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1、列车横向半主动悬挂控制策略及其油压减振器控制机理研究李贵平,王广丰,刘宏友,徐 伟ResearchontheControlStrategyoftheLateralSemi2activeSuspensionoftheTrainandtheWorkTheoryofDamperLIGui2ping,WANGGuang2feng,LIUHong2you,XUWei(青岛理工大学机械工程学院,266033)摘 要:介绍了列车横向半主动悬挂的基本控制策略及其改进,分析了一种半主动减振器的基本原理及对控制阀的设计要求,对半主动减振器的研究应用具有一定
2、的指导意义。关键词:天棚阻尼原理;横向半主动悬挂;减振器;电液比例溢流阀中图分类号:TH137 文献标识码:B 文章编号:100024858(2008)04200072031 前言铁路车辆的横向振动对乘坐舒适度的影响很大,依靠提高线路等级的办法又需要投入巨额费用,而采用全主动悬挂和半主动悬挂却能有效地抑制机车车辆的横向振动,提高乘坐舒适度。与全主动悬挂相比较,半主动悬挂采用无源但可控的阻尼器,能够根据预定的阻尼控制规律及时调节阻尼力大小,除控制器件的驱动外,不需输入外来能源(如气缸、液压泵),其结构相对简单,成本低,而且能够达到期望的控
3、制效果。更为方便的是,这种减振器可以和被动减振器相互换,而不需要改造原来的悬挂系统。目前对列车横向半主动悬挂系统的研究,国外最为典型的是日本,并且已经在部分高速列车上使用[1、2、4]。国内在这方面也展开了大量的研究,但还没有走向实际应用阶段。本文对列车半主动悬挂系统的基本控制策略、阻尼器的实现等方面进行研究分析。2 横向半主动悬挂基本控制策略及其改进天棚阻尼原理是车辆悬挂系统半主动控制最常用的方法,该方法简单有效,易于实施[3]。采用天棚阻尼(skyhook)原理作二系横向悬挂系统的基本控制原理见图1。假设列车沿一道虚拟的刚性墙移动,
4、在虚拟墙与车体之间装设一个虚拟减振器(称作天棚减振器)来减小车体横向振动。按天棚阻尼原理,天棚减振器在列车运行中需始终处于工作状态以提供阻尼力。但天棚减振器是虚拟的,在实际应用中由安装于车体Fs—天棚减振器阻尼力 Cs—天棚减振器阻尼系数F—实际减振器阻尼力 C—实际减振器阻尼系数v1—车体横向速度 v2—转向架横向速度图1 横向天棚阻尼原理图与转向架间的横向减振器模拟实现。实际减振器提供的阻尼力与活塞的移动速度(车体和转向架的相对速度)成比例,当车体运动速度与减振器活塞移动速度相反时,产生的阻尼力会加大车体横向振动。所以横向半主动控制
5、的天棚控制规则定义如下: 收稿日期:2007210208 作者简介:李贵平(1975—),男,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生,研究方向:机电控制。Fs=-Csv1,v1(v1-v2)>00,v1(v1-v2)≤0(1)而实际减振器半主动控制时的阻尼力为: F=-C(v1-v2),v1(v1-v2)>00,v1(v1-v2)≤0(2)令F=Fs,用阻尼系数表达式(1)即为:72008年第4期液压与气动C(t)=Csv1/(v1-v2),v1(v1-v2)>00,v1(v1-v2)≤0(3)将C写为时间的函数,是因为在列车运行过程中v1和v2
6、是不断变化的,所以在模拟天棚阻尼力时要求实际阻尼系数C也要根据v1和v2作相应的变化。理想的天棚阻尼力是决定于车体运动速度的,不需要考虑转向架的运动状况。但在实际应用中,阻尼力是依赖于减振器活塞运动速度的,与转向架的速度有关。当相对速度较低,而车体速度较高时,按式(3)所要求的实际阻尼系数C就会很大,这在实际中是难以达到的。但由于轨道的振动频率要高于车体的振动频率,所以通过减少在车体绝对速度方向上阻尼力的方式来产生一个接近理想减振器的力是可能的[4]。也就是说相对速度的变化频率比车体速度的变化频率高,从而可以通过控制实际阻尼力的最大值来
7、模拟天棚阻尼力。在相对速度较低的情况下,实际减振器产生的阻尼力达不到天棚阻尼力时,维持一定的阻尼系数不变;在相对速度较高的情况下,实际阻尼力达到天棚阻尼力时,控制阻尼系数C为Cs·v1/(v1-v2),使其等于天棚阻尼力。另外,由于减振器油液回路本身存在液阻和摩擦阻力等作用,实际最小阻尼也不可能做到零。所以在具体应用中,对横向天棚阻尼规则需要做一些改进。结合半主动控制中的两个重要环节,即按速度方向切换阻尼和控制阻尼大小,相应的控制方式有两种:一种是只在方向上做控制;另一种是两者都控制。下面是天棚阻尼控制规则的两种改进形式:A.C=Cs,
8、v1(v1-v2)>0C0,v1(v1-v2)≤0(4)B. C=minCh,Csv1v1-v2,v1(v1-v2)>0C0,v1(v1-v2)≤0(5)控制规律A是设置一固定阻尼,只按速度方向切换阻尼,这
