高速列车车辆悬架半主动控制系统研究

摘要

随着中国轨道交通事业的发展，特别是铁路高速化的不断加快，既有线路的高速化化改造不断推进。既有线路高速化改造中也遇到越来越多的困难，特别是面对条件困难的线路，存在曲线半径过小且难以改造的问题。现有机车车辆在较高速度下通过小半径曲线存在运行稳定性低和曲线通过能力差等动力学问题，且现依靠保持高标准的轨道平顺性来保持高速车辆良好的动力学性能存在维修费用高，作业量大的问题。因此有必要从铁路车辆设计与制造角度，通过技术创新，从结构上改善车辆的横向动力学性能。
　　本文针对高铁路车辆运行稳定性和曲线通过能力等横向动力学问题，通过对智能阻尼元件磁流液变阻尼器和车辆横向动力学模型的研究，建立了转向架半主动悬架系统，以提高车辆在较高速度运行时小半径曲线下的曲线通过能力、运行稳定性和运行舒适性。
　　本文首先提出了基于Dahl模型的磁流液变阻尼器正向模型和逆向控制模型，其能够对磁流液变阻尼器的非线性动力学特性进行准确描述并进行有效控制;进而通过对铁路车辆曲线通过原理的研究，建立了基于磁流液变阻尼器的悬架半主动控制系统并提出了三种半主动控制策略;最后建立了SIMPACK-Simulink联合仿真系统，对本文提出的车辆半主动悬架系统进行了相应的仿真计算。通过仿真结果可以看出本文提出的一系半主动悬架系统能够显著地改善车辆曲线通过性能，同时在一定程度上改善直线运行稳定性;本文提出的基于磁流液变阻尼器的二系悬架半主动控制系统能够显著改善车辆的运行舒适性并且在一定程度上改善车辆的曲线通过性能。
　　本文所研究的车辆悬架半主动技术对于我国新型智能转向架技术的研究发展具有较大的科研意义，同时能够减少既有线路高速化改造的费用和车辆、轨道维护费用，提高车辆在小半径曲线上的运行稳定性与曲线通过能力，具有较大社会经济效益。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 铁路车辆悬架系统的发展和趋势

1．2．1 被动悬架

1．2．2 主动悬架

1．2．3 半主动悬架

1．2．4 悬架系统分析与比较

1．2．5 车辆悬架系统发展趋势

1．3 论文的研究思路及主要研究内容

1．3．1 论文选题的依据和研究思路

1．3．2 主要研究内容

1．4 本章小结

2 磁流液变阻尼器

2．1 磁流液变阻尼器简介和结构

2．2 磁流液变阻尼器动力学特性研究

2．2．1 Bingham模型

2．2．2 磁流液变阻尼器的Bouc-Wen模型

2．2．3 磁流液变阻尼器的Bouc-Wen现象模型

2．3 磁流液变阻尼器控制逆模型及控制仿真

2．3．1 磁流液变阻尼器的修正的Dahl模型

2．3．2 基于交叉变异粒子群算法的Dahl模型参数辨识

2．3．3 Dahl模型参数验证

2．3．4 基于Dahl模型的控制逆模型

2．4 本章小结

3 高速铁路车辆悬架系统数学模型

3．1 高速铁路车辆系统横向模型

3．1．1 车辆系统建模简化规则

3．1．2 车辆基本横向模型的建立

3．2 高速铁路轨道模型

3．2．1 轨道几何不平顺

3．2．2 轨道不平顺的描述

3．2．3 轨道功率谱反演

3．2．4 轨道模型建立

3．3 本章小结

4 高速铁路车辆一系悬架系统半主动控制

4．1 高速铁路车辆一系悬架半主动控制系统结构

4．1．1 半主动一系悬架系统阻尼器布置方案

4．1．2 半主动悬架控制系统结构

4．2 车辆一系半主动悬架系统原理分析

4．2．1 车辆的蛇行运动

4．2．2 车辆曲线通过原理

4．3 车辆一系悬架半主动控制策略

4．3．1 基于轮对角速度检测的控制策略

4．3．2 基于轮对横向位移检测的控制策略

4．4 本章小结

5 高速铁路车辆一系半主动悬架系统仿真

5．1 车辆动力学性能测定与评价方法

5．1．1 车辆平稳性测定及评价方法

5．1．2 车辆运行安全性测定及评定

5．1．3 车辆曲线通过能力评价方法

5．2 车辆一系悬架半主动系统仿真及评价

5．2．1 SIMPACK、MATLAB联合仿真系统结构

5．2．2 联合仿真结果分析和车辆动力学性能评价

5．3 本章小结

6 高速铁路车辆二系悬架系统半主动控制

6．1 车辆二系半主动悬架系统结构

6．2 车辆二系半主动悬架系统控制策略

6．3 车辆二系悬架半主动控制系统仿真及评价

6．3．1 SIMPACK、MATLAB联合仿真系统结构

6．3．2 车辆运行稳定性

6．3．3 车辆运行舒适性

6．3．4 曲线通过能力

6．4 本章小结

7 总结及展望

7．1 工作总结与结论

7．2 创新点

7．3 研究工作展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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