CN105235702A - 一种高速列车悬挂系统半主动安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车悬挂系统半主动安全控制方法，该方法可以减小高速列车运行中的脱轨系数，提升列车高速运行状态下的安全性。本发明在传统天棚阻尼控制方法的基础上，加入与列车脱轨系数紧密相关的轮轨横向作用力作为输入变量，构建了一种全新的半主动控制方法，该方法可以有效的抑制列车运行中轮对和转向架的横向振动，减小列车运行脱轨系数，大大提升列车运行的安全性。该方法简单易于实施，在高速列车悬挂系统中得到了成功应用，有助于高速列车智能控制的实现。

Description

一种高速列车悬挂系统半主动安全控制方法

技术领域

本发明属于高速列车悬挂系统控制领域，特别是涉及一种针对高速列车悬挂系统横向可控减振器的可以抑制列车轮对和转向架横向振动、减小列车运行中脱轨系数的方法。

背景技术

近年来，随着高速列车技术的飞速发展，列车运行安全性问题逐渐凸显，作为一种高效且相对廉价的运输方式，高速列车运行安全性与人们的生活息息相关。

通常，高速列车悬挂系统的控制方法分为被动控制、半主动控制和主动控制方法。其中，半主动控制方法以其良好的控制效果和较低的成本而得到最为广泛的应用。传统的半主动控制方法主要致力于减小列车车体的横向振动，从而改善列车的乘坐舒适性，如天棚阻尼控制方法(Sky-hook)、加速度驱动阻尼控制方法(ADD)和RS控制方法等，这些传统的控制方法虽然提升了列车的乘坐舒适性，却忽略了列车运行的安全性。

在传统的半主动控制方法中，输入变量包括车体横向速度、车体横向加速度、车体与转向架之间的横向相对速度、车体与转向架之间的横向相对位移。然而，就列车的运行安全性而言，脱轨系数(列车轮轨横相接触作用力与列车轮轨纵向接触作用力的比值)是最为重要的指标。传统的半主动控制方法之所以不能有效的抑制列车运行中的脱轨系数，改善列车运行的安全性，最主要的原因在于传统控制方法的输入变量不能够有效的反映列车运行中的轮轨接触状态，从而无法对列车运行中的脱轨系数进行有效的监测和抑制。此外，长期以来，列车运行中轮轨接触横向作用力的测量需要一种特制的轮对，这种轮对成本高昂，因而没有得到大规模使用，这是限制列车半主动安全控制方法研究的一个重要因素。近年来，列车状态监测技术发展迅速，低成本、高效率的列车运行轮轨横相接触作用力的测量方法已经得到广泛使用，为高速列车半主动安全控制方法的研究提供了实现基础。随着高速列车的提速，传统控制方法在抑制列车运行脱轨系数、改善列车运行安全性方面的缺陷逐渐显现。

目前，在所有半主动控制方法中，天棚阻尼控制方法(Skyhook)应用最为广泛，Skyhook方法可以有效的维持列车运行中车体的稳定，减小车体的横向振动，提升乘坐舒适性，但是，Skyhook方法对车体横向稳定性的改善是以牺牲转向架和轮对的横向稳定性为代价的，Skyhook方法使轮对和转向架的横向振动增加，列车运行脱轨系数增大，安全性能恶化。

如何减小列车运行中的脱轨系数、提升运行安全性是高速列车悬挂系统实现智能控制的关键，直接关系到列车进一步提速的空间大小，前人对此已经作了相应的研究与探讨，基于不同的角度提出了相应的控制方法。归纳起来有如下三种：(a)基于传统控制方法的混合控制方法(b)列车悬挂系统结构优化方法(c)地棚控制方法(Groundhook)及其改进方法。上述几种控制方法各有各的优缺点。基于传统控制方法的混合控制方法需要根据实际情况确定“切换系数”，由于轨道激扰非常复杂，具有极强的随机性，“切换系数”的确定非常困难。列车悬挂系统结构优化方法可以改善列车运行的稳定性，但成本高昂，并且难以对现有列车进行改造升级，只能在新生产的列车中进行应用。地棚阻尼控制方法及其改进方法以转向架为控制目标，有效的减小了转向架的横向振动，提升了列车的运行安全性，但是，由于其输入变量为转向架横向速度、列车车体与转向架之间的横向相对速度，并不能直接的反映列车运行中的轮轨接触状态，无法从根本上抑制列车轮对和转向架的横向振动、减小脱轨系数，对列车运行安全性的提升作用非常有限。

本发明的内容深入考虑了列车运行中的脱轨机理以及轮轨横向接触作用力与脱轨系数之间的紧密关联，提出了一种新的列车悬挂系统半主动安全控制方法。到目前为止，尚未见到与本发明相关的研究报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有针对列车运行安全性的控制方法的不足，提供一种高速列车悬挂系统半主动安全控制方法。该方法在传统天棚阻尼控制方法的基础上，加入与列车脱轨系数紧密相关的轮轨横向接触作用力作为输入变量，构建了一种全新的半主动控制方法，该方法可以有效的抑制列车运行中轮对和转向架的横向振动，减小列车运行脱轨系数，大大提升列车运行的安全性。该方法简单易于实施，在高速列车悬挂系统中得到了成功应用，该方法有助于高速列车悬挂系统智能控制的实现。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高速列车悬挂系统半主动安全控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取列车运行状态数据，包括列车运行中的轮轨横向接触作用力F_y、列车车体横向速度v_b、列车车体与转向架之间的横向相对速度v_r；

步骤2：根据获取的列车实时运行状态数据F_y、v_b、v_r，控制列车车体与转向架之间的横向减振器输出相应的阻尼力，所述阻尼力大小通过以下方式得到：

其中：C表示列车运行中，控制方法控制列车与转向架之间的横向减振器输出的阻尼力大小；C_max、C_min分别为列车车体与转向架之间的横向减振器能够提供的最大阻尼力和最小阻尼力；C_m为根据轨道平顺情况确定的列车车体与转向架之间的横向减振器所提供的折中阻尼力，C_min<C_m<C_max；F_s为列车静止状态下轮轨横向接触作用力的平均值；F_max、F_min分别为列车实际运行中轮轨之间横向接触作用力的最大值和最小值；F_up、F_low分别为列车实际运行中能够容忍的轮轨横向接触作用力的上限和下限，且F_s<F_up<F_max，F_min<F_low<F_s；“&&”表示逻辑“与”；“||”表示逻辑“或”。

步骤3：列车车体与转向架之间的横向减振器输出相应的阻尼力作用到列车车体和转向架上，抑制车体横向振动的同时，减轻转向架和轮对的横向振动，从而在保障乘坐舒适性和运行安全性。

进一步地，根据轨道平顺情况确定的列车车体与转向架之间的横向减振器所提供的折中阻尼力，具体为：对于列车行驶速度≥200km/h的轨道，C_m＝0.1C_max；对于列车行驶速度<200km/h的轨道，C_m＝0.8C_max；

进一步地，F_up＝1.5F_s，F_low＝0.5F_S。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为高速列车悬挂系统半主动安全控制、高列列车运行安全性提供了新的研究思路。所提出的高速列车悬挂系统半主动安全控制方法可以应用于现有具备半主动悬挂系统的高速列车，能够有效的抑制列车运行中轮对和转向架的横向振动，减小列车运行中的脱轨系数，提升高速列车的运行安全性。所提出的方法在高速列车悬挂系统控制中做了详细的实验研究，获得了成功应用，该方法通过引入列车运行中轮轨横向接触作用力作为输入变量，使列车运行中的脱轨系数得到一定程度的控制，提高了高速列车的运行安全性，最终可应用于实际列车悬挂系统控制，确保列车运行安全性。

附图说明

图1是本发明所述列车悬挂系统半主动安全控制方法的流程图；

图2是本发明所述列车悬挂系统半主动安全控制方法的半车正面模型示意图；

图3是本发明具体实施例中的本发明方法控制脱轨系数的结果与三种传统方法控制脱轨系数结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例，对本发明做进一步说明。

高速列车运行中悬挂系统的控制过程，一般由列车运行状态数据采集、控制器输出控制量、横向减振器在控制量作用下输出阻尼力三个阶段构成。具体的说，在数据采集阶段，分布在列车上的传感器将采集得到的列车车体横向速度、车体与转向架之间的横向相对速度、轮轨横向接触作用力传递给半主动控制器。半主动控制器对传感器返回的数据进行处理，输出控制量作用到作为执行器的横向减振器。横向减振器在控制器控制量的作用下，输出对应的阻尼力作用到列车车体和转向架上，如此完成一个闭环控制过程。

本发明高速列车悬挂系统半主动安全控制方法，包括以下步骤：

步骤1：获取列车运行状态数据：列车运行中的轮轨横向接触作用力F_y、列车车体横向速度v_b、列车车体与转向架之间的横向相对速度v_r，以上三个变量均为可被获取的列车运行状态参数。本实例中，由于单节列车悬挂系统本身具有对称性，对单节列车悬挂系统所具有的四个横向减振器的控制采用完全相同的控制方法，控制方法对横向减振器进行控制所需的实时数据为3个：列车运行中的轮轨横向接触作用力、列车车体横向速度、列车车体与转向架之间的横向相对速度。

本实例中，列车车体与转向架之间的横向减振器能够提供的最大阻尼力和最小阻尼力可以根据列车车体与转向架之间安装的横向减振器的出厂参数确定，分别为：C_max＝6000牛顿、C_min＝588牛顿；列车运行中轮轨之间横向接触作用力的最大值和最小值根据日常监测数据确定，分别为：F_max＝6200牛顿、F_min＝992牛顿；列车静止状态下轮轨横向接触作用力的平均值根据日常监测数据确定，具体为：F_s＝3800牛顿；列车运行中能够容忍的轮轨横向接触作用力的上下限分别为F_up＝5700牛顿、F_low＝1900牛顿；本实例中，轨道允许列车运行的速度大于200km/h，因此，列车横向减振器提供的折中阻尼力为：C_m＝600牛顿；

步骤2：根据输入的列车实时运行状态数据F_y、v_b、v_r，结合本实例数据，控制列车车体与转向架之间的横向减振器输出相应的阻尼力，所述阻尼力大小通过以下方式得到：

其中：C表示列车运行中，控制方法控制列车与转向架之间的横向减振器输出的阻尼力大小；“&&”表示逻辑“与”；“||”表示逻辑“或”。

如表1所示，基于本发明中的方法与基于传统列车悬挂系统半主动控制方法性能做了对比。首先，为了便于比较，按照惯例，以被动控制方法的控制效果作为基准参照；其次，以目前应用最为广泛的天棚阻尼控制方法和加速度驱动阻尼控制方法作为比较对象。总体来说，基于本发明提出的半主动安全控制方法对列车运行中脱轨系数的减小效果远远优于传统基于天棚阻尼的控制方法和基于加速度驱动阻尼的控制方法，大大提高了列车的运行安全性，有助于高速列车悬挂系统智能控制的实现。

表1：基于本发明半主动安全控制方法与基于传统控制方法的控制结果对比。

控制方法	最大脱轨系数	列车运行安全性能提升量
			被动控制方法	0.4166	－
天棚阻尼控制方法	0.3668	11.95％
			加速度驱动阻尼控制方法	0.4824	‐15.79％
基于所提出的半主动安全控制方法	0.2779	33.29％

表中，－：基于被动控制方法的控制结果作为基准参照，因此安全性能提升量为0,用“－”表示。

本发明的高速列车悬挂系统半主动安全控制方法，该方法在传统天棚阻尼控制方法的基础上，加入与列车脱轨系数紧密相关的轮轨横向作用力作为输入变量，构建了一种全新的半主动控制方法，该方法可以有效的抑制列车运行中轮对和转向架的横向振动，减小列车运行脱轨系数，大大提升列车运行的安全性。该方法简单易于实施，在高速列车悬挂系统中得到了成功应用，该方法可有效提升列车运行的安全性，有助于高速列车悬挂系统智能控制的实现。

应该理解，本发明并不局限于上述具体实施例的列车悬挂系统控制过程，凡是熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种高速列车悬挂系统半主动安全控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取列车运行状态数据，包括列车运行中的轮轨横向接触作用力F_y、列车车体横向速度v_b、列车车体与转向架之间的横向相对速度v_r；

步骤2：根据获取的列车实时运行状态数据F_y、v_b、v_r，控制列车车体与转向架之间的横向减振器输出相应的阻尼力，所述阻尼力大小通过以下方式得到：

其中：C表示列车运行中，控制方法控制列车与转向架之间的横向减振器输出的阻尼力大小；C_max、C_min分别为列车车体与转向架之间的横向减振器能够提供的最大阻尼力和最小阻尼力；C_m为根据轨道平顺情况确定的列车车体与转向架之间的横向减振器所提供的折中阻尼力，C_min<C_m<C_max；F_s为列车静止状态下轮轨横向接触作用力的平均值；F_max、F_min分别为列车实际运行中轮轨之间横向接触作用力的最大值和最小值；F_up、F_low分别为列车实际运行中能够容忍的轮轨横向接触作用力的上限和下限，且F_s<F_up<F_max，F_min<F_low<F_s；“&&”表示逻辑“与”；“||”表示逻辑“或”。

步骤3：列车车体与转向架之间的横向减振器输出相应的阻尼力作用到列车车体和转向架上，抑制车体横向振动的同时，减轻转向架和轮对的横向振动，从而在保障乘坐舒适性和运行安全性。

2.根据权利要求1所述的一种高速列车悬挂系统半主动安全控制方法，其特征在于，根据轨道平顺情况确定的列车车体与转向架之间的横向减振器所提供的折中阻尼力，具体为：对于列车行驶速度≥200km/h的轨道，C_m＝0.1C_max；对于列车行驶速度<200km/h的轨道，C_m＝0.8C_max。

3.根据权利要求1所述的一种高速列车悬挂系统半主动安全控制方法，其特征在于，F_up＝1.5F_s，F_low＝0.5F_S。