一种基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，包括如下步骤：S1.建立变压器磁致伸缩力坐标系，确定变压器质量和惯量；S2.设置减振垫参数，所述减振垫参数包括刚度、位置坐标和角度；S3.建立变压器系统动力学模型；S4.求解所述变压器系统动力学模型的预设阶的模态解耦率；S5.当所述模态解耦率均大于预设的解耦标准时，确定所述减振垫参数，完成变流器振动优化，否则设置优化目标函数，优化减振垫参数，跳转至步骤S4。本发明专利技术具有可快速、准确确定变流器减振垫设置方案，降低减振垫与系统不匹配风险等优点。

A vibration decoupling optimization method for rail transit converter based on modal decoupling technique

The invention discloses a rail vibration converter optimization method based on modal decoupling technique, which comprises the following steps: establishment of S1. transformer magnetostrictive force coordinate system, determine the quality and inertia of transformer; S2. setting parameters of the vibration damping pad, pad parameters including stiffness, position and angle; establish the system dynamics model of S3. transformer; the default order S4. for modal decoupling of the transformer system dynamics model of the S5. standard rate; when the decoupling modal decoupling rate is greater than the preset time, determine the parameters of damping pad, complete vibration converter optimization, or setting the objective function of optimization and optimization of damping pad parameters, jump to step S4. The invention has the advantages of fast and accurate determination of the setting scheme of the vibration damping pad of the converter, and reducing the risk of the mismatch between the damping pad and the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法
本专利技术涉及一种轨道交通变流器振动优化领域，尤其涉及一种基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法。
技术介绍
现有的轨道交通车辆用变流器中，通常集成了变流器模块、控制箱和变压器等电气部件组成。由于变压器的重量较大，且变压器工作时产生的交变磁致伸缩力会传递至变流器柜体，振动过大时会严重影响到变流器模块、控制箱等电气部件的疲劳寿命及变流器柜体的结构强度。目前，变压器在变流器柜体中的固定方式较为简单，通过螺栓直接固定于变流器柜体上，或在变压器与变流器柜体之间安装减振垫，对减振垫的刚度和安装位置等参数的研究还很少，其结果极有可能导致减振垫性能不匹配而产生损坏。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种可快速、准确确定变流器减振垫设置方案，降低减振垫与系统不匹配风险的基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，包括如下步骤：S1.建立变压器磁致伸缩力坐标系，确定变压器质量和惯量；S2.设置减振垫参数，所述减振垫参数包括刚度、位置坐标和角度；S3.建立变压器系统动力学模型；S4.求解所述变压器系统动力学模型的预设阶的模态解耦率；S5.当所述模态解耦率均大于预设的解耦标准时，确定所述减振垫参数，完成变流器振动优化，否则设置优化目标函数，优化减振垫参数，跳转至步骤S4。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中所述变压器磁致伸缩力坐标系是以变压器磁致伸缩力变化中心作为系统坐标原点，以磁致伸缩力法向作为x轴，以磁致伸缩力最小且与x轴垂直的方向作为y轴的直角坐标系，z轴垂直于xy平面。作为本专利技术的进一步改进，所述变压器惯量包括x向平动惯量Jx、y向平动惯量Jy、z向平动惯量Jz、x向转动惯量Jxy、z向转动惯量Jxz、y向转动惯量Jyz。作为本专利技术的进一步改进，所述惯量通过LMSTest.Lab刚体模态测试方法测试确定。作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中所述变压器系统动力学模型通过MATLAB软件建立，所述变压器系统动力学模型包括变压器的质量、变压器的转动惯量、减振垫参数。作为本专利技术的进一步改进，步骤S4中所述预设阶的模态解耦率包括1至6阶模态解耦率。作为本专利技术的进一步改进，步骤S5中所述优化目标函数如式(1)所示：式(1)中，Y为优化目标，i为系统固有频率的阶数，k为最优设计变量向量，φii(k)为对应于第i阶固有频率的振动占优方向所占的振动能量百分比。作为本专利技术的进一步改进，步骤S5中，通过MATLAB软件的多目标优化函数fgoalattain对减振垫参数进行优化。作为本专利技术的进一步改进，步骤S5中所述预设的解耦标准为80％。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，可快速、准确确定变流器减振垫设置方案，降低减振垫与系统不匹配风险。2、通过本专利技术的基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法所确定的减振垫设置方案，可以提高减振垫的使用寿命；同时，可有效降低变流器柜体整体振动，减少变流器柜中电气部件的使用故障，降低变流器柜体吊耳振动大小，降低变流器柜体向车体的振动传递。附图说明图1为本专利技术具体实施例流程示意图。图2为本专利技术具体实施例变流器系统的动力学模型。具体实施方式以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本专利技术作进一步描述，但并不因此而限制本专利技术的保护范围。在实际应用中，变压器作为变流器柜体中的主要振源，在工作过程中，磁致伸缩引起变压器铁心振动，通过减振垫将振动传递至变流器柜体等部件，从而构成对气部件的潜在破坏风险。变压器振动引起的动能可表达为式(2)所示：式(2)中，T为系统振动总动能，为系统速度列向量，为的转置，[M]为系统质量矩阵。在第i阶模态频率下，系统的总能量为所有自由度振动所得的能量之和，如式(3)所示：式(3)中，TT为系统总能量，i为变压器模态的阶，wi为第i阶的模态，ui为第i阶的振型，{ui}T为ui的转置，[M]为变压器的质量矩阵，mkl为质量矩阵[M]第k行第l列的组成元素，l为质量矩阵[M]的列号，k为质量矩阵[M]的行号。同理，可以确定，第k向自由度的能量之和如式(4)所示：式(4)中，Tk为第k向自由度能量之和，i为变压器模态的阶，wi为第i阶的模态，ui为第i阶的振型，{ui}T为ui的转置，[M]为变压器的质量矩阵，mkl为质量矩阵M第k行第l列的组成元素，l为质量矩阵[M]的列号，k为质量矩阵[M]的行号。那么，在第i阶频率模态下，系统第k向自由度的振动能量百分比如式(5)所示：式(5)中，φik为振动能量百分比，Tk为第k向自由度能量之和，TT为系统总能量，i为变压器模态的阶，ui为第i阶的振型，{ui}T为ui的转置，mkl为质量矩阵M第k行第l列的组成元素，l为质量矩阵[M]的列号，k为质量矩阵[M]的行号。在第i阶频率模态下，各向自由度的振动能量百分比的最大值即为该阶模态的解耦度。解耦度的高低是检验系统性能是否优良的重要标准。在轨道交通的变流器振动优化中，一个重要方面就是要提高各项解耦度的最大值，特别是垂直方向及横向转动方向的解耦度。如图1所示，本实施例的基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，包括如下步骤：S1.建立变压器磁致伸缩力坐标系，确定变压器质量和惯量；S2.设置减振垫参数，所述减振垫参数包括刚度、位置坐标和角度；S3.建立变压器系统动力学模型；S4.求解所述变压器系统动力学模型的预设阶的模态解耦率；S5.当所述模态解耦率均大于预设的解耦标准时，确定所述减振垫参数，完成变流器振动优化，否则设置优化目标函数，优化减振垫参数，跳转至步骤S4。在本实施例中，步骤S1中所述变压器磁致伸缩力坐标系是以变压器磁致伸缩力变化中心作为系统坐标原点，以磁致伸缩力法向作为x轴，以磁致伸缩力最小且与x轴垂直的方向作为y轴的直角坐标系，z轴垂直于xy平面。在本实施例中，z轴为按右手迪卡尔准则依据坐标原点、x轴和y轴确定。变压器惯量包括绕x轴转动惯量Jx、绕y轴转动惯量Jy、绕z轴转动惯量Jz、对应于x、y平面惯性矩Jxy、对应于x、z平面惯性矩Jxz、对应于y、z平面惯性矩Jyz。变压器的质量和惯量可以通过实体测试确定。当然，惯量也可以通过LMSTest.Lab刚体模态测试方法测试确定。在本实施例中，步骤S3中所述变压器系统动力学模型通过MATLAB软件建立，所述变压器系统动力学模型包括变压器的质量、变压器的转动惯量、减振垫参数。在实际应用中，大多数变压器通过4个减振垫与变流器柜体柔性联接，本实施例中也以此为例构建6自由度动力学模型，如图2所示。在建立6自由度动力学模型后，可确定其有阻尼强迫振动微分方程如式(6)所示：式(6)中，[Mg]为系统质量矩阵，[Cg]为系统阻尼矩阵，[Kg]为系统刚度矩阵，X为变压器位移，为变压器速度，为变压器加速度，Q为激励向量。为使系统的固有频率不受外力的影响，只需对自由振动方程进行求解即可得到系统的模态参数，系统中可以将式(6)可简化成式(7)所示形式：式(7)中对参数的定义与式(6)中相同。同时，由于变流器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.建立变压器磁致伸缩力坐标系，确定变压器质量和惯量；S2.设置减振垫参数，所述减振垫参数包括刚度、位置坐标和角度；S3.建立变压器系统动力学模型；S4.求解所述变压器系统动力学模型的预设阶的模态解耦率；S5.当所述模态解耦率均大于预设的解耦标准时，确定所述减振垫参数，完成变流器振动优化，否则设置优化目标函数，优化减振垫参数，跳转至步骤S4。

【技术特征摘要】
1.一种基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.建立变压器磁致伸缩力坐标系，确定变压器质量和惯量；S2.设置减振垫参数，所述减振垫参数包括刚度、位置坐标和角度；S3.建立变压器系统动力学模型；S4.求解所述变压器系统动力学模型的预设阶的模态解耦率；S5.当所述模态解耦率均大于预设的解耦标准时，确定所述减振垫参数，完成变流器振动优化，否则设置优化目标函数，优化减振垫参数，跳转至步骤S4。2.根据权利要求1所述的基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，其特征在于：步骤S1中所述变压器磁致伸缩力坐标系是以变压器磁致伸缩力变化中心作为系统坐标原点，以磁致伸缩力法向作为x轴，以磁致伸缩力最小且与x轴垂直的方向作为y轴的直角坐标系，z轴垂直于xy平面。3.根据权利要求2所述的基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，其特征在于：所述变压器惯量包括x向平动惯量Jx、y向平动惯量Jy、z向平动惯量Jz、x向转动惯量Jxy、z向转动惯量Jxz、y向转动惯量Jyz。4.根据权利要求3所述的基于模态解耦技术的轨道交通变流器振动优化方法，其特征在于：所述惯量通过LMSTest.Lab刚体模态测...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾亚平，丁杰，王永胜，夏亮，臧晓斌，刘海涛，李振鹏，赵清良，
申请(专利权)人：株洲中车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43