（光学工程专业论文）半主动悬挂控制策略仿真及其在摆式客车上的应用分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘。要 摆式客车可以在不降低旅客乘坐舒适度的情况下以较高的速度通过曲 线，这是既有线路提速、增加铁路客运能力、提高铁路与其它交通工具竞争 能力的一种有效办法。随着相关学科和高新技术的迅猛发展，对车辆悬挂振 动控制系统的研究和开发成为车辆动力学和自动控制领域的国际性前沿课 题。近年来，特别是高速、廉价的微处理系统的普及，使得研究实用的主动 和半主动悬挂系统成为可能。将半主动控制应用到摆式客车上，作为改善乘 坐舒适度的一种方法，在今后将会显得越来越重要。 本文首先介绍了国内外半主动悬挂的发展和应用情况，并简要介绍了国 外几种已成功开行的半主动悬挂摆式车辆。第二章分析了摆式客车提速机理， 对倾摆机构进行几何运动学和动力学分析，阐述了摆式客车的组成以及作动 器倾摆的实现，介绍了天棚阻尼控制原理和控制策略。研究了多种非智能和 智能半主动控制策略，包括天棚阻尼控制、p i d 控制、模糊控制和线性二次 型最优控制，分析了几种控制方式对车辆动力学性能的影响。 建立了具有二系横向和垂向的半主动控制自导向式摆式客车仿真模型， 考虑轮轨接触几何和蠕滑关系的非线性、轮对自由横动量和轴箱横向止挡的 非线性、二系横向止挡的非线性，二系抗蛇行减振器以及部分减振器的非线 性特性。将半主动悬挂和被动悬挂摆式客车的平稳性性能、蛇行运动稳定性 和曲线通过性能进行对比分析；分析r 倾摆系统故障对半主动悬挂摆式客车 动力学性能的影响，主要包括正常倾摆、无倾摆、倾摆不复原、倾摆角度不 足和反向倾摆，将这五种情况运行时的动力学性能进行对比分析，且研究了 倾摆系统时滞对动力学性能的影响。最后，分析了半主动悬挂时滞对摆式客 车动力学性能的影响，当时滞2 0 m s 时许多指标恶化的较为严重，半主动控 制失效，说明时滞不能过大。为了突显半主动悬挂的优势，对控制系统时滞 进行研究和限制显得尤为必要。 将半主动控制以一定的形式应用于摆式客车使乘客在直线和曲线上都具 较高的舒适性，对提高摆式客车的运行品质具有重要意义。 【关键词】摆式客车：半主动悬挂；倾摆系统；曲线通过：动力学性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t i l t i n gt r a i ni sp o s s i b l et op a s st h ec n r v eb yh i g hs p e e di no r d e rt or e d u c e t h er i d ec o m f o r to fp a s s e n g e r s t h i si sa ne f f e c t i v em e a n sf o rt h er a i s i n gs p e e do f t h e e x i s t i n gl i n e ，t h ei n c r e a s i n ga b i l i t y o fr a i l p a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o na n d e n h a n c i n gt h ec o m p e t i t i v ea b i l i t y a b o u tt h er a i l r o a da n do t h e rt r a n s p o r t a t i o n v e h i c l e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o r r e l a t i o nd i s c i p l i n ea n dt h eh i g h n e wt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ha n dt h ee x p l o i t a t i o na b o u tt h es u s p e n s i o nv i b r a t i o n c o n t r o l s y s t e m r u nt ot r a i n d y n a m i c s a n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o ld o m a i n i n t e r n a t i o n a lf r o n tt o p i c hr e c e n ty e a r s ，e s p e c i a l l yt h ep r e v a l e n c eo ft h e h i g h - s p e e d 。l o w c o s tm i c r op r o c e s s i n gs y s t e m ，i tp r o b a b i l i z e st h er e s e a r c ho n p r a c t i c a li n i t i a t i v ea n ds e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m t h es e m i a c t i v ec o n t r o l d e v i c ei sa b l et oa p p e a rf r o mn o wo nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t l ya st h em e t h o d t oc h a n g et h er i d ec o m f o r to fp a s s e n g e rw h e na p p l i e st h es e m i - a c t i v ec o n t r o l s u s p e n s i o nt ot i l t i n gt r a i n s f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o fd o m e s t i ca n d f o r e i g h s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n sa n ds e v e r a ls e m i a c t i v es u s p e n s i o nt i l t i n gt r a i n sa b r o a d a r ed e s c r i b e db r i e f l y a n di nt h es e c o n dc h a p t e rt h em e c h a n i s mo fi n c r e a s i n g c u r v i n gs p e e d w i t h t i l t i n gp a s s e n g e rc a r a n dt h e g e o m e t r yk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c so ft h et i l t i n gm e c h a n i s ma r ea n a l y z e d ，t h ec o m p o s i t i o no ft h et i l t i n g t r a i na n dr e a l i z a t i o no ft h et h ea c t u a t o rl e a n e da r ee l a b o r a t e d , a n dt h e ni n t r o d u c e s t h e s k y h o o d c o n t r o lp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g y s t u d i e sm a n yk i n d so f n o n i n t e l l i g e n ta n d t h ei n t e l l i g e n ts e m i a c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y , i n c l u d i n gt h e s k y - h o o dc o n t r o l ，t h ep i dc o n t r o l ，t h ef u z z yc o n t r o la n dt h el i n e a rt w oo p t i m u m c o n t r o l s t h ei n f l u e n c e so fa b o v ec o n t r o l st ot h ev e h i c l e sd y n a m i c sp e r f o r m a n c e a r ea n a l y z e d a t i l t i n gt r a i nm o d e le q u i p p e dw i t hs e l f - s t e e r i n gr a d i a lb o g i e si se s t a b l i s h e d v i as i m u l a t i o ns o f t w a r es i m p a c i ct h eb o l l l i n e a r i t yo ft h ew h e e lt r a c kc o n t a c t g e o m e t r y , t h ec r e e pr e l a t i o n s ，t h e w h e e l s e tl a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，s e c o n dl a t e r a l c h e c k e r , s e c o n da n t i h u n t i n gs h o c ka r ec o n s i d e r e d ，a sw e l la sp a r t i a ls h o c k t h e r i d es t a b i l i t yp e r f o r m a n c e so ft h et i l t i n gc a r b o d y , h u n t i n gs t a b i l i t ya n dc u r v e n e g o t i a t i o np e r f o r m a n c e s o ft h es e m i a c t i v e s u s p e n s i o nc o m p a r e d w i t ht h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l il 页 p a s s i v es u s p e n s i o na r ea n a l y z e d f i v ek i n do fs i t u a t i o nm o v e m e n t so ft h ed r i v i n g a c t u a t o ra r ea n a l y z e d , s p e c i f i c a l l yi n c l u d e s ：n o r m a lt i l t i n g ，n ot i l t i n g ，t i l t i n gd o e s n o tr e c o v e r ，t h ea n g l eo ft i l t i n gi si n s u f f i c i e n ta n dt i l t i n gi so nt h ec o n t r a r y d i r e c t i o n t h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c e sc o m p a r e dw i t ht h ea b o v ef i v ek i n do f m o v e m e n t sa n de f f e c t so ft i m ed e l a ya b o u tt i l t i n gs y s t e mc o n t r o lo nv e h i c l e d y n a m i c sp e r f o r m a n c e sw i t hs e m i - a c t i v es u s p e n s i o n sa r ca n a l y z e d a tl a s t t h e e f f e c to ft i m ed e l a ya b o u tc o n t r o lo nv e h i c l ed y n a m i c sp e r f o r n t a n c e sw i t h s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n si sa n a l y z e d m a n yi n d e x e sw o r s em o r es e r i o u s l yo nt h e t i m ed e l a yo f2 0 m sa n dt h e nt h es e m i - a c t i v ec o n t r o le x p i r e s i ts h o w st h et i m e d e l a yc a n to v e r s i z e i no r d e rt or e v e a lt h es u p e r i o r i t yo ft h es e m i - a c t i v e s u s p e n s i o n s ，t h er e s e a r c ha n dl i m i to ft h et i m ed e l a yt ot h ec o n t r o ls y s t e ma p p e a r e s p e c i a l l ye s s e n t i a l i th a sh i g hc o m f o r t a b l e n e s sf o rt h e t i l t i n gt r a i n t ow h i c ha p p l i e st h e s e m i a c t i v ec o n t r o l sb yc e r t a i nf o r ma l o n gt h es t r a i g h tl i n ea n dt h ec u r v e ，a n di t h a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c et ot h em o v e m e n tq u a l i t yo ft h et i l t i n gt r a i n k e yw o r d s ：t i l t i n gp a s s e n g e rc a r ；s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ；t i l t i n gm e c h a n i s m ；c u r v e n e g o t i a t i o n ；d y n a m i c sb e h a v i o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 客车悬挂系统振动控制的机理研究和产品开发是客车动力学和自动控制 领域的国际性前沿课题。近年来，随着相关学科和高新技术的迅猛发展，特 别是高速、廉价的微处理系统的普及，使得研究实用的主动和半主动悬挂系 统成为可能。在我国，有必要加快对此领域的研究，以适应我国铁路高速化 战略的需要。 1 1 选题背景 由于铁路具有运量大、速度快、运输安全、节约能源以及环保等优点， 因此铁路自问世以来就得到了迅速发展，一直作为人类最重要的交通运输工 具之一。但是进入2 0 世纪6 0 年代以来，随着公路交通和航空运输等的飞速 发展，铁路运输面临极其严峻的挑战。进入2 0 世纪7 0 年代以后，各大工业 国尽管受到了能源危机的影响，公路交通和航空运输仍然得到了高速的发展。 长期以来主要依附于铁路的长途客运进入了航空通道，短途客运被公路运输 争夺，货运由大量集装箱卡车取代，各国铁路客货运量大幅下降，仅以西欧 为例，铁路到2 0 世纪8 0 年代其客货运量的市场占有率均从五十年代的5 0 左右下降到了不足1 5 ，面对困境，有识之士开始觉醒。最终发现出现这种 现象的原因是：长期以来，铁路行业由于偏重于增加客车的重量而忽视了行 车速度的提高。只有提高行车速度、缩短旅行时ib j 才能使铁路在与公路、航 空的竞争中立于不败之地。自然而然，高速铁路和提速铁路为世界各国的旅 客运输开辟了新途径【l 一。 列车提速面临的一个问题就是列车在曲线区段运行，当运行速度高于曲 线设计的平衡速度时，即会产生未平衡离心加速度，使车上乘客受到指向曲 线外侧的作用力，以致乘客乘坐舒适度恶化，并影响列车运行的安全性。目 前，列车提速一般有两种途径： 一是通过建设新的高标准线路或大规模改造既有线路，加大轨道曲线半 径，开通高速列车，如日本的新干线、法国的t g v 和德国的i c e 等； 二是在既有线路下，通过改善车辆性能，提高对线路的适应能力。运用 摆式客车就是普遍采用的一项技术措施p l 。 高速客车必须有相应的线路、通讯信号和供电系统等配套设旌，因此高 速铁路的投资大，建设周期长，技术难度大，投资回收期较长。开行摆式客 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 车可以少改变甚至不改变现有的线路，采用“移动设备适应固定设备”的技 术路线，可做到列车提速投资省、见效快。 我国是一个多山的国家，很多既有线路曲线众多、半径很小，都采用第 一种途径经济上是不现实的。只有通过第二种途径才能尽快实现铁道部的规 划：平原地区最高速度要提高到1 4 0 1 6 0 k m h ，山区铁路最高速度提高到 1 0 0 1 2 0 k m h 。根据一些研究资料表明，摆式客车可以在保证运行平稳性的 同时较常规列车的曲线通过速度提高3 0 5 0 ，这样通过运行摆式客车就 可以在常规线路上实现提速，在准高速线路上实现高速1 4 , 5 j 因此，采用摆式 客车是适合我国的国情、路情的。1 9 9 9 年，铁道部已批准立项，由西南交通 大学、唐山机车车辆工厂、成都铁路局等单位联合开发研制我国的摆式客车。 随着我国铁路旅客列车的提速和高速列车的研究，改善机车车辆运行品 质的要求不断提高。改善机车车辆的运行品质，即高速机车车辆的运行平稳 性主要是借助于转向架结构参数和悬挂系统参数的设计优化来实现。悬挂系 统参数对机车车辆性能的影响常常是相互矛盾的，因此悬挂系统的设计是综 合了多方面因素的折中结果【o j 。 机车车辆的悬挂系统与2 个主要性能即平稳性和稳定性密切相关。目前应 用的悬挂系统主要有3 种：被动悬挂，全主动悬挂和半主动悬挂。传统的被动 悬挂系统由于其弹性元件和阻尼元件的参数不能实时调节，因而不能使机车 车辆的乘坐平稳性和操作舒适性同时达到最优【馏l 。全主动悬挂系统结构复 杂，成本高，难以应用；阻尼可调的半主动悬挂系统与全主动悬挂系统柏比， 虽然对振动控制的性能略差，但其结构相对简单，价格低廉。同时，在控制 品质上又能接近于主动悬挂，因而有着广阔的应用前景。特别是磁流变减振 器的出现，加快了半主动悬挂产业化的进程。在目前机车车辆营运速度迅速 提高的情况下，采用阻尼调节的半主动悬挂系统应用前景广阔1 9 。1 1 1 。 摆式客车的半主动式悬挂系统是在车体和摆梁之间安装可控减振器。车 体上安装有2 个横向加速传感器，传感器将检测在转向架构架中心处的车体振 动。控制器分配可变式减振器的阻尼力，以减轻车体振动。 上述对半主动悬挂的研究针对为普通机车车辆，摆式客车能提高曲线通 过速度使得乘客的舒适度没有降低，让车体向轨道内侧再倾摆一个角度，利 用车上的重力加速度横向分量来平衡更大的离心加速度，在不影响乘客舒适 性的情况下，提高列车曲线通过的速度，若将半主动控制以一定的形式应用 于摆式客车使乘客在直线和曲线上都具较高的舒适性，这对提高摆式客车的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 运行品质具有重要意义 1 2 半主动悬挂控制策略的研究现状 半主动式悬挂系统是采用与主动式悬挂系统类似的控制技术来改善运行 品质的一种途径，但是半主动式悬挂系统通过采用控制悬挂参数( 例如阻尼 系数) 的方式，而不是利用外部力量来减少振动。因此它与主动式悬挂系统 不同，因为它不需要外部动力源( 例如气缸、液压泵) ，从这点来看，由于 这种悬挂系统采用参数动态控制的方式来减少振动，因此它被称为“半主动 式”悬挂。半主动式悬挂系统有适合铁道车辆的下列特点【1 2 】： ( 1 ) 半主动式悬挂对空气动力学振动和引起轨道不规整的普通振动都有 效，这种系统也能减少车体的共振； ( 半主动式悬挂系统总是起减振器的作用，因此与主动式悬挂系统相 比，半主动式悬挂系统具有优越的稳定性，这意味着可简化半主动式悬挂系 统的故障备用系统； ( 3 ) 因为不需要外部动力源，半主动式悬挂系统可以制作的更紧凑。 半主动悬挂方式的振动控制是适合于解决上述问题的系统。过去进行的 运行试验结果表明，列车原有的振动越大，半主动悬挂减振装置的减振效果 就越好；速度越高，半主动悬挂减振装置的振动减少率就越大。综上所述， 作为铁路车辆高速化过程中减少地面设备投资、改善乘坐舒适度的一种方法， 半主动悬挂减振装置在今后将会显得越来越重要。 1 2 1 国外半主动悬挂的应用情况 1 9 8 3 年，日本丰田汽车公司就已将微机控制的减振器阻尼系数可两级切 换的半主动悬架应用于t o y o t as o a r e r 2 8 0 0 g t 轿车上日本的三菱汽车公司和 日产汽车公司也分别在2 0 世纪8 0 年代中、后期在本公司生产的某些车型的轿 车上采用了电子控制半主动悬架系统。l e x u s l $ 4 0 0 型轿车的电子控制悬架 系统是一种较典型的半主动悬架系统。该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【1 3 l 。 1 9 8 8 年，日产公司研制开发了一种所谓声纳半主动悬架装置，并首先选 装在m a x i m a 型轿车上。其原理就是通过发出的声纳信号进行路面搜索，同 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 时将来自路面的发射波信号进行接收识别【1 4 1 。 2 0 世纪9 0 年代，日产公司在无限q 4 5 轿车上应用了新式主动悬架，进一 步提高了轿车适应崎岖路面的能力。踏入2 1 世纪最引人注意的是奔驰公司的 ( a c t i v eb o d yc o n t r o l ，a b c ) 系统，可算是最先进的主动悬架系统代表u ”。 日本5 0 0 系为了以提高舒适性为目标，在两头车厢( 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。装用半主动悬挂装置后，列车的乘坐舒适 性从“普通”区域提高到。良好”“普通”区域。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明线或隧道内，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 f n 速度运行时的乘坐舒适性与以往2 7 0 k m h 速 度运行时的一样或者更好。今后将以进一步改善乘坐舒适性为目标，继续研 究改进半主动悬挂系统的结构和性能1 1 6 】。 日本7 0 0 系新干线采用了半有源悬挂系统。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，且在由于轨道的影响使转向架发生振动时， 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，这对于实现“提 供舒适性更好的客车”这一目标，具有明显的效果1 1 7 1 1 2 2 国内半主动悬挂在铁道车辆的研究与应用情况n 8 1 文献 1 9 1 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。应用口方法进行了鲁捧控制器设计，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。 西南交通大学的王月明博士研究了阻尼控制策略的两种实现方式：一是 开关型阻尼控制规律，二是连续型阻尼控制规律。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 1 2 0 l 。 文献 2 1 1 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， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 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倩况下， 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 ，两且在此速度下保持机车横向动力学性能不变差。 文献【2 2 】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，与被动悬挂相比：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i q r 与i 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。 铁道科学研究院的姚建伟等对铁道机车车辆半主动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、示意图和阻尼特性试验、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 h 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 i n h 曲线( r 1 4 3 2 ) 工况时，最大值降低3 7 5 ，最大平均值降低2 7 8 ，1 8 0 k m h 曲线( r 1 4 3 2 ) 工况时，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肛”。 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 4 , 2 5 j 。 西南交通大学的曾京、戴焕云教授等对开关阻尼控制的铁道客车系统的 动力学性能进行了研究，主要包括半主动减振器的阻尼参数和半主动悬挂系 统的时滞对客车系统临界速度和随机响应的影响。计算表明，尽管半主动悬 挂使客车系统的临界速度低于被动悬挂，构架的横向加速度和轮轨横向力也 要大于被动悬挂，但它能够大大减小车体的横向振动加速度，改善旅客的乘 坐舒适性f 2 6 1 。 1 3 国外半主动悬挂摆式客车的研究概况 迄今为止，国外已经开发了多种摆式客车，不少摆式客车的成功运行为 它们的制造厂商赢得了广泛的市场，下面着重介绍一下国外摆式车的分类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 i c e 城间摆式客车是一种成功的列车系统，由于采用了摆式技术，它能 够最有效地利用车辆和既有线路，从而节约了投资，降低了运营费用，并使 运行舒适性得到进一步提高。同时它具有了主动倾摆系统的舒适型转向架， 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1 2 7 l ： ( 1 ) 电机驱动的倾摆系统它比液压控制系统要简单得多； ( 2 ) 横向主动悬挂系统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； ( 3 ) 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 列车上也安装了f i a t 主动液压倾摆系统，转向架上设有半主动横 向悬挂装置，即使当列车以较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i 船1 。 日本摆式客车采用半主动式悬挂系统来提高运行品质。在车体和摆梁之 间安装可变式减振器。车体上安装有2 个横向加速传感器，传感器将检测在转 向架构架中心处的车体振动。控制器分配可变式减振器的阻尼力，以减轻车 体振动。通过试验得出以下几点结论【1 2 1 ： ( 1 ) 没有可变式倾斜减振器的半主动悬挂只能减少车体横向振动约2 0 3 0 ： ( 2 ) 在横向曲线的末端，该系统的性能要差一些； ( 3 ) 可变式倾斜减振器改善了半主动悬挂系统的性能； ( 4 ) 同时采用半主动悬挂和可变式减振器是改善摆式客车运行品质的一 个有效途径。 1 4 半主动控制摆式客车研究内容和思路 1 4 1 本文的研究内容 研究多种非智能、智能半主动控制策略，包括天棚阻尼控制、p i d 控 制、模糊控制和线性二次型最优控制，将几种控制方式进行对比分析其动力 学性能，指出其优缺点； 研究了天棚阻尼控制系统时滞对车辆动力学性能的影响，指出时滞量 的严格界限，提出对控制时滞量关键技术研究的必要性； 建立了具有二系横向和垂向的半主动控制自导向式摆式客车仿真模 型，并就其平稳性性能、蛇行运动稳定性和曲线通过性能进行分析； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 分析了倾摆系统故障对半主动悬挂摆式客车动力学性能的影响，主要 包括正常倾摆、无倾摆、倾摆不复原、倾摆角度不足和反向倾摆，将这五种 情况运行时的动力学性能进行对比分析。 倾摆作动器时间延迟对摆式客车曲线通过动力学性能的影响。 研究控制系统时滞对半主动悬挂系统动力学性能的影响，指出时滞量 的严格界限，提出需要采取控制时滞量的关键技术。 1 4 2 拟采取的研究方法、可行性研究和课题的创新性 1 可行性研究 对天棚阻尼2 自由度模型颤振研究、p i d 控制方法、4 自由度被动悬挂 和模糊控制方法建模，可以利用s i m u l i n k 程序采用不同的计算方法来分析； 传统的车辆系统动力学已经有成熟的方法，多体系统动力学程序s i m p a c k 具 有解决一般动力学问题数值计算方面的强大功能，辅助其他分析软件( 如 m a t l a b 等) 使得较短时间内建立自导向和迫导向径向转向架计算模型成为可 能；动力学性能分析和参数优化依据现有的车辆系统动力学理论：摆式客车 的倾摆系统可以采用四连杆机构加上两个物体来模拟作动器的动作和倾摆， 利用参数设置不同实现倾摆角度的变化；半主动控制可以在软件s i m p a c k 利 用其控制模块加入。 2 研究方法 模型建立将利用s i m u l i n k 程序及传统的车辆系统动力学方法和多刚体系 统计算动力学的方法建立动力学方程，用多体动力学软件s i m p a c k 建立整车 数值仿真模型。模型中将充分考虑车辆系统的非线性因素。积分方法可以采 用- - - 三阶龙格一库塔法( r u n g c k u t t a ) 、四五阶龙格一库塔法等多种方法。 模型中将适当的考虑轮轨之间的动力学耦合。 动力学特性分析和结构参数优化主要从以下几个方面入手： 稳定性：主要确定蛇行运动的失稳速度和振动加速度峰值； 运行品质：主要分析振动系统的垂向、横向、摇头自由度的动力学表现； 稳态曲线通过：主要分析外侧导向轮横向力的最大值和均方根值，脱轨 系数、冲角等动力学性能的变化情况。 3 本文的创新性 利用多刚体系统方法建立数值仿真模型，可以更加方便，深入的分析转 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 向架的动力学性能。随着旅客列车的不断提速，应用摆式客车来提高曲线通 过速度改善曲线通过时乘客的舒适度显得相当重要，同时运用半主动控制来 提高摆式客车的直线平稳性性能，改善其运行品质是顺应铁路不断提速和满 足旅客的要求，同时摆式客车较其它车辆复杂，对控制策略和控制方法进行 分析应用研究具有较大的工程实用价值。 一般对铁路半主动控制的分析研究都是针对二系横向半主动控制，近年 来也出现了对垂向半主动悬挂的研究，但也仅仅限于垂向，而横向和垂向在 实际运用中存在一定的耦合关系，且相互影响，同时对于横向振动已采取了 若干减振措施，然而列车的高速化也给垂向振动带来了影响，对垂向振动进 行分析研究并提出解决方案已势在必行。作为控制方法之一的天棚阻尼控制 应用的比较多，本文应用其原理建立了同时具有横向和垂向半主动悬挂的摆 式客车模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章半主动悬挂自导向摆式客车动力学模型建立 传统的被动悬挂是在一种轨道输入条件下设计的，而摆式客车在运行过 程中的环境是不断变化的，随着轨道输入的改变人们对悬架的期望值也在增 大，被动悬架已无法满足人们日益苛刻的要求。另一方面，随着传感器、微 处理器及作动器制造技术的提高，使可控悬挂在车辆上的应用成为可能1 2 9 1 。 同时，迫导向径向转向架在适当的稳定性要求下具有最佳的曲线通过性 能，任何曲线上都能顺利有效地导向。但迫导向转向架的导向机构要将车体 和轮对联系起来，机构比自导向径向转向架复杂，且迫导向径向转向架的动 力性能极大地依赖导向机构工作状态，对转向架制造精度，工艺水平，检测 手段提出了很高的要求，故本文动力学模型的研究重点集中在结构相对简单 且应用广泛的自导向径向转向架。 而摆式客车与普通客车本质区别在于曲线通过时前者车体在倾摆机构的 作用下产生倾摆，以抵消给旅客带来超标的离心力，从而提高舒适度，其倾 摆机构在我国主要采用一对对称的铰链四连杆机构。车体坐落在摆枕上，车 体及摆枕重量通过八字吊杆作用在构架上，通过安装在摆枕与构架之间的作 动器提供倾摆力，实现车体倾摆。车体倾摆会造成车体重心在横向和垂向上 的位移，同时在摆枕与构架之间有作动器的输出力，这些参数都应在摆式客 车动力学计算模型中加以考虑，因此对倾摆机构进行运动学、动力学分析显 得尤为必要。再加上自导向径向机构，机电作动器动作，以及在摆式客车的 摆枕和车体之间设置可变( 可调) 阻尼器，整个车体自由度比较多，结构复 杂，针对整车动力学仿真，进行深入细致的分析建模方法和步骤显得格外重 要。 2 1 模型建立 图2 - 1 为摆式客车动力学模型示意图。模型由车体、摆枕、构架、抗侧 滚扭杆、四连杆机构、径向机构、轴箱及轮对组成。中央悬挂装置位于车体 和摆枕之间，中央弹簧采用空气弹簧，二系垂向减振器利用其节流孔来体现。 在摆枕和车体之间安装抗侧滚扭杆装置，以减小车体相对摆枕的侧滚角位移， 同时还设有横向液压减振器和横向弹性止挡装置，横向液压减振器采用斜对 称布置。构架和车体之间安装有抗蛇行减振器，车体和构架之问采用纵向牵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 引拉杆，传递牵引力和制动力。 倾摆机构采用一对对称的铰链四连杆方式，前后转向架各有一个，由摆 枕、两对摆杆、上下吊轴和机电作动器组成。摆枕通过两对倾斜布置的八字 摆杆及吊轴悬挂在构架大横梁的摆杆座上。摆杆两端与上下吊轴通过自润滑 轴承连接。车体坐落在摆枕上，车体及摆枕重量通过八字吊杆作用在构架上 倾摆机构的摆心高度距轨面约为1 6 m ，接近人体中心和车体重心。电动行星 滚珠丝杠式车体倾摆作动器安装在构架侧梁和摆枕之间，带动上部车体倾摆， 摆式客车在通过曲线时由丝杠的伸缩驱动来推动摆枕和车体按倾摆机构的几 何轨迹共同倾摆。 卷 铷雌01 l 蛔甜9 鹭 了1 1 l j 万l l _ x !旦 q z 毕i 一丌； rl礴斗 跏雹铲型掣m r y z 图2 1 摆式客车动力学模型示意图 在每侧的车体和轮对之间加装一套连杆机构形成导向装置。导向杆的上 下端通过两根径向连杆分别与前后轮对轴箱相连，构架中部设有回转中心销 将垂直导向杆与构架连接在一起，采用前后左右对称布置。 车体与每个摆枕构架之间配有2 个横向减振器和2 个抗蛇行减振器构架 与轴箱之间由一系悬挂装置连接，每轴箱一系悬挂装置配有垂向减振器。考 虑了轮对、构架和车体均具有伸缩、横移、浮沉、侧滚、点头、摇头6 个自由 度，四连杆机构中摆枕和左右连杆具有3 个自由度，前后抗侧滚扭杆各有6 个 自由度，每个轴箱和垂直导向杆各具有1 个旋转自由度，机电作动器分成两个 刚体来建模，前后各有2 个自由度，共7 4 个自由度( 包括独立和不独立) 。考 虑轮轨接触几何和蠕滑关系的非线性、轮对自由横动量和轴箱横向止挡的非 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 线性、二系横向止挡的非线性，二系抗蛇行减振器以及部分减振器的非线性 特性。建立好之后模型中各零件间的连接关系见图2 - 2 。 图2 - 2 摆式客车动力学模型结构图 2 2 倾摆运动规律的确定 车辆倾摆时横向若有较大的倾摆角速度、角加速度，极易使乘客晕车。 因此，对摆式车辆进行舒适度评价时，必须考虑倾摆角速度和角加速度的影 响。根据国外摆式客车的设计经验，乘坐摆式客车的乘客保证舒适度所能承 受的倾摆角速度一般不大于5 。s ，角加速度不大于1 5 。s 2 。取倾摆角加速度 按与时间t 成分段线性关系变化的梯形波信号，其数学表达式为【3 0 】； 三巳f f o o 一。 一垒口一f ) t 0 t 1 - f t s t o t 。s t r t o ( 2 - 1 ) r - t os t t f r f s t t 对上式在相应时间段作一次积分。二次积分，分别得到车体倾摆角速度和 倾摆角度0 与时间的关系( 参见图2 - 3 2 5 ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 三却2 丑o n ( f ) 4 - e ( f - t o ) m = 脚( f o ) 仃- t o ) 一e ( f t + 砷 m ( t - r ) 一每( f 2 - 仃- f o ) 2 ) o ( 2 - 2 ) t o t t - - t o r - - t o t ；t - - l r t f t t p 6 t o 吣 1 日o ) + , o ( r x t f ) + 每( f - t o ) 2 z r s ；t t o k ) + 毗酢t 2 f 。 ( 2 。3 ) 0 - ：- _ ) + 。“酢- t o ) t o r b 1 日( r - t o ) + n ，叮- t o x t r + f 。) 一 ( f 一2 + f 。) 2 r f 。f r f k m 口一啪”d l 专旷叩- f ) 2 h 2 ( t 一) ，) 卜“r 式中：为最大角加速度，t 为时间变量，f 为车体达到最大摆动加速 度的时间，t o 为摆动的加速和减速时间，t 为车体整个倾摆过程所用时间， 在正常情况下，这也是车辆通过缓和曲线的时间。因此可通过车辆通过缓和 曲线的速度v 和缓和曲线的长度厶求出t ， 7 - 生v ( 2 - 4 ) ， 如果取f - t o 3 ，可求得t o = 0 4 s ，如果取v = 1 2 0 k m h ，l , = 7 0 m ，可求得r = 2 1 0 s 。 根据以上方程，车体倾摆运动规律如下图所示： 时同( s ) 图2 - 3 车体倾摆角度与时间的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 4 车体倾摆角速度与时间的关系 霄 里 窖 已 毯 髑 量 援 蜓 肇 图2 5 车体倾摆角加速厦与时间的关系 2 3 机电作动器动作分析 机电作动器建模如图2 6 中m f 和e n 两个刚体。其中m 点是作动器和 构架的铰接点，n 是作动器和摆枕的铰接点。m n 相对于构架有绕二者的铰 接点m 在y z 平面内旋转的自由度，通过e n 在m f 的方向上作伸缩平动来 模拟滚珠丝杠的伸缩进绘运动。同铰接点b 相同，铰接点n 在m n 进给过 程中，与四连杆机构中b 点建模方法相同。在曲线通过仿真中，是通过输入 作动器伸缩量和曲线通过时间历程的关系曲线来使车体按照确定的倾摆规律 倾摆的，所以e n 在m f 方向上的伸缩平动规律是已知的，而摆枕和车体的 倾摆确定了n 点的位置和e n 的方向，从而m f 的转角确定，作动器两个刚 体m f 、e n 的运动也确定了。动作后m n 距离伸长，e f 距离缩短为e f ， 如图2 - 6 清晰可见。本文根据下文对曲线线路的设定，m f 、e n 的动作规律 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 如图2 7 和2 - 8 所示。 8 8 善 意4 艘 璐2 墨 0 图2 - 6 倾摆机构运动学分析数学模型 - 202 4 6 8 01 21 1 8 2024 b81 01 2 1 41 8 时圊历程s 时间历程s 图2 - 7 作动器倾摆角度与时间的变化关系图2 - 8e n 伸长量与时间的变化关系 根据图2 6 倾摆机构运动学分析数学模型，列出倾摆机构的基本参数： 表2 - 1 摆式客车倾摆机构的基本参数 参数数值参数 数值 h e ( 重- f i , 距轨面高、 1 6 6 8 m m 8 ( 车体倾摆角度)8 t - i t ( 摆心距轨面高) 1 5 9 8 1 6 r a m l ( 作动器两端水平长度)1 0 2 4 r a m h ( 作动器一端距轨面高) 4 8 0 r a m l i ( 摆杆上铰点长度、 6 5 0 m m h 1 ( 吊杆下端点距轨面距离) 2 9