悬架馈能作动器力学特性测试及非线性主动控制器设计

为提高车辆的乘坐舒适性并兼具回收振动能量的功能，对试制PMSM-滚珠丝杠式馈能作动器进行了力学特性测试，对库仑阻尼和作动器等效惯性质量进行识别，根据识别结果设计了馈能型主动悬架非线性控制器；结合电磁动力学建模、电气参数校核，采用分级变压充电试验方法对作动器样机进行三角波及正弦波位移输入下的力学特性测试，利用参数拟合使建模仿真力学特性曲线逼近实测曲线，完成库仑阻尼识别和等效惯性质量验证；对含有库仑阻尼及作动器等效惯性质量的主动悬架力学模型中的非线性项进行前馈反馈线性化处理，并对簧载质量/非簧载质量加速度项正则化处理，在此基础上根据作动器最大输出力设计了双约束H₂/H_∞控制器；利用数值仿真对被动悬架、理想主动悬架、常规H₂/H_∞控制主动悬架和双约束H₂/H_∞控制主动悬架进行悬架综合性能对比验证及馈能性能分析。分析结果表明:双约束H₂/H_∞控制主动悬架的簧载质量加速度均方根和综合性能指标较被动悬架分别降低47.05%和51.67%，仅比理想主动悬架分别差1.86%和1.34%，且比常规H₂/H_∞控制主动悬架分别优19.28%和11.21%；库仑阻尼和电机定子电阻分别消耗掉了作动器总吸收功率的18.99%和20.19%，相比之下，流向蓄电池的回收平均功率高达60.82%。      

车辆能量回馈式主动悬架μ综合控制

为了改善车辆能量回馈式主动悬架系统的稳定性、减振性及能量回馈性能, 建立了含参数摄动的1/4车体能量回馈式主动悬架模型并进行动力学分析, 基于μ综合方法设计了该系统的鲁棒控制器. 为验证其控制效果, 利用MATLAB/SIMULINK进行了仿真. 结果表明, 在参数摄动和路面不平顺输入的干扰下, 基于μ综合控制的车辆能量回馈式主动悬架鲁棒稳定, 闭环系统的结构奇异值峰值为0.580 9, 在给定频段内能更好地抑制车体振动,在固有频率下车体垂直振动加速度增益降低了9 dB.      

基于电磁作动器的主动隔振系统研究

对单向电磁作动器和双向电磁作动器进行了研究,建立了基于电磁作动器的单自由度主动隔振系统动态模型,并给出系统的动力学方程。仿真结果表明,在状态反馈的控制策略下,基于双向电磁作动器的主动隔振系统比基于单向电磁作动器或被动隔振系统的隔振效果要好。     

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。     

摆式列车机电作动器的研究

在分析采用机电作动器作为摆式列车倾摆驱动优点的基础上,介绍了国外机电作动器的研制和应用情况,研究了机电作动器总体设计方案,并分析两种方案优缺点,设计出我国摆式列车用机电作动器,介绍了机电作动器的技术设计情况,对丝杠进行了选分析,对丝杠的受力分析和设计,给出了主零部件的技术和强度计算结果。     

基于matlab/simulink的车辆建模与故障分析

利用matlab/simulink软件,用框图和子系统封装的方法建立铁道车辆线性动力学模型.在路面激励作用下,经过仿真测得车体及转向架在正常运行和悬挂故障时不同的振动加速度响应,重点分析了在垂向一、二系悬挂故障时,检测信号在时域和频域上各自具有的故障统计特性,同时考查了不同位置悬挂故障叠加、轨道随机不平顺和车辆运行速度对数字特征的影响,并提出以振动加速度统计特性来判别悬挂故障的方法.     

铁道车辆横向能量回馈式主动悬挂鲁棒控制

为保证一类具有参数不确定的铁道车辆横向能量回馈式主动悬挂系统的稳定性,通过引入带有交叉乘积项的二次型调节器,提出了一种鲁棒H∞控制器的设计方法,并对含摄动的悬挂系统模型进行了鲁棒H∞控制器设计.分析了具有参数摄动的能量回馈式主动悬挂系统的能量平衡条件,并在MATLAB/SIMULINK下,对控制系统进行了仿真.仿真结果...     

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.     

电磁作动器的参数设计及仿真分析

分析了电磁作动器的结构原理,研究了电磁作动器的频响特性,建立了该悬置系统的力学及数学模型。通过仿真的方法对电磁作动器的结构参数变化进行分析,阐述了不同的参数选择对作动器的动力性和其适用的频带宽度产生的影响。为电磁作动器的生产应用提供了理论基础,为不同的发动机能够选择合适的作动器提供了依据。     

基于涡激振动的动车组隧道内列尾横向晃动机理

针对时速160 km动车组在单线隧道内列尾横向晃动问题,提出列尾气流涡脱效应引起车体涡激振动而导致列尾横向晃动的机理,研究了车辆悬挂参数改进等相关抑制措施;根据某动力车结构参数,建立车辆横向动力学模型,结合半经验非线性涡激振子模型,实现涡激振动时车辆流固耦合横向动力学计算。计算结果表明:单线隧道内动车组列尾较大的横向涡激力以及涡激频率与车体蛇行频率共振是引起晃车的主要原因;减小横向涡激力、提高车辆蛇行运动稳定性是减小晃车幅值的有效措施;针对该动力车,需避免较低等效锥度的轮轨接触,以防车辆一次蛇行导致涡激振动加剧;当转向架抗蛇行减振器阻尼由800 kN·s·m-1减小到400 kN·s·m-1,涡激共振时车体后端横向振动加速度幅值减小40%;车辆二系横向悬挂采用天棚阻尼半主动控制时,可以有效减小涡激共振区车体横向振动幅值,并能兼顾车体前后端横向平稳性。      

基于柔性多体动力学的地铁车辆半主动控制

为了对地铁车辆的运行性能实现更准确的评估和更有效的优化,借助有限元理论和子结构理论建立了车体和转向架构架等关键零部件的柔性动力学模型;基于天棚半主动控制算法和柔性多体动力学理论,建立了考虑半主动控制悬挂的地铁车辆刚柔耦合动力学模型;考虑轨道随机不平顺的影响,研究了半主动控制悬挂以及结构柔性对地铁车辆运行稳定性和乘坐舒适性的影响。研究结果表明:相对于传统的悬挂装置,天棚半主动控制极大降低了车辆的振动加速度,并使其变化趋势更加平缓,对车辆的低频振动有明显的抑制作用;采用本文的研究参数,天棚半主动控制在直线段可使车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度均方根(RMS)分别降低26.8%和7.5%,使车体横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低8.8%和4.9%,而在曲线段,天棚半主动控制可使车辆垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS分别降低25.1%和5.7%,使横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低15.6%和8.3%,车辆的乘坐舒适性和运行稳定性大幅提升;考虑结构柔性时,车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS相比于未考虑结构柔性时分别增大了4.3%和6.8%,横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别增大了3.0%和3.4%。可见,车体和构架的结构柔性对车辆的动态特性有较大影响,在对车辆运行稳定性和乘坐舒适性进行计算和评估时不可忽略。      

基于电机动力吸振的高速列车蛇行运动控制

复兴号CR400BF高速动车组动力转向架的牵引电机采用特有的四点弹性架悬方式, 在电机和构架之间安装有横向液压减振器和横向止挡, 首次采用牵引电机作为动力吸振器来控制转向架蛇行运动稳定性和蛇行频率, 从而避免引起车体弹性模态共振; 考虑悬挂参数和轮轨接触非线性, 建立了复兴号动车组非线性多刚体动力学仿真模型, 通过悬挂模态计算和动力学时域仿真, 分析了关键参数对动车蛇行运动的影响规律; 基于将电机作为动力吸振器的原理, 优化了电机节点横向刚度和横向减振器阻尼; 考虑动车组运营中的轮轨匹配随机因素, 组合400种轮轨随机匹配状态, 仿真分析了动车的动力学性能; 开展动车组长期线路动力学跟踪试验, 研究了动力转向架蛇行运动演变规律。仿真与试验结果表明: 牵引电机弹性架悬下的构架横向加速度频谱图从以蛇行频率为主频的单峰值变化为主频在蛇行频率两侧的双峰值, 说明电机起到了动力吸振器的作用; 将电机作为动力吸振器能够提高动车蛇行运动稳定性, 具有不同等效锥度的典型轮轨匹配下非线性临界速度超过500 km·h-1; 动车蛇行运动最高频率被控制在6 Hz附近, 远离车体中部菱形弹性模态频率8.5 Hz, 避免了转向架蛇行运动激起车体弹性共振; 动车组在轨道随机不平顺激扰下, 构架端部横向加速度小于0.5g, 平稳性指标小于2.5, 轮轴横向力和脱轨系数等运行安全性指标满足要求。      

基于目标级联分析法的车下设备悬挂参数优化设计

为改善高速列车运行舒适度和车下悬挂设备的振动水平,建立了车辆-设备系统垂向动力学模型,推导了车辆系统振动加速度频率响应函数;结合轨道不平顺激励谱函数计算了车下悬挂设备振动加速度均方根,联合人体舒适度加权滤波函数计算了车体振动参考点的垂向舒适度指标;引入目标级联分析(ATC)法逐层分解车辆-设备系统振动指标,构建了车辆-设备系统两层指标分解数学模型,采用指数罚函数策略协调两层振动指标之间的耦合问题;提出了以车辆运行舒适度和车下悬挂设备振动加速度为指标的多目标优化方法,建立了以车下设备悬挂刚度和阻尼为设计变量的优化模型;联合车下设备悬挂参数动力吸振器(DVA)设计法对比探讨了ATC法在复杂车辆系统参数优化设计中的应用效果。分析结果表明:与DVA设计法相比,ATC法优化后车辆中部舒适度在300 km·h-1工况下提高了8.5%,设备振动水平减小了约20%;在全速域区间,ATC法对车体中部的振动衰减是DVA设计法的2倍,且对设备的振动衰减比DVA设计法大4.5 dB;与优化前相比,ATC法优化后车辆中部舒适度指标最大提升了15%,设备振动加速度减小了0.18 m·s-2。由此可见,ATC法可以运用于复杂轨道车辆结构参数优化设计中,能有效改善车辆系统的振动水平,也可为车下设备悬挂参数优化设计提供指导。      

磁浮列车静悬浮车轨耦合振动对比分析

为研究二系悬挂中置与端置的两种三悬浮架低速磁浮列车的车轨耦合振动特性，依据牛顿第二定律建立了其垂向车轨耦合动力学模型. 首先通过动力学方程分别分析了两种磁浮列车车体和悬浮架之间的耦合关系，然后研究了两种磁浮列车悬浮架均存在0.09° 的初始角位移时的动力学特性，最后研究了两种磁浮列车中二系悬挂对悬浮架作功的差异. 研究结果表明:与二系悬挂端置的磁浮列车相比，二系悬挂中置的磁浮列车，车体与悬浮架之间的耦合关系更少；当两种磁浮列车悬浮架均存在0.09° 的初始角位移时，采用二系悬挂中置的磁浮列车与采用二系悬挂端置的磁浮列车相比，前者具有更小的车体位移、车体垂向振动加速度、轨道梁振动位移和悬浮间隙波动；以上4个参数前者最大值分别为0.005 mm、0.004 m/s2、0.004 mm和0.005 mm；而后者最大值分别为0.023 mm、0.02 m/s2、0.021 mm和0.02 mm；与二系悬挂端置的磁浮列车相比，二系悬挂中置的磁浮列车，其二系空气弹簧对悬浮架作功更小，仅为前者的50%.      

路面随机激励下的汽车振动仿真分析

基于某车参数建立汽车5自由度线性振动模型,模型中引入了后轮滞后路面随机激励,采用MMATLAB/SIMULINK对整车振动进行仿真模拟,将前后悬架刚度改进前后的车身和座椅处的加速度、悬架动挠度及车轮动位移4项指标进行对比分析,进而对前后悬架刚度进行优化,从而改善车辆平顺性和乘坐舒适性,可为车辆平顺性设计提供参考。     

高速客车转向架悬挂参数分析

为了全面考察转向架悬挂参数对高速客车行车安全性和乘坐舒适性的影响规律,为高速客车转向架悬挂参数的合理选取提供理论依据,首先从时域内分析了一、二系悬挂参数对高速客车动力学性能的影响,然后从频域内分析了二系悬挂参数对车体振动模态的影响.仿真计算与分析结果表明:合理设置一系纵向和横向定位刚度和二系抗蛇行减振器结构阻尼参数即可基本实现转向架较高的临界速度;减小二系横向刚度而适当增大二系横向阻尼可提高高速客车的横向平稳性;为了改善高速客车的垂向平稳性,一、二系垂向减振器阻尼都不宜选取过大.     

高速客车转向架悬挂参数分析

为了全面考察转向架悬挂参数对高速客车行车安全性和乘坐舒适性的影响规律,为高速客车转向架悬挂参数的合理选取提供理论依据,首先从时域内分析了一、二系悬挂参数对高速客车动力学性能的影响,然后从频域内分析了二系悬挂参数对车体振动模态的影响.仿真计算与分析结果表明:合理设置一系纵向和横向定位刚度和二系抗蛇行减振器结构阻尼参数即可基本实现转向架较高的临界速度;减小二系横向刚度而适当增大二系横向阻尼可提高高速客车的横向平稳性;为了改善高速客车的垂向平稳性,一、二系垂向减振器阻尼都不宜选取过大.     

磁浮列车单铁悬浮车桥耦合振动分析

为研究单铁悬浮车桥耦合振动,将悬浮控制系统、车辆结构、弹性轨道梁及桥梁安装系统作为整体系统,建立整体系统的磁浮列车的悬浮控制-弹性桥梁-机械结构垂向耦合振动模型,以不同频率的外力激扰模拟磁浮列车不同的速度下对桥梁的作用,分析了不同梁型在整体系统耦合条件下的跨中挠度与振动加速度的变化。研究结果表明:单铁悬浮稳定后,简支梁跨中挠度约为两跨连续梁悬浮处挠度的2.5倍;以200km.h-1车速通过桥梁时其挠度略小于400km.h-1车速通过工况,但前者再次达到稳定状态所需时间约为后者的1/3;车辆以相同速度通过桥梁时,连续梁悬浮处跨中挠度约为简支梁的40%,且前者振动加速度小于后者;仿真过程中桥梁安装临界刚度范围为(5.5～6.5)×107 N.m-1;两跨连续梁动力学性能较简支梁更为优秀。     

车辆运行品质的智能手机检测方法及姿态误差矫正

因车体坐标系统和手机坐标系统存在角度偏差，为使手机检测数据真实反映车体振动加速度，提出针对手机姿态误差的系统性矫正方法. 该方法以重力方向为基准矫正手机垂向加速度，借助车体横、纵向加速度的正交性矫正手机水平向加速度，并基于极大似然估计原理评估角度偏差，保证手机姿态矫正的可靠性. 结合现场测试结果表明:两部智能手机检测数据经姿态误差矫正得到以重力方向为基准的垂向角度修正值分别为0.008° 和0.007°，两者水平夹角为29.75°，与试验放置夹角30.00° 偏差0.25°；智能手机与高精度传感器检测的车体加速度在时域和频域的幅值、主频均一致.