稳性计算论文

2024-11-05

稳性计算论文（精选10篇）

稳性计算论文篇1

引言

高速公路的发展使得汽车交通安全问题日益成为一个社会性问题。而客车作为高速客运的重要工具,其运行品质的好坏直接影响到人的生命安全,因此解决客车乘坐安全性、舒适性紧密相关的操纵稳定性能问题,尤其是针对国产客车的研究,就显得尤为重要。

本文拟对客车进行动力学分析,建立三自由度模型,并采用VC++语言编制相应的操稳性模拟计算软件。该软件根据输入的客车参数以及车速,求解相应操稳性数据和特性曲线,由输出的数据以及曲线对客车进行评价。并以ZK6100H客车为例,对软件系统功能进行验证。

1、操稳性计算软件设计

1.1 建模

操稳性数学模型主要有简化的二自由度模型及线性三自由度模型。线性三自由度模型相对于简化二自由度模型而言,考虑了变形转向、侧倾转向、悬挂质量的影响,其结论与实际较为一致[8]。

线性三自由度模型建立在以下假设基础上:

(1)线性假设。即整车在低侧向角速度工况下行驶,车辆与轮胎特性比较接近线性,近似认为在一个车轴的内、外侧车轮上发生的侧偏特性变化基本可以相互抵消;

(2)沿车身方向的速度保持不变;

(3)忽略空气动力的影响;

(4)在一个车轴上车轮总的侧偏特性不受车轮上载荷转移的影响。

依据图1、2建立三自由度模型。

经过推导,可得三自由度模型运动微分方程为:

三自由度瞬态响应包括:在前轮角阶跃输入下,客车在某一车速下的横摆角速度响应、质心侧偏角响应、车身相对侧倾角响应及车身相对侧倾角速度响应。

其中,用稳态横摆角速度增益来评价稳态响应:

用ωr、β、和Φ的时间历程来评价瞬态响应,利用改进欧拉法来求解。

1.2 改进欧拉法

欧拉(Euler)算法是数值求解中最基本、最简单的方法。微分方程的本质特征是方程中含有导数项,数值解法的第一步就是设法消除其导数值,这个过程称为离散化。实现离散化的基本途径是用向前差商来近似代替导数,这就是欧拉算法实现的依据。

改进欧拉法,先用欧拉法求得一个初步的近似值,称为预报值,然后用它替代梯形法右端yi+1的再直接计算fi+1,得到校正值,这样建立的预报一校正系统称为改进的欧拉格式:

采用改进欧拉算法进行vc++编程。程序如下：

2、软件介绍

本客车操稳性模拟计算软件软件主要用于:在前轮转向角为阶跃输入的条件下,用户输入客车的相应参数后,在对话框中输出客车操纵稳定性的评价参数以及图像,进而对客车的操纵稳定性进行评价。

输入参数包括:整车质量,前轮转角,悬挂质量,侧倾力臂,车速,前轮侧倾转向系数,后轮侧倾转向系数,质心距前轴距离,质心距后轴距离,前轮侧偏刚度,后轮侧偏刚度,对X轴转动惯量,对Z轴转动惯量,对XZ轴惯性积,前回正力矩刚度,后回正力矩刚度,前悬架侧倾角刚度,后悬架侧倾角刚度,前悬架侧倾角阻尼,后悬架侧倾角阻尼。

参数输入界面如图3所示:

3、软件系统的功能验证

取一例客车的主要参数如图4所示:

参数输入后,运行软件计算所得曲线分别如图5、图6、图7、图8所示:

上述结果可知,从图5为客横摆角速度响应,ZK6100H在转向盘角阶跃输入下经过0.7s左右达到波动峰值,在经过大约2.5s后达到稳定状态。

图6为质心侧偏角响应,可知,汽车在转向盘角阶跃输入下,客车质心向相反的方向发生偏移,在1s左右达到最大偏移量,2s之后逐渐稳定在某一值。

图7为客车质心侧倾角速度响应,客车质心侧倾角速度在0.7s内达到极大值,之后迅速减小,之后又最大,出现波动衰减,最后当客车达到稳态响应时,质心侧倾角速度最后均趋近0。因为此时汽车做等速圆周运动了。

图8为相对质心侧倾角响应,客车在转向盘角阶跃输入下,客车悬架上下质量发生相对运动产生侧倾角,且侧倾角随时间逐渐增大,时间在2.5s左右之后逐渐达到某一稳定值。

4、结论

所编译的客车操纵稳定性计算软件也不是很完善,但还是能解决一般的问题,从而提高计算效率。ZK6100H操稳性的验证表明,本软件的功能达到了设计的要求。

本软件系统还存在一些不足,该软件只对客车进行了三自由度的分析,对客车的动力分析还不是有很深的了解,有待于进一步研究。

摘要：客车操纵稳定性的研究对于旅客运输安全性、舒适性有重要意义。本文利用VC++平台开发了客车操纵稳定性模拟计算软件,并以某中型客车为例,对该软件的可行性进行了研究。

关键词：操纵稳定性,三自由度模型,VC++软件开发

参考文献

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[8]王锋,孙永将,基于线性三自由度模型的操稳研究[J].轻型汽车技术2013:285-286.

稳性计算论文篇2

筒型基础海洋平台气浮拖航稳性分析

介绍了筒型基础平台充气浮运的浮稳性和自由运动周期的理论分析方法.气浮体的.浮稳性通过稳性高参数来判断,并提出了稳性高参数的计算式.气浮体的自由运动周期采用单自由度弹簧体系来计算,部分参数通过试验确定.理论计算得到的稳心半径与模型试验和现场原型试验的测算值非常吻合,气浮结构的静稳性分析理论和浮态分析理论得到了相互验证.最后利用气浮分析理论对一工程结构进行了计算分析.

作者：别社安赵冲久及春宁任增金作者单位：天津大学建筑工程学院,天津,300072刊名：天津大学学报(自然科学与工程技术版) ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY(SCIENCE AND TECHNOLOGY)年，卷(期)：35(2)分类号：P731.22 PV312关键词：气浮稳性分析筒型基础海洋平台

稳性计算论文篇3

关键词：钢质渔船；张网渔船；船舶稳性

中图分类号：U661.2+2 文献标识码：A 文章编号：1006--7973（2016）05-0040-02

舟山渔场地处东海，是浙江省渔民的传统作业区域。一直是中国最大的渔场，自古以来因渔业资源丰富而闻名，笔者所在的舟山市岱山县是一个传统的渔业大县，其所属渔业船舶数量也在国内排名靠前；在岱山县的渔船中，渔捞作业类型主要有以下几种为主：张网渔船，流刺网渔船，拖网渔船，蟹笼渔船，灯光围网渔船，灯光抄网渔船等，其中张网渔船所占比例较大。中国东海为季风气候区。夏季多受台风影响，冬季受冷空气影响常有大风，渔场作业海况经常比较恶劣。由于张网渔船的性能，稳性受大风浪海况影响较大，所以如何提高张网渔船的船舶稳性在渔业生产显得中尤为重要。

1.船型特点

常见张网渔船一般为尾机型船舶，航区为近海航区，主船体设置有压载水舱、鱼箱舱，冷藏鱼舱，机舱、燃油舱、淡水舱等；主甲板上划分为艏升高甲板、主甲板作业区、船员生活区、艉甲板等，主甲板甲板装载有网具及锚具、网绳等；作业人数，一般在12-18人左右。

2.装载及作业特点

在张网船满载出港时，渔船装载有淡水、燃油、食品、冰等，网具满载；作业过程中，由于网具的释放，渔船装载重量大大减轻，吃水减少；满载返航时，渔船渔货舱满载渔获物及冰，网具、锚具满载，其吃水最大；空载到港时，渔船淡水、燃油、食品、冰、饵料等消耗大部，但主甲板网具、定锚均满载，其重心位置最高，受风面积最大；故此分析对于张网类作业渔船，其危险工况为满载出港。

3.稳性校核

以6.4m张网渔船为例，其主要参数为：

总长Loa：45.00m 设计吃水d：2.65m

垂线间长Lpp：36.50m 型宽B：6.40m

型深D：3.40m 设计排水量△：433.2t

船员定额：12p 舭龙骨面积：6.00m2

其基本装载情况如表1所示：

利用COMPASS软件，对张网渔船的各工况进行稳性校核，校核的工况有：

（1）出港捕鱼（淡水、燃油、食品100%，冰100%）的工况下；

（2）满载返航（淡水、燃油、食品30%；渔货100%）的工况下；

（3）满载到港（淡水、燃油、食品10%、渔货100%）的工况下：

（4）捕鱼作业中（淡水、燃油、食品70%；冰95%）的工况下；

（5）空载到港（淡水、燃油、食品10%，冰50%）的工况下；

校核结果如表2所示：

4.存在问题

由以上稳性校核中可以看出，张网渔船在满载出港时，安全性存在的问题最大；这主要是由于渔船满载网具，甲板上装载有大量网具、锚等使得船舶重心上移；在满载出港的状态下，主船体内的载重：如燃油，淡水等基本满载，渔船吃水大，储备浮力减少；这都对船舶稳性造成较大影响，使船舶倾侧回复力矩减小；容易发生船舶倾覆。

5.解决措施

对船东来说，渔船生产的关键问题在于产量，张网渔船为了提高产量，希望尽量多的装载网具，而后果是使得船舶重心高度增加，另一方面，产量的提升，船舶载重等增加也会影响到船舶的初稳性、储备浮力等，另外还有自由液面的影响；所以对于渔船管理部门来说，为提高船舶稳性，提高渔船生产的安全性，主要从这几个方面人手。

（1）根据计算，严格控制网具装载数量；建议船东装载时，尽量将锚、网具等重物装载于网具舱；严禁在驾驶甲板及罗经甲板以上部位装载网具及其他重物；这样就能有效降低船舶重心，提高初稳性，使船舶静稳性力臂、最大静稳性力臂对应角和最小倾覆力臂得到提高，同时对张网渔船允许航行作业的风浪等级进行限定。

（2）由于近海渔船的建造习惯，张网渔船为方便作业，建造时往往船艏外飘，即船艏处宽度大于船舯处；这一方面造成了船舶重量的增加，重心增高，航行视线受影响；并且在航行过程中，因海况原因，海浪砰击时造成船舶的纵摇过大，纵向稳定性不足；对船舶的质量以及船员乘坐、工作环境都造成较大的影响。所以在建造时，就需要建议船东，尽量不要将船艏设计的过于宽大，并且严格按图施工，控制渔船的建造质量。

（3）在保证渔船干舷的前提下，增加船舶的固定压载，同时需要注意的是加装固定压载时，位置尽量贴近船底基线，如机舱间、尾尖舱、冷藏鱼舱等位置；对液舱加装制荡舱壁，减少自由液面对船舶稳性的影响。

（4）加装外龙骨，经多年实际使用证明，张网渔船自艏至尾加装外龙骨后，船舶稳性得到极大提高。适当增加舭龙骨的宽度及长度，使舭龙骨面积与L.B（船长×型宽）比率增大，达到减小船舶横摇，提高船舶稳性的目的。

6.结语

渔船稳性评估系统篇4

由捕鱼引发的事故和船舶的灭失位居海事部门事故发生数量的前列, 而这些事故通常由船舶失稳及与之相关的问题所导致。渔船船员通常不知道如何应对这些情况, 并且没有能力正确地评估他们的船舶正在遭受的风险。这就是我们试图去处理解决的问题, 即, 如何创建一个可以充当渔船船员助手的系统, 它能在任何时候, 以极为方便、清晰和易懂的方式, 提供不依赖于使用者培训水平的渔船稳性方面的信息。本研究呈现的是这样的一个系统:它有能力对大多数船舶负载条件下引发船舶不稳定的主要原因加以处理, 并以非常易懂的方式提供船舶稳性信息。最后, 通过对该系统可用性的分析, 展示了系统的易操纵性, 文章还提供了所得到的分析结果。

半潜载体的耐波性和浮态稳性研究篇5

關键词：半潜载体耐波性浮态稳性

中图分类号：U695.26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0041-01

1 声呐的概况

声呐实际上就是通过声波来对水下目标进行实际的定位与探测，其最初被英国海军刘易斯·尼克松于1906年发明，用于侦测冰山。为了能够满足距离的探测与识别的要求，主动声呐开始转向发展为被动声呐，继而发展成为低频和大孔径声呐。执行海床探测任务的声呐可以探测到15000 m甚至更深的水域的动静。目前常用的声呐传感器如图1所示。

探测方式主要分为球型和柱型两种，球型声呐的特点主要是方向性好，可以通过改变基阵的相位来控制声呐的扫描方向和距离。缺点是体积大，能耗也大，技术含量高，而且造价也高，目前主要装备在核潜艇上。而柱型声呐没有球型的探测距离远，回波的方向性和强度也没球型的好，但是其技术含量低，体积小。造价低，主要装备在常规潜艇上。该文中所研究的模型主要采用被动声呐中的柱型声呐。

2 载体的整体构造

整个载体外形为降落伞形状，这种构造上面是弧面，可增大接收面积，下面为圆锥，在移动的时候相对阻力较小。载体的内部共由五部分组成，由下至上分别是电矢量推进装置，电池，GPS接收机，声呐反射面，天线。天线是声呐被动发出波动的装置，是探测蛙人的主要设备，对天线的保护尤为重要。为确保天线的信号接收，经过压力测试后，决定采用玻璃钢罩。而声呐的反射面是单方面反射，因此将其按照玻璃钢罩的弧度铺设在天线下以增大接收面积。此外为确保投放载体的稳定性并尽可能的节约资源，半潜载体之间采用三角形的连接方式。

3 半潜载体的耐波性研究

一般探测方法依赖于声学传递浮标和水下运载体相对位置的信息，需要事先设置水声基阵，作业区域有限，受海洋和气象条件影响较大，水面船舶保障任务重，且作业效率较低，测量工序繁琐耗时，且难以满足水下运行器大范围快速作业需求。现有的水下定位技术，根据是否需要设置声基阵，分为水声定位技术和激光声遥感技术两大类。目前普遍使用系统为长基线、短基线和超短基线等水下声定位系统。但由于这些系统在布设、校准等方面都比较困难，费时耗资，灵活性差，不能机动，作用范围有限，不能满足水下定位的需求。而半潜载体体积相对较小，采用电矢量推动装置，在风浪较大的海面具有更强的适应性。整个系统重心低，耐波性较强。

4 半潜载体的浮态稳性研究

关于半潜载体的浮态稳性研究我们采用了两种方法，第一种是离散组合法，我们将半潜载体离散成基本的体素单元，借助AutoCAD平台进行建模，运用面向对象的方法和AutoCAD提供的Object ARX二次开发工具，对半潜载体在不同水线面下进行静水力要素的计算，然后进行组合，求得浮体的静稳性曲线。同时，引入倾斜角的概念，通过求取不同排水量下的稳性曲面，可以得到不同吃水、不同水线面下的稳性曲线。第二种则是表面压力法，这种方法受启发于流体动力学中的有限元思想，是把浮体表面采用三角形剖分技术对曲面进行分割，这样表面就分解成许多小的曲面单元，以平面三角形集合代替曲面，然后计算在某一倾角下每个小单元所承受的静压力，对静压力进行积分就可得到浮力的大小、方向和作用线，从而算出某倾角下的稳性曲线。通过研究可以得出半潜载体的浮态稳性相较与其他反蛙人探测设备有较强的优势。

半潜载体要配备有国际领先的GPS的动态定位系统，船舶动态可适当修剪，适当地安排预设远程控制系统，通过半潜载体的稳定性和压舱水稳处维护半潜载体的摆动周期。半潜载体被投放后，利用GPS相对定位原理确定水上GPS浮标坐标位置，然后再基于空间后方交会原理，利用超声波定位的方式，确定水下用户位置的水面-水下立体定位。然后再利用电矢量推动装置将其推回原设定地点。

5 结语

中国在半潜船的生产过程中，注重了半潜船的核心生产技术，在上海、广州造船最相关的设计院常用的国际船舶，属于未发表的研究的内部信息技术。国内外各大船社很少如此表现艇试验，半潜船的设计结构并不成熟，缺乏半潜船技术创新方面的计划，并缺少半潜船浮态稳性的结论。因此，这并不意味半潜载体的研究毫无头绪。半潜载体的耐波理论研究对半潜载体的安全具有积极意义，水流通常是均匀、连续的，水流是不可压缩的，研究半潜载体流波性时，假定水流非粘性的转动流体。可以用来拉普拉斯方程表达满足流场的速度潜力。此外，水流具有自由表面，能够满足半潜载体表面浮性。

参考文献

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[4]汪有良.半潜船运动建模与仿真[D].武汉理工大学，2011.

竞速轮椅的结构平稳性分析篇6

轮椅竞速是残疾人运动会上的一个竞技体育项目,既有100m的短距离和接力赛冲刺,又有5000m和马拉松的耐力较量,其比赛时的激烈程度不亚于健全人竞赛的体育项目。

竞速轮椅是轮椅竞速项目中残疾人运动员使用的特殊装备,靠运动员的双手推动驱动轮前进。使用竞速轮椅的运动员多为脊髓损伤或其他肢体障碍的运动员T51-T54级别中的有单腿或双腿活动受限的残疾人运动员。国际比赛中规定,轮椅的主体距地面高度不超过500mm,大轮直径最大不得超过700mm,小轮直径最大不得超过500mm。

在欧美等发达国家,残疾人运动员的比赛用竞速轮椅都是按照运动员人体尺寸和比赛行程量身定做的。竞速轮椅的座椅结构因运动员的伤残程度不同而不尽相同,轮椅的长度尺寸也因径赛项目距离的不同而有所不同。但我国相关方面的技术和经济等各方面条件还比较落后,残疾人运动员在选择国产轮椅(如图1)时非常受限。

为此,现场调研了大型比赛使用的各种竞速轮椅,对其进行了总结分析,并以1500m以内的中短跑竞速项目为例,对现有的国产轮椅结构进行了一些改进。采用Pro/E软件进行了三维实体建模,如图2所示。总体结构如下:前后轮水平中心距为1100mm,大轮车圈直径为661mm,小轮车圈直径为381mm。车架采用整体焊接式,为了使轮椅车架结构紧凑,从后面看竞速轮椅车架上框向内倾斜5°。主轴的设计避免了国产竞速轮椅中的一次或二次折弯,而是采用平直的后轴,可以减少后轴的应力集中。后轴的两端面焊接楔形块,使得组装上去的车轮向内倾斜,与竖直方向夹角为12°。后轮上安装的推进轮直径为400mm,管径为18mm,如图2所示。

2 竞速轮椅的动态平稳性

竞速轮椅是一种运动轮椅,结构不同于残疾人日常生活轮椅和休闲轮椅。除了材料方面,它的结构设计要满足竞速运动时的安全性和平稳性的要求。竞速轮椅的平稳性是行驶过程中的一种动态平衡的稳定性,包括直行稳定性、横向和转弯时的稳定性。这种动态平稳性必然影响到运动员手臂驱动后轮的动作,直接关系到残疾人运动员的疲劳程度、比赛成绩甚至生命安全。在比赛中,时有运动员在转弯时发生侧翻事故,这无疑会使运动员身体遭受二次伤害,因此研究竞速轮椅的结构平稳性对于运动员安全使用轮椅和提高运动员的比赛成绩至关重要。

现场调查表明,影响竞速轮椅动态平稳性的因素非常复杂,包括轮椅的材料、重量、结构、行驶路面条件、运动员体重、行驶速度以及运动员的操纵技术等。根据现场的统计资料,竞速轮椅在跑道转弯时易发生倾翻现象。在转弯时,运动员身体会与车身共同向内倾斜一定的角度,车体是否会发生倾翻现象,除了运动员的操纵技术和当时的行驶速度外,其中结构设计是否科学合理是一个非常重要的因素。

3 竞速轮椅的平稳性计算

结合竞速轮椅的使用情况,运动员在实际比赛或训练中,处于运动行驶状态的竞速轮椅在跑道上急速转弯时,常常发生横向失稳倾翻现象。对发生横向失稳倾翻的临界条件进行分析计算如下。

如图3所示,当竞速轮椅在跑道上以ω角速度转向时,产生的离心力F打破了竞速轮椅原有的受力平衡而在进入新的平衡状态。

由于离心力:

离心力产生的力矩:M1=Fhcos(α-θ)

而重力产生的力矩:M2=G(L-a)sinα,点C处支撑力产生的力矩:M3=NHcosθ,由力矩平衡M1+M3-M2=0。

式中:H为两后轮之间的距离;L为前轮和后轮之间的水平距离;a为轮椅质心与后轮轴的水平距离;h为轮椅质心的离地高度;R0为质心处的转动半径;R为后轮轴中点的转向半径;α为轮椅轴线与AB连线的夹角;θ为轮椅轴线与AB连线的夹角;ω为转向角速度;g为重力加速度。

分析上式:竞速轮椅的受力情况,引起内轮C点处支撑力N大小、正负变化的因素主要有转向离心力F对AB翻转轴的力矩和竞速轮椅重力对AB翻转轴的力矩。而竞速轮椅发生横向失稳倾翻的条件是N≤0,临界条件是N=0,将N=0代入式中,求得轮椅的临界行驶速度为:

因此,在此状态下,竞速轮椅是否会发生横向失稳倾翻,取决于它转弯行驶速度是否超过了这个临界值。此即为轮椅转弯时临界倾翻条件。

分析上式可知,由于轮椅的结构尺寸-前轮和后轮之间的水平距离L以及轮椅中心轴线与AB连线的夹角α是定值,当跑道转弯半径一定时,轮椅质心与后轮轴的水平距离a以及轮椅质心的离地高度h是决定轮椅临界行驶速度的两个重要的敏感因素,要想避免发生横向翻倾,就必须减小这两个因素的数值,因此提高了临界行驶速度,从而增大行驶安全系数。也就是竞速轮椅的质心在水平方向上应该尽量靠近后轮轴,在竖直方向上要尽量降低离地高度。

将本文中竞速轮椅的各部分尺寸带入上式中:L=1100mm,a=100mm,H=395mm,h=340mm,tanα=0.1795,考虑标准操场的转弯半径为36m,则R=36197.5mm,求得临界行驶速度v=13.684m/s。即该竞速轮椅不发生横向失稳倾翻的条件为:行驶速度不能超过13.684m/s。经查阅历届残疾人运动会的轮椅竞速的比赛成绩,最高的成绩是1992年汉城残奥会上的200m轮椅竞速中,中国的黄瑞雄以19.8s获得了冠军,其平均速度为10.10m/s,可知本文中经过改进的竞速轮椅满足横向平稳不会倾翻的安全要求。

参考文献

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稳性计算论文篇7

信号的平稳性检验在随机信号处理中起着十分基础的作用。由于平稳信号和非平稳信号的性质差别显著,因此在处理信号之前先行判断它的平稳性就显得尤为重要。虽然信号平稳性的定义十分明确,但是实际判断过程却是复杂的,例如观察尺度对信号平稳性判断就有很大的影响。

这一领域的研究已经取得了一定的成果。一些人提出了受限和带参数的非平稳性判定方法,而另一些人则将他们的平稳性判定建立在对原始数据的一些假设上[1]。而对于更一般信号的平稳性检验的研究还没有取得太多成果。文献[2,3]中又提到了这一问题,并且提出了一种新的检验平稳性框架。这一框架混合了时频透视法和有名的替代数据法[4,5]。它的基本思想是引入“可控噪声”,即替代数据。并且由于替代数据的一些特性,它可以作为平稳性的评判标准。本文参考了文献[6]中的平稳性检验方法,设计了一个信号平稳性检验系统,并在Matlab的GUI 开发环境下实现了图形用户界面的设计。实践表明,本系统不但提供了友好的用户界面,并且可以方便地完成信号的平稳性检验。

1 平稳性检验原理

1.1 平稳性定义及其检验的重要性

假设有一个高斯过程{xl(t)}(-∞<t<∞),其中xl(t)是样本函数。令E为求取平均的符号,则:

$μ_{x} (t) = E [x_{l} (t)] (1)$

为任意确定t时刻的全体平均。同时:

$r (t_{1}, t_{2}) = E [x_{l} (t_{1}) x_{l} (t_{2})] (2)$

被称为自相关函数(ACF)。

对于一个弱平稳过程,它的μx(t)和r(t1,t2)都是时不变的或者说与时间无关的。因此有:

$\begin{array}{l} μ_{x} (t) = c o n s t (3) \\ r (t_{1}, t_{2}) = E [x_{l} (t + τ) x_{l} (t)] = r (τ) (4) \end{array}$

式中:τ=t1-t2被称为时延。因此,对于平稳高斯过程{xl(t)},它的自相关函数或者它的功率谱密度函数(PSD)为:

$S_{x x} (ω) = \int_{- \infty}^{\infty} r_{x x} (τ) e^{- j ω τ} d τ (5)$

足以确定它的性质[7]。

另一方面,如果{xl(t)}是非平稳的,它的μx(t)和r(t1,t2)就是时变的或者说和时间相关的。这样它的PSD就应该放在时频域分析[8]。

由此可见,平稳性检验是任何信号处理前必不可少的一步,它决定了后续处理可以使用何种方法。

1.2 替代数据

替代数据的概念最初是由Theiler和其合作作者提出的[4],这种技术是用来产生一种所谓的“替代数据”,这种替代数据是平稳的,同时保持了原数据的一些相关的统计特性。

Theiler在文献[4]中提出了一种具体的产生替代数据的方法。由这种方法产生的替代数据是平稳的,同时保持了原数据的二阶统计特性。具体地说,替代数据保持了原数据功率谱的幅度值不变。

根据Wiener-Khintchin理论,信号的功率谱等于其傅里叶变换的幅值平方。因此保持信号的功率谱幅度值不变,就是保持其傅里叶变换的幅度值不变。因此,假设原数据为x(t),它的傅里叶变换为X(f)=∫e-i2πtfx(t)dt。则替代数据s(t)由:

s(t)=∫ei2πtf|X(f)|eiφfdf (6)

产生。其中,φf是在[-π,π]上均匀分布的随机相位。这样就保证了s(t)和x(t)有相同的傅里叶变换幅值。在下面的例子中也可以看到,这样产生的s(t)也是平稳的。

1.3 时频分布

时频分布主要用于分析非平稳随机信号的功率谱。由于非平稳随机信号的功率谱是时变的,因此在原来功率谱的基础上再引入时间轴,成为时频分布(TFD)。TFD可以显示出信号的功率谱随时间的变化情况。

具体来说,根据文献[9]中的定义,信号x(t)的时频分布Sx,K(t,f)可以表示为:

$S_{x, Κ} (t, f) = \frac{1}{Κ} \sum_{k = 1}^{Κ} | \int_{- \infty}^{+ \infty} x (s) h_{k} (s - t) e^{- i 2 π f s} d s^{2} | (7)$

式中:hk(t)是k阶Hermite函数,定义式为:

$h_{k} (t) = \frac{1}{\sqrt{k! 2^{k} \sqrt{π}}} e^{- t^{2} / 2} Η_{k} (t) (8)$

式中:Hk(t)是k阶Hermite多项式。

1.4 平稳性检验

平稳性可以体现在频谱随时间的波动上。具体来说,对于平稳信号,其频谱不随时间变化;而对于非平稳信号,其频谱会随时间改变。因此,可以通过比较不同时间点上频谱的相似程度来判断信号的平稳性。

按照文献[4]中的检验方法,定义不同时间点上的频谱与频谱平均值的距离c $_{n}^{(x)}$ 为:

c $_{n}^{(x)}$ =κ(Sx,K(tn,·),<Sx,K(tn,·)>n=1,2,…,N) (9)

式中:符号“<>”表示求取平均。这里采用文献[10]中的距离定义:

$\begin{array}{l} κ (G, Η) = (1 + \int | \log \frac{G (f)}{Η (f)} d f |) \cdot \\ \int (\tilde{G} (f) - \tilde{Η} (f)) \log \frac{\tilde{G} (f)}{\tilde{Η} (f)} d f (10) \end{array}$

式中:符号“～”表示对应函数的归一化函数,例如 $\tilde{f} (x) = f (x) / \max (f (x))$ 。

距离c $_{n}^{(x)}$ 随时间的波动情况Θ1可以被定义为c $_{n}^{(x)}$ 的方差,即:

$Θ_{1} = \frac{1}{Ν} \sum_{n = 1}^{Ν} (c_{n}^{(x)} - < c_{n}^{(x)} >)^{2} (11)$

根据替代数据的定义,它是平稳的。将替代数据的c $_{n}^{(x)}$ 随时间的波动情况记作Θ0。通过比较Θ1和Θ0,可以确定原数据的平稳性。具体来说,将Θ0的概率密度函数记作f(Θ0),选定适当的门限γ,若f(Θ1)<γ,则判为非平稳随机信号,反之则判为平稳随机信号。

2 用户界面生成

2.1 Matlab中用户界面的生成

Matlab为用户设计图形界面提供了一个高效、方便的集成环境。在Matlab中,基本的图形对象主要包括坐标轴、控件、下拉菜单和内容菜单。用户可以通过这些对象设计出界面友好,功能强大,操作简单的图形用户界面。图形用户界面的生成主要分为以下几个步骤:

(1) 规划所设计的图形用户界面,主要包括:确定需要哪些窗口,每个窗口怎样布局,窗口中的各个对象各有什么功能,对象之间如何配合工作,以及相应的异常处理;

(2) 在Matlab提示行下输入GUIDE,载入用户界面开发环境;

(3) 利用Layout Editor,完成用户面板以及界面的制作,并对相应的按钮及控件属性进行适当的设置;

(4) 在Programme Editor中编辑各个对象的回调函数,实现各个对象的具体功能;

(5) 利用Mfile 编译器生成客户端,完成随机数据仿真系统的设计。

2.2 用户界面介绍

本文所实现的用户界面主要包括两个窗口,分别是主窗口和数据生成窗口。由于Matlab对保存绘图区域有限制,因此设计时没有在窗口中设置固定的绘图区域。窗口只相当于一个命令菜单,所有的绘图将会以独立窗口的形式根据用户需求动态产生。这样便于用户对比和保存图片。下面对主要窗口分别加以介绍。

2.2.1 主窗口介绍

主窗口如图1所示。主窗口主要用于绘制原数据和替代数据的各种波形以及显示平稳性检验结果。

其中,“Create / Open Original Data”按钮用来打开数据生成窗口。

“View / Change Parameters”按钮用来查看或改变当前仿真参数,它在原始数据存在的情况下才有效。主要的仿真参数有:

“Time Scale of TFD”和”Frequency Scale of TFD”用于确定绘制TFD图片时的时间/频率轴采样周期,由于计算和显示时频分布图比较耗费时间,将采样周期设大,可以提高速度,但是相应的时频分布图的分辨率会下降。

“Max Level of Hermite Function”用于确定求TFD时所使用Hermite函数的最高阶数。最高阶数越高,则分辨率越高,但是相应的计算时间会加长。

“The Number of Surrogates”用于确定平稳性检验时所用的参考替代数据个数。个数越多,则检验结果越精确,但是会极大地延长计算时间。

“Create Surrogate”按钮用于产生替代数据,其在原始数据存在的情况下才有效。由于替代数据具有随机性,因此用户可以多次产生不同的替代数据,观察它们的性质。

右上方的下拉菜单用于选择需要绘图或者保存数据的对象,主要包括原始数据的时域、频域和时频域图,替代数据的时域、频域和时频域图,以及替代数据的平稳度分布。它在原始数据存在的情况下才有效。

“Show Selected Plot”按钮用于在新窗口中绘制下拉菜单所选图线,它在原始数据存在的情况下才有效。

“Save Selected Data”按钮用于保存下拉菜单所选图线对应的数据,它在原始数据存在的情况下才有效。

2.2.2 数据生成窗口

数据生成窗口如图2所示。数据生成窗口主要用来产生实验用数据或者打开已经存在的实验数据。

“Creat Original Data”按钮用来产生测试用数据。按下此按钮后会提示输入产生数据用的参数。由于数据是通过公式:

$x (t) = \sin [Ρ_{1} \sin (Ρ_{2} t) t] (12)$

产生的调频信号,因此需要确定参数P1和P2,另外还要确定t的区间和采样周期。数据成功产生后会在新建窗口中显示该数据时域波形。如果当前存在数据波形,将会覆盖它。

“Open Original Data”按钮用来打开已经存在的数据文件。选择好文件后会提示输入参数。主要包括读入数据的时间起点、时间采样周期和数据长度。数据成功读入后会在新建窗口中显示该数据时域波形。如果当前存在数据波形,将会覆盖它。

“Confirm”按钮用于确认新建窗口显示的数据就是用户想要的数据,并返回主窗口。它在创建或打开的数据存在的情况下才有效。

3 数据仿真和分析

将实验数据取为调频信号x(t)=sin(sin(t/8)πt)。t起始为0,采样周期为0.1 s,数据长度为400个点,其时域波形和频域波形如图3所示。

由式(6)产生的替代数据s(t)的时域波形和频域波形如图4所示。

由图3和图4不难看出,替代数据与原数据的傅里叶变换幅值相同,但替代数据傅里叶变换的相位是随机的。

图5显示了由式(7)计算得到的原数据和替代数据的时频分布图。由图5中可见,原数据的时频分布图有明显的结构性。它表明是非平稳的,而替代数据的时频分布图的结构性较原数据有明显减弱,表明替代数据的平稳性增加。

由式(11)计算得到的Θ0的概率密度函数f(Θ0)如图6所示,其中一共计算了1 000次替代数据。

由图6可见,替代数据的平稳度主要分布在0.02附近。数据的平稳度落在0～0.04之间可以认为是平稳的,而在此之外可以认为是非平稳的。

由式(11)计算得到的Θ1=0.046。位于上述区间之外,因此判为非平稳。这一结果也与图5所示的结果相吻合。

4 结语

利用替代数据法和时频透视法,并采用Matlab的GUI开发环境,设计了一个信号平稳性检验系统。该系统的用户界面友好。利用该系统可以观察信号及其替代数据的频域和时频域波形,检验信号的平稳性。

摘要：信号的平稳性检验在信号处理中起着十分重要的作用。介绍Matlab环境下设计和实现信号平稳性检验系统。该系统主要利用替代数据的平稳性特点,通过在时频域中分别计算原数据和对应替代数据的平稳度并相互比较,以实现对信号平稳性的检验。它可以求出输入数据的替代数据,并分析原始数据和替代数据的频域和时频域性质,同时还可以通过计算原始数据和替代数据各自时频域的变化程度来判断原始数据的平稳性。该系统提供了友好的用户界面。实验表明,该系统可方便地完成信号的平稳性检验,对于测试数据给出了较好的检验结果。

关键词：平稳性检验,替代数据,时频分布,随机信号

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稳性计算论文篇8

精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件, 其摩擦力矩的大小及平稳性是重要的性能指标。目前的实验测试表明, 滚珠丝杠副的摩擦力矩极不平稳, 存在较大的波动, 测量的重复性较差[1]。摩擦力矩的波动会直接影响传动的平稳性和定位精度, 较差的测量重复性也阻碍了对摩擦力矩影响因素的进一步研究。

Olaru等[2]建立了一个估计滚珠丝杠副摩擦力矩大小的模型, 但该模型对摩擦力矩的估计是一个平均值, 没有提及摩擦力矩的不平稳性。黄寿荣等[3]分析了滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素, 认为丝杠副摩擦力矩的归一化频率1Hz波动 (丝杠每转一圈, 摩擦力矩完成一个周期的波动) 是由丝杠的周期性加工误差所导致的, 但由于当时条件的限制, 没有进行相关的实验验证。

本文基于滚珠丝杠副的结构特点, 分析了滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素, 考虑滚珠与滚道接触点处的误差对接触载荷的影响, 提出了滚道加工误差对摩擦力矩影响的平均效应观点。

1 滚珠丝杠副摩擦力矩的理论分析

1.1 滚珠丝杠副摩擦力矩的构成

本文所指的滚珠丝杠副摩擦力矩, 是指预紧后空载情况下, 启动和停止过程之外的平稳运行过程中的摩擦力矩。由滚珠丝杠副的结构特点可知, 在平稳运行过程中滚珠丝杠副的摩擦力矩主要来源于以下几个方面:滚珠与滚道之间的摩擦、滚珠之间的摩擦、滚珠对返向器的冲击以及润滑剂的黏滞力。将上述几个方面产生的摩擦力矩分别用M0、Mb、Mr和ML表示, 则滚珠丝杠副的总摩擦力矩M可表示为[4]

1.2 滚珠丝杠副摩擦力矩波动频率的分析

由滚珠与滚道之间的摩擦所产生的摩擦力矩又称为预紧力矩, 主要受接触载荷和摩擦因数的影响, 该项摩擦力矩是由各个滚珠与滚道之间的接触力共同产生的, 因此可表示为

式中, Z为滚珠的个数;i为滚珠的序数;Qi为第i个滚珠的接触载荷;μi为第i个滚珠的摩擦因数;d为滚环直径。

考虑到各接触点处滚道的实际加工误差, 根据赫兹接触理论, 各接触点处的接触载荷可表示为

式中, kh为滚道的接触刚度;εi为接触点处法向的综合误差;δl为无误差理想状况下的法向弹性变形量。

将式 (3) 代入式 (2) 得

忽略各接触点处摩擦因数的微小差异, 对式 (4) 进行Taylor展开并略去高阶项, 得

由式 (5) 可以看出, 滚珠接触点处的滚道加工误差是以求和的方式影响预紧摩擦力矩的, 这说明滚珠丝杠副的螺距及滚道参数等误差对摩擦力矩的影响具有平均效应。

由于上述平均效应的作用, 故丝杠的周期性螺距误差、滚道圆弧半径误差以及滚道表面的波纹度等中高频误差不会导致摩擦力矩的周期性波动。这个结论与行业内的认识完全相反, 此前, 行业内普遍认为滚珠丝杠副摩擦力矩的波动主要是由上述误差产生的。

丝杠中径误差一般变化缓慢, 因此, 可能会导致摩擦力矩在丝杠全长上的不一致, 但力矩的这种波动频率很低。

由滚珠之间的摩擦所产生的摩擦力矩Mb主要受滚珠循环流畅性的影响, 此前通常认为Mb在丝杠副的总摩擦力矩中所占比例很小, 可以忽略[5]。此项力矩的波动一般应是非周期性的, 但如果由于某种原因, 使滚珠之间的作用力产生了周期性的变化, 该项力矩也可能会产生周期性的波动。

由滚珠对返向器的冲击所产生的摩擦力矩Mr主要受冲击力大小的影响, 文献[6]研究了减小该项冲击力的方法, 只要减小了该项冲击力, 其所产生的摩擦力矩即可减小。滚珠进出返向器的频率即为该项摩擦力矩的波动频率, 该频率可按文献[7]中的计算方法计算得到。

润滑剂的黏滞作用所产生的摩擦力矩ML与润滑剂的动力黏度和丝杠的转速有关, 润滑剂的黏度越大, 丝杠的转速越高, ML越大。在润滑剂和速度不变的情况下, ML应是一常值[8]。

2 滚珠丝杠副摩擦力矩实验及结果分析

2.1 摩擦力矩测量与分析方法

滚珠丝杠副摩擦力矩的测量是在摩擦力矩实验台上进行的, 实验台由普通车床床身、夹紧装置、传感器箱、采集卡 (采集仪) 和微机等组成, 结构如图1所示。

1.实验丝杠 2.传力杆 3.夹紧装置4.拖动杆 5.传感器箱 6.床身

实验时丝杠副1装夹在床身6上, 用夹紧装置3夹紧螺母, 通过传力杆2将丝杠副的摩擦力矩变换成压力, 传递到传感器箱5里面的上下两个力传感器上, 传感器输出信号由采集仪采集, 送微机存储并进行进一步分析。实验中, 丝杠旋转, 螺母做直线运动, 由拖动杆4带动传感器箱沿机床导轨运动。

为了研究摩擦力矩波动的原因, 需要提取摩擦力矩的频域特征, 本文采用AR (auto regressive) 功率谱来分析所得到的摩擦力矩信号。频谱分析方法通常用于平稳随机信号的分析, 而滚珠丝杠副的摩擦力矩信号中叠加了线性趋势项, 如果直接对原始信号进行AR功率谱分析, 所得到的频谱会因为非周期信号 (周期为0) 太强, 而导致周期信号的谱峰不显著。本文采用分段减掉信号均值的方法剔除非周期线性趋势信号, 消除线性趋势项的影响。

2.2 不同结构滚珠丝杠副的摩擦力矩特性

实验所用滚珠丝杠副包括内循环式、外循环插管式和外循环端部偏转式3种结构, 双螺母预紧。测量时, 丝杠轴转速为120r/min, LAN-32号润滑油润滑, 测量长度因丝杠不同而异, 采样频率为200Hz, 即丝杠每转一圈采样100个点。频谱分析采用归一化频率, 所谓归一化频率就是把丝杠每转一圈摩擦力矩产生一个周期的波动作为1Hz, 以下所提到的摩擦力矩波动频率都是指归一化频率。

从图2可以看出, 内循环式滚珠丝杠副摩擦力矩波动的频率成分主要有1Hz、17Hz和34Hz 3个分量, 计算可知, 17Hz和34Hz与该丝杠副中滚珠进出返向器的1倍频和2倍频相符。从图3可以看出, 插管式丝杠副摩擦力矩波动的频率成分主要有1Hz和17Hz两个分量, 计算可知, 17Hz与该丝杠副中滚珠进出返向器的频率相符。从图4中可以看出, 端部偏转式丝杠副摩擦力矩波动的频率成分主要有10.5Hz、21Hz、31.5Hz和42Hz, 计算可知, 这些频率与该丝杠副中滚珠进出返向器的频率及其倍频基本一致。

由上述分析可知, 内循环式及插管式滚珠丝杠副摩擦力矩除存在与滚珠进出返向器的频率相关的波动外, 还存在原因不明的归一化频率1Hz的波动, 而端部偏转式滚珠丝杠副的摩擦力矩则不存在该频率的波动。

2.3 润滑介质对摩擦力矩平稳性的影响

目前的研究[9]表明, 滚珠丝杠副中很难形成全膜弹流润滑, 但润滑对丝杠副的摩擦特性却有着非常重要的影响, 本文测试了LAN-32全耗损系统用油、46号导轨油以及2号锂基润滑脂等几种不同润滑介质对4006内循环式滚珠丝杠副摩擦力矩的影响, 测试时, 丝杠转速为60r/min。图5～图7所示分别是不同润滑介质润滑时的摩擦力矩波形, 波形的时间长度为8s。

从图5～图7可以看出, 随着润滑油黏度的增加, 丝杠副的摩擦力矩逐渐变小, 1Hz的波动也在减弱, 但是这种变化不是非常显著。就本实验中所使用的润滑油而言, 在60m/min的实验速度下, 摩擦力矩值较大, 1Hz的波动不能完全消除。但使用2号锂基润滑脂润滑时, 摩擦力矩较油润滑时小了很多, 而且1Hz的波动完全消除了。

2.4 归一化频率1Hz波动的原因讨论

上述实验结果表明, 除了外循环端部偏转式丝杠副以外, 内循环式和外循环插管式丝杠副摩擦力矩都表现出了1Hz的波动。按照本文提出的平均效应观点, 滚珠丝杠副的摩擦力矩是不应该出现这种周期性波动的。那到底是什么原因引起了摩擦力矩的这种波动呢?滚珠进出反向器所引起的波动在频谱图上已经得到了确认, 显然它不是引起1Hz波动的原因。而润滑剂的黏滞力所引起的摩擦力矩不会呈现如此规律的波动, 以前的分析认为1Hz波动是由于丝杠加工中的偏心所引起的预紧力矩波动[5]。但是本文的分析却表明, 滚珠丝杠副的摩擦力矩对加工误差有平均效应, 不会产生这种1Hz的波动。而且, 即使我们假设这种1Hz的波动是由加工误差所引起的预紧力矩变化导致的, 那么, 改变润滑剂的种类只可能减小这种波动, 却不可能完全消除这种波动, 而实验所得到的结果却是通过改变润滑状况可以完全消除这种1Hz的波动, 所以, 可以排除加工误差所引起的预紧力矩变化是这种1Hz波动的原因。理论分析和实验结果都表明, 滚珠进出返向器的冲击、润滑剂的黏滞力和加工误差所引起的预紧力矩变化都不是产生1Hz波动的原因, 那么, 导致摩擦力矩的这种1Hz波动的原因就应该是滚珠之间的摩擦。

通常情况下滚珠丝杠的导程误差一般是以2π为周期的误差[10]。由于该误差的存在, 使丝杠与螺母滚道之间的间隙也呈周期性变化, 这说明一圈内的滚珠所承受的载荷也是周期性变化的, 当丝杠副润滑不良时, 承载较重的滚珠会受到较大的摩擦阻力, 运动速度减小, 滚珠在间隙较小的地方发生拥堵, 导致丝杠副总摩擦力矩增大。由于在装配时, 一般每一列中都少装一个滚珠, 故滚珠的拥堵会使整个滚珠链首尾之间出现间隙, 滚珠在通过了较小的滚道间隙处之后, 会逐渐散开, 致使丝杠副的总摩擦力矩减小。滚珠的这种不断的拥堵和散开就导致了丝杠副总摩擦力矩的1Hz波动。

由这种波动产生的机理可知, 这种1Hz的波动通常发生在单圈多列结构的滚珠丝杠副中, 如内循环式和外循环插管式结构的丝杠副, 而对于一列滚珠有多圈的外循环端部偏转式丝杠副, 一般不会产生这种波动, 前面的实验结果也恰好证实了这一点。

2.5 实验验证

在滚珠丝杠副中使用间隔滚珠, 即将滚珠按一大一小间隔排列, 可以减小滚珠之间的相互摩擦[11], 但这种情况下, 承载滚珠数量减少, 降低了丝杠副的刚度, 国内一般很少采用。但为了验证本文提出的摩擦力矩归一化频率1Hz波动是由滚珠之间的拥堵和散开时的摩擦变化所致的观点, 可以采用该种方法。图8是对实验丝杠采用间隔滚珠后的摩擦力矩测量结果, 测量时, 丝杠采用LAN-32润滑油润滑。

对比图8和图5可以看出, 采用间隔滚珠后, 同样条件下, 摩擦力矩的波动显著减弱, 这充分说明, 摩擦力矩的归一化频率1Hz波动是由滚珠拥堵和散开时摩擦变化所引起的。这一结果也证实了本文上面的推断。

3 结论

(1) 基于滚珠丝杠副的结构特点, 分析了滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素, 考虑滚珠与滚道接触点处由加工误差引起的接触载荷的变化, 提出了滚道加工误差对摩擦力矩影响的平均效应观点。这一观点表明, 滚珠丝杠副的预紧摩擦力矩应该是平稳的, 不应该呈现出周期性的波动。

(2) 实验测试表明, 内循环式和外循环插管式丝杠副的摩擦力矩存在归一化频率1Hz的波动, 进一步的实验研究发现这种1Hz波动可以通过改变润滑状况而消除, 通过对归一化频率1Hz波动原因的讨论, 推断出滚珠丝杠副摩擦力矩的这种波动是由润滑不良情况下, 滚珠之间的拥堵和散开所致的。低速下, 滚珠丝杠副摩擦力矩的平稳性主要受润滑状况的影响。

(3) 要提高滚珠丝杠副摩擦力矩的平稳性, 需特别重视滚珠丝杠副的润滑设计, 提高滚道表面的磨削质量, 采用适当黏度的润滑介质, 以保证滚珠与滚道之间能形成良好的润滑油膜。

摘要：考虑滚珠丝杠副中滚珠与滚道接触处的误差对接触载荷的影响, 分析了滚道加工误差对滚珠丝杠副摩擦力矩的影响, 提出了该误差对摩擦力矩影响的平均效应观点。实验分析了内循环式、外循环插管式和外循环端部偏转式3种不同结构滚珠丝杠副的摩擦力矩特性, 实验研究了润滑介质对滚珠丝杠副摩擦力矩平稳性的影响。研究发现, 脂润滑时可以消除滚珠丝杠副摩擦力矩的归一化频率1Hz的波动。分析认为滚珠丝杠副摩擦力矩归一化频率1Hz的波动是因润滑不良情况下滚珠之间的拥堵和散开而导致的。

关键词：精密滚珠丝杠副,摩擦力矩,平稳性,润滑

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稳性计算论文篇9

关键词：连续减速带,重载汽车,平稳性

汽车超速行驶一直以来是导致交通安全事故的主要原因, 特别是大型重载汽车引起的安全事故不容小觑。为了保证道路行车安全, 有限限制其车辆速度是当务之急。到目前为止, 连续减速带是应用最为广泛的限制车速设施, 在减缓汽车行驶速度以及减少交通事故上起着重要作用。连续减速带最先在欧美各国得到广泛应用, 在我国也只限于在主要的城市道路上应用, 在高速道路上使用比较少。这可能与我国只限制研究其单一的减速带有关, 导致了应用范围。本文就利用相关软件对车辆重载以及减速连续带建立模型, 来研究其不同的车速在连续减速带上的平稳性。望对以后的道路设施提供一定的理论基础。

1 车辆重载以及减速连续带相关模型

车辆通过减速带的时间一般都很短暂, 并且期间车辆与测点之间的距离变化也非常小, 路面初始的不平度对于减速带的高度是不容忽视的。如果车辆在快速的情况下, 越过减速带时出现一定的跳车现象。因此, 如何减少其减速带给车辆带来的振动是亟待解决的问题。

1.1建立车辆重载模型

一般情况下, 车辆都是由车体, 悬挂系统以及车轮等组成的, 对于大型重载汽车的后轮所承受的重量比前轮大的多, 并且发生跳车现象后, 车轮对地面所形成的冲击力也比浅论大很多。因此, 对于后轮以及双排轮的重载汽车, 中排以及后排的振动可以叠加到考虑时间来计算。利用ADAMS/CAR来建立一辆重载汽车模型, 将车身简化一个质量为M的物体;m为车轮的质量;将悬挂系统以及车轮简化为刚度为k的弹簧, K1、K2、K3、K4分别为轮胎侧偏、轮胎径向、驱动轴弹性以及转向轴弹簧的刚度。具体的汽车部分参数如下表1所示:

1.2建立连续减速带模型

在本次研究中, 主要是以隧道口的连续减速带做为主要的研究对象, 并且通过利用ADAMS软件对其路面进行仿真模拟, 从而建立相应的连续减速带模型。在这里, 将路面的不平度进行忽略, 看其连续减速带的高度。如下图1所示建立的连续减速带模型, 具体的相关参数如下表2所示 (A-G为7种不同种类的连续减速带, H为减速带的高度, X为减速带的高度) :

2 计算分析连续减速带对重载汽车平稳性的影响

在进行仿真模拟时, 重载汽车则以每小时45千米到每小时85千米的速度通过以上几种不同种类的连续减速带, 从而得到相应的车速下车身垂向加速度的绝对值以及左右转向轮、左右驱动前后外轮的最大数值, 并且将加速度以及轮胎力的最大值随着不同车速的变化的车速特性曲线进行绘制。下面通过分析连续减速带的高度以及宽度来研究载重汽车的垂向加速度以及垂向胎力。

重载汽车在通过不同高度的减速带时, 车身的垂向加速度以及轮胎力就会随着车速的变化曲线而不断的变化。随着减速带的高度逐渐增大时, 其车身的垂向加速度也会不断增加。当车速达到每小时75km时, 车身的加速度随着减速带的高度变化较明显, 此时出现跳动现象, 不具有很好的稳定性;当减速带的高度达到7mm~8mm时, 低俗行驶的车身加速度随着车速的变化不明显, 说明其平稳性比较好;当减速带的高度达到4mm~6mm时, 车身的加速带变化也比较小, 说明减速带的高度在4mm~8mm之间时, 并且车速在每小时60km以下时, 车身的平稳性比较好。由其他的车速特性曲线得知, 车速在每小时75km以上的车速, 车的驱动前轮的轮胎力会随着车速的增大而相应的减少, 在减速带的高度为4mm~6mm时, 其驱动后轮胎力基本保持不变。因此, 对于限速每小时70km的道路, 在设置其连续减速带的高度应该为8mm, 能够达到良好的平稳性, 不至于发生车身跳动现象。

通过实验得知, 当汽车通过不同宽度的连续减速带时, 车身的垂向加速度以及轮胎力就会随着车度的变化而不断变化。在建立的模型当中, 可以看出, 重载的车身垂向加速度随着连续带宽度的增加而不断的减小, 并且当减速带的宽度达到550mm~600mm时, 其汽车自身的加速度就会随着车速的增大反而逐渐减小, 呈现反比, 就表示其平顺性的变化比较小, 这时的连续减速带也就不能能够起到很好的限速作用。对于载重汽车的行驶速度低于每小时55km时, 车身的加速度就会随着车速的增大反而减小, 其平稳性比较好。同时, 在低速的条件下, 其车身的加速度就会随着车速的增加而不断增加, 呈现其正比, 但是增加的趋势不明显, 相对比较平稳。在载重汽车的车速达到每小时75km时, 除了在减速带的宽度为450mm时, 所有的汽车身的加速度变化不够明显, 也就是说, 车身在减速带的宽度为450mm时, 其汽车的加速度发生较大的变化, 没有良好的平稳性。从其他的特性曲线可知, 车身转向轮以及驱动前轮的垂向轮胎力会随着减速带的宽度的不断增加而减小。同时, 当减速带的宽度超过600mm时, 其轮胎力就会随着减速带的增加趋势变小, 甚至保持一定的平衡性。另一方面, 通过模拟我们也发现, 驱动后轮轮胎力减速带的宽度并没有明显的关系, 可能是由于其两驱动轴的距离比较近, 从而影响了车身后轮胎的垂向轮胎力。通过上述所得, 对于限制车速的道路, 在设置连续减速带时, 其宽度设置为600毫米能够起到良好的减速效果, 并且时载重汽车保持原有的平稳性, 从而预防其交通事故的发生。

3 结论

总而言之, 在设置连续减速带时, 应充分考虑其周围道路情况, 通过上述的仿真模拟得知, 当减速带的高度为8mm, 其宽度为600mm时, 对于限制速度的道路, 起到良好的减速效果, 同时使车身保持平稳性, 减少交通事故的发生率。当然, 遇到对汽车行驶速度更为高的道路, 在设置其连续减速带时, 还应该做进一步的研究探讨, 具体的减速带尺寸应该在仿真模拟之后, 得到实验才能够确定, 从而付诸于实践。因此, 我国道路上的连续减速带的设计工作任重而道远。

参考文献

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[2]郑剑, 梁山, 朱勤等.路面连续减速带下汽车悬架的混沌振动分析[J].公路交通科技, 2011, 28 (1) :132-137.

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稳性计算论文篇10

随着经济的快速发展, 铁路运输作为我国主要的运输方式, 在我国国民经济中起着举足轻重的作用。中国铁路进入以 “高速、重载、绿色、智能”为特征的新时代。随着轨道车辆速度的不断提高, 传统的运输系统将不断面临许多新难题, 车辆运行速度的提高, 安全问题越显突出。车辆的运行平稳性指标的好坏直接影响乘客乘坐的舒适性和安全性以及货物的完整性[1]。因此轨道车辆的运行平稳性是影响车辆运行安全的关键因素。

对于轨道车辆运行平稳性的检测和评价, 国际化标准组织ISO和国际铁路联盟UIC分别制定了相应的标准, 美国、日本、欧洲国家和前苏联经过专门研究和实验, 在国际标准的基础上进行了修订, 制定了适合本国应用的具体方案。我国国家标准局和铁道部也制定了相应标准, 即GB5599 - 85和TB/T2360 - 93标准[2,3], 这两个标准的制定为轨道交通车辆动力学性能鉴定提供了依据。目前, 国外轨道交通发达的国家从车辆性能、轨道结构、悬挂系统以及减振材料等方面进行车辆动力学的研究, 取得的研究成果促进了本国车辆事业的发展。近年来, 我国在车辆动力学方面加大了投入, 各铁路车辆制造单位与高校合作, 通过理论仿真和实际测试相结合, 从多角度、多方位对车辆振动进行研究[4,5,6,7], 并在许多方面都已取得了很大突破和进展。但是, 目前对于车辆运行平稳性指标的评价, 还需要深入研究。

本文根据GB5599 - 83标准, 对车辆运行平稳性指标评估算法进行研究, 以Matlab7. 0为平台, 设计车辆运行平稳性评估算法, 运用该算法对地铁车辆进行平稳性指标评估。

1车辆平稳性评估算法的实现

该算法以Matlab7. 0软件为平台, 运用均值法修正直线区段的试验数据, 根据GB5599标准将数据以2 s为划分段, 共10段, 利用快速傅里叶变换对每段数据进行频谱分析。设计FIR数字低通滤波器提取频率为0 ~ 40 Hz之间的振动加速度数据。并以20 s为一分析段, 计算轨道交通车辆运行平稳性指标。对同一振动方向同时存在两种以上的频率成分的平稳性指标进行合成, 得出最终车辆运行的平稳性指标。

1. 1零线的处理

在测量过程中, 因环境条件以及其他因素的影响, 测试系统易产生零线漂移, 测试数据应修正。对于直线区段的测试数据, 利用均值法修正, 即:

式中, am为测试数据的均值; a'i为修正前的测试数据; ai修正后的测试数据; m为采样后的离散数据点数。

1. 2FIR数字低通滤波器的设计

在测量系统中, 采集系统输出的信号均为数字信号。为了抑制一定频域范围内的噪声和干扰, 提高计算精度, 设计数字滤波器在数字信号处理中占有很重要的地位。

窗函数法数字滤波器[8]的设计原理如式 ( 3) ( 4) 所示。

式中, H ( ω) 为给定滤波器频响函数; hd ( n) 为理想低通滤波器的单位冲激响应序列; w ( n) 为加窗函数, h ( n) 为实际设计FIR滤波器的系数向量。

利用matlab7. 0软件FDA工具箱设计FIR低通滤波器, 其参数为: 采样频率为实际采集所设置的采样频率, 在此设置为1 k Hz, 通带截止频率40 Hz, 阻带截止频率50 Hz, 通带最大衰减0. 1 d B, 阻带最小衰减80 d B。设置各项参数后, 可得出滤波器的各项性能指标。则FIR低通滤波幅频响应曲线如图1所示, 相频响应特性曲线如图2所示。

1. 3平稳性指标

对于平稳性指标以20S为一分析段, 其计算通式如式 ( 5) 所示。

式中, Wi为平稳性指标; Ai为振动波形频谱分析后在频率为fi时的振动加速度幅值; F ( fi) 为频率修正系数, 见表1所示。

以上平稳性指标适用于单一频率的等幅振动, 而实际上车辆振动为随机振动。从车体上测得的加速度包含了车辆振动的整个自然频率, 需将其按频率分组, 统计出每一频率中不同加速度的平稳性指标值。因此, 对多种频率成分, 则合成的平稳性指标采用式 ( 6) 计算。

式中, W1, W2, …, Wn为按频率分解, 并根据每段频率范围内的加速度幅值计算得到各自的平稳性指标。具体评价标准见表2所示。

注: 新造地铁车辆平稳性指标不应低于2级标准。

2车辆运行平稳性试验与分析

以Matlab7. 0为平台, 根据上述平稳性评价指标开发评估算法, 并将该算法应用于地铁车辆平稳性试验分析。

2. 1试验测点布置及数据采集

以公司生产的某地铁车辆在广州地铁公司进行平稳性试验, 车辆运行里程为5 000 km, 线路试验速度等级为20 ~ 120 km/h, 采用DDS16 /32动态信号测试系统进行加速度采集, 采样率设置为1K, 试验测点分别为司机室地板处、A车转向架中心上方车体地板处以及B车转向架中心上方车体地板处, 共5个测点。* 为加速度传感器的布置位置, 具体见图3所示。

2. 2试验结果与分析

在司机室和车体地板上布置加速度传感器, 测量AW0载荷下相应的振动加速度, 利用平稳性评估算法对测量数据进行分析和处理, 对地铁车辆运行平稳性指标进行评定。各测点平稳性指标最大值见表3所示。

采用快速傅里叶变换对车体振动加速度频谱分析, 以2 s为一段, 共10段。最终频谱图为10段频谱的均值, 见图4所示。

2. 3试验结论

地铁车辆各测点的最大平稳性指标如表3所示, 从表中平稳性结果分析可以得出以下结论。

1) 对地铁车辆进行乘坐舒适性能测试, 测试速度包括20 km / h、40 km / h、60 km / h 、80 km / h、100 km / h和120 km / h。在各速度级下车辆的水平方向和垂直方向的平稳性指标最大值均小于2. 5, 达到优级标准。

2) 对于地铁车辆在线路上运行时, 随着速度的提高, 横向和垂向平稳性指标都有所增大。

3结语

本文以GB5599 - 83标准为依据, 研究车辆运行平稳性评估算法。以Matlab7. 0为平台, 运用均值法修正直线区段的试验数据, 并利用MATLAB工具箱FDA设计出低通滤波器。按照标准要求, 设计出车辆运行平稳性评估算法, 运用该算法对地铁车辆平稳性指标进行评估。从试验数据计算结果看来, 车辆运行速度逐渐提高时, 其平稳性指标有所增大, 均小于2. 5, 试验结果表明该算法是可行的。

摘要：车辆运行平稳性指标是直接影响乘客乘坐舒适性以及货物的完整性的关键因素。对GB5599-85标准进行分析, 实现了对车辆运行平稳性指标的评估。以MATLAB7.0为平台, 运用均值法修正直线区段的试验数据, 并利用MATLAB工具箱FDA设计出低通滤波器。按照标准要求, 设计出车辆运行平稳性评估算法。运用该算法对地铁车辆平稳性指标进行评估, 试验结果表明该算法是可行的。

关键词：平稳性指标,均值法,低通滤波器

参考文献

[1]万里翔, 许明恒.铁道车辆运行平稳性评价方法的研究[J].铁道机车车辆, 2001 (1) :8-11.

[2]国家标准局.GB5599-85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].

[3]国家标准局.TB/T2360-93铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S].

[4]周劲松, 张洪, 任利惠.模态参数在铁道车辆运行平稳性研究中的运用[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2008, 36 (3) :383-387.

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