高速列车横向半主动减振器的天棚阻尼控制仿真研究
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N o . 10 % 机床与液压& 2006.
47000 2400 125356 1386230 2100 4878000 315600
3H Z 时 X 共振频率 X 1 X 取路面输入激扰频率 C: 处X , 比较被动悬挂与半主动悬挂的在共振点的响应 X 如图 3 ~ 6X 0 8H Z 时 X 非共振频 X 2 X 当路面输入激扰频率 C: 率处X , 比较被动悬挂与半主动悬挂的响应 X 如图 7 ~ 10 X 0
图2
车体的模型图
前转向架的侧滚振动方程 : J k h3 6 y -l y $-h1 6 -c 16 1 2 h3 y 1 1 2 h5 1 yl h2 6 k y h4 6 h5 6 $1 1 h4 y m 1 1 1 c y h4 6 F 0 1 h4 y m 1 1 1 1 h5 : 后转向架的横移振动方程 : my k y h4 6 c y h4 6 + 2 1 y m 2 2 2 1 y m 2 2 2 c k h3 6 y + l h1 6 + h5 6 y+ $2 y 2 2 2 y 2 2 h2 6 F l 0 $2 : 后转向架的侧滚振动方程 : k h3 6 y +l y J $-h1 6 -c 16 2 2 h3 y 2 2 2 h5 2 y+ l h2 6 k y h4 6 h5 6 $2 1 h4 y m 2 2 2 0 c y h4 6 F 1 h4 y m 2 2 2 2 h5 : 车体的横移振动方程 : My c k h3 6 y l h1 6 $2 y 1 1 2 y 1 yl h2 6 k h3 6 y + l h5 6 $$1 2 y 2 2 c h1 6 h5 6 y+ l h2 6 + F F 0 $2 y 2 2 1 + 2 : 车体的侧滚振动方程 : k h3 6 y -l y J 6 $-h1 6 -c 2 h1 y 1 1 2 h2 1 6 h5 6 yl h2 6 k h3 6 y + l h1 6 $$1 2 h1 y 2 2 0 c h5 6 y+ l h2 6 F F $2 h2 y 2 2 1 h2 2 h2 : 车体的摇头振动方程 : k c h3 6 y l h1 6 J $2 ly 1 1 2 ly 1 $$h5 6 yl h2 6 + k h3 6 y + l $$1 2 ly 2 2 c h1 6 + h5 6 y+ l h2 6 F + F : 0 $2 ly 2 2 1l 2l 定义系统的状态变量 : [ yy 1T x: 1 y 2 66 1 6 2 $ yy 1 y 2 66 1 6 2 $
＊
基金项目I 教育部科技司重点项目
U 2001 U 224 01131
N o . 10 % 机床与液压& 2006.
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my k y h4 6 -c y y h4 6 + 1 1 y m 1 1 1 1 m 1 1 1 k h3 6 y -l y h5 6 y-l $-h1 6 +c $2 y 1 1 2 1 1 F h2 6 0 1 :
s i mu l at i onof t h el at e r al s e mi ac t i ved amp e rof h i ghs p e e d T r ai n s w i t hs k yh ookc on t r ol
L I USha o j un9 C A I D a n9 Z H UH a o 9C 9C Sc ho o i o f m e c ha ni c a i a nd E i e c t r i c a i E ng i ne e r i ng e nt r a i So ut hU ni v e r s i t y ha ng s haH una n 410083 9 C hi na
A b s t r ac t At w o a x i epa s s e ng e r c a r w a s s t udi e d. Ai a t e r a i s e m i a c t i v e hy dr a ui i c da m pe r s i m ui a t i o nm o de i ba s e do nt he hi g hs pe e ds w i t c hv a i v ew a s bui i t . Sky ho o kc o nt r o i i a ww a s pr o po s e da nd w a s i nt r o duc e dt ot hei a t e r a i m o de i o f t w o a x i epa s s e ng e r c a r w i t h 7 de g r e eo f f r e e do mf o r s i m ui a t i o n. T her e s ui t i ndi c a t e s t ha t bya do pt i ngi a t e r a i s e m i a c t i v e da m pe r t t he po i nt o f r e s o na nc e 9a 9t 9t f r e gue nc y he i a t e r a i m i s a i i g nm e nt a nd t he v i br a t i o ns pe e da r e r e duc e d 50%9 a nd a t t he o t he r no nr e s o na nc e f r e gue nc y po i nt he i a t e r a i m i s a i i g nm e nt a nd t hev i br a t i o ns pe e da r er e duc e da t i e a s t 30%. K e yw or d s Sky ho o kc o nt r o i Se m i a c t i v es us pe ns i o n D a m pe r Si m ui a t i o n
1
半主动减振器及其数学模型
本研究所采用的横向半主动减振器的原理图如图 1 所示 U5U 该系统 由 两 个 传 感 器 \ 4 个 高 速 开 关 阀 \ 一个控制器和两个溢流阀等组成 0 阀 1 和阀 2 分别为
拉伸卸荷阀和压缩卸荷阀 0 它们的工作状态决定着减 振器是否提供减振力9 既实现 可提供 " 与 不提 供" 之间的转换 0 在需要提供减振 力时9 对阀 3 和阀 4 进行 P Wm 控 制9 高 速开关阀的快速振动 使油 路 处 于 节 流 状 态9 产生阻尼 0 而产 生的阻尼力与调制率 D有关9 对调制率实 现无级调节可实现减 振器阻尼力在一定范 围内的连续调节 0 在建立模型的时 图 1 半主动液压减 振器的结构图 候9 本文不考虑油缸 的内外泄漏9 认为单 向阀 2 和单向阀 1 都是理想状态 9 则单向阀左右两边 外扰为 x 的压强可近似相等0 定义控制变量为 g 3 0 输出变量为 F 1 活塞向右移动时9 单向阀 1 一直关闭9 右 腔室的油通过单向阀 2 流入左腔室9 再经过节流孔 1 或 2 流入到储油箱中 0 输出的减振力是由于左右两腔 的作用面积不同而产生的压力 F 0 开始时左右两室的
0wenku.baidu.com
引言
提高列车运行速度及乘坐舒适性是我国铁路发展 的方向9 如何保证列车高速运行时的平稳性9 是我国 高速列车发展急待解决的问题 0 传统的被动悬挂系统 由弹性元件和阻尼元件组成 9 将越来越难于满足机车 车辆动力学性能的要求 9 在高速运行时采用主动悬挂 方式也必将是今后铁路机车车辆悬挂系统发展的必然 趋势0 主动悬挂按能源的输入情况可以分为两种 一种 是有能源输入的全主动悬挂 另一种是无能源输入的 半主动悬挂0 近年来我国对铁道车辆主动悬挂的理论 与试验研究已逐步展开 9 并已取得了一些初步进展 0 从英国\ 美国及日本等铁路发达国家对铁路机车车辆 的主动悬挂研究过程来看 9 其研究方法都是建立在简 化试验模型的基础上 9 进行大量的试验对比研究9 然 后进行在实车上的测试 0 控制方法也是从经典的 P I D 控制\ L O R控制及 H 控制逐步深入0 本文中建立了 整车七自由度的车辆横向半主动悬挂仿真实验模型 9 采用天棚阻尼控制方法对模型进行仿真研究9 并与传 统的被动悬挂进行结果比较分析 0
容积 V相同 2 a a l: r 考虑流体的可压缩性 根据流体压强与其压缩量 的关系: kV p r: V 右腔室的压强 : k p a g x 1 r: r2 V 左腔室的压强 : k a g g -x p 2 l: l+ 2 3 V 其中: k 为油的体积弹性系数 3 a l a r分别为活塞左右压力油作用面积 3 g 2 表示单向阀 2 上流过的流量 3 p l p r分别为左右腔室的压强 3 g 3 为左腔室流出的流量 p p 又p l: r 则有 p l: r 联立得: 2V a 3 p k xa k g r: rl 3 将式 3 进行 L a pi a c e 变换可得: k x k g p s : a 2V l l3 可得输出的阻尼力 F kx a g l3 F: p a 4 a l a rl : l V s 2 2 活塞向左移动时 单 向 阀 2 关 闭 右 腔 室 通过单向阀 1 由油箱补油 3 而左腔室的油经过节流孔 流回储油箱中 右腔室与油箱相通压力为 0 则输出 p a 的阻尼力 F: l l 左腔室的容积效应 : k x a g 5 p l: l3 V 则输出的阻尼力 : k x ag a 6 F: V s l 3 l 建立减振器的仿真模型 : 定义: 输入变量为 x 输出变量为 F 控制变量 为g 3 则减振器的仿真模型为 : k a k a l l F: x- g V s V s3
3
控制策略
由于天棚控制比较简单实用 , 目前列车横向半主
图7
控制前的车体 横移时间历程
图8
控制后的车体 横移时间历程
70
机床与液压
2006. N o . 10
高速列车横向半主动减振器的天棚阻尼控制仿真研究
刘少军! 蔡丹! 朱浩
" 中南大学机电工程学院! 湖南长沙 410083 #
＊
摘要I 以二轴客车为研究对象9 通过建立基于高速开关阀控制的半主动减振器的仿真模型9 采用天棚阻尼的控制原 理9 并引入到七自由度的车体模型中进行仿真研究0 研究结果表明 处9 横向位移响应幅值降低 50%9 振动速度的响应幅值也降低了 50% 值至少降低了 30%0 关键词I 天棚阻尼控制 中图分类号I T H 703. 63 半主动悬挂 减振器 仿真 文章编号I 1001 3881 2006 10 070 3 文献标识码I A 采用了横向半主动液压减振器后9 车体在共振频率 而在其它非共振频率处9 横向位移和振动速度的幅
T 控制变量 U : [F 1 F 21 T [y 外扰 w: m 1 y m 2 y m 1 y m 21
2
建立七自由度的车体的数学模型
根据运动学定理 建立了关于二轴客车的横向整 车模型 该模型共计 7 个自由度 它们分别是车体的 横移 y 侧滚 6 摇头 $ 以及前后转向架的横移 y 1 y y y 其中模型中出现的 y 6 2 和侧滚 6 1 2 m 1 m 2 m 1 分别表示由于地面的不平顺而使前后车轮产生的 y m 2 横移位移和横移速度 前转向架的横移振动方程 :
输出变量 y 1T : [ yy 则车体的状态方程可表示为 :
72
a x B U+ E w x: + {y : C x
表1 车体质量 转向架质量 车体侧滚转动惯量 车体摇头转动惯量 转向架侧滚转动惯量 一系弹簧横向刚度 二系弹簧横向刚度 模型仿真的主要参数 kg M/ kg m/ J X kgm X 6/ X kgm X J $/ X kgm X J 1 / k XN m X 1 / k XN m X 2 /
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3H Z 时 X 共振频率 X 1 X 取路面输入激扰频率 C: 处X , 比较被动悬挂与半主动悬挂的在共振点的响应 X 如图 3 ~ 6X 0 8H Z 时 X 非共振频 X 2 X 当路面输入激扰频率 C: 率处X , 比较被动悬挂与半主动悬挂的响应 X 如图 7 ~ 10 X 0
图2
车体的模型图
前转向架的侧滚振动方程 : J k h3 6 y -l y $-h1 6 -c 16 1 2 h3 y 1 1 2 h5 1 yl h2 6 k y h4 6 h5 6 $1 1 h4 y m 1 1 1 c y h4 6 F 0 1 h4 y m 1 1 1 1 h5 : 后转向架的横移振动方程 : my k y h4 6 c y h4 6 + 2 1 y m 2 2 2 1 y m 2 2 2 c k h3 6 y + l h1 6 + h5 6 y+ $2 y 2 2 2 y 2 2 h2 6 F l 0 $2 : 后转向架的侧滚振动方程 : k h3 6 y +l y J $-h1 6 -c 16 2 2 h3 y 2 2 2 h5 2 y+ l h2 6 k y h4 6 h5 6 $2 1 h4 y m 2 2 2 0 c y h4 6 F 1 h4 y m 2 2 2 2 h5 : 车体的横移振动方程 : My c k h3 6 y l h1 6 $2 y 1 1 2 y 1 yl h2 6 k h3 6 y + l h5 6 $$1 2 y 2 2 c h1 6 h5 6 y+ l h2 6 + F F 0 $2 y 2 2 1 + 2 : 车体的侧滚振动方程 : k h3 6 y -l y J 6 $-h1 6 -c 2 h1 y 1 1 2 h2 1 6 h5 6 yl h2 6 k h3 6 y + l h1 6 $$1 2 h1 y 2 2 0 c h5 6 y+ l h2 6 F F $2 h2 y 2 2 1 h2 2 h2 : 车体的摇头振动方程 : k c h3 6 y l h1 6 J $2 ly 1 1 2 ly 1 $$h5 6 yl h2 6 + k h3 6 y + l $$1 2 ly 2 2 c h1 6 + h5 6 y+ l h2 6 F + F : 0 $2 ly 2 2 1l 2l 定义系统的状态变量 : [ yy 1T x: 1 y 2 66 1 6 2 $ yy 1 y 2 66 1 6 2 $
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基金项目I 教育部科技司重点项目
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my k y h4 6 -c y y h4 6 + 1 1 y m 1 1 1 1 m 1 1 1 k h3 6 y -l y h5 6 y-l $-h1 6 +c $2 y 1 1 2 1 1 F h2 6 0 1 :
s i mu l at i onof t h el at e r al s e mi ac t i ved amp e rof h i ghs p e e d T r ai n s w i t hs k yh ookc on t r ol
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半主动减振器及其数学模型
本研究所采用的横向半主动减振器的原理图如图 1 所示 U5U 该系统 由 两 个 传 感 器 \ 4 个 高 速 开 关 阀 \ 一个控制器和两个溢流阀等组成 0 阀 1 和阀 2 分别为
拉伸卸荷阀和压缩卸荷阀 0 它们的工作状态决定着减 振器是否提供减振力9 既实现 可提供 " 与 不提 供" 之间的转换 0 在需要提供减振 力时9 对阀 3 和阀 4 进行 P Wm 控 制9 高 速开关阀的快速振动 使油 路 处 于 节 流 状 态9 产生阻尼 0 而产 生的阻尼力与调制率 D有关9 对调制率实 现无级调节可实现减 振器阻尼力在一定范 围内的连续调节 0 在建立模型的时 图 1 半主动液压减 振器的结构图 候9 本文不考虑油缸 的内外泄漏9 认为单 向阀 2 和单向阀 1 都是理想状态 9 则单向阀左右两边 外扰为 x 的压强可近似相等0 定义控制变量为 g 3 0 输出变量为 F 1 活塞向右移动时9 单向阀 1 一直关闭9 右 腔室的油通过单向阀 2 流入左腔室9 再经过节流孔 1 或 2 流入到储油箱中 0 输出的减振力是由于左右两腔 的作用面积不同而产生的压力 F 0 开始时左右两室的
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引言
提高列车运行速度及乘坐舒适性是我国铁路发展 的方向9 如何保证列车高速运行时的平稳性9 是我国 高速列车发展急待解决的问题 0 传统的被动悬挂系统 由弹性元件和阻尼元件组成 9 将越来越难于满足机车 车辆动力学性能的要求 9 在高速运行时采用主动悬挂 方式也必将是今后铁路机车车辆悬挂系统发展的必然 趋势0 主动悬挂按能源的输入情况可以分为两种 一种 是有能源输入的全主动悬挂 另一种是无能源输入的 半主动悬挂0 近年来我国对铁道车辆主动悬挂的理论 与试验研究已逐步展开 9 并已取得了一些初步进展 0 从英国\ 美国及日本等铁路发达国家对铁路机车车辆 的主动悬挂研究过程来看 9 其研究方法都是建立在简 化试验模型的基础上 9 进行大量的试验对比研究9 然 后进行在实车上的测试 0 控制方法也是从经典的 P I D 控制\ L O R控制及 H 控制逐步深入0 本文中建立了 整车七自由度的车辆横向半主动悬挂仿真实验模型 9 采用天棚阻尼控制方法对模型进行仿真研究9 并与传 统的被动悬挂进行结果比较分析 0
容积 V相同 2 a a l: r 考虑流体的可压缩性 根据流体压强与其压缩量 的关系: kV p r: V 右腔室的压强 : k p a g x 1 r: r2 V 左腔室的压强 : k a g g -x p 2 l: l+ 2 3 V 其中: k 为油的体积弹性系数 3 a l a r分别为活塞左右压力油作用面积 3 g 2 表示单向阀 2 上流过的流量 3 p l p r分别为左右腔室的压强 3 g 3 为左腔室流出的流量 p p 又p l: r 则有 p l: r 联立得: 2V a 3 p k xa k g r: rl 3 将式 3 进行 L a pi a c e 变换可得: k x k g p s : a 2V l l3 可得输出的阻尼力 F kx a g l3 F: p a 4 a l a rl : l V s 2 2 活塞向左移动时 单 向 阀 2 关 闭 右 腔 室 通过单向阀 1 由油箱补油 3 而左腔室的油经过节流孔 流回储油箱中 右腔室与油箱相通压力为 0 则输出 p a 的阻尼力 F: l l 左腔室的容积效应 : k x a g 5 p l: l3 V 则输出的阻尼力 : k x ag a 6 F: V s l 3 l 建立减振器的仿真模型 : 定义: 输入变量为 x 输出变量为 F 控制变量 为g 3 则减振器的仿真模型为 : k a k a l l F: x- g V s V s3
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控制策略
由于天棚控制比较简单实用 , 目前列车横向半主
图7
控制前的车体 横移时间历程
图8
控制后的车体 横移时间历程
70
机床与液压
2006. N o . 10
高速列车横向半主动减振器的天棚阻尼控制仿真研究
刘少军! 蔡丹! 朱浩
" 中南大学机电工程学院! 湖南长沙 410083 #
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摘要I 以二轴客车为研究对象9 通过建立基于高速开关阀控制的半主动减振器的仿真模型9 采用天棚阻尼的控制原 理9 并引入到七自由度的车体模型中进行仿真研究0 研究结果表明 处9 横向位移响应幅值降低 50%9 振动速度的响应幅值也降低了 50% 值至少降低了 30%0 关键词I 天棚阻尼控制 中图分类号I T H 703. 63 半主动悬挂 减振器 仿真 文章编号I 1001 3881 2006 10 070 3 文献标识码I A 采用了横向半主动液压减振器后9 车体在共振频率 而在其它非共振频率处9 横向位移和振动速度的幅
T 控制变量 U : [F 1 F 21 T [y 外扰 w: m 1 y m 2 y m 1 y m 21
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建立七自由度的车体的数学模型
根据运动学定理 建立了关于二轴客车的横向整 车模型 该模型共计 7 个自由度 它们分别是车体的 横移 y 侧滚 6 摇头 $ 以及前后转向架的横移 y 1 y y y 其中模型中出现的 y 6 2 和侧滚 6 1 2 m 1 m 2 m 1 分别表示由于地面的不平顺而使前后车轮产生的 y m 2 横移位移和横移速度 前转向架的横移振动方程 :
输出变量 y 1T : [ yy 则车体的状态方程可表示为 :
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a x B U+ E w x: + {y : C x
表1 车体质量 转向架质量 车体侧滚转动惯量 车体摇头转动惯量 转向架侧滚转动惯量 一系弹簧横向刚度 二系弹簧横向刚度 模型仿真的主要参数 kg M/ kg m/ J X kgm X 6/ X kgm X J $/ X kgm X J 1 / k XN m X 1 / k XN m X 2 /