文献翻译——Semi-active-control-to-reduce-carbody-vibration-of-railway-vehicle

武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 Semi active control to reduce carbody vibration of railway vehicle by using scaled roller rig Journal of Mechanical Science and Technology 26 11 2012 3423 3431 DOI 10 1007 s12206 012 0861 1 Yu Jeong Shin Won Hee You Hyun Moo Hur and Joon Hyuk Park School of Railway System Engineering University of Science Revised May 25 2012 Accepted June 7 2012 中国科学与技术杂志 26 11 2012 3423 3431 DOI10 1007 s12206 012 0861 1 Yu Jeong Shin Won Hee You Hyun Moo Hur and Joon Hyuk Park 科技大学铁路系统工程学院 韩国大田市儒城区柯亭洞 305 333 113 号 韩国铁道技术研究院 车辆动力学研究所 韩国仪旺市洞京 畿道 437 757 360 1 号 2012 年 4 月 3 日收到手稿 2012 年 5 月 25 日修订 2012 年 6 月 7 日接受 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 摘要 由于列车运行速度提高 铁路车辆性能的升级也不断被要求 为了提高涉及 到振动的乘坐舒适性 代替了传统被动悬架的 半 自主悬架已经在进行研究 了 为了减少振动 磁流变 MR 阻尼器已广泛应用在汽车或抗振领域 但是 它还没有应用到铁路车辆 在此研究中 带磁流阻尼器的天棚控制被应用到滚 动试验台上的遏制车体横向振动的 1 5 比例的铁路车辆模型实验中 根据这 1 5 比例原型模型的铁路车辆 其他车辆的尺寸以相似方法进行缩减 通过对 控制车体横向振动的数值分析和实验进行了比较 详细讨论了提高乘坐舒适性 和通过使用半主动控制运行的铁路车辆稳定性的可能性 关键字 半主动控制 铁路车辆 缩放滚动试验台 磁流变阻尼器 MR 阻尼器 1 介绍 最近铁路系统因为其环保的运输手段 提高铁路车辆性能的技术越来越多地 需要 一般情况下 驾乘的舒适性主要受转向架和车体之间的辅助放置空间 还有受连接轮和转向架 1 2 之间基础悬架对正在运行的稳定性的影响 由 于传统被动悬架在其在提高性能方面优化的限制 几十年来进行了半主动和主 动悬浮在铁路车辆中使用的研究 半主动悬架与主动相比的一点好处是简单起 见 因为单独电源供应制动器不是需要用到的 3 半主动悬架受到的关注 一直很多 因为它可以找到成本和改善平顺性的备用方案间的最佳平衡点 铁 路车辆上半主动悬架的主要技术是使用液压型半主动阻尼器 然而 只有通过 数值示例 4 才能对铁路车辆的磁流变阻尼器应用进行讨论 王等人在其数 值模拟中报道 相对于被动悬架系统 5 来说使用磁流变阻尼器的半主动悬架系 统可以大大减少车体振动 此外 Hudha 等人比较了使用天棚控制的半主动悬 架系统和被动悬架系统 6 的性能 Stribersky 等人通过现场测试表明液压 型半主动阻尼器能够提供平顺度达 15 Sasaki 等人报道不带有可变倾斜式阻 尼器的半主动悬架可以抑制车体的横向振动约 20 30 8 9 除了这些研究 已经存在很多在铁路车辆的半主动悬架上应用了几十年的理论和实验研究工作 10 然而 在铁路车辆上目前使用最多的半主动阻尼器大多是液压类型 能够使用液压电磁阀的半主动悬架能力使它适用于铁路车辆 11 然而 使用 液压电磁阀的半主动阻尼器需要单独的液压缸提供流体 而且维修时很难防止 它不漏油 另一方面 使用磁流变阻尼器的半主动悬架是一个相对简单的系统 并且具有相比传统半主动悬架维护中没有的优势 尽管许多国家有许多相关研 究 但都尚未应用到一个真正的铁路车辆当中 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 Y J Shin 等人 机械科学与技术 26 11 杂志 2012 年 3423 3431 表 1 缩放后的汽车模型的自由度 参数横向位移偏航角滚动角 轮对 i 1 2 yi i 转向架 yb b b 车体 c c 表 2 缩放比例因子和参数值 因数原尺寸比率1 5 比例 半车体质量 公 斤 10 50e31 390 26 半车体框架长度 米 10 001 2 00 半车体框架宽度 米 3 121 0 62 转向架质量 公 斤 2 15e31 317 20 半转向架框架长 度 米 2 971 0 59 半转向架框架宽 度 米 1 971 0 39 轮对质量 公斤 1 69e31 313 50 纵向主刚度 牛 米 6 70e31 35 40e4 横向主刚度 牛 米 4 90e61 33 97e4 垂直主刚度 牛 米 8 94e61 37 15e4 纵向第二刚度 牛 米 1 67e51 3 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 横向第二刚度 牛 米 1 67e51 30 98e3 垂直第二刚度 牛 米 3 20e51 32 56e3 图 1 半车汽车模型 目前这个研究的目的是通过磁流变阻尼器的应用来提高驾乘舒适性 而不是 由被动横向阻尼器在转向架和车体之间的空间所决定的 为此 对 1 5 比例的 铁路车辆动态模型采用数学方法进行研究 其性能通过使用一种数值方法模拟 用配备有磁流变阻尼器的 1 5 比例的模型来验证这一理论结果 2 1 5 缩放铁路车辆动态建模的动态模型 在这个部分 通过 1 5 比例的铁路车辆的动态模型进行推导评估出正在运 行的特点 铁路车辆的数学模型是由两个车轮 一个转向架和半车体组成 如 图 1 所示 他们是由一级和二级悬浮架相连 如表 1 所示 横向和偏航运动被认为是 轮对 横向 偏航和横摇运动对转向架的影响 因为考虑了试验的边界条件 车 体上无横向运动的偏航和横摇运动被采用了 因此 总的自由度是 9 而且控制 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 的目标是减少车体的偏航振动 数值分析中 城市铁路车辆的一般参数的应用 如表 2 所示 模型的运动方程详载于 Appendix A 1 此外 空间状态方程表 示为方程 1 3 1 1 而 A A B B 2a 2b 2a 2b 9 9 9 1 1 1 9 1 1 C C D D 2c 2d 2c 2d 9 9 9 1 1 1 9 1 1 这分别表示系统矩阵 输入矩阵 输出矩阵 以及传输矩阵 而代表系统静态 的静态向量为 X X 3 3 3 1 5铁路车辆的磁流变减震器 图2 一个缩放的磁流变阻尼器和在振动试验台上的电流驱动器 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 图3 MR 阻尼器的性能测试结果 力 速度 图4 阻尼器的测试结果和近似公式 这种目前应用于铁路车辆的半主动悬浮架在大多数情况下采用使用液压的可 变节流孔形式 另一方面 MR阻尼器不需要在可调阻尼器中使用机械阀 它的 工作机制是当电流被施加到电磁线圈时通过改变磁流变流体在壳体和活塞间隙 磁场中的间距而改变粘度从而生成控制力 使用磁流变阻尼器的半主动悬架优 点之一是它的设计比液压半主动悬架更简单 此外 它不需要那些用于主动悬 架的额外的外部力量和设备 在这项研究中 缩放后的MR阻尼器以1 5比例车辆 模型的半主动悬架展开研究 通过一系列测试验证其性能 考虑到121N的20 的 余裕 通过比例变化的磁流变阻尼器的最大力被设置为通过模拟得到的最大值 150N 显示在图2中缩小的阻尼器和电流驱动装置可以控制阻力系数 性能测试 是按照不同的励磁频率和电流进行测试的 显示在图2中的阻力器测试台试验了 从 3 0mm 内的不同位置发出0 5 Hz 1 Hz 3 Hz 4 Hz和5 Hz的不同激励频 率对磁流变阻力器进行测试 对各种激励条件和输入电流下的阻尼力进行了测 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 量 图3显示了缩小的磁流变阻尼器性能测试结果和在3HZ的激励下 3 0mm内的 力和速度图像 由于力的特性 阻尼力随施加到磁流变阻尼器上的电流增大而 增大 基于适用于横向振动的力 速度图像得出最大阻尼为148 2Ns mm 图4显示了由 MR 阻尼器性能测试数据所得表示力和速度关系的曲线并且 它可以通过公式4可以推导 148 2 296 4 1 exp 3 3046 116 845 142 2482 4 天棚控制 众所周知 天棚逻辑具有理想的振动悬架的特性 12 天棚配置了连接到 虚构天空的阻尼器 由于天棚阻尼器 这个力表示为 而是车体的绝对速度 这个采用假想天空的理想天棚阻尼器不能应用在实际系统中 13 因此 需要考虑一些表示等效天棚阻尼力的方法 在本文中 天棚控制应用于在转向 架和车体之间的MR阻尼器中 阻尼力通过利用等效的阻尼系数得到 半主动天 棚控制法如下计算 0 0 0 而表示转向架和车体的相对速度 表示车体的绝对速度 图5显示了仿真软件程序对采用天棚控制器的铁路车辆模型的动态仿真 图5 铁路车辆模型的动态仿真程序 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 图6 干扰信号的仿真 图7 由天棚控制对车体加速度降低的仿真 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 图8 MR阻尼器的控制力 图9 控制前后车体振动的位移 5 数值仿真 为了确定在实验测试中使用的缩小的车辆的动态特性 数值分析方法被采用 了 详细结果见参考文献 14 15 在数值分析中 为了进行更准确的仿真 激励了实验测试中的振动试验台的 横向位子的制动电压被转换成一个干扰力 图6显示了滚动实验台上在频域和时 域内干扰信号 如上所述 天棚阻尼控制通过使用正在滚动试验台上运行的1 5比例铁路车 辆测试的干扰信号作为输入信号 进行数值分析 图7表明车体的振动被很好地 控制在不超过7 5HZ的频率范围内 尤其在当天棚增益被设为20 一个显著的控 制效果被发现了 这时在4HZ的频域 频域特性的干扰比较明显 在控制器中产 生的控制力如图8所示 最大值为121N 图9显示了当4HZ的横向波对轮对进行激励时车体通过仿真的振动位移大小 通过使用MR阻尼器的控制效果大约为77 从1 57毫米到0 35毫米 可以发现 这可达8 0秒左右 6 实验 6 1实验仪器 在本节中 1 5比例的铁路车辆和滚动试验台的规格进行了说明 图10显 示了缩放滚动振动试验台和铁路车辆的结构 它是由轮对 转向架 半车体 悬架和中心支点组成 二级悬架通过使用球辊和螺旋线圈构成 因此横向和纵 向的的动态特性能够分离 而且磁流变阻尼器安装在转向架和车体之间 对于 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译 原型车辆模型的生产 城市铁路车辆的参数使用考虑到1 5比例的规格 如表二 所示 缩放的滚动振动试验台被设计 以至于在导轨上相应的辊通过速度命令被 伺服马达控制 车体被垂直的二级悬架所支