（车辆工程专业论文）半主动悬挂机车横向动力学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 摘要 我国铁路已连续5 次实施提速，随着机车的运营速度不断提高，提速机 车已暴露出一些新的动力学性能问题，己很难适应机车进一步提速要求。为 改善提速机车的横向动力学性能、满足不同线路条件的运行和2 0 0 k m h 提速 要求，研究既有机车( 本论文选用s s 7 e 型提速机车) 采用主动或半主动悬挂技 术具有重要的理论和现实意义。 应用s i m p a c k 动力学仿真软件分别建立了4 2 自由度的被动悬挂机车动 力学仿真模型和基于天棚阻尼控制的二系横向半主动悬挂机车模型，进行半 主动悬挂机车横向动力学性能研究。 分析了半主动悬对改善机车平稳性的有效性；通过对构架横向振动加速 度、轮对横向力、脱轨系数等指标的分析，发现了机车二系横向半主动悬挂 的弊端，即采用半主动悬挂技术会恶化构架及轮对的动力学性能。因此，被 动悬挂机车在采用半主动悬挂技术时应该进行平稳性、构架及轮对动力学性 能多指标综合优化，以达到运行标准。本论文优化了可控减振器的位置参数 和高阻尼系数，得到了一组合理的悬挂参数。 对优化后的二系横向半主动悬挂机车进行稳定性、平稳性、曲线通过性 能分析：同被动悬挂相比，半主动悬挂机车更趋于稳定，平稳性指标改善2 5 左右，曲线通过性能相差较小；半主动悬挂机车在美国v 级线路2 0 0 k m h 运 行速度下，横向平稳性指标达到优等级，垂向平稳性指标、构架及轮对动力 学性能指标、曲线通过性能指标均符合标准；同时，在中等级线路以上有较 好的适应性。说明在不改变原机车参数豹情况下，采用半主动悬挂技术后， 改善了一机车的横向动力学性能且使原设计最高时速为1 6 0 k m 的机车的速度 提高到2 0 0 k m h ，满足了不同线路条件运行和2 0 0 k m h 提速要求。 最后，建立了4 2 自由度具有时滞环节的二系横向半主动悬挂机车动力学 仿真模型。研究了高阻尼系数、运行速度和时滞对各动力学性能指标的影响。 在原半主动悬挂系统中加入时滞环节后运行2 0 0 k m h ，机车的轮对动力学性 能超出相应的标准，说明时滞会恶化机车动力学性能。 关键词：机车；动力学；半主动悬挂；控制策略；天棚阻尼；可控减振器 时滞 西南交通大学硕士研究生学位论文第| il 页 a b s t r a c t w i t ht h eu p g r a d i n gs p e e d ，t h eq u a s i h i g hs p e e dl o c o m o t i v e sh a v ee m e r g e d i ns o m en e wp r o b l e m so nd y n a m i c sp e r f o r m a n c ei nc h i n e s er a i l w a y ，w h i c h a d a p t sd i f f i c u l t l yl o c o m o t i v e st od e m a n do ft h eu p g r a d i n gs p e e d i no r d e rt o i m p r o v et h el a t e r a ld y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h eq u a s i h i 啦s p e e dl o c o m o t i v e ，t o s u f f i c ev a r i o u sr a i l w a yc o n d i t i o n sa n dt h ed e m a n do fu p g r a d i n gs p e e d2 0 0 k m h ， i n v e s t i g a t i o n sa r ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ne x i s t i n g l o c o m o t i v e s ( s s 7 el o c o m o t i v ec h o s e i nh i st h e s i s ) i n t r o d u c e da c t i v eo r s e m i - a c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g i e s t h e d y n a m i c m o d e l so f p a s s i v es u s p e n s i o n a n ds e c o n d a r yl a t e r a l s e m i - a c t i v es u s p e n s i o nb a s e do ns k y - - h o o kc o n t r o lw i t h4 2f r e e d o m sl o c o m o t i v e a r e s e tu pr e s p e c t i v e l yw i t ht h es i m p a c ks o f t w a r e ，t oi n v e s t i g a t el a t e r a l d y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h es e c o n d a r yl a t e r a ls e m i a c i t v es u s p e n s i o nq u a s i h i g h s p e e dl o c o m o t i v e t h e n ，t h ev a l i d i t y o fi m p r o v i n gt h er i d ec o m f o r to ft h el o c o m o t i v eb y s e m i a c t i v e s u s p e n s i o ni si n v e s t i g a t e d a tt h es a r f l et i m e ，t h ed i s a d v a n t a g eo f s e c o n d a r ys e m i a c t i v es u s p e n s i o ni ss t u d i e d ，t h a ti st h ed y n a m i cp r e f e r m a n c eo f t h ef r a m ea n dw h e e l s e tw i l lb ew o r s e nw h e nt h es e m i a c t i v es u s p e n s i o ni s a d o p t e d s o ，m u l t i i n d e x e sa r ea d o p t e dt oo p t i m i z et h es u s p e n s i o np a r a m e t e r s ， s u c ha st h er i d ec o m f o r ta n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so ff r a m ea n dw h e e l s e t t h ec o n t r o l l a b l ed a m p e r sp o s i t i o n sa n dt h eh i g hd a m p i n gc o e f f i c i e n ta r e o p t i m i z e d a n das e to f f i tp a r a m e t e r si sg a i n e d t h es t a b i l i t y ，r i d ec o m f o r ta n dc u r v en e g o t i a t i o no ft h eo p t i m i z e ds e c o n d a r y l a t e r a ls e m i - a c t i v es u s p e n s i o nl o c o m o t i v ea r es t u d i e d c o m p a r i n gw i t hp a s s i v e m o d e ，t h i ss e m i - a c t i v es u s p e n s i o nl o c o m o t i v ei sm o r es t a b l e ，2 5 i si m p r o v e d o nt h er i d ec o m f o r t a n dt h ec u r v en e g o t i a t i o n sh a v el i m ed i f f e r e n c ew i t ht h e p a s s i v es u s p e n s i o nl o c o m o t i v e w h e nw i t ht h es p e e do f2 0 0 k m ht h i ss e m i a c t i v e s u s p e n s i o nl o c o m o t i v ei sr u n n i n go nt h evg r a d et r a c kc o n d i t i o no fa m e r i c a ，t h e r i d ec o m f o r to ft h es e m i a c t i v es u s p e n s i o nl o c o m o t i v ei sg o o d t h ev e r t i c a lr i d e c o m f o r ti n d e x ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ef r a m ea n dt h ew h e e l s e t ，t h e p e r f o r m a n c ei n d e xo fc u r v en e g o t i a t i o na l la c c o r dw i t ht h es t a n d a r d s a tt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 s a m et i m e ，t h el o c o m o t i v eh a sag o o da d a p t a b i l i t yw h e ni tr u n n i n go nt h et r a c k w i t l lm et r a c kc o n d i t i o n sb e r e rt h a nm i d d l ec o n d i t i o n s s o w h e nt h eo t l l e r p a r a m e t e r sa r en o tc h a n g e da n dt h es e m i a c t i v ec o n t r o li sa d o p t e d ，t h el a t e r a l d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h i sl o c o m o t i v ei si m p r o v e d ，t h eh i g h e s td e s i g ns p e e di s i m p r o v e df r o ml6 0 k m ho ft h ep a s s i t i v es u s p e n s i o nl o c o m o t i v et o2 0 0 k r n ho f t h i si o c o m o t i v e t h e s es e m i a c t i v ec o n t r o ll o c o m o t i v ec o n t e n t sw i t l lt h er e q u i r e d r u n n i n gs p e e do f 2 0 0 k m ha n dd i f f e r e n t 仃a c kc o n d i t i o n s f i n a l l y ，am o d e lo ft h es e c o n d a r yl a t e r a ls e m i a c t i v es u s p e n s i o nl o c o m o t i v e c o n s i d e r i n gt i m ed e l a yi ss e tu p t h ei n f l u e n c e so ft h eh i g hd a m p i n gc o e f f i c i e n t ， t h er u n n i n gs p e e da n dt i m ed e l a yo nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea r ei n v e s t i g a t e d w h e nt h et i m ed e l a yi sc o n s i d e r e da n dt h ep a r a m e t e r sa r ek e e p e d ，t h el a t e r a l f o r c eo ft h ew h e e l s e t sa n dt h ew h e e l - r a t lo ft h el o c o m o t i v ea r eb i g g e rt h a nt h e s t a n d a r d s t h e r e f o r e ，t h et i m ed e l a yw i l ld e t e r i o r a t et h ed y n a m i c sp e r f o r l t l a n c e s o fas e m i a c t i v es u s p e n s i o nl o c o m o t i v e k e yw o r d s ：l o c o m o t i v e ；d y n a m i c s ；s e m i a c i t v es u s p e n s i o n ；c o n t r o ls t r a t e g y ； s k y h o o kd a m p e r ；c o n t r o l l a b l ed a m p e r ；t i m ed e l a y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 我国铁路已连续5 次实施提速，随着旅客列车的运营速度不断提高，提 速机车已暴露出一些新的动力学性能问题，一些线路等级差异较大且受条件 限制不易改造，已很难适应机车进一步提速要求。传统铁道车辆的被动悬挂 方式虽然能在定程度上满足铁道车辆动力学性能的要求，但局限性在于其 悬挂特性仅与连接悬挂元件的局部相对运动有关，且其悬挂特性在车辆运行 过程中不能随激励的变化而任意进行调整，这就限制了悬挂性能的提高，也 不能适应复杂运营线路，因而限制了铁道车辆动力学性能的进一步改善。随 着铁道车辆运行速度的提高，车辆运行平稳性、安全性和曲线通过性能这三 者之间的矛盾进一步加剧，被动悬挂系统的局限性也越来越明显。 主动控制技术为进一步改善铁道车辆动力学性能开辟了新的途径，为铁 道车辆动力学性能各个方面臼益突出的矛盾提供了解决的可能，就原理来说， 合理的主动悬挂系统设计可以兼顾铁道车辆动力学平稳性、安全性和曲线通 过性能，使三方面性能都达到最优。 主动悬挂可分为全主动悬挂与半主动悬挂。有源主动悬挂的优越性为： 在悬挂静挠度较小的前题下获得系统较低的固有频率；悬挂的动态特性不随 车辆载荷的变化而变化：对任何形式的激扰均能作出快速反应能根据激扰的 变化而任意使悬挂变硬或变软；信号的合理检测和反馈可使产生的主动力受 控于系统的许多变量参数；扩大了刚度、阻尼等参数的选择范围。但由于全 主动悬挂系统需安装测量传感装置、作动器、控制装置及能量输入装置，会 不可避免地提高铁道车辆的成本。同时在极有限的空间中安装作动器，势必 导致铁道车辆结构更加复杂。复杂的主动作动器和铁道车辆结构将导致可靠 性降低和维护费用增加。不仅如此，全主动悬挂系统无论采用何种形式的作 动器，都将大量消耗外界附加能量【2 】。主动控制带来的最主要问题在于滞后 对稳定性的影响较严重，其次，主动控制额外补给能量，若控制出现问题， 则会发生振荡，甚至失稳【j j 。 半主动悬挂系统以可控减振器代替了主动悬挂中的主动力作动器，系统 通过可控阻尼元件产生连续可调的阻尼力以改善铁道车辆动力学性能。半主 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 动悬挂系统在设计时以耗散系统内部能量为约束条件，其阻尼控制系统的所 需能量与全主动悬挂所需要输入的能量相比是微不足道的，因而从原理上克 服了全主动悬挂的致命弱点。同时，由于仅采用可变阻尼减振器，半主动悬 挂系统的配置对目前已定型的车型影响很小，使得针对现有铁道车辆悬挂系 统的改进容易实施，因此采用半主动悬挂有着巨大的优势。研究表明【4 5 6 ， 铁道车辆采用半主动悬挂方式的控制效果与全主动悬挂方式的控制效果是接 近的。 可见，铁道车辆半主动悬挂旨在以接近被动悬挂的造价和复杂程度来提 供接近全主动悬挂的性能，有着良好的性价比，是一种比较实用的悬挂形式 【7 ，对铁路的进一步提速有着重要的现实意义【s 。 1 2 国内外半主动悬挂现状 1 2 1 国内外半主动悬挂理论研究现状 半主动悬挂的阻尼控制策略有：天棚阻尼控制、最优控制( 线性二次型最 优、线性二次型高斯控制、h 一最优控制) 、非线性自适应控制、预见控制等。 天棚阻尼控制 天棚阻尼控制半主动悬挂是1 9 7 4 年由美国加州大学戴维斯分校机械工 程系( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a ，d a v i s ，c a l i f ) d e k a r n o p p 教授等提出的一种 半主动隔振方案在车辆上的实现，采用无源但可控的减振器，根据预定的阻 尼控制规律，及时调节阻尼力【9 1 。但由于天棚阻尼控制的阻尼力都是根据速 度信号的相位进行快速切换的，减振器处于高速开关工作状态，对减振器的 频率响应有较高的要求，在半主动控制中可能出现高频颤振现象( c h a t t e r ) ， 有损于减振器的寿命和系统的可靠性。因此，很多研究者提出了天棚阻尼不 同的改进形式，称改进型天棚阻尼( m o d i f i e ds k y - h o o kd a m p i n g ) 1 1 0 或扩展型天 棚阻尼( e x p e n d e ds k y - h o o kd a m p i n g ) ”“。 最优控制( 线性二次型最优控制、h 一最优控制、统计最优控制) 状态反馈最优控制，即线性最优控制，它以系统理想模型为基础，采用 被控对象的状态响应与控制量的加权二次型作为性能指标，在保证受控结构 动态稳定性的条件下，把( 线性二次型) 调节控制器理论和( 线性二次高斯型) 控制理论应用于铁道车辆半主动悬挂系统中实现最优控制【1 2 】；h o o 最优控制 是在保证系统稳定的条件下，设计控制器使系统在干扰噪声下的输出取极小 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 的一种最优控制，可使半主动悬挂系统的振动控制具有较强的鲁棒性；统计 最优控制是最优控制中的一种特例，它不对系统瞬间振动特性作出反应，而 是根据一段时间内控制目标的统计值，采用逐步寻优的迭代式控制方法或基 于神经网络的自适应控制方法对阻尼力加以控制。文献 1 3 】以车体加速度的 均方根值为目标函数，采用梯度原理进行在线步进式寻优控制方法调节阻尼； 控制量计算简单，能满足实时要求。文献1 4 研究了具有滞迟悬挂部件的车 辆悬挂系统基于等效线性化的l q g 控制与基于随机平均法的非线性随机最 优控制。文献 1 5 】利用最优控制进行了悬架振动主动控制的仿真研究。文献 【1 6 和【1 7 】仿真表明全主动悬挂系统可以很好地抑制车体横向振动，提高机车 车辆舒适性，改善机车车辆运行品质。文献f 1 8 】应用h o o 最优控制于整车试 验表明侧滚振幅与横移振幅大约比无控制时减小3 0 。文献【1 9 模拟分析表 明在两自由度模型中用h o o 方法的设计结果能给出较好的控制。 自适应控制一般分为模型参考自适应控制和自校正控制 模型参考自适应控制需要一个参考模型，用系统的实际动态响应与参考 模型动态响应之间的误差来修改控制器参数，使误差趋于零。由于车辆悬挂 系统的工作空间覆盖了各种线路激扰、车辆结构和运行速度等参数，要获得 一个这样的参考模型是非常困难的，况且这些因素都在变化。文献【2 0 对半 主动悬挂四分之一车模型进行了理论分析以振动加速度和悬架变形的加权二 次型最小为控制性能指标，进行了线性高斯二次控制器( l q g ) 的设计，并以 此作为模型参考自适应控制系统的参考模型。运用李雅谱诺夫稳定性理论设 计了直接模型参考自适应控制系统。仿真研究表明，该系统能够适应悬架系 统参数的变化，跟踪l q g 控制的最优性能，该系统对路面变化和悬架系统 参数变化均具有良好的自适应性和鲁捧性。自校正控制基于控制对象数学模 型的在线辩识，在此基础上给出控制力，使给定的性能指标最优( 或次优) ， 相当于在线求解最优控制律，本质上它是解决系统模型不确定时最优控制问 题的延伸。文献 2 1 采用自适应系统和自校正系统可有效地改善车辆总体性 能。文献2 2 1 研究了基于神经网络自适应控制的半主动悬挂连续阻尼控制策 略。 自适应控制的特点是，在系统数学模型不确定的情况下，求解控制规律， 使给定的性能指标达到并保持最优。要实现这样的控制，要求在运行过程中 不断地认识被控对象的状态、参数或性能，根据预定的性能指标做出决策， t a 动改变控制器的参数、结构或控制作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 模糊控制和神经网络控制 模糊控带o ( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是把控制知识表示成语言变量的控制规则，再用 这些规则去控制系统，适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。 它避开问题的数学模型，对人们关于某个控制问题成功或失败的经验进行加 工，总结出知识，从中提炼出控制规则，用一系列的模糊条件语句构造系统 的模糊语言变量模型，应用模糊推理方法，可以得到适合要求的控制量。因 此，模糊控制器是一种语言变量的控制器。文献 2 3 采用模糊数一模糊控制 策略设计了半主动悬架控制系统，对两自由度汽车四分之一模型进行仿真， 表明车辆半主动悬架系统的模糊控制方法的有效性。文献 2 4 1 建立了七自由 度的汽车主动悬架数学模型，并就该模型的模糊控制方法进行了研究，结果表 明，设计的主动悬架与被动悬架比较，其舒适性和操纵稳定性得到改善，且 模糊控制器具有良好的鲁棒性。文献 2 5 利用模糊控制原理以及l m s ( l e a s t m e a n ss a u a r e s ) 自适应滤波技术，创造性地提出了车辆主动悬架的l m s 自 适应模糊控制策略。该控制方法属于一种自适应自调整的模糊控制策略，经 模拟计算及试验可见，l m s 自适应模糊控制策略对车辆振动的综合控制效果 是较优的。 基于人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k - a n n ) 的控制是将神经网络 所具有的非线性映射能力、自适应能力、自学习能力、鲁棒性和容错能力， 应用于控制领域，使控制系统具有智能化。它同样不依赖于系统的数学模型， 而是根据系统的输入输出信息，辩识模型、设计控制器。文献【2 6 】建立车辆6 自由度的半主动悬架非线性动力学模型，运用模糊神经网络非线性控制方法 可大大减少路面对车身的振动冲击，提高汽车行驶平顺性。文献 2 7 1 用模糊 小脑模型神经网络建立了四分之一半主动悬架的数学模型，试验结果表明， 在正弦和随机两种信号激励下，可使半主动悬架簧载质量垂直加速度均方根 值分别下降2 6 1 9 和2 4 9 6 。 文献 2 8 】讨论了基于模糊控制理论的汽车主动悬架的控制。文献 2 9 把模 糊控制与神经网络控制结合起来，研究了简谐激励下的单自由度模型，效果 较好。 1 2 2 国内外半主动悬挂的应用情况 1 ，2 2 1 国外半主动悬挂的应用情况 奔驰公司最新推出的c l 型双门跑车上装备了名为“m e c h a t r o n i c ”悬架 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 最新技术主动车身控锘1 ( a c t i v eb o d yc o n t r 0 1 ，a b c ) ，使行驶平顺性( 乘 坐舒适性) 技术迈上了一个新台阶，取得了突破性进展1 3 0 1 。 日本丰田汽车公司在1 9 8 3 年将微电脑控制的减振器阻尼系数分级切换 和分级变刚度的半主动悬架应用于t o y o t as o a r e r2 8 0 0 g t 轿车，以及丰田汽 车公司的l e x u sl s 4 0 0 型轿车。该悬架系统采用了充有压缩空气的空气弹 簧，弹簧的弹性可在“软”与“硬”之间切换，减振器则有三种不同的阻尼 特性可供选择。轿车行驶过程中，电子控制单元能够根据各种传感器的输入 信号，选择一最佳的空气弹簧的弹性与减振器阻尼特性的组合，从而获得良 好的乘坐舒适性和操纵性能【3 ”。 1 9 8 8 年，日产公司研制了一种“声纳”式半主动悬架，它可通过声纳装 置预测路面信息，悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”三种选择状态。 该悬架被选装在m a x i m a 型轿车上p 2 1 。 j r 西日本开发的5 0 0 系列。两头车厢( 1 、1 6 号车厢) 安装主动悬挂系统， 而在安装受电弓的车厢上( 5 、1 3 号车厢) 和绿色车厢( 8 、9 、1 0 号车厢) 上安装 半主动悬挂系统。半主动减振器的衰减力通过3 个高速转换阀的关闭对设置 在油路中的3 个节流孑l 和高压溢流阀、低压溢流阀进行转换控制，可得到6 个档次的特性曲线。自1 9 9 6 年2 月至今进行了确认乘坐舒适性及长期耐久性 的运行试验，结果表明：装用半主动悬挂系统的5 0 0 系列新干线动车无论运 行在露天或隧道内，都有改善乘坐舒适性的效果。可以确认，这种列车在 3 0 0 k m h 速度运行时的乘坐舒适性与以往2 7 0 k m h 速度运行时的样或者更 好3 1 。 名为铁路之星r a i ls t a r 的7 0 0 系新干线，采用的是半有源悬挂系统。不 仅在车体发生摇动时需要使减振器向抑制振动的方向动作，在由于轨道的影 响转向架发生振动时，为使振动不向车体传递，也要求横向减振器具有相应 的动力衰减能力。为此，需要测出车辆的横向运动加速度，控制衰减系数可 变的横向减振器的动作，从而提高乘坐舒适性。与5 0 0 系客车一样，本系统 安装于两个头车( 1 号、1 6 号车) 、装有受电弓的车厢( 5 号、1 2 号车) 以及头等 车厢【33 1 。 德国城间摆式列车i c t 的具有主动倾摆系统的舒适型转向架是由埃尔兰 根( e r l a g e l l ) 的西门子运输系统及其奥地利合作伙伴s i e m e n s s g p 公司共同开 发的一种改进的摆式列车转向架，e p s f 6 0 0 型转向架。该转向架与常规转向 架的区别，主要在于采用了3 个与舒适性密切相关的新型部件【3 4 i ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 电机驱动的倾摆系统它比液压控制系统要简单得多； 横向主动悬挂系统一它可以在通过曲线时，保持车体与转向架对中， 从而改善了平稳性； 半主动控制减振器它可以根据线路状况，调整阻尼大小。 在i c e t y o 车上也安装了f i a t 主动液压倾摆系统，转向架上设有主动横向 悬挂装置，即使当列车以大的横向加速度通过曲线时，也能使车体在转向架 上保持对中，确保更高的乘坐舒适度【3 5 】。 1 3 2 2 国内半主动悬挂在铁道车辆的研究与应用情况 文献 3 6 研究具有参数不确定性的铁道车辆主动悬挂系统的鲁棒稳定性 及鲁棒性能问题。应用u 方法进行了鲁棒控制器设计，利用数值模拟方法进 行了仿真，并利用滚动振动试验台进行了整车试验验证。结果表明，控制器 能明显改善悬挂系统鲁棒性能。 文献 2 2 1 研究了开关型阻尼控制规律和基于神经网络自适应控制的半主 动悬挂连续阻尼控制策略，通过对采用无摇枕转向架的高速客车悬挂系统横 向模型的仿真实验，研究了半主动阻尼控制改善车辆运行平稳性的有效性。 结果数据表明，与阻尼最优的被动悬挂相比，采用连续型阻尼控制策略，车 体横向加速度响应的均方根值能降低2 0 2 5 ，加速度最大值能降低4 0 5 0 ， 横向平稳性指标降低约1 0 1 5 。 文献 3 7 】建立了1 7 自由度的横向主动悬挂计算模型，对该计算模型的主 动悬挂与被动悬挂车辆动力学性能作了详尽的对比分析。对试验模型的计算 与试验研究表明，被动悬挂相比：平稳性指标评价降低2 5 ，二系悬挂行程 和轮轨动作用力分别降低1 5 和2 0 左右：同时还设计制作了四自由度八分 之一比例的半车横向主动悬挂试验模型，针对试验模型采用l q r 与l q g 控 制方法作了大量的理论与试验对比研究。对试验模型的计算与试验研究表明， 主动悬挂方式能有效衰减振动，尤其是共振点处的振动。 文献 1 6 建立了s s 8 型机车主动悬挂仿真模型并做了仿真计算。研究表 明，与被动悬挂系统相比，全主动悬挂可以有效降低车体横向振动加速度， 车体横向加速度峰值降低6 0 以上。在不改变机车车辆其它参数的情况下， 采用全主动悬挂系统可以使原设计最高时速为1 6 0 k m h 的s s 8 型机车的速度 提高到2 0 0 k m h ，而且在此速度下保持机车动力学性能不变差。 铁道科学研究院机车车辆研究所研究员姚建伟等对铁道机车车辆半主动 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 控制减振器进行了模糊控制理论研究和产品研制，完成了半主动控制减振器 的理论分析、仿真计算、作动器研制、示功图和阻尼特性试验、控制策略的 研究、控制器软硬件的研制等工作。半主动控制减振器环行线装车试验结果 表明，更换二系横向半主动控制减振器和二系横向减振器原方案相比，车体 横向振动加速度1 4 0 k m 1 1 直线工况时，最大值降低5 5 5 ，最大平均值降低 3 6 4 ，1 6 0 k m h 曲线( r 1 4 3 2 ) i 况时，最大值降低3 7 5 ，最大平均值降低 2 7 8 ，1 8 0 k l n h 曲线( r 1 4 3 2 ) i 况时，最大值降低1 6 7 ，最大平均值降低 3 4 。试验结果表明，更换二系横向半主动减振器可以保证机车运行安全性 和平稳性，各项指标符合评定标准的要求【3 8 1 。 清华大学丁问司博士后针对国内的实际情况，研究了我国高速列车横向 半主动悬挂系统控制策略、高速开关阀控制的横向半主动减振器 2 , 7 j 。 我国在铁路领域，机车与客车的悬挂系统采用半主动控制的研究开始较 晚，高校等研究单位多注重控制方面的理论研究，有了一些理论研究成果， 但还不够成熟。实验研究刚刚起步，还处于实验室研究阶段，而且大部分试 验的试验模型还是半车模型。目前西南交通大学对车辆主动倾摆系统讲行了 模型试验 3 9 , 4 0 】。对主动悬挂系统的工程应用还需要做大量的工作。 1 3 课题的提出 本课题是基于以下三点而提出的： 我国铁路已连续5 次实施提速，随着旅客列车的运营速度不断提高， 提速机车已暴露出一些新的动力学性能问题，例如在对在原始参数下的s s 7 e 机车进行动力学分析时发现，如表1 1 所示，在美国线路谱或德国高低干扰 谱下，横向动力学性能比垂向要差，前后司机室平稳性指标相差较大，而且 已经超过有关动力学标准，国内d f l l 、s s 9 等提速机车的横向动力学性能也 存在类似问题 6 z l ；同时，一些线路等级差异较大且受条件限制不易改造，已 很难适应机车进一步提速要求。 表1 - i 运行速度1 6 0 k h d h 下不同位置平稳性指标 、弋稳性指标 前司机室横向后司机室横向前司机室垂向后司机室垂向 线路等级 德国高干扰谱 3 0 5 84 2 6 73 2 2 73 2 8 0 美国v 级线路谱 3 1 4 3 3 8 2 9 3 5 3 53 6 2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 作者对两自由度的半主动悬挂车辆模型研究时发现，在簧上质量振动 加速度得到改善的同时，簧间质量块的振动加速度却变大。然后对实际铁道 车辆动力学模型的构架和轮对的分析时也发现，车体的平稳性得到改善的同 时，转向架和轮对的动力学性能变差1 6 ”。说明了在采用半主动悬挂技术作为 有效改善提速机车平稳性方式的同时，必须对机车的构架、轮对等构件的动 力学性能作相应的研究，进行平稳性、构架及轮对动力学性能多指标综合优 化。 在实际应用中，半主动悬挂的控制环节存在一系列的时滞因素，尤其 是半主动悬挂器件因材料、控制等技术还不成熟，其时滞往往较大，而时滞 对半主动或主动悬挂系统有重要影响 5 2 , 5 3 1 ，但国内对时滞的研究主要是基于 较少自由度模型 2 2 , 5 3 , 6 5 】，还未增对完整的多自由度半主动悬挂机车进行研究。 因此，为半主动悬挂技术的装车试验或实际应用，很有必要研究时滞对半主 动悬挂系统动力学性能的影响。 基于上述三点，本论文拟采用半主动悬挂技术对s s 7 e 型提速机车进行 二系横向半主动悬挂机车横向动力学性能研究，以改善提速机车的横向动力 学性能、满足不同线路条件的运行和2 0 0 k m h 提速要求，并分析时滞对半主 动悬挂机车动力学性能的影响。 1 4 论文主要研究内容 由国内外半主动悬挂的理论研究和铁道车辆、汽车领域实际应用来看， 半主动悬挂的理论和技术越来越成熟、性能越来越可靠。我国在这方面的研 究开始较晚，有了一些理论研究成果，但还不够成熟。为以后半主动悬挂或 主动悬挂在铁道车辆的试验和应用分析提供参考而做前期的理论研究是有必 要的。本文研究的主要内容有： 综述国内外半主动悬挂的理论和在铁道车辆、汽车领域的应用，指出 采用半主动悬挂的技术的重要性，提出并分析半主动悬挂的弊端，说明研究 本论文课题的必要性。 研究基于天棚阻尼控制的半主动悬挂基本原理，介绍半主动悬挂中所 用的几种可控减振器。 提出本文半主动悬挂的控制策略，应用动力学仿真软件s i i p a c k 分别 建立被动悬挂和二系横向半主动悬挂机车动力学仿真模型。 对比分析半主动悬对机车平稳性、构架及轮对动力学的影响，说明半 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 主动悬对改善机车平稳性的有效性及二系横向半主动悬挂机车的弊端，研究 机车的二系横向半主动悬挂机理，并优化其可控减振器参数。 对优化后的二系横向半主动悬挂机车进行稳定性、平稳性、曲线通过 性性能分析，检查此机车的横向动力学性能，分析是否能满足2 0 0 k m h 提速 要求，验证此机车对线路的适应性，分析该机车在故障工况下的动力学性能。 建立具有时滞环节的二系横向半主动悬挂机车模型，分析时滞对机车 动力学性能的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章半主动悬挂基本原理及可控减振器 上一章综述了4 种半主动悬挂控制策略，但其基本思想都是基于天棚阻 尼控制原理而发展起来的，因此本文仅研究和推导基于天棚阻尼控制的半主 动悬挂原理，阐述半主动悬挂基本思想。最后主要介绍实现半主动悬挂所采 用的可控磁流变减振器的研究情况，说明本论文的控制策略应用可控磁流变 减振器是可以实现的。 2 1 基于天棚阻尼控制的半主动悬挂原理 半主动悬挂是1 9 7 4 年由美国加州大学d e k a m o p p 教授等提出的一种 半主动隔振方案在车辆上的实现，采用无源但可控的减振器，根据预定的阻 尼控制规律，及时调节阻尼力。半主动悬挂的提出虽晚于主动悬挂，但比主 动悬挂结构简单、成本低，而且性能接近于主动悬挂f 9 】，另外由于不要专用 能源装置，这对各种运载工具来说是一个突出的优点，因而受到重视，有较 好的发展前景。 如果用最优控制理论设计车辆悬挂系统，如图2 1 所示： 一 车体 西 柯聚 图2 - 1 车辆悬挂系统示意图 把构架与车体之间的悬挂系统作用力看作控制力f ，把在随机激扰下车体的 随机振动加速度方差和悬挂弹簧变形方差的线性组合作为评价悬挂系统性能 的指标，记为 j = t 2 0 2 1 ) + p o - 2 ( 0 1 一x 2 ) 2 ) ( 2 1 ) 其中。口为权重因子，表示振动加速度方差和悬挂弹簧变形方差所占比重。 利用变分原理导出使性能指标j 取极小值时的控制力为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 e = c 毫+ x ( x i x 2 ) ( 2 2 ) 式中，c 、k 为与车体质量和权因子a 、口有关的常数。 可是，利用被动式的减振器和弹簧不能产生由上式描述的控制力。这是 因为式( 2 2 ) 要求把减振器的一端接在车体上，另一端接在惯性坐标系上，如 图2 2 所示，这对于运行中的车辆是无法实现的。 惯忡 车体 辜。 拟天棚减振器 构桨 图2 - 2 理想乍辆悬挂系统示意图 枸架 x i x 2 图2 - 3 理想车辆悬挂系统的近似实现示意图 因此，d e k a r n o p p 等提出一种折衷方案，用一个可控减振器( 图2 - 3 中的虚线表示) 与悬挂弹簧并联。这种减振器的节流孔受特别设计的开关控 制，因而它与普通的无源减振器不同。它的节流孔受计算机控制，启闭原则 是使它提供的阻尼力尽量接近( 2 - 2 ) 式右侧第一项，提供与车体垂向速度成比 例的力。 假设车体绝对速度毫为正( 设向上为正) ，相对速度( 毫一童，) 也为正时( 车 体相对构架向上运动) ，虚拟的天棚减振器会产生一向下的力来减缓振动，实 际中的垂向阻尼减振器在此时也能产生一向下的力，此两力的方向相同，可 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 以控制实际减振器提供的减振力的幅值与虚拟的天棚减振器所应提供的减振 力幅值相同；当车体绝对速度量。为正，而相对速度( 毫一童：) 为负( 车体相对构 架向下运动) 时，虚拟的天棚减振器同样会产生一向下的虚拟力，如果此时实 际中垂向阻尼减振器仍采用传统的被动式减振器势必产生一向上的力，则实 际值与希望值方向相反，此向上作用力会加速车体振动。在这种状况下，为 减少车体振动要求悬挂系统能够提供反向( 向下) 的作用力，对于阻尼减振器 来说即要求能提供负阻尼，但由于在非全主动悬挂下能提供负阻尼的减振器 无法实现，因此，最好的减振措施是使垂向阻尼减振器不提供使车体加速振 动的作用力，即使其阻尼值为零。同样，可推理车体在绝对速度毫为负( 向下) 时相对速度( 置一t ) 正、负的两种状态。 根据上述的思想，为使与悬挂弹簧并联的可控减振器提供只作负功的阻 尼力，应该控制可控减振器使阻尼力按下式变化： i f = c 一主 【c = 0 j 1 ( 量i 一量2 ) 0 i 1 ( 主l 一量2 ) 0 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) b l j 是基于天棚阻尼( s k y h o o k ) 的半主动控制基本原理1 9 1 。 在设计半主动悬挂控制器时，尽管可采用其他的控制方法( 如性线反馈、 最优全状态反馈等) ，但对减振器阻尼的控制都要根据类似于上式的切换函数 作出决策这是设计可控阻尼减振器的一个依据。 半主动悬挂的基本思想：被动悬挂装置的减振器能抑制共振，但阻尼力 有时作正功( 相对于车体而言) ，使车辆的振动加剧，基于天棚阻尼的半主动 控制使阻尼力只作负功成为可能。一个典型的半主动减振系统包括测量和控 制装置，当测得阻尼力作负功时，打开“阀门”按一定的控制策略产生特定 的阻尼力，使车辆的振动衰减；当测得阻尼力作正功时，关闭“阀门”，使阻 尼力消失，从而改善减振性能。 半主动悬挂的控制效果明显好于被动悬挂，并接近于主动悬挂，图2 4 示出了简谐激扰下半主动悬挂与主动悬挂、被动悬挂的振幅比一频率比特性 阳1 1 。图2 4 可以看出，半主动悬挂的减振性能接近于主动悬挂，与被动悬 挂相比，对共振峰有明显的抑制作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 龟 壬 图2 4 简谐激扰下不同悬挂方式的振幅比一频率比特性 2 2 半主动悬挂可控减振器 目前，半主动悬挂的器件研究目前较多的是阻尼可控的减振器( 可控减振 器) ，大部分处于实验研究阶段，主要针对汽车悬架系统。对大多数可控减振 器来说，改变阻尼的大小基本上是采用节流方式，即改变节流面积或改变流 体粘度，大致有以下几种类型： 变节流面积或变压力减振器：通过改变节流口的面积或压力来控制阻尼 力，从结构形式来说，大多是适合多级阻尼、慢调节的减振器。 电流变减振器：采用电流变液作为减振器工作液体，通过施加外电场改 变电流变液的抗剪应力和粘度，实现阻尼可调，其特点是阻尼力由电场快速 无级调节，功耗很小。电流变液减振器的问题在于，需要较高的控制电压 ( 2 3 k v ) ，流变效应低于磁流变液，即阻尼变化范围小。 磁流变减振器：采用磁流变液作为减振器工作液体，通过施加外磁场改 变磁流变液的抗剪应力和粘度，实现阻尼可调，其特点是阻尼力由磁场快速 调节( 毫秒级) ，消耗能量也很小。磁流变液减振器的问题在于，磁流变液中 的软磁微粒对减振器的磨损有待于进一步研究，抗沉降性和温度稳定性有待 于进一步提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 1 工作缸2 磁流变液3 线固4 活塞5 活塞杆6 阻尼通道 图2 - 5 混合工作模式的磁流变减振器工作原理 图2 5 是磁流变减振器在混合工作模式下的工作原理，磁流变减振器