铁道车辆横向主动悬挂试验研究

建立了铁道车辆１：８比例的半车四自由度横向主动悬挂试验模型,应用ＬＱＲ控制方法进行了主动悬挂与被动悬挂的试验对比研究,并与仿真计算结果进行比较。研究结果表明,主动悬挂方式能有效衰减振动,尤其是共振点处的振动;主动悬挂与被悬挂相比,车体横移振幅在高频共振点附近平均降低８０％左右,在其余频段平均降低约３０％;车体侧滚角振幅在高频共振点附近平均降低６５％左右,在其余频段平均降低约２０％。     

采用主动控制技术提高铁路车辆横向平稳性

建立了横向主动悬挂的１７个自由度计算模型，将主动控制铁路车辆的横向平稳性问题，归结为一性二次型最优问题（ＬＱ问题）求解。计算分析了铁路车辆在采用主动悬挂后横向平稳性改善的情况。计算结果表明，与被动悬挂相比，主动悬挂使车体横向加速度和轮轨作用力均方根值分别降低６０％和２０％左右。     

车下弹性吊挂设备悬挂刚度选取方法

以车体低阶弹性振动、刚体振动和设备有源振动为输入, 提出了一种能够快速、简便确定弹性设备悬挂刚度的方法;在充分考虑吊挂设备各个方向上可能出现耦合振动、设备安装间隙、允许最大振动位移等因素的前提下, 推导了任意悬挂方式吊挂设备的刚体振动频率计算公式;给出了车下弹性吊挂设备悬挂刚度的选取方法与分析流程;以某动车组为例, 建立了车体与动力包的耦合振动分析模型, 计算得到了动力包的点头、摇头、浮沉、侧滚等刚体振动频率和三向悬挂刚度的取值范围, 并对比了动力包悬挂刚度理论计算结果与有限元结果。研究结果表明:在已知车体或吊挂设备基本参数的前提下, 采用提出的方法无需通过复杂的动力学建模分析即可计算出其点头、摇头、浮沉、侧滚等刚体振动频率, 与有限元计算结果相比, 刚体振动频率的最大相对误差为6.88%;计算所得动力包刚体振动频率与车体对应振动频率的比值均有效避开了耦合区间[0.750, 1.414], 因此, 采用提出的方法可快速、准确地确定吊挂设备的刚度范围, 从而避免设备与车体之间的共振。      

基于磁流变阻尼器的铁道车辆模糊半主动控制

研究了基于磁流变阻尼器的铁道车辆半主动悬挂系统的控制方法,建立了50自由度的车辆多体动力学模型和磁流变阻尼器的Spencer模型。运用模糊控制方法设计了基于车体加速度和速度反馈的模糊控制器,利用电压控制函数和滞回特性分离法建立了磁流变阻尼器的逆模型,用于预测控制电流。采用数值仿真方法研究了基于磁流变阻尼器的模糊半主动悬挂系统的特性,分析了装用半主动悬挂系统车辆的动力学性能。仿真结果表明：采用基于逆模型的模糊控制方法,阻尼器实际阻尼力能有效跟踪控制系统的期望阻尼力。相对于被动悬挂,基于磁流变阻尼器的模糊半主动悬挂系统能够有效地减小车体1～10 Hz范围内的振动,改善车辆的运行平稳性。当车辆运行速度为250 km·h-1时,振动加速度减小53．3％。当车辆运行速度为100～300 km·h-1时,车辆运行平稳性指标改善率为6％～9％。     

基于二系垂向作动器与压电作动器的动车组车体振动控制

为了减小高速动车组车体刚性与弹性振动, 提出了一种基于二系垂向作动器与车体压电作动器的高速动车组车体振动主动控制方法; 基于某型高速动车组, 设计了一种在车辆二系安装垂向作动器, 在车体底架布置压电作动器, 运用H_∞鲁棒最优控制器进行车辆协调控制的主动减振方法; 建立了基于车辆动力学参数的刚柔耦合减振力学模型, 采用H₂及H_∞准则优化压电作动器与压电传感器布置位置, 运用鲁棒最优控制方法设计了H_∞反馈控制器; 利用MATLAB仿真了减振装置与主动控制方法对车辆动力学性能的影响, 比较了被动悬挂车辆、仅安装二系垂向作动器车辆与采用主动控制车辆的动力学性能差异。研究结果表明: 压电作动器与压电传感器布置在距车体左端距离为7.15、12.25、17.35m处车体一阶及二阶弹性模态归一化H₂及H_∞范数最大, 可以作为压电作动器与传感器的布置位置; 基于二系垂向作动器与车体压电作动器的鲁棒最优控制方法能够有效地抑制车体的振动, 一阶垂弯振动频率处车体中部和转向架上方的加速度功率谱分别减小为被动悬挂车辆的5%、10%;速度越大, 振动加速度抑制效果越明显, 当车辆的运行速度为200km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小10%, 当车辆的运行速度为350km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小18%;相对于被动悬挂, 二系垂向作动器输出力功率谱在车体浮沉与点头振动频率处的量级为106 N2·Hz-1, 对车体刚性振动有较大抑制作用, 压电作动器电压功率谱在车体一阶垂弯振动频率处达到峰值4 000V2·Hz-1, 对车体弹性振动有较大抑制作用。      

单轴转向架跨座式单轨车辆的主动控制研究

为提高单轴转向架跨座式单轨车辆的运行品质,以某型单轴转向架跨座式单轨车辆为研究对象,建立了15自由度单轴单轨车辆的主动控制动力学模型.在此基础上,设计了一种自适应神经模糊推理系统PID(ANFIS-PID)控制器,以抑制车体的横向振动和垂向振动,并与原始单轨和PID控制单轨进行了对比.研究结果表明:相比于原始单轨,PID控制单轨和ANFIS-PID控制单轨的横向加速度均方根值分别降低了48.37％和89.06％,垂向加速度均方根值分别降低了19.41％和34.32％;横向加速度峰值分别降低了53.00％和90.30％,垂向加速度峰值分别降低了21.72％和37.60％.ANFIS-PID控制单轨优于PID控制单轨,能显著提高单轨车辆的运行品质.     

高速列车横向半主动悬挂系统模糊控制

为了抑制由高速车体摇头引起的车体横向振动,构造了高速列车横向半主动悬挂系统模糊控制结构,采用模糊控制策略,以减振器的实际阻尼力和车体、构架的横向振动加速度为反馈输入,对车体前后横向悬挂系统的可调减振器进行双闭环反馈独立控制.以美国六级轨道谱为输入,在列车运行速度为270 km·h-1时,结合表征列车悬挂系统横向振动特征的17自由度动力学模型,对半主动悬挂机车和被动悬挂机车的横向振动、摇头振动进行计算.计算结果表明:采用半主动悬挂的高速车体平稳性改善了12.54%,摇头振动幅值减少了35.00%,横向振动幅值减少了48.45%,在车体固有频率(1～6 Hz)附近,车体横向振动、摇头振动抑制达到50%.可见,该控制结构和控制策略能够明显抑制车体横向振动.     

主动前轮转向的操纵稳定性研究

汽车的主动前轮转向作为汽车主动控制的一个重要组成部分,可以改善车辆的操纵稳定性;横摆角速度与质心侧偏角作为表征车辆操纵稳定性的2个主要指标,可以作为车辆处于稳定状态的参考。基于模型预测控制方法,在汽车线性二自由度模型的基础上,使用相同工况下理想的横摆角速度与质心侧偏角作为参考,设计了模型预测控制器,将二自由度汽车模型与CarSim整车模型进行了联合仿真。结果表明:模型预测控制方法相对PID控制方法更能有效地提高汽车的主动安全性。     

车下设备对车体振动的影响

为了考虑车体的弹性振动,将车体等效成欧拉伯努利梁,建立了车体与设备垂向耦合振动模型,研究了车下设备刚性悬挂与弹性悬挂对车体振动幅频特性的影响。基于模态叠加法原理建立了考虑车体弹性振动和车下设备的高速动车组三维刚柔耦合动力学模型,分析了车下设备悬挂方式、重心偏载与弹性悬挂参数对车体振动响应的影响规律。采用欧拉伯努利梁模型的数值分析结果表明：基于动力吸振器原理,当车下设备采用合理的弹性悬挂参数时能够有效抑制车体的弹性振动,并提高车体的垂向弯曲频率。采用三维刚柔耦合动力学模型仿真结果表明：车辆运行速度越高弹性悬挂的优点越明显,车下设备横向偏载主要影响车体的横向振动特性,纵向偏载主要影响车体的垂向振动特性;当车下设备的悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时能够降低车体的整体振动水平,当车下设备的悬挂频率低于车体的垂向弯曲频率时,提高车下设备弹性悬挂系统的阻尼能够在一定程度上抑制车体的弹性振动。     

半车主动悬架系统模糊PID控制器设计及仿真

基于车辆动力系统模型,设计了针对车辆平顺性的4自由度车辆主动悬架系统半车模型。针对提高车辆平顺性设计了模糊控制规则库,并将模糊控制逻辑结合到PID控制当中,设计了主动悬架系统的模糊PID控制器。通过MATLAB/Simulink仿真分析了基于模糊PID控制器的主动悬架与被动悬架的性能。仿真结果表明:设计的模糊PID控制器,能显著降低车身加速度和俯仰角,提高主动悬架的平顺性。     

预瞄信息空气悬架汽车在加速/制动工况下的LQG控制

建立了基于空气悬架的1/2车辆加速/制动系统模型,通过轴距预瞄在后轮处提前预测路面不平度;设计了基于轴距预瞄控制算法的加速/制动最优控制器;进行了白噪声仿真分析。仿真结果表明:与被动空气悬架加速/制动系统相比,基于轴距预瞄控制的主动空气悬架加速/制动系统能有效降低车辆振动。与最优控制空气悬架加速/制动系统相比,质心加速度和后轮对应处的车身加速度、悬架动行程、轮胎动载均有显著减小,较好的改善了车辆在加速/制动时的平顺性和操纵稳定性。     

基于预瞄信息的主动悬架最优控制

在MATLAB／SIMULINK中建立了七自由度车辆主动悬架模型,以提高车辆行驶平顺性为控制目标,主动悬架作动器的输出力为控制对象,根据最优控制原理设计出了基于轴距预瞄信息的主动悬架控制策略．仿真结果表明,与无预瞄系统的控制策略相比,基于预瞄信息的最优控制策略能够有效地降低车身垂直振动加速度、车身侧倾角加速度和俯仰角加速度,车辆行驶平顺性明显提高．     

铁道车辆自供能量横向主动悬挂系统

为了减少车辆主动悬挂对外部能源的消耗,设计了自供能量主动悬挂系统,建立了车辆半车简化横向悬挂动力学模型,设计了LQG控制器,并利用随机振动理论分析了系统能量平衡存在的条件,采用Matlab/Simulink对系统的运行效果进行了仿真。仿真分析结果表明:自供能量主动悬挂系统比半主动和被动悬挂拥有更好的隔振效果,且当直流电机作动器的等效阻尼系数大于规定值时,系统在实现主动减振控制的同时还能够反馈能量。     

高速客车悬挂系统静挠度分配对运行平稳性的影响

为提高高速客车乘坐的舒适性,以悬挂系统静挠度为研究对象,讨论了二系和一系悬挂静挠度比与总静挠度的关系.根据振动理论及多体系统动力学原理,研究了不同静挠度比下二自由度车轮荷重系统受迫振动的特点,建立了高速客车分析模型,分析了不同速度下一系和二系静挠度分配对高速车辆运行平稳性的影响.研究结果表明:对于车轮荷重系统,在低于4 Hz的频段中,车体加速度随挠度比的增大而减小,在高于4 Hz的频段,挠度比为1.0和2.0时,车体加速度较小;随着静挠度比增大,构架振动加剧,车体横向平稳性略有降低,频率在2～10 Hz之间车体垂向振动明显变大,静挠度比为0.5和8.0时的垂向平稳性指标比静挠度比为2.0时的计算结果分别高出1.5%和6.0%.      

惯容悬挂元件对铁路车辆垂向振动的影响

惯容是一种新型的悬挂元件,其具有两个独立、自由的端点。介绍了惯容的概念以及一种机械结构的实现方式。在Matlab/Simulink中建立了含有惯容悬挂元件的铁路车辆垂向动力学仿真模型。对该模型施加脉冲和随机两种轨道不平顺激励,选取一定范围的惯容系数,分析其对车体垂向振动的影响。在随机激励下,分析了二系垂向刚度和阻尼系数变化时,惯容系数对车体垂向平稳性的影响。分析结果表明：当惯容系数取值在一定范围内时,其对车体垂向振动具有明显的抑制作用。     

键图法在铁道车辆垂向振动研究中的应用

本文应用健图法研究铁道车辆的垂向振动问题。建立了客车六自由度振动系统的健图模型;给出了模拟轨道周期性不平顺与单一脉冲型不平顺的健图模型,并以X玩2型行李车(装用209型转向架)为例,进行了动态响应模拟。结果表明:键图模拟车辆垂向动态响应,简便、直观、快捷。文中还进一步探讨了健图法用于车辆悬挂参数优化的可行性,发现健图法的特长对此可以得到更充分地发挥。      

汽车电液主动悬架的预测控制

在建立二自由度主动悬架和电液伺服作动器集成模型基础上,应用预测控制理论,采用多步预测、滚动优化和在线校正等控制策略进行预测控制器的设计.对B级路面激励输入下,车辆分别处于空载和满载两种工况进行模拟仿真.仿真结果表明：具有预测控制策略的电液主动悬架系统对由路面输入引起的振动能有效抑制,车身垂直加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷与被动悬架、PID控制的主动悬架相比明显降低,车辆的行驶平顺性得到很大改善,预测控制器在参数变化及路面扰动下具有较强的鲁棒性.