列车横向半主动悬挂控制策略

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

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(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) 0420007203

1 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,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

F s —天棚减振器阻尼力C s —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

v 1 —车体横向速度v 2 —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。

F s =

- C s v1 , v1 ( v1 - v2) > 0

0 , 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) > 0

0 , v1 ( v1 - v2) ≤0

(2)

令F = F s ,用阻尼系数表达式(1) 即为:

7 2008 年第4 期液压与气动

C( t) =

C s v1/ ( v1 - v2) , v1 ( v1 - v2) > 0

0 , 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 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C s·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 =

C s , v1 ( v1 - v2) > 0

C0 , v1 ( v1 - v2) ≤0

(4)

B. C =

min C h ,

C s v1

v1 - v2

, v1 ( v1 - v2) > 0

C0 , 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,这种方式被称为“开2关式半主动悬挂系统”。控制规律B 是既根据速度方向切换阻尼,又控制阻尼

幅值,这种方式是连续调节阻尼的。设置了阻尼的上

限C h ,当按天棚阻尼公式计算出的阻尼系数高于C h 时,实际阻尼C 取上限,当低于C h 时按天棚控制规则

取值。其中两式C0 中为设置的阻尼下限值。文献