高速列车开关式横向半主动悬挂系统的理论与实践

阐述了半主动悬挂系统的原理,介绍了基于天棚控制原理的开关式横向半主动悬挂系统的研制过程。利用车辆系统动力学仿真分析软件UM分析了车辆系统采用半主动悬挂改善车体振动性能的结果,确定了半主动悬挂系统的时滞范围和车辆过曲线时车体离心加速度的滤波频率范围。针对样机进行了简化的台架试验。仿真计算和台架试验结果均表明,采用开关式半主动悬挂系统可以有效地维持和断开减振器所提供的阻尼力,从而提高横向运行平稳性指标。     

半主动悬挂系统动力学性能仿真分析

以配装SW—200型转向架的动力学试验车为研究对象,对二系横向阻尼采用天棚半主动悬挂和开关半主动悬挂2种控制模式下的车辆动力学性能进行仿真计算分析。结果表明:半主动悬挂控制模式下的车辆蛇行失稳临界速度比采用被动悬挂控制模式时虽有所下降,但仍能满足运用要求。与被动悬挂控制模式相比,在直线上运行时,天棚半主动悬挂和开关半主动悬挂控制模式下的车体横向平稳性指标分别改善13%～18%和8%～16%,而且车辆运行速度越高,半主动悬挂控制模式对车体振动的控制效果越好;在曲线上运行时,半主动悬挂模式对车体横向振动仍有良好的控制作用;与开关半主动模式相比,系统时滞对天棚半主动悬挂模式控制车体振动的效果影响较大。     

半主动悬挂的横向和垂向阻尼系数对车辆动力学性能的影响

利用天棚控制原理和SIMPACK动力学软件建立了具有二系横向和垂向半主动悬挂车辆模型,分析在不同的半主动悬挂横向和垂向阻尼系数下,车体平稳性指标、构架加速度、轮对冲角和磨耗指数的变化情况,结果表明动力学性能之间存在多处相互矛盾的地方,在选择半主动悬挂横向和垂向阻尼系数时应合理安排,充分协调相互矛盾的动力学性能.     

开关式横向半主动悬挂系统的研制

开关式半主动悬挂系统可以提高高速列车的运行平稳性。文章介绍了开关式横向半主动悬挂系统的研制过程。样机台架试验结果表明,开关式横向半主动悬挂系统可以根据控制指令有效地维持和断开减振器所提供的阻尼力,从而提高旅客的横向乘坐舒适性。     

基于开关阻尼控制的铁道客车系统的动力学性能研究

建立具有23个自由度的铁道客车系统非线性数学模型。在客车二系悬挂系统中采用具有开关阻尼控制的横向半主动减振器,并考虑半主动悬挂系统的时滞。分析被动悬挂和具有开关阻尼控制的半主动悬挂客车在直线轨道上的蛇行运动稳定性和随机振动响应。研究半主动减振器的阻尼参数和半主动悬挂系统的时滞对客车系统临界速度和随机响应的影响。计算表明,尽管半主动悬挂使客车系统的临界速度低于被动悬挂,构架的横向加速度和轮轨横向力也要大于被动悬挂,但它能够大大减小车体的横向振动加速度,改善旅客的乘坐舒适性。     

基于加速度阻尼控制的半主动悬挂研究

半主动悬挂是改善铁道车辆振动、提高乘坐舒适度的有效对策。但由于铁道车辆的特殊性和复杂性,车辆动力学系统的精确数学模型很难获得,这限制了现代控制理论在实用化半主动悬挂中的应用;而天棚阻尼控制所需车体的绝对速度很难测量,若采用测得车体加速度积分得到车体绝对速度的方法,其传感器的误差和系统噪声会导致车体绝对速度产生误差,从而影响减振效果。基于上述原因,本文提出加速度阻尼控制方法,即采用与车体加速度成正比的振动衰减力来抑制车体振动,并对加速度阻尼控制方法稳定性进行理论分析和仿真研究。仿真结果证明:与被动悬挂相比,车体振动加速度有效值和最大值在各速度级分别减少了55%~63%和53%~66%,Sperling乘坐指数也得到明显改善;且加速度阻尼控制具有很好的鲁棒性和适应性。可见该方法能有效地提高铁道车辆的平稳性和乘坐舒适性。     

高速动车组半主动悬挂系统的研究

对高速动车组半主动悬挂系统进行研究,完成了半主动悬挂系统的理论分析、系统设计、控制策略设计、半主动减振器和控制器工程化样机的研制及系统的台架动力学性能试验等工作.台架试验采用实测不平顺轨道谱,对比了不同速度下半主动正常和半主动失效工况下车体的动力学性能指标,试验结果表明,研制成功的半主动悬挂系统能较有效地改善高速动车组车体的横向动力学性能.     

比例溢流阀式半主动悬挂系统仿真研究

利用建立的比例溢流阀式半主动减振器的数学模型、天棚阻尼半主动控制器模型和车辆系统动力学模型,分析常通节流孔直径和比例溢流阀调压误差对半主动减振器性能的影响.结果表明:采用比例溢流阀式半主动悬挂系统能够有效地减小车体振动,而且车辆运行速度越高改善效果越明显;根据建立的车辆系统动力学模型,对应车辆各速度等级,当天棚阻尼系数取100kN·s·m-1时,车辆运行平稳性指标取得综合最优;常通节流孔直径越大,半主动减振器响应越慢,其等效阻尼越小,半主动减振器阻尼力对控制器期望阻尼力的跟踪能力就越差,在振动频率为1Hz附近车辆的振动能量越大,并且调压误差系数仅对车体的横向高频振动有微小的影响.     

基于MATLAB软件的动车组转向架悬挂系统半主动控制仿真分析

基于CRH2高速动车组转向架悬挂系统结构,对列车垂直、水平两个方向建立动力学模型。利用模糊控制理论,对影响车辆运行平稳性的沉浮、点头、横移、侧滚及摇头等刚体振动进行控制策略分析。根据半主动控制系统的特性要求,提出采用磁流变阻尼替换原有油液阻尼,达到降低车体各个方向的振动加速度从而提升车体稳定性的目的。以中国干线铁路轨道功率谱密度为轨面激励发生基础,联合MATLAB软件中的Simulink模块进行整车性能仿真研究。仿真结果显示,该半主动控制悬挂系统能够较好地抑制两个方向的5种振动模式,对于改善车辆运行平稳性、降低转向架所受冲击力有良好的作用,在设计上可使用半主动控制的磁流变悬挂系统代替传统铁道车辆被动悬挂控制。     

我国高速列车横向半主动悬挂系统控制策略及控制方式

列车横向悬挂系统可分为被动悬挂和主动悬挂两种形式，半主动悬挂是主动悬挂的一种形式。传统的被动悬挂系统的参数无法在车辆运行的过程中实施调节，难以适应列车在高速运行时对平衡性的需求。为改善我国铁路提速后提速机车与动力车普遍存在的横向平衡性性能不佳的问题，二系横向悬挂系统采用主动悬挂方式势在必行，通过对主动悬挂系统中全主动悬挂，低频主动悬挂和半主动悬挂的特点分析，认为半主动悬挂以其能耗低，控制简单和失效导向安全性良好等优势，应是我国目前高速列车二系悬挂系统的最佳形式，在此基础上，对我国列车应采用的横向半主动悬挂控制策略和悬挂系统天棚减振控制原理作了阐述，进一步给出了半主动悬挂系统的实施方案及横向半主动天棚（shyhook)减振器的工作原理，指出针对半主动悬挂系统的车辆模型，控制方法，减振器结构和信号检测与分析等问题需进行重要研究。     

高速动车组半主动悬挂系统动力学性能仿真分析

介绍了基于天棚控制理论的半主动减振器原理,以CRH380A动车组头车为研究对象,对天棚阻尼系数和时滞对车辆动力学性能的影响进行了仿真分析.结果表明:天棚阻尼系数越大,车体横向减振性能越优,但系统允许的最大时滞减小;天棚阻尼系数的设计要同时考虑横向振动性能和系统时滞的影响.半主动控制模式比被动模式对车体横向振动的改善效果均比较明显,平均改善率超过20％.     

列车系统运行平稳性研究

在车辆动力学模型的基础上,建立由3辆拖车组成的列车动力学模型。建模过程中考虑列车系统中存在的轮轨接触几何关系非线性、轮轨蠕滑率/蠕滑力的非线性、钩缓装置作用力的非线性以及车辆模型一、二系悬挂作用力的非线性等因素。研究车间连接刚度和连接阻尼对列车运行平稳性的影响。仿真结果表明,车间横向连接刚度和横向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响较大,而车间垂向连接刚度和垂向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响很小。在列车中的相邻两车之间安装横向减振器能够有效地提高列车的横向运行平稳性,并能够改善列车的垂向运行平稳性。仿真结果还发现,在转向架悬挂参数相同的情况下,单一车辆的运行平稳性指标大于列车的运行平稳性指标。     

列车系统建模及运行平稳性分析

根据多刚体系统动力学理论,建立拖车和动车的横—垂—纵向耦合动力学模型,在模型中拖车和动车采用相同的结构参数。考虑到车辆系统轮轨接触几何关系、轮轨蠕滑、钩缓装置作用力和车辆二系悬挂的非线性特性,对动车和拖车进行组合形成6种列车编组方案,并用数值计算方法分析列车运行的平稳性。计算结果表明:列车编组对平稳性影响不大,车间横向连接阻尼和刚度对列车横向平稳性影响显著;列车的头尾车运行平稳性最差,中间车较好;适当的车间横向连接阻尼和改变头尾车车间横向减震器的阻尼值和安装方式,能在一定程度上改善列车的运行平稳性。     

高速列车横向悬挂主动、半主动控制技术的研究

针对铁路机车车辆横向悬挂系统存在的振动问题,提出了一种基于力和加速度反馈的旨在抑制振动的主动、半主动控制方案。介绍了主动、半主动控制原理,相应的执行机构和控制器的构成,整车试验的试验方法和部分试验结果。试验表明:采用主动、半主动控制技术以后,机车车辆的运行平稳性指标得到了较大的提高,列车的运行品质得到了明显改善。