基于磁流变技术的地铁短型浮置板轨道隔振器参数优化研究
Parameter Optimization of Subway Discrete Floating Slab Track Isolator Based on Magnetorheological Technology
地铁轨道交通给现代生活带来了便捷，但地铁列车行进中产生的轮轨振动也给周围环境、人体和设备等带来了影响或危害。浮置板轨道能够在较宽频范围内实现地铁轨道振动的有效隔离，但现有浮置板轨道采用的是被动（橡胶或钢弹簧）隔振系统，其隔振器参数不能根据激振情况实时可调可控，且受系统固有频率的影响，浮置板轨道对小于20Hz低频振动的隔离往往不甚理想，而这些低频振动却对人体、精密仪器有着重大的影响。因此，对浮置板轨道采用半主动隔振方式，研究隔振器刚度、阻尼参数优化方法，使浮置板轨道隔振系统在较宽的低频范围内实现对振动的有效隔离，对降低地铁轨道振动能量向地基及周围环境的传递具有重要意义。基于磁流变技术的磁流变脂阻尼器阻尼可调，磁流变弹性体元件刚度可调，且它们都具有响应速度快、功耗低、结构较简单、可控性好的特点，是目前半主动隔振研究的热点。本文以基于磁流变技术的短型浮置板轨道为研究对象，采用理论分析、仿真及试验结合的方式，对浮置板轨道系统的建模、轨道隔振器的参数优化方法、隔振系统仿真及隔振台架试验进行了研究，主要内容如下：(1)阐述了基于磁流变技术的浮置板轨道隔振研究的重要意义，综述了浮置板轨道研究和磁流变技术发展的国内外现状，简述了可用于轨道隔振器参数优化的相关算法，指出了现有浮置板轨道隔振技术的缺点和难点，提出了本文的主要研究工作。(2)在对轮轨激振力和浮置板轨道结构分析的基础上，建立了基于磁流变技术的短型浮置板轨道系统的三自由度动力学模型，并分析了磁流变轨道并联隔振器的工作原理，针对建立的浮置板轨道系统动力学模型，仿真并分析了激振频率、阻尼、刚度对其隔振效果的影响，为参数优化算法的设计提供了参考。(3)提出了短型浮置板轨道隔振的目标函数和约束条件，针对浮置板轨道的垂向振动，设计了用于优化隔振器刚度、阻尼的粒子群优化算法，为了平衡粒子群算法的全局和局部搜索能力，提出利用线性递减和最大熵策略来改进粒子群的惯性权重，使粒子群优化算法具有一定的自适应能力；针对隔振器在小刚度、小阻尼状态下，浮置板轨道可能会产生过大的纵摇和横摇振动，提出利用模糊计算的方法来对隔振器参数进行二次优化，来减小浮置板摇动的角度；将多节列车通过单个浮置板时的作用过程分为八个阶段，根据浮置板振动时是否受力又将这八个阶段分为强迫振动和自由振动两种状态，并提出了对应的隔振器参数优化策略。(4)建立了基于磁流变技术的短型浮置板轨道系统隔振仿真平台，利用m语言编写了参数优化程序，并在不同激振条件下，对橡胶支承和磁流变轨道并联轨道隔振器支承下的浮置板轨道系统进行参数优化和隔振仿真。仿真结果表明，在一定的激振条件下，自适应粒子群算法在搜索时间和搜索次数方面都优于基本粒子群算法；对于12Hz的简谐激振，磁流变轨道并联隔振器支承的浮置板轨道在经过了自适应粒子群算法参数优化后，其所得传递力是橡胶支承浮置板的20%，浮置板位移和加速度也较橡胶支承浮置板更小；针对浮置板轨道的纵摇和横摇，利用模糊计算的方法来对隔振器参数进行二次优化，使25Hz激振下浮置板的角位移在优化前后最大插入损失达3.75。(5)针对所研究的短型浮置板轨道系统，设计并搭建了浮置板轨道隔振试验台架，利用NI PXI硬件平台来采集浮置板轨道系统的传递力和加速度信号，编写了基于LabVIEW的采集软件程序，实现了信号的在线采集和实时显示，进行了初步的基于磁流变技术的浮置板轨道隔振试验。台架试验结果显示，在低频激振下，与橡胶被动隔振相比，基于磁流变技术的模拟短型浮置板轨道的传递力和加速度都有不同程度的下降，为今后深入开展试验平台的磁流变隔振器参数优化和控制打下了坚实的基础。
- 作者：
- 陈柯龙
- 学位授予单位：
- 重庆邮电大学
- 专业名称：
- 控制理论与控制工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 李锐
- 中图分类号：
- U211.3；U231.2
- 关键词：
- 浮置板轨道；磁流变脂阻尼器；磁流变弹性体；隔振；参数优化；仿真；台架试验
- floating slab track；MRG damper；MRE isolator；vibration isolation；parameter optimization；simulation；laboratory experiment