高速列车半主动磁流变悬挂对轮轨动力的影响研究

摘要

中国高铁以其舒适高效闻名于世，随着列车速度提高，轮轨相互作用加剧，列车振动加剧难以避免。高速列车横向振动对乘车舒适性的影响较大，车体横向减振的研究一直是国内外的热点问题。目前被动液压减振器以其结构简单，成本低廉等优势被广泛应用于列车二系悬挂的横向减振，但被动减振器是对线路情况综合调研后的折中选择，对多变的振动适应性较差；主动减振器根据激励变化及时做出反应，灵敏高效，但其耗能巨大，稳定性也较差；半主动减振器既具备主动减振器可控的性质，也具备被动减振器结构稳定的特点，目前已广泛应用于工程领域。 在各种半主动减振器中，磁流变减振器以其结构简单，安全性高，响应迅速，能耗微小等优点近年来在列车减振领域发展迅猛。乘客对列车横向振动加剧的感知远大于垂向振动，列车二系悬挂横向磁流变减振器由控制策略控制输出力，控制策略的引入可有效控制列车横向振动，但与此同时却有可能加剧转向架与轮对的横向振动，如天棚阻尼控制策略。钢轨的磨耗伤损与轮轨接触状况密切相关，而且当单侧轮重减载过大时，极小的轮轴横向力也可导致车轮脱轨。列车二系悬挂横向半主动磁流变阻尼器的使用是否会加剧轮轨接触，对行车安全与钢轨维护带来不利影响值得探讨。 本文首先在 Simulink 中建立磁流变阻尼器的参数化模型（即 Dahl 模型），在Simulink 中模拟万能试验机对磁流变阻尼器的正弦加载，得到其阻尼力的动态特征，并与实验室万能试验机对磁流变阻尼器的动态测试结果进行对比，以此验证磁流变阻尼器参数化建模的正确性；其次基于Simpack-Simulink建立单自由度K-V交互模型，并与利用 Simpack 自带力元建模的单自由度 K-V 模型进行对比验证，说明Simpack-Simulink交互平台的正确性；然后在Simpack中建立高速列车动力学模型，并利用 Simpack-Simulink 交互平台实现可控磁流变二系横向减振器的建模，最后分别对在二系悬挂安装有被动减振器与可控磁流变减振器高速列车进行不同工况下的对比分析，探究磁流变阻尼器对轮轨冲击力的影响。 结果表明：高速列车二系悬挂加装天棚磁流变减振器后，轮轨接触力虽然在时域上没有明显变化，但经过三分之一倍频处理后，可明显看出：中心频率5Hz以下轮轨接触得到有效抑制，在中心频率 4Hz 到 80Hz 范围内轮轨接触会加剧轮轨接触，在中心频率125~630Hz的高频范围内，在天棚半主动磁流变阻尼器作用下轮轨横向接触力明显大于液压减振器，高频轮轨冲击力加剧可能会对钢轨正常服役产生不利影响。

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