CN105015572A - 基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法，包括如下步骤：S1、利用陀螺仪获取列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度和转向架的摇头角速度；S2、对列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度和转向架的摇头角速度进行数据处理和运算，获得前、后轮对相对于转向架的相对摇头角速度；S3、利用车辆数据总线MVB获取列车运行的相关线路信息；S4、根据相关线路信息判断列车运行路段类型，并根据与列车运行路段类型相应的列车控制策略，通过控制在列车上布设的多个纵向磁流液变阻尼器实现对列车的控制。本发明所述技术方案可以有效提高列车直线运行的稳定性，并提高临界速度，同时改善列车的曲线通过能力。

Description

基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法

技术领域

本发明涉及列车检测控制领域。更具体地，涉及一种基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法。

背景技术

随着我国高速铁路和城市轨道交通系统的快速发展，列车的运行速度不断提高。提速后的列车已暴露出一些新的动力学性能问题，一些线路的等级差异较大且受条件限制不易改造，已很难适应列车进一步提速要求。另外，依靠保持高水准的轨道等基础设施来抑制振动需要巨额的费用。面对列车与线路的振动、冲击和动态载荷不断增大引起的矛盾，轨道车辆动力学应从确保运营安全和平稳运行方面着手，以实现提高抗疲劳强度、减少磨损、延长寿命，降低维护费用。

传统轨道车辆的转向架悬挂系统由弹性元件和阻尼元件组成，为被动悬挂方式，能够提供轨道车辆自转向和曲线通过能力。然而传统转向架随着列车运行速度的提高会导致蛇形运动失稳现象。传统的轨道车辆通过纵向连接的弹簧、阻尼器等原件提供一定的刚度来克服蛇形运动失稳现象。但是这种被动悬挂系统是以损失曲线通过能力和显著增加横向轮轨接触力来实现，这会造成轮轨严重磨损和轮轨接触疲劳加剧。

被动悬挂可以在一定程度上满足车辆对动力学性能的要求，但由于被动悬挂的参数在车辆运行的过程中无法实时调节，难以解决运行线路断面的多样性与悬挂参数单一性、列车运行速度的不定性与传统悬挂参数的一定性之间的矛盾，因而无法适应列车高速运行时对动力学性能的更高要求。

与被动悬挂系统对应的是全主动悬挂系统。全主动悬挂系统能根据当前线路与车辆运行状态，通过主动元件(通常为液压系统)提供主动动作力，以提高车辆的运行平稳性。但全主动悬挂系统存在需要消耗大量外部能量和系统失效后列车运行性能急剧恶化的问题。

因此，需要提供一种基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法，以提升列车的临界运行速度和列车的曲线通过能力。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法，包括如下步骤：

S1、利用陀螺仪获取列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b；

S2、对列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b进行数据处理和运算，获得前、后轮对相对于转向架的相对摇头角速度ω_rf、ω_rr；

S3、利用车辆数据总线MVB获取列车运行的相关线路信息；

S4、根据相关线路信息判断列车运行路段类型，并根据与列车运行路段类型相应的列车控制策略，通过控制在列车上布设的多个纵向磁流液变阻尼器实现对列车的控制；

与列车运行路段类型相应的列车控制策略如下：

若列车运行路段为直线段线路，则列车控制策略为：控制分别安装在列车一系悬挂轮对左前侧、右前侧、左后侧、右后侧轴箱和转向架构架之间的纵向磁流液变阻尼器均保持电压值U，电压值U根据相关线路信息和磁流液变阻尼器规格参数而设定；

若列车运行路段为曲线段线路，则列车控制策略为：

当曲线为向右转弯时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_1=u_2=U& {\mathrm{\ω}}_{rf}>0\\ u_1=u_2=0& {\mathrm{\ω}}_{rf}\≤0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_3=u_4=0& {\mathrm{\ω}}_{rr}>0\\ u_3=u_4=U& {\mathrm{\ω}}_{rr}\≤0\end{array}\right.;$

当曲线为向左转弯时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_1=u_2=0& {\mathrm{\ω}}_{rf}>0\\ u_1=u_2=U& {\mathrm{\ω}}_{rf}\≤0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_3=u_4=U& {\mathrm{\ω}}_{rr}>0\\ u_3=u_4=0& {\mathrm{\ω}}_{rr}\≤0\end{array}\right.;$

公式中u₁、u₂、u₃、u₄分别为安装在列车一系悬挂轮对左前侧、右前侧、左后侧、右后侧轴箱和转向架构架之间的纵向磁流液变阻尼器的控制电压值。

优选地，步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、对列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b进行数据预处理；

S2.2、求得前、后轮对相对于转向架的相对摇头角速度ω_rf＝ω_wf-ω_b、ω_rr＝ω_wr-ω_b。

优选地，步骤S2.1中数据预处理包括依次进行：电流信号到电压信号的转换、抗混叠滤波、模拟信号的A/D转换。

优选地，步骤S3中相关线路信息包括：线路曲线转弯方向，曲线起止点公里标α₁、α₂，曲线半径R₀、曲线超高h₀。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可在一定程度上解决轨道车辆直线运行稳定性和曲线通过能力之间的矛盾，克服了被动悬挂系统悬挂参数不可随运行状况调节的问题，同时有效克服了全主动悬挂系统需要大量外界能量和主动系统失效后车辆性能急剧恶化的问题。本发明所述技术方案可以有效提高列车直线运行的稳定性，并提高临界速度，同时改善列车的曲线通过能力(轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系数、磨耗系数减小)，实时性强，检测单元简单，不需要外界能量，仅仅依靠轮对与转向架之间的相互运动产生效果，可靠性强，费用低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法流程图。

图2示出在列车上布设传感器和磁流液变阻尼器示意图。

图3示出执行步骤S2中数据预处理的信号采集单元示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法，包括如下步骤：

S1、利用陀螺仪获取列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b，具体过程为：

如图2所示，分别利用在转向架前轮、后轮对上安装的陀螺仪S₁、S₂获取列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr；并利用在转向架中心位置安装的陀螺仪S₃获取转向架的摇头角速度ω_b；

S2、对列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b进行数据处理和运算，获得前、后轮对相对于转向架的相对摇头角速度ω_rf、ω_rr，具体过程为：

S2.1、对列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b进行数据预处理：

如图3所示，利用信号调理板对陀螺仪采集到的列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b进行隔离处理、模数转换和数字滤波等相关预处理工作，数据预处理的具体处理过程为依次进行：电流信号到电压信号的转换，抗混叠滤波，模拟信号A/D转换；

S2.2、求得前、后轮对相对于转向架的相对摇头角速度ω_rf＝ω_wf-ω_b、ω_rr＝ω_wr-ω_b(前轮对相对于转向架的相对摇头角速度为ω_rf，后轮对相对于转向架的相对摇头角速度为ω_rr)；

S3、利用车辆数据总线MVB获取列车运行的相关线路信息，其中相关线路信息包括：线路曲线转弯方向，曲线起止点公里标α₁、α₂，曲线半径R₀、曲线超高h₀；

S4、根据相关线路信息判断列车运行路段类型，并根据与列车运行路段类型相应的列车控制策略，通过控制在列车上布设的多个磁流液变阻尼器实现对列车的控制：

如图2所示，定义纵向以列车的运行速度方向v为正方向，横向以垂直于速度方向向右为正方向，摇头角俯视图逆时针方向为正方向；分别在列车一系悬挂轮对左前侧、右前侧、左后侧、右后侧轴箱和转向架构架之间安装纵向磁流液变阻尼器D₁、D₂、D₃、D₄；

若列车运行路段为直线段线路，则列车控制策略如下：

在直线段线路控制纵向磁流液变阻尼器D₁、D₂、D₃、D₄均保持电压值U，从而使纵向磁流液变阻尼器D₁、D₂、D₃、D₄均保持与电压值U对应的阻尼系数C，电压值U根据相关线路信息和磁流液变阻尼器规格参数而设定；

若列车运行路段为曲线段线路，则列车控制策略如下：

当曲线为向右转弯时

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_1=u_2=U& {\mathrm{\ω}}_{rf}>0\\ u_1=u_2=0& {\mathrm{\ω}}_{rf}\≤0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_3=u_4=0& {\mathrm{\ω}}_{rr}>0\\ u_3=u_4=U& {\mathrm{\ω}}_{rr}\≤0\end{array}\right.;$

当曲线为向左转弯时

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_1=u_2=0& {\mathrm{\ω}}_{rf}>0\\ u_1=u_2=U& {\mathrm{\ω}}_{rf}\≤0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_3=u_4=U& {\mathrm{\ω}}_{rr}>0\\ u_3=u_4=0& {\mathrm{\ω}}_{rr}\≤0\end{array}\right.;$

公式中u₁、u₂、u₃、u₄分别为纵向磁流液变阻尼器D₁、D₂、D₃、D₄的控制电压值，U为根据线路参数和磁流液变阻尼器规格参数而设定的电压值。

显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用陀螺仪获取列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b；

S2、对列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b进行数据处理和运算，获得前、后轮对相对于转向架的相对摇头角速度ω_rf、ω_rr；

S3、利用车辆数据总线MVB获取列车运行的相关线路信息；

S4、根据相关线路信息判断列车运行路段类型，并根据与列车运行路段类型相应的列车控制策略，通过控制在列车上布设的多个纵向磁流液变阻尼器实现对列车的控制；

所述与列车运行路段类型相应的列车控制策略如下：

若列车运行路段为直线段线路，则列车控制策略为：控制分别安装在列车一系悬挂轮对左前侧、右前侧、左后侧、右后侧轴箱和转向架构架之间的纵向磁流液变阻尼器均保持电压值U，所述电压值U根据相关线路信息和磁流液变阻尼器规格参数而设定；

若列车运行路段为曲线段线路，则列车控制策略为：

当曲线为向右转弯时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_1=u_2=U& {\mathrm{\ω}}_{rf}>0\\ u_1=u_2=0& {\mathrm{\ω}}_{rf}\≤0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_3=u_4=0& {\mathrm{\ω}}_{rr}>0\\ u_3=u_4=U& {\mathrm{\ω}}_{rr}\≤0\end{array}\right.;$

当曲线为向左转弯时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_1=u_2=0& {\mathrm{\ω}}_{rf}>0\\ u_1=u_2=U& {\mathrm{\ω}}_{rf}\≤0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_3=u_4=U& {\mathrm{\ω}}_{rr}>0\\ u_3=u_4=0& {\mathrm{\ω}}_{rr}\≤0\end{array}\right.;$

公式中u₁、u₂、u₃、u₄分别为安装在列车一系悬挂轮对左前侧、右前侧、左后侧、右后侧轴箱和转向架构架之间的纵向磁流液变阻尼器的控制电压值。

2.根据权利要求1所述的基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法，其特征在于，步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、对列车运行过程中前、后轮对的摇头角速度ω_wf、ω_wr和转向架的摇头角速度ω_b进行数据预处理；

S2.2、求得前、后轮对相对于转向架的相对摇头角速度ω_rf＝ω_wf-ω_b、ω_rr＝ω_wr-ω_b。

3.根据权利要求2所述的基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法，其特征在于，步骤S2.1中所述数据预处理包括依次进行：电流信号到电压信号的转换、抗混叠滤波、模拟信号的A/D转换。

4.根据权利要求1所述的基于磁流液变阻尼器的列车半主动控制方法，其特征在于，步骤S3中所述相关线路信息包括：线路曲线转弯方向，曲线起止点公里标α₁、α₂，曲线半径R₀、曲线超高h₀。