【《列车悬挂系统及振动评定标准分析》9400字】

列车悬挂系统及振动评定标准分析目录TOC\o"1-3"\h\u30525列车悬挂系统及振动评定标准分析 1156261.1列车悬挂系统分类 1312711.1.1被动悬挂系统 160081.1.2半主动悬挂系统 32501.2轨道不平顺数值模拟 54521.1.1传统轨道不平顺的数值模拟 66101.1.2时域美国轨道谱模拟 717391.1.3轨道激励信号的模拟 9310341.3悬挂系统性能评价指标 10111661.3.1车体加速度均方根值 1175031.3.2车辆的Sperling平稳性指标 11316981.4两自由度被动悬挂系统仿真 141.1列车悬挂系统分类1.1.1被动悬挂系统动车在铁轨上运行的过程中受到线路的外部振动干扰、因高速产生的对流阻力、发动机提供的动力和制动装置提供的阻力等因素的作用，会对车辆行驶时的安全性能和乘车舒适度造成一定程度的影响。动车悬挂装置是由动车车轮和转向架之间的一系悬挂、转向架和车身之间的二系悬挂等减振器所组成的，它的构成零部件是弹性减振装置和阻尼器。悬挂系统对维持车辆运行时的安全性和舒适性的要求一般是不能同时满足的，如果只考虑单方面性能的提升来对控制系统进行建模通常会导致另一种控制性能的降低。在列车工业制造的过程中对悬挂系统进行设计时要综合外界环境干扰和车体动力学状况等许多因素和变量来调节控制参数，设计出的控制系统只能在一定程度上优化动车的整体性能。被动控制系统在动车运行时各控制参数都是固定值，在抑制车体振动时不需要加外接动力装置来提供能量，其工作机理是把列车振动时产生的动能转化为弹性装置中的弹性势能，在通过阻尼减振器缓慢地将能量消耗掉。图2-1被动悬挂系统动车在铁轨上行驶时会收到来自铁轨产生的垂直方向激励，转向架和车体会被传感器检测到产生时间域的随机振动信号a5=k1k2y图2-2被动悬挂系统方框图以xit为输入，车体振动信号GS=Y式中，a1=mtma4由系统方框图和传递函数可以推断出在被动控制策略的控制下，二系悬挂阻尼器和一系悬挂的输出值之间有互相反馈的关系，一系悬挂的振动会让二系悬挂阻尼器对车辆的抑制作用降低，所以该控制策略只能在一定程度上抑制车体的振动。在当前的工业生产过程中，各大动车生产厂商在制造动车的车身时通常采用的是密度较小的铝合金材料，但对于要承载列车大部分重量的转向架来说，因为要保证材料的强度、刚度和耐磨性达到应用标准，想要减轻转向架的整体质量难度就比较大，转向架的质量没有改变，单独使车体轻量化会导致车体在整车中的质量比重降低，从而使列车的乘车舒适度下降。1.1.2半主动悬挂系统从上世纪开始，工程师在设计悬架系统时就把半主动控制策略应用到了产品当中，该控制策略的提出是为了解决全主动控制系统需要耗费大量外部能源来抑制车体振动以及核心部件生产成本颇高等问题，作动器调节系统的刚度值需要大量动能消耗，而采用半主动控制改变阻尼器的参数消耗的能量大大减少。把两种控制系统拿来相互比较可以发现各自的控制特点，主动控制抑制振动的核心部件是主动力动作器，而半主动控制通过传感器实时测量列车的运行状况并把信息反馈给可调阻尼器来抑制车体的振动，它与被动控制系统的组成结构非常相似，都是将悬挂系统振动是产生的动能转化为弹性装置的弹性势能，最后由阻尼器消耗掉。半主动控制在对被控对象进行控制时，主要是通过调节二系悬挂阻尼值来抑制车体的振动，这过程中消耗的能量很少，不需要外界持续不断地供给，因此该控制策略又被称为无源主动控制系统，如图2-3所示。半主动控制方法的流程图如图2-4所示，其传递函数的数学模型和被动控制基本一致，不同之处是被动控制的二系悬挂阻尼值是一个恒定常量，而半主动控制的二系阻尼值是传感器实时测量转向架和车体的输出信号并反馈给控制系统来进行参数的调节，即c2图2-3半主动悬挂控制图图2-4半主动悬挂结构框图工程师观察实验数据发现，当二系悬挂阻尼器的参数值根据系统反馈调节到较小值时，车体在低频段的振动幅度会处于一个较高水平，随着阻尼系数的增加，低频段的振动幅度会降低，而高频段的振动幅度会增大。从该实验现象可以总结出，动车在一条既定轨道上运动时，会存在一个阻尼参数值在它对应的控制模型下抑制车体振动的效果是最好的。根据二系悬挂可调节阻尼器本身的结构特点可以将该控制方法分为两种类型，一种叫分段型控制系统，另一种叫连续型控制系统。分段型控制系统在对被控对象进行控制时其二系悬挂的可调阻尼器参数不能连续变化，该系统在工业制造的设计过程中就在内部安装了分段式的阀门控制开关，该系统的组成成分不是很复杂，对于可调阻尼器既能使用手动的调节方式，也可以让传感器采集列车的振动信号对车体进行机器本身的智能调节。连续型控制它的结构与分段型不同，所采用的二系悬挂阻尼器其阻尼值是可以在一定范围内线性调节的，它的调节原理是采用节流孔对阻尼值进行改变，还有一种方法是用减缓振动的液压控制对阻尼值参数进行调节，这两种方法都是在连接测量传感器的基础上对悬挂系统进行控制和改变的，以下对半主动控制方法在对被控对象进行控制时的特点进行说明：该控制方法的工作原理其实是利用二系悬挂中的减振装置对被控对象进行控制，在控制过程中整个车体的安全系数很高，当列车在运行中发生紧急情况时，该控制系统能根据传感器的反馈来调节参数，使车辆维持稳定状态，保障乘客的人身安全。该控制方法和主动控制在系统构造上存在差异，因为半主动控制在发挥控制功能时需要外界提供的能量较少，因此不需要在系统中接入外部能源装置，这也使得半主动控制具有很高的性价比，制造成本低廉，并且易于生产加工制造。它的具体控制方法和主动控制相近，可以根据安装在振动部位的传感器装置来采集振动输出信号，将该信号反馈到控制系统中实时地调节阻尼值来抑制车体的振动。从仿真的实验数据和运用实践中可以总结出，半主动控制的制造成本较低，其控制性能又能达到较高水平，在控制系统发生故障时能充当被动控制的控制模型使用，所以其在轨道车辆控制领域具有很高的实用性和研究价值。1.2轨道不平顺数值模拟铁路轨道在长期的使用过程中，由于火车承重都比较大，在火车车轮重力的挤压下和车轮在铁轨上运行的过程中不断摩擦的应力作用下，铁路轨道表面会出现凹凸不平的磨损，轨道接头处也会出现一定程度损伤。轨道表面凹凸不平的磨耗、铁轨相邻接头之间高度不在同一条水平线上、铁轨下方的地基因不牢固造成的松软等诸多问题，会导致铁轨出现垂直方向的不平顺和水平方向的不平顺；而铁轨在生产加工时本身因工艺和加工精度等问题形成的材质弯曲、列车长期行驶中接触应力作用下造成的塑性变形等问题，又导致了铁轨的横向不平顺还有实际轨道距离和理论值出现了偏差。这几种因各种外力作用导致的轨道不平顺会在动车运行过程中持续对悬挂系统和车体造成振动激扰，这种振动激扰会经由动车的高速运行形成扩大效应，很小的振动幅度就会造成车体较大的振动高低落差。这种不平顺不仅在车辆应力的作用下会加速铁轨和车轮的磨损过程，还会使行车时列车的安全性能遭到考验，如下图2-5就是四种不平顺的理论模型。图2-4四种轨道不平顺在对轨道不平顺进行理论研究的过程中，研究人员发现列车在铁轨上运行时所受到的路面激扰一般是一个稳定不确定过程，传感器所测得输入信号是随机变化的函数，只能采用一些概率学上的统计函数来表达路面激扰的输入值。功率谱密度函数是统计学中一个重要的概念，它可以非常直观地通过示波器图像来表达函数的特征，并且可以将多个函数的输出信号进行叠加，这使得它经常应用在轨道不平顺的表达函数中。但根据近年来国内外相关领域专家们的研究发现，轨道激扰的特征函数并非都是稳定随机的，也存在幅值突变的现象，在对半主动控制系统的功能和仿真模型进行测试时，需要加入程序模拟出的轨道不平顺信号作为初始输入激励，因此采用何种方法来模拟轨道不平顺的时域信号也是设计控制系统时一个很重要的步骤。1.1.1传统轨道不平顺的数值模拟如果用功率谱密度函数来编写程序模拟轨道激扰的输出信号，现在模拟激扰信号通常采用以下几种方法，第一种方法为用滤波器对输出信号进行两次滤波的方法，第二种方法通过模拟白噪声的频率和时域特征产生信号，第三种方法为将多个三角函数的时域信号进行叠加生成复合信号产生激扰信号，第四种方法为对功率谱密度函数进行频域采样后生成输出信号。如果要采用二次滤波法生成轨道不平顺信号，就要用一个随机高阶函数生成输入变量，还要设计构造一个可以将其他杂乱信号剔除的滤波器，将函数生成的随机振荡信号经过滤波器两次滤波后输出的信号即为轨道激扰信号。采用该方法时面对不同频率的输入函数需要调整滤波器的内部结构才能生成正确符合实际的激扰信号，面对这种耗费资源的操作步骤，很多工程师在实际设计中放弃了该方法，并且生成的高频段振动激扰与实际铁轨产生的不平顺值存在较大误差。通过仿真软件采集白噪声的时域和频域特征值从而模拟其输出信号，将输入的轨道谱通过傅里叶变换的形式转换成函数表达式，根据该特征函数的特点设计构造一个滤波器，将仿真软件模拟的白噪声输出信号进行滤波处理生成轨道激扰信号。因为各种轨道生成的函数表达式不同，并且函数方程中存在一些高阶变量，要针对不同函数制造特定的滤波器难度较大。并且假设对信号进行模拟时没有完全符合其信号特点，生成的轨道激扰信号准确度不高。采用三角函数对轨道激扰信号进行模拟时，将铁轨生成的振动信号视为稳定在特定范围波动的变化过程，用仿真软件设计程序时将函数设计成复合三角函数的形式来生成轨道激扰的输出值。yx=σ该表达函数中，QUOTEσσ是系统方差值；n是信号中随机变量的个数；QUOTEωkωk是功率谱函数QUOTEfω=-∞ωPωσ2dωfω=−∞ωPωσ2dω中的随机变量；QUOTEP(ω)P(ω)是轨道谱在用三角函数叠加生成激励信号的方法可以在任一选定的时域内产生信号，并能根据列车运行的速度产生不同幅值的激励信号，当该方法需要运用概率论中的定理生成特定的随机变量参数，会与实际情况有较大出入。对轨道谱采集频域信号生成轨道激励输入是研究人员采取的一种改进方案，该方法生成的输出信号具有随机不确定性，能很好地模拟实际轨道路面的不平顺情况，对采集到的频域信号进行傅里叶逆变换数值处理，输出的信号即为轨道激励信号。但该方法需要同时满足变量参数中的多个条件，仿真时间需要取特定数值，处理数据信号的时间很长且得到的是一个开环方程解。1.1.2时域美国轨道谱模拟根据国际规定的轨道安全性能评价指标和列车行驶时的舒适性等相关的研究文献表明，美国轨道交通的相关部门把国内的铁路轨道质量分成了六个等级，不同等级代表了该轨道的材质优劣性，六级轨道谱的的结构性能是最优的，由高到低性能逐渐下降，将该输出信号通过数学模型的方式表达出来，其公式为：Sa该数学模型中，SaΩ为轨道激励输入的轨道谱函数；k=0.25是一个恒定常量；美国六级轨道谱的值为Aa=0.0339cm2通过仿真软件生成的功率谱密度函数都是单边谱，要通过特定函数编写的程序处理输出信号变换成双边谱。在列车在铁轨上的运行速度确定后，根据关系式Ω=2πf/VPf在对轨道谱进行研究时发现，在铁轨振动激扰信号的影响下，动车悬架系统和车体会因为铁轨产生的振荡波动一起在一定幅度范围内不规则振动，车体在受到垂直方向的振动时产生的加速度经传感器输出生成波形图和数据矩阵，通过数据观察发现其主要频率分布范围在1赫兹到3赫兹之间；列车车轮产生的垂向振动加速度其频率主要分布范围在3赫兹到120赫兹之间；而铁路轨道的垂向振动加速度的频率分布范围主要在数百赫兹到上千赫兹之间。根据实际情况的不同，在用仿真软件模拟轨道激励信号时，取下限截止频率fmin≤0.5Hz,取上限截止频率可以根据车辆和轨道的实际情况取100赫兹到1000赫兹范围内适合的数值。这下限截止频率所对应的研究对象是轨道车辆的车体振动，而上限截止频率所对应的研究对象是轨道随机的振动激扰。在对系统进行仿真时，设置仿真时间为T,N=INT(f之后把fk=fminxL就可以生成轨道振动激扰信号和矩阵数列。1.1.3轨道激励信号的模拟数据信号时域范围内的模拟是将铁轨振动激扰信号的空间域频率通过傅里叶变换转换为时间域的频率，对频率数据进行采集和归纳，总结其数据特点通过时间域数学模型的形式进行表达，用Matlab编写程序来表达函数，并将其作为轨道激励信号作为控制系统的输入。本次毕业设计我采用的是基于美国六级线路谱的数学模型为基础生成的功率谱密度函数，并通过控制理论当中相对最优的傅里叶逆变换法对数据信号进行处理转换，将频域信号变换为时间域的轨道振动激励信号。为了便于将生成的轨道不平顺激励信号输入到搭建的控制系统仿真模型中，我在编写激励信号的程序是使用的是Simulink的主程序Matlab，用Matlab特定的编程语言和编程逻辑编写了生成激励信号的m文件。设置高速列车的运行速度为270km/h,采样时间的最小步长设置为0.0001。上截止频率取fu=v/0.5=27.78÷0.5=55.56图2-5高低不平顺信号图2-6不平顺解析值与模拟值的比较从图中可以观察得出，用傅里叶逆变换的方法模拟出的激励信号其频域范围内的解析值和模拟值的波性特征基本吻合，而采用其他方法模拟出来的激励信号解析值和模拟值都会有偏差，不能十分精确地反映实际的轨道路面不平顺情况。将用仿真软件编程经过傅里叶逆变换时域反演得到的轨道激扰信号作为控制系统模型的输入信号，为后面对被动控制系统和天棚阻尼控制系统的仿真做了铺垫。1.3悬挂系统性能评价指标动车在行驶过程中，会受到外部环境很多因素的影响，这使得车辆产生的随机振动具有复杂多变的情况和不同程度的振动幅值，因外界进行的干扰而产生的振动在车辆行驶过程中一直存在，因轨道不平顺信号和外界环境干扰形成的不规则振动被研究专家认为是影响动车平稳性的首要因素。当车辆在轨道上高速运行时，因轨道表面的不平顺和列车车轮的磨耗等原因会产生多种振动激励信号，导致车体和悬架系统出现随机幅值上下左右方向的不规则振动。采用控制理论搭建的控制系统就是用来抑制车体振动的方法，对于如何从搭建的控制模型仿真的数据中总结得出车体的运行性能就十分关键，只有精准地把握车辆的运行状况才能知道从哪方面入手调节参数来进一步抑制车体振动，下面将从加速度均方根值和Sperling平稳性指标两个特征值入手来对列车的平稳性指标作出说明。1.3.1车体加速度均方根值车辆运行时由传感器测得的车体部分垂直方向振动加速度和水平方向振动加速度的大小是判断列车平稳性指标时一个重要的参数，采集列车运行时车体垂向振动加速度的输出信号a(t)排列成时域矩阵还有在仿真时长Ts机车车辆在运行时车体部分产生的横向移动、头部摆动、车体侧身滚动振动三个机械运动有传感器处理合并生成的加速度复合信号a(t)，经过采样周期Tsσa该数学模型中，σa1.3.2车辆的Sperling平稳性指标该评价指标的代数符号为Wz，WzWz=0.896(aWz=0.896[a该数学模型中，a是加速度波形图中的最大值和最小值（cm/s2）；f是加速度的振动频率（Hz）,F(f)是和振动加速度频率有表达关系的数学模型，是人体对振动幅度敏感程度的评价指标，被称作频率修正系数，是根据实验数据总结出的。F(f)该数学模型的提出是研究学者发现乘车人在列车运行时对于不同程度的振动频率大小所感受到的舒适度各不相同，在列车振动的幅值范围内，F(f)表2-1各频率范围的修正项F(f)频率范围垂向振动表达式频率范围横向振动表达式0.5～5.9F0.5～5.4F5.9～20F5.9～26F>20F>26F随着精密测量仪器的不断改进和发展，一些精度较高的传感器和测量仪器被广泛应用于测量车体的平稳性和运行稳定性，所以上面关于列车乘坐性能评定的数学模型可以变换为以下形式，其本质和原理还是没有改变。WzWz公式（2-10）代表的是乘坐质量，公式（2-11）代表的是乘车舒适度，该数学模型中，a的含义是加速度振动幅值（cm/s2）；B频域范围内的加权系数其数学表达式如下形式：乘坐质量：B=1.14[垂直方向平稳性：B=0.588[上方的数学表达式都是在特定参数值稳定不变的情况下计算出的线性振动平稳性指标，要满足的条件是车辆的振动频率稳定不变，振动幅值是一个常量，还有振动加速度峰值保持不变，该评价指标的平稳性能评定指标按如下形式区分：表2-2列车Sperling平稳性指标Wz平稳性指标W乘坐质量平稳性指标W乘车舒适度1非常好1稍微有感觉2良好2明显能感受到3达标1.5非常明显但不难受4可以行驶3剧烈、但能够承受4.5不能行驶4.25非常剧烈5有安全隐患3.5痛苦不能忍受4对身体有危害从等级划分表中可以观察出，机车车辆的平稳性评价指标的数值越小证明该车控制系统的控制性能越好，在当前的铁路轨道运营中能将平稳性指标W的数值控制在1.5以下的情况是很罕见的，实际运行过程中难以实现，但该数值超过4的情况也属于极少数。该统计数据表明平稳性等级划分存在最大值很严格，最小值不是很严谨的现象，如果将等级划分范围设置的太分散对分析控制系统的性能非常不利。根据各铁路运营部门技术评价手段的不同，在设定平稳性指标的最大值时通常将参数值设置在1.5～3.5之间。因为列车实际运行情况和稳态振动不同，在实际铁轨上运行的车辆其产生的垂向振动是随机不规则的，车体产生的位移、速度和加速度峰值和频率分布都是随着时间随机改变的，对于复杂的实际情况，在用计算程序计算平稳性指标时，将传感器测得的车体振动加速度信号进行均匀分段，对各段信号进行频率采样并计算该段的综合频率，各段信号形成了多个频率成分Wz1Wz之后将式（2-9）代入式（2-14）之中就可以生成实际情况下的平稳性指标计算公式：W=7.0810Ff式（2-15）中，ai的含义为车体振动加速度信号经过频域转换之后在频率f按照铁路部门对轨道车辆运行平稳性指标评定的要求，在对传感器测得的列车振动加速度输出信号进行数据分析时，要以20s作为一个信号周期，再将总的信号周期进行均匀分段，以2s为一个小的输出信号，分成10个时域信号段，对每一段进行傅里叶变换生成信号的频域图，最后得到的频率是取各段的平均值，将经计算得到的ai和f1.4两自由度被动悬挂系统仿真为了对列车被动控制系统的性能进行研究，如何对车辆悬挂系统的模型进行简化是在建立仿真模型时一个重要的步骤。列车的二系悬挂装置是一个自由度较高、质量模块较复杂的多动力学振动系统，在进行仿真建模时根据问题研究方向