Análisis de viabilidad y desarrollo de metodología para la aplicación de métodos de identificación de subespacios al análisis modal de vehículos ferroviarios en circulación
Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de una metodología para la obtención de los parámetros modales de vehículos ferroviarios a partir de mediciones tomadas en vehículos en circulación. Este es un campo de gran interés dado que los métodos utilizados hasta ahora presentan fuertes inconveni...
| Main Authors: | , , |
|---|---|
| Format: | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Language: | spa |
| Published: |
Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra
2019
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://hdl.handle.net/10171/58013 |
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|---|---|
| author | Erviti-Calvo, L.M. (Lara Maria) Gimenez-Ortiz, G. (Germán) Alonso-Pazos, A. (Asier) |
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| description | Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de una metodología para la obtención de los parámetros modales de vehículos ferroviarios a partir de mediciones tomadas en vehículos en circulación. Este es un campo de gran interés dado que los métodos utilizados hasta ahora presentan fuertes inconvenientes tanto desde el punto de vista técnico como desde el punto de vista económico. Debido a las condiciones del ensayo y la naturaleza del sistema, los parámetros modales identificados con los métodos utilizados habitualmente pueden diferir considerablemente de los parámetros modales que mejor caracterizan el comportamiento del vehículo en circulación.
Para superar estas dificultades en la tesis se propone y desarrolla una metodología basada en mediciones realizadas con el vehículo en circulación. En ella se consideran como excitaciones las aceleraciones verticales medidas en caja de grasa y como respuestas las aceleraciones medidas en diversos puntos de caja y bogie. Para la identificación de los parámetros modales se emplea el método de identificación de subespacios determinista-estocástico (Combined deterministic-stochastic Subspace Identification, CSI). El estudio se ha centrado en los modos de vibración asociados a la dinámica vertical aunque también se ha explorado la posibilidad de extenderlo al resto de los modos.
El estudio incluye un análisis previo de las particularidades asociadas a la dinámica ferroviaria en relación a los requerimientos exigidos para la aplicación del método CSI. Asimismo, se ha estudiado bajo qué premisas puede considerarse que las aceleraciones verticales medidas en caja de grasa representan de manera precisa las excitaciones verticales que recibe el vehículo. El resultado de este análisis permite definir las condiciones relativas a la toma de datos y a su análisis. Con este mismo objetivo, a partir de la utilización de modelos sencillos, se ha introducido un nuevo coeficiente denominado MPEI (Modal Parameter Estimation Index) que permite valorar en qué medida distintos parámetros de análisis y del propio vehículo a identificar afectan a la precisión de la identificación.
Por otro lado, la excitación debida al paso de cada uno de los ejes del vehículo por las mismas irregularidades de vía pero en instantes de tiempo diferentes origina que existan vectores coincidentes en los subespacios de excitaciones futuras y pasadas, lo que da lugar al incumplimiento de una de las hipótesis que soportan el método CSI. El análisis realizado ha demostrado que el efecto de este incumplimiento se reduce a la eliminación de la parte del subespacio de respuesta libre del sistema debida a dichas excitaciones pero se mantiene la parte del subespacio debida al resto de excitaciones. Esto implica que el método sigue siendo aplicable, aunque con limitaciones. El efecto de la presencia de excitaciones repetidas y desfasadas se ha recogido en un coeficiente denominado RCE (Reduction Coefficient resulting from Excitations) que permite minimizar su influencia mediante la elección de las condiciones de análisis adecuadas.
La metodología desarrollada también incluye unos criterios para discernir, entre todos los modos identificados, los modos físicos de los modos matemáticos. Además se han definido unos estimadores del error de identificación. Los estimadores son diferentes según se estén analizando modelos teóricos o bien datos experimentales. En estos últimos se ha definido un estimador del error basado en la capacidad del sistema identificado de reproducir la respuesta medida. Otro de los aspectos tratados ha sido la selección del algoritmo de análisis. Se han analizado diversas variantes para la aplicación del método CSI, una de ellas de desarrollo propio, que se han comparado utilizando los resultados obtenidos con modelos de diferente nivel de complejidad. El algoritmo seleccionado ha sido el algoritmo PO-MOESP (Past-Outputs Multivariable Output-Error State sPace).
La aplicación del método CSI a un modelo tridimensional que tiene en cuenta la dinámica asociada al contacto rueda-carril ha permitido analizar la influencia de ciertos factores que no pueden ser tratados con modelos más simplificados y se ha empleado para definir los últimos aspectos de la metodología propuesta.
Para concluir la investigación, se ha aplicado la metodología de ensayo y análisis definida a un vehículo ferroviario de alta velocidad. Se han tomado registros en vía a diferentes velocidades de circulación a partir de los cuales se han identificado los parámetros modales del vehículo. Se han identificado correctamente los modos asociados a la dinámica vertical, que son el objeto de la tesis, y se han obtenido resultados prometedores en la identificación de los modos estructurales y de los modos asociados a la dinámica lateral. La validez de los resultados obtenidos se ha evaluado en base a la repetitividad de los resultados, los estimadores del error definidos y la comparación con los resultados del modelo matemático del vehículo ensayado. |
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Debido a las condiciones del ensayo y la naturaleza del sistema, los parámetros modales identificados con los métodos utilizados habitualmente pueden diferir considerablemente de los parámetros modales que mejor caracterizan el comportamiento del vehículo en circulación. Para superar estas dificultades en la tesis se propone y desarrolla una metodología basada en mediciones realizadas con el vehículo en circulación. En ella se consideran como excitaciones las aceleraciones verticales medidas en caja de grasa y como respuestas las aceleraciones medidas en diversos puntos de caja y bogie. Para la identificación de los parámetros modales se emplea el método de identificación de subespacios determinista-estocástico (Combined deterministic-stochastic Subspace Identification, CSI). El estudio se ha centrado en los modos de vibración asociados a la dinámica vertical aunque también se ha explorado la posibilidad de extenderlo al resto de los modos. El estudio incluye un análisis previo de las particularidades asociadas a la dinámica ferroviaria en relación a los requerimientos exigidos para la aplicación del método CSI. Asimismo, se ha estudiado bajo qué premisas puede considerarse que las aceleraciones verticales medidas en caja de grasa representan de manera precisa las excitaciones verticales que recibe el vehículo. El resultado de este análisis permite definir las condiciones relativas a la toma de datos y a su análisis. Con este mismo objetivo, a partir de la utilización de modelos sencillos, se ha introducido un nuevo coeficiente denominado MPEI (Modal Parameter Estimation Index) que permite valorar en qué medida distintos parámetros de análisis y del propio vehículo a identificar afectan a la precisión de la identificación. Por otro lado, la excitación debida al paso de cada uno de los ejes del vehículo por las mismas irregularidades de vía pero en instantes de tiempo diferentes origina que existan vectores coincidentes en los subespacios de excitaciones futuras y pasadas, lo que da lugar al incumplimiento de una de las hipótesis que soportan el método CSI. El análisis realizado ha demostrado que el efecto de este incumplimiento se reduce a la eliminación de la parte del subespacio de respuesta libre del sistema debida a dichas excitaciones pero se mantiene la parte del subespacio debida al resto de excitaciones. Esto implica que el método sigue siendo aplicable, aunque con limitaciones. El efecto de la presencia de excitaciones repetidas y desfasadas se ha recogido en un coeficiente denominado RCE (Reduction Coefficient resulting from Excitations) que permite minimizar su influencia mediante la elección de las condiciones de análisis adecuadas. La metodología desarrollada también incluye unos criterios para discernir, entre todos los modos identificados, los modos físicos de los modos matemáticos. Además se han definido unos estimadores del error de identificación. Los estimadores son diferentes según se estén analizando modelos teóricos o bien datos experimentales. En estos últimos se ha definido un estimador del error basado en la capacidad del sistema identificado de reproducir la respuesta medida. Otro de los aspectos tratados ha sido la selección del algoritmo de análisis. Se han analizado diversas variantes para la aplicación del método CSI, una de ellas de desarrollo propio, que se han comparado utilizando los resultados obtenidos con modelos de diferente nivel de complejidad. El algoritmo seleccionado ha sido el algoritmo PO-MOESP (Past-Outputs Multivariable Output-Error State sPace). La aplicación del método CSI a un modelo tridimensional que tiene en cuenta la dinámica asociada al contacto rueda-carril ha permitido analizar la influencia de ciertos factores que no pueden ser tratados con modelos más simplificados y se ha empleado para definir los últimos aspectos de la metodología propuesta. Para concluir la investigación, se ha aplicado la metodología de ensayo y análisis definida a un vehículo ferroviario de alta velocidad. Se han tomado registros en vía a diferentes velocidades de circulación a partir de los cuales se han identificado los parámetros modales del vehículo. Se han identificado correctamente los modos asociados a la dinámica vertical, que son el objeto de la tesis, y se han obtenido resultados prometedores en la identificación de los modos estructurales y de los modos asociados a la dinámica lateral. La validez de los resultados obtenidos se ha evaluado en base a la repetitividad de los resultados, los estimadores del error definidos y la comparación con los resultados del modelo matemático del vehículo ensayado. This thesis focuses on the development of a methodology for identifying the modal parameters of railway vehicles by employing measurements performed in vehicles under operating conditions. This is a field of great interest because the methods employed to date have important drawbacks from both the technical and economic perspectives. Due to the test conditions and the characteristics of the system, the modal parameters identified with the methods currently employed may differ considerably from the modal parameters that best characterize the behaviour of the vehicle under operating conditions. To overcome these difficulties, the thesis proposes and develops a methodology based on measurements performed on the vehicle under running conditions. In this methodology, the vertical accelerations measured at the axle-boxes are considered as excitations, and the accelerations measured on multiple points of the car body and bogies are considered as responses. The Combined deterministic-stochastic Subspace Identification method (CSI) is employed for identifying the modal parameters. The analysis has focused on the vibration modes associated with the vertical dynamics although the possibility of its extension to the remaining vibration modes has also been investigated. The study includes a preliminary analysis of the peculiarities associated with the railway dynamics regarding the requirements imposed by the application of the CSI method. Moreover, the premises for assuming that the vertical accelerations measured in the axle-boxes reliably represent the vertical excitations received by the vehicle have been studied. The result of this analysis allows to define the data acquisition and analysis conditions. With this objective, employing simplified models, a new coefficient named MPEI (Modal Parameter Estimation Index) has been defined, which allows evaluating in which way the different analysis and vehicle parameters affect the identification accuracy. Furthermore, the excitations due to the passing of each wheelset of the vehicle through the same track irregularities but at different time instants leads to the presence of coincident vectors in the subspaces associated with the future and past excitations. This implies non-compliance of one of the main hypotheses of the CSI method. The analysis performed has proven that the effect of this non-compliance implies the removal of part of the subspace of the free response of the system due to those excitations; however, the part of the subspace due to the rest of the excitations is maintained. This implies that the method is still applicable but with restrictions. The effect of the presence of repeated and delayed excitations has been gathered in a coefficient named RCE (Reduction Coefficient resulting from Excitations), which allows minimizing its influence by selecting the proper analysis conditions. The developed methodology also includes some criteria to distinguish, among all the modes identified, the physical modes from the mathematical modes. In addition, some estimators of the identification error have been defined. The estimators vary depending on whether theoretical models or experimental data is being analysed. For experimental data, the defined estimator is based on the capacity of the identified system to reproduce the measured response.Further, the selection of the algorithm for the analysis has been investigated. Different algorithms developed for the application of the CSI method have been analysed, including a self-developed algorithm. These algorithms have been compared using the results obtained with models of different complexity levels and based on this analysis, the PO-MOESP algorithm (Past-Outputs Multivariable Output-Error State sPace) has been selected. The application of the CSI method to a three-dimensional model that considers the dynamics associated with the wheel-rail contact has allowed analysing the influence of certain factors that cannot be treated with more simplified models. This model has been employed to define the last aspects of the proposed methodology. To conclude the investigation, the defined test and analysis methodology has been applied to a high-speed train. The modal parameters of the vehicle have been identified using measurements performed with the vehicle running at different speeds. The modes associated with the vertical dynamics, which are the objective of the thesis, have been correctly identified. Moreover, promising results have been obtained for the identification of the structural modes and the modes associated with the lateral dynamics. The validity of the obtained results has been evaluated based on the repeatability of the results, the error estimators defined and the comparison with the results of a mathematical model of the tested vehicle. 2019-07-17T09:58:37Z 2019-07-17T09:58:37Z 2019 2017-06-21 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis https://hdl.handle.net/10171/58013 spa info:eu-repo/semantics/embargoedAccess application/pdf Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra |
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