快速、準(zhǔn)確確定變流器減振墊設(shè)置方案，降低減振墊與系統(tǒng)不匹配風(fēng)險。

2、通過本發(fā)明的基于模態(tài)解耦技術(shù)的軌道交通變流器振動優(yōu)化方法所確定的減振墊設(shè)置方案，可以提高減振墊的使用壽命；同時，可有效降低變流器柜體整體振動，減少變流器柜中電氣部件的使用故障，降低變流器柜體吊耳振動大小，降低變流器柜體向車體的振動傳遞。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例流程示意圖。

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例變流器系統(tǒng)的動力學(xué)模型。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在實(shí)際應(yīng)用中，變壓器作為變流器柜體中的主要振源，在工作過程中，磁致伸縮引起變壓器鐵心振動，通過減振墊將振動傳遞至變流器柜體等部件，從而構(gòu)成對氣部件的潛在破壞風(fēng)險。變壓器振動引起的動能可表達(dá)為式(2)所示：

式(2)中，t為系統(tǒng)振動總動能，為系統(tǒng)速度列向量，為的轉(zhuǎn)置，[m]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣。

在第i階模態(tài)頻率下，系統(tǒng)的總能量為所有自由度振動所得的能量之和，如式(3)所示：

式(3)中，tt為系統(tǒng)總能量，i為變壓器模態(tài)的階，wi為第i階的模態(tài)，ui為第i階的振型，{ui}^t為ui的轉(zhuǎn)置，[m]為變壓器的質(zhì)量矩陣，mkl為質(zhì)量矩陣[m]第k行第l列的組成元素，l為質(zhì)量矩陣[m]的列號，k為質(zhì)量矩陣[m]的行號。

同理，可以確定，第k向自由度的能量之和如式(4)所示：

式(4)中，tk為第k向自由度能量之和，i為變壓器模態(tài)的階，wi為第i階的模態(tài)，ui為第i階的振型，{ui}^t為ui的轉(zhuǎn)置，[m]為變壓器的質(zhì)量矩陣，mkl為質(zhì)量矩陣m第k行第l列的組成元素，l為質(zhì)量矩陣[m]的列號，k為質(zhì)量矩陣[m]的行號。

那么，在第i階頻率模態(tài)下，系統(tǒng)第k向自由度的振動能量百分比如式(5)所示：

式(5)中，φik為振動能量百分比，tk為第k向自由度能量之和，tt為系統(tǒng)總能量，i為變壓器模態(tài)的階，ui為第i階的振型，{ui}^t為ui的轉(zhuǎn)置，mkl為質(zhì)量矩陣m第k行第l列的組成元素，l為質(zhì)量矩陣[m]的列號，k為質(zhì)量矩陣[m]的行號。

在第i階頻率模態(tài)下，各向自由度的振動能量百分比的最大值即為該階模態(tài)的解耦度。解耦度的高低是檢驗(yàn)系統(tǒng)性能是否優(yōu)良的重要標(biāo)準(zhǔn)。在軌道交通的變流器振動優(yōu)化中，一個重要方面就是要提高各項(xiàng)解耦度的最大值，特別是垂直方向及橫向轉(zhuǎn)動方向的解耦度。

如圖1所示，本實(shí)施例的基于模態(tài)解耦技術(shù)的軌道交通變流器振動優(yōu)化方法，包括如下步驟：s1.建立變壓器磁致伸縮力坐標(biāo)系，確定變壓器質(zhì)量和慣量；s2.設(shè)置減振墊參數(shù)，所述減振墊參數(shù)包括剛度、位置坐標(biāo)和角度；s3.建立變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型；s4.求解所述變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型的預(yù)設(shè)階的模態(tài)解耦率；s5.當(dāng)所述模態(tài)解耦率均大于預(yù)設(shè)的解耦標(biāo)準(zhǔn)時，確定所述減振墊參數(shù)，完成變流器振動優(yōu)化，否則設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化減振墊參數(shù)，跳轉(zhuǎn)至步驟s4。

在本實(shí)施例中，步驟s1中所述變壓器磁致伸縮力坐標(biāo)系是以變壓器磁致伸縮力變化中心作為系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)，以磁致伸縮力法向作為x軸，以磁致伸縮力最小且與x軸垂直的方向作為y軸的直角坐標(biāo)系，z軸垂直于xy平面。在本實(shí)施例中，z軸為按右手迪卡爾準(zhǔn)則依據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)、x軸和y軸確定。變壓器慣量包括繞x軸轉(zhuǎn)動慣量jx、繞y軸轉(zhuǎn)動慣量jy、繞z軸轉(zhuǎn)動慣量jz、對應(yīng)于x、y平面慣性矩jxy、對應(yīng)于x、z平面慣性矩jxz、對應(yīng)于y、z平面慣性矩jyz。變壓器的質(zhì)量和慣量可以通過實(shí)體測試確定。當(dāng)然，慣量也可以通過lmstest.lab剛體模態(tài)測試方法測試確定。

在本實(shí)施例中，步驟s3中所述變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型通過matlab軟件建立，所述變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型包括變壓器的質(zhì)量、變壓器的轉(zhuǎn)動慣量、減振墊參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)變壓器通過4個減振墊與變流器柜體柔性聯(lián)接，本實(shí)施例中也以此為例構(gòu)建6自由度動力學(xué)模型，如圖2所示。在建立6自由度動力學(xué)模型后，可確定其有阻尼強(qiáng)迫振動微分方程如式(6)所示：

式(6)中，[mg]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，[cg]為系統(tǒng)阻尼矩陣，[kg]為系統(tǒng)剛度矩陣，x為變壓器位移，為變壓器速度，為變壓器加速度，q為激勵向量。

為使系統(tǒng)的固有頻率不受外力的影響，只需對自由振動方程進(jìn)行求解即可得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)中可以將式(6)可簡化成式(7)所示形式：

式(7)中對參數(shù)的定義與式(6)中相同。

同時，由于變流器系統(tǒng)阻尼在隔振設(shè)計(jì)中影響很小，所以，在本實(shí)施例的隔振設(shè)計(jì)中無需考慮阻尼。系統(tǒng)中可以將式(7)進(jìn)一步簡化成自由度無阻尼自由振動方程如式(8)所示：

式(8)中對參數(shù)的定義與式(6)中相同。

在本實(shí)施例的6自由度動力學(xué)模型中，式(6)、式(7)和式(8)中[mg]的[kg]的形式如下，

其中，m為變壓器的質(zhì)量，jx為繞x軸轉(zhuǎn)動慣量、jy為繞y軸轉(zhuǎn)動慣量、jz為繞z軸轉(zhuǎn)動慣量、jxy為對應(yīng)于x、y平面慣性矩、jxz為對應(yīng)于x、z平面慣性矩、jyz為對應(yīng)于y、z平面慣性矩，[ri]為減振墊位置變換矩陣，[ri]^t為[ri]的轉(zhuǎn)置，[ti]為減振墊方向變換矩陣，[ti]^t為[ti]的轉(zhuǎn)置，[ki]為第i個減振墊剛度矩陣，i為減振墊編號。

其中，

xi、yi、zi分別為第i個減振墊的系統(tǒng)坐標(biāo)位置，αui、αvi、αwi、βui、βvi、βwi、γui、γvi、γwi分別為減振墊與坐標(biāo)系夾角，kxi、kyi、kzi分別為減振墊三向剛度。

在本實(shí)施例中，通過式(5)所示公式計(jì)算求解變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型的1至6階的模態(tài)解耦率。并分別對1至6階的模態(tài)解耦率進(jìn)行判斷，當(dāng)1至6階的模態(tài)解耦率均大于預(yù)設(shè)的解耦標(biāo)準(zhǔn)80％時，可以確定減振墊的優(yōu)化方案滿足減振要求，得到減振墊的參數(shù)，完成減振墊的優(yōu)化設(shè)計(jì)；否則，需要設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對減振墊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

在本實(shí)施例中，模態(tài)能量解耦法是在得到變壓器系統(tǒng)的6個剛體模態(tài)后，根據(jù)能量分布判斷系統(tǒng)是否解耦或其解耦的程度，然后通過修改優(yōu)化變量提高系統(tǒng)在某些方向上的解耦率。在變壓器與變流器柜體組成的坐標(biāo)系統(tǒng)中，變壓器在作各階主振動時，其能量全部集中在6個方向，根據(jù)變壓器的質(zhì)量矩陣及振型矩陣，可以求出其在作各階主振動時的模態(tài)能量分布，寫成矩陣形式，便得到系統(tǒng)的能量分布矩陣eik。e代表解耦程度，若其值為100％，則系統(tǒng)作第j階模態(tài)振動時能量全部集中在第j個廣義坐標(biāo)上，此時振型矩陣[φik]中第j列第j行的非對角元素全為零，即第j階模態(tài)完全解耦。

在本實(shí)施例中，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式(1)所示，

式(1)中，y為優(yōu)化目標(biāo)，i為系統(tǒng)固有頻率的階數(shù)，k為最優(yōu)設(shè)計(jì)變量向量，φii(k)為對應(yīng)于第i階固有頻率的振動占優(yōu)方向所占的振動能量百分比。通過matlab軟件的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)fgoalattain對減振墊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。減振墊參數(shù)包括減振墊剛度、安裝位置及安裝角度，在優(yōu)化時，可以只對單一的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以對多個參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化。在完成參數(shù)優(yōu)化后，再次通過式(5)所示公式計(jì)算求解變壓器系統(tǒng)動力學(xué)模型的1至6階的模態(tài)解耦率，并判斷模態(tài)解耦率是否大于80％，大于則完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，否則再次優(yōu)化減振墊參數(shù)，直到模態(tài)解耦率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本實(shí)施例的基于模態(tài)解耦技術(shù)的軌道交通變流器振動優(yōu)化方法，可快速、準(zhǔn)確確定變流器減振墊設(shè)置方案，降低減振墊與系統(tǒng)不匹配風(fēng)險。通過本方法所確定的減振墊設(shè)置方案，可以提高減振墊的使用壽命；同時，可有效降低變流器柜體整體振動，減少變流器柜中電氣部件的使用故障，降低變流器柜體吊耳振動大小，降低變流器柜體向車體的振動傳遞。

上述只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)落在本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。