18390

۱۸۳۹۰

تحليل كارايي روش‌هاي كنترل فعال در كاهش نويز جيغ چرخ قطار

دكتري

ماشين هاي ريلي

آبان ماه ۱۳۹۶

دكتر داوود يونسيان

راه آهن

در سالهاي اخير به منظور كاهش اثرات زيست محيطي و افزايش راحتي سفر، كاهش نويز يكي از اهداف حمل و نقل ريلي قرار گرفته است و در دستورالعمل ها و استانداردها مورد تاكيد قرار گرفته است. يكي از آزاردهنده¬ترين صداها، نويز تك فركانسي و با شدت بالا بوده كه در هنگام عبور قطار از قوس‌هاي تند شنيده مي‌شود و به آن جيغ چرخ گفته مي شود. وجود قوس¬هاي تند متعدد براي مسيرهاي ريلي در مناطق كوهستاني و شهري به دليل وجود محدوديت‌هاي جغرافيايي و شهرسازي اجتناب ناپذير است. از سوي ديگر وقوع جيغ چرخ به خصوص در محيط¬هاي شهري باعث آزار مسافرين قطارهاي شهري و ساكنين اطراف اين خطوط مي شود. به دليل پيچيدگي هاي پديده جيغ چرخ تا به امروز راه حل قطعي براي آن ارائه نشده است. در اين پايان نامه سه روش نوين بر اساس عملگر پيزوالكتريك جهت كنترل و كاهش اين نويز پيشنهاد و كارايي آن موردبررسي قرارگرفته است. ابتدا جهت بررسي روش‌هاي پيشنهادي نياز به مدل‌سازي جيغ چرخ و تأييد صحت آن هست. بدين منظور يكي از كامل‌ترين مدل¬هاي ارائه‌شده شامل ديناميك چرخ، خط و تماس غيرخطي در حوزه فركانس و زمان مورداستفاده قرارگرفته است. مدلسازي در حوزه فركانس با هدف بررسي احتمال وقوع جيغ چرخ در مدهاي مختلف و تعيين مد‌هاي ناپايدار چرخ بكار گرفته مي‌شود. در مدل‌سازي در حوزه زمان علاوه بر موارد فوق امكان محاسبه تراز فشار صوت وجود دارد. اين مدلها با توجه به مشخصات ناوگان باري ايران پياده‌سازي شده اند. در مرحله بعد اندازه‌گيري ميداني جيغ چرخ در مسيرهاي ريلي شمال ايران انجام‌شده و صحت مدل بررسي و تأييد شده است. همچنين صحت مدل ارتعاشي چرخ با انجام تست مودال تجربي بر روي يك چرخ محور تأييد گرديده است. پس از مدل‌سازي و تأييد صحت آن،‏ كارايي روش‌هاي كنترلي پيشنهادي تحليل‌شده است. روش اول پيشنهادي به‌كارگيري پيزوالكتريك متصل به مدار شانت براي افزايش ميرايي چرخ و در نتيجه آن كاهش احتمال وقوع جيغ چرخ و كنترل نويز حاصل از آن است. بدين منظور عملگرهاي پيزوالكتريك به سطح بيروني چرخ متصل گرديده و كارايي اتصال آنها به دو مدار شانت رايج، مدار مقاومتي (R) و مدار داراي تشديد (RL)، مورد بررسي قرارگرفته‌اند. مدار مقاومتي در يك حوزه فركانسي گسترده ميرايي كم و مدار داراي تشديد در حوزه فركانسي محدود ميرايي بسيار بالا ايجاد مي‌كند. همچنين با دسته‌بندي پيزوالكتريك‌ها به دودسته و اتصال هر دسته به مدار شانت مختلف امكان ايجاد ميرايي در دو مود به‌طور همزمان محقق شده است. با توجه به نتايج مدل‌سازي نويز جيغ چرخ داراي يك يا دو مد ناپايدار است و با طراحي مناسب مدار شانت داراي تشديد و ايجاد ميرايي در اين دو مد ناپايدار احتمال وقوع جيغ چرخ به مقدار قابل ملاحظه¬اي كاهش‌يافته مي¬يابد. همچنين نتايج در حوزه زمان كاهش قابل‌توجه تراز فشار صوت را نشان مي‌دهند. در روش دوم پيزوالكتريك به‌عنوان يك عملگر و حسگر در يك كنترل‌كننده با بازخورد مورداستفاده قرارگرفته است. طراحي با هدف حداقل كردن اثر اغتشاشات وارده به سيستم (نيروهاي تماس) در خروجي (ارتعاشات چرخ) انجام شده است. براي طراحي كنترل‌كننده از تئوري كنترل‌كننده ‍PID با يك خودتنظيم شونده فازي استفاده شده است. اين كنترل‌كننده يك PID رايج است با اين تفاوت كه ضرايب آن به‌وسيله يك خودتنظيم شونده فازي با تغيير شرايط تنظيم مي‌شود. با توجه به نتايج اين روش توانايي حذف كامل جيغ چرخ را دارد. روش پيشنهادي سوم به‌كارگيري روش ديترينگ در كنترل جيغ چرخ قطار است. ديترينگ يك روش كنترل فعال حلقه باز است. در اين ‌روش يكي از سازه¬هاي در تماس با دامنه پايين و فركانس بالا به‌وسيله يك عملگر به ارتعاش درمي‌آيد. در اين پروژه تأثير ايجاد ديترينگ در ريل و چرخ به‌وسيله عملگر پيزوالكتريك بررسي‌شده‌اند. هر دو روش در محدوده فركانس خاصي باعث كاهش تراز فشار صوت مي‌شوند. در هر دو روش تراز فشار صوت در فركانس زير 300 هرتز بيش از 30 دسي‌بل كاهش‌يافته است. اما در فركانس‌هاي بالا عملكرد ضعيف‌تري داشته و ديترينگ چرخ باعث افزايش تراز صوت در فركانس‌هاي بالاي 3000 هرتز شده است.

1396/11/02

1/22/2018 12:00:00 AM

The improving transport quality and increasing its negative side effects always has been one of the main purposes of the rail industry. In this regard, suppression of noise made by moving trains has been considered for improving ride comfort of rail passengers and satisfaction of citizens around rail lines. One of the most annoying railway noises is wheel squeal of trains through passing sharp curves. The source of this noise is self-excited lateral vibration of wheel that it is the result of stick-slip phenomena on rail and wheel contact region In this thesis three new control method based piezoelectric actuators is presented for wheel squeal noise suppression. Firstly the wheel squeal noise is modeled in frequency and time domain. The models include wheel and track dynamics, nonlinear contact force and train dynamic model. The model is verified by railway wheel squeal noise measurement of a real freight train. Also the experimental modal analysis is applied for verifying modal data of railway wheel. The model is used for investigation performance of suggested control methods. First control method is increasing structural damping of wheel by attaching shunted piezoelectric patches on wheel. The application of two different shunt circle including resistance shunt circle and resonant shunt circle is investigated. The resistance circle can result a low damping on broad frequency band and the resonant circle results high damping on narrow frequency band. According modeling results, there are two main unstable modes. As results the piezoelectric patches is divided in two group and shunting circle of each group is tuned on a specified unstable mode of wheel. It causes depression of wheel squeal noise remarkably. The second method is active control vibration of wheel as source of squeal noise. For this purpose piezoelectric actuators and sensors is attached to wheel. The applied voltage of each actuator is determined by fuzzy self-tuning PID controller. It is similar to regular PID controller but its coefficient is calculated by a fuzzy self-tuning engine. This method could completely cancel wheel squealing noise. The last method is dithering control. Dithering is a high-frequency and very low amplitude excitation that applied on one of bodies that are connected. It can effectually negate the negative slope in the friction-creepage relationship. The applying dithering signal with different frequency and magnitude on wheel or rail are investigated separately. It is shown that dither control is effective in suppression of the wheel squeal noise.