城轨车辆悬挂系统弱小故障检测及性能劣化预测仿真研究

摘要

近年来，城市轨道交通凭借其运量大、高效准时、便捷舒适、节能环保等诸多优点成为中国许多城市大力发展的交通方式。悬挂系统作为城轨车辆的关键组成部分，对其进行早期的弱小故障检测以及整体性能劣化预测，不仅可以提高车辆运行的安全性，还可以基于设备状态制定针对性的维修计划，降低维修成本。本文针对城轨车辆悬挂系统弱小故障检测、悬挂系统安全等级评价以及悬挂系统整体性能劣化预测进行了较为系统全面的研究，并通过基于专业的多体动力学软件SIMPSCK搭建的城轨车辆悬挂系统故障仿真平台对研究方法进行了验证。论文的主要内容包括:
　　(1)研究了一种新的城轨车辆悬挂系统弱小故障检测方法。针对城轨车辆悬挂系统弱小故障检测问题，本文将故障数据构造成张量形式，丰富了故障信息。提出了多线性动态主元分析(MDPCA)算法，提高了故障特征提取的质量。引入Eros相似度量算法检测故障发生时数据特征的变化，采用分布式方法实现故障位置的分离。利用城轨车辆悬挂系统故障仿真实验平台与以往的DPCA、MPCA方法进行了对比，表明了本文方法对悬挂元件性能衰减10％以下具有更高的检测能力，提高了城轨车辆悬挂系统元件前期弱小衰减的检测水平，为实现城轨车辆在途安全监测与预警提供了有力的技术支撑。
　　(2)研究了基于经验模态相关性分析的城轨车辆悬挂系统安全等级评价方法。采用聚合经验模态分解(EEMD)以实现数据经验模态的提取，克服了模态混叠的问题，利用经验模态间的相关系数表征系统的安全等级。通过城轨车辆故障仿真平台验证，表明本文所用方法避免了传统层次分析-模糊综合评判算法在人为因素依赖性较强、评价结果有效性较低等方面的缺陷，提高了悬挂系统安全等级评价结果的可靠性。
　　(3)研究了基于SPSO-LSSVR的城轨车辆悬挂系统性能劣化预测方法。针对悬挂系统整体性能劣化的预测问题，本文建立了反映悬挂系统性能的评价指标，利用LSSVR算法建立预测模型，采用SPSO进行模型参数寻优。通过城轨车辆悬挂系统故障仿真实验平台对本文模型进行了验证，相比传统预测模型，本文建立的模型对悬挂系统性能的劣化程度具有更高的预测效率和预测精度。同时结合实际应用，分析了将车体及转向架加速度作为模型输入时的预测效果，并在横向、垂向上进行了对比研究，验证了本文所采用的方法在现场工程中的可行性，为从被动维修转向基于悬挂系统设备状态的主动维修提供了有价值的参考。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 城轨车辆悬挂系统故障检测研究概况

1．2．2 城轨车辆悬挂系统性能劣化预测研究概况

1．3 研究内容与技术路线

2 城轨车辆悬挂系统建模与仿真平台搭建

2．1 车辆悬挂系统构成

2．2 城轨车辆悬挂系统动力学分析及传感器布设方案

2．2．1 车辆悬挂系统的微分方程描述

2．2．2 车辆悬挂系统的状态空间模型

2．2．3 传感器布设方案

2．3 城轨车辆悬挂系统故障仿真平台

2．3．1 SIMPACK车辆动力学建模

2．3．2 SIMULINK外部力及通信接口设置

2．4 本章小结

3 城轨车辆悬挂系统弱小故障检测方法研究

3．1 悬挂系统弱小故障定义

3．2 城轨车辆悬挂系统弱小故障检测流程

3．3 数据预处理

3．3．1 张量构造

3．3．2 张量代数基本理论

3．4 悬挂系统弱小故障特征提取算法

3．4．1 基于多线性主元分析(MPCA)的特征提取

3．4．2 基于多线性动态主元分析(MDPCA)的特征提取

3．5 扩展的Frobenius范数距离(Eros)相似度量算法

3．6 分布式故障分离方法

3．7 方法验证及结果分析

3．8 本章小结

4 城轨车辆悬挂系统安全等级评价研究

4．1．1 层次分析法

4．1．2 模糊综合评判

4．1．3 方法验证及评价结果分析

4．2 基于经验模态相关性分析的悬挂系统安全等级评价研究

4．2．1 经验模态提取

4．2．2 经验模态相关性分析

4．2．3 方法验证及评价结果分析

4．3 本章小结

5 城轨车辆悬挂系统性能劣化预测研究

5．1．1 城轨车辆悬挂系统性能劣化评价指标选择

5．1．2 城轨车辆悬挂系统性能劣化预测流程

5．2 最小二乘支持向量回归理论

5．3 基于惯性权重动态调整的粒子群算法的模型参数寻优

5．4 方法验证及结果分析

5．4．1 基于加速度、动载荷、动行程指标的悬挂系统性能劣化预测

5．4．2 基于车体及转向架加速度的性能劣化预测

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要工作与结论

6．2 创新点凝练

6．3 研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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