CN106184268B - 一种主动控制抗侧滚方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通用的抗侧滚扭杆装置及主动控制抗侧滚方法。本发明公开了一种可以对车体侧滚角度主动控制调节的抗侧滚扭杆装置以及利用该装置实现主动控制抗侧滚的方法。与现有技术比较，本发明解决了抗侧滚扭杆对线路和天气等环境适应性差的问题，可以在不影响正常车辆动力学性能的前提下，通过作动器施加作用力，抑制车体的侧滚运动，并且该作动器可以根据车辆运行速度的不同快速做出反应，满足车辆系统对抗侧滚作用的需求，实现了抗侧滚作用力可调、作用时间可控的目标，进一步可以提高车辆在复杂环境下的运行速度。

Description

一种主动控制抗侧滚方法

技术领域

本发明属于轨道交通行业，特别是指一种可以对车体侧滚角度主动控制调节的抗侧滚扭杆装置以及利用该装置实现主动控制抗侧滚的方法。

背景技术

目前高速客车、干线客车和地铁车辆的车体通过二系空气弹簧支承在转向架构架上，以获取良好的横向和垂向动力学性能，一般来说，空气弹簧的水平刚度和垂向刚度较小，降低了车体相对于转向架的侧滚刚度，使得车辆的柔度系数和通过曲线线路时车体相对于转向架的侧滚角度明显增大了，这不仅会对车辆的运行平稳性和舒适性产生影响，还会在车辆通过曲线线路时车体产生离心力的作用，影响车辆的运行安全性。

抗侧滚扭杆的工作原理是当左右弹簧发生相互反向的垂向位移时(即车体侧滚时)，水平放置的两个扭臂对于扭杆分别有一个相互反向的力与力矩的作用，使弹性扭杆承受扭矩而产生扭转弹性变形，起着扭杆弹簧作用，扭杆弹簧的反力矩，总是与车体产生侧滚角位移的方向相反，以约束车体的侧滚振动。但是，当左右弹簧为同向垂向位移时，因扭杆两端为转轴及轴承支承，所以左右两个扭臂只是使扭杆产生同向的转动，而不产生扭杆弹簧作用，故对车体不产生抗侧滚作用。

在一些特性的多弯道小曲线线路上，车辆所需的抗侧滚刚度频繁增加或者减小，要求车辆的抗侧滚扭杆系统的灵敏度较高，在车辆所需的抗侧滚刚度较小时减小抗侧滚扭杆的抗侧滚刚度，在车辆所需的抗侧滚刚度较大时提供较大的抗侧滚刚度。这就要求抗侧滚扭杆不仅能提供可选择的扭转刚度，还需要具有较强的抗侧滚灵敏度。此外，对于轨道车辆尤其是高速动车组车辆来说，车辆进出隧道、明线上受到横风作用、频繁的会车以及高速通过曲线半径较小的线路等情况下，会对车体产生瞬间的横向作用力，引起车体的侧滚运动，为了车辆安全性和旅客舒适性，对抗侧滚扭杆的扭转刚度和抗侧滚灵敏度要求较高。

此外，对于干线客车来说，线路中存在很多曲线线路，极大地限值了车辆的运行速度，摆式列车的出现主要目的就是提高车辆的曲线通过速度，其设计理念是通过转向架与车体上的一套摆式机构，控制车体的侧滚角度来抵消车体通过曲线时的未平衡横向加速度，但是该结构复杂，并且需要足够的安装空间，在国内应用面很窄，但是通过对抗侧滚扭杆装置的控制也可以实现车体的侧滚运动，达到抵消车体通过曲线时的未平衡横向加速度的目的。

有鉴于此，如何在不影响正常车辆的动力学性能前提下，提高车辆系统对不同的线路和天气环境的适应性，满足对抗侧滚扭杆刚度(或者扭杆作用力)和抗侧滚灵敏度的需求，是本领域技术人员需要解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于轨道交通车辆上的主动控制抗侧滚扭杆，通过主动控制技术，该抗侧滚扭杆可以根据车辆系统的运行环境提供合理的扭杆作用力。

为解决上述问题，本发明的技术方案是，提供一种轨道交通用主动控制的抗侧滚扭杆装置，包括车辆传感器测试系统和抗侧滚扭杆；所述车辆传感器测试系统包括设置在待测车体端部的陀螺仪和设置在待测车体下方的反馈控制器；所述抗侧滚扭杆，包括扭杆、至少一对水平扭转臂和至少一对竖直作动器；所述竖直作动器与一端与车体连接，另一端与水平扭转臂一端铰连接，水平扭转臂的另一端与扭杆活动连接；所述陀螺仪用于测得车体相对地面的实际侧滚角θ_m；所述反馈控制器会根据测得的车体的实际侧滚角θ_m与预先设置的车体侧滚角的限值进行比较，判断是否需要对竖直作动器进行操作。

进一步的，所述竖直作动器为电磁作动器、液压作动器或者气压作动器。

进一步的，所述车辆传感器测试系统，还包括车辆的运行速度传感器和车载GPS，所述运行速度传感器和车载GPS通过光纤与反馈控制器连接，将车辆的运行速度v和车辆实时的GPS信息传输到反馈控制器内。

为解决上述问题，还提出一种利用上述装置实现主动控制抗侧滚的方法，

步骤如下：

(a)反馈控制器中预先设置好车体侧滚角的限值；

(b)安装在车体端部的陀螺仪测试得到车体相对地面的实际侧滚角θ_m；

(c)反馈控制器会根据测得的车体的实际侧滚角θ_m与预先设置的车体侧滚角的限值进行比较，判断是否需要对竖直作动器进行操作。

进一步的，步骤(a)中的所述车体侧滚角的限值为固定的最大车体侧滚角的限值θ₀。

进一步的，步骤(a)中的所述车体侧滚角的限值为根据曲线线路参数得到实际所需要的车体最大侧滚角θ_c。

进一步的，步骤(b)中还包括通过车辆的运行速度传感器和车载GPS，将车辆的运行速度v和车辆实时的GPS信息传输到反馈控制器内。

本发明的有益效果：与现有技术比较，本发明解决了抗侧滚扭杆对线路和天气等环境适应性差的问题，可以在不影响正常车辆动力学性能的前提下，通过作动器施加作用力，抑制车体的侧滚运动，并且该作动器可以根据车辆运行速度的不同快速做出反应，满足车辆系统对抗侧滚作用的需求，实现了抗侧滚作用力可调、作用时间可控的目标，进一步可以提高车辆在复杂环境下的运行速度。

附图说明

图1是本发明的实施主动控制抗侧滚扭杆装置的框架示意图；

图2是本发明的实施主动控制抗侧滚扭杆装置的设计流程图；

图3是本发明提出的主动控制抗侧滚扭杆的典型结构示意图；

图4是本发明提出的主动控制抗侧滚扭杆的陀螺仪安装位置示意图；

图5是本发明提出的主动控制抗侧滚扭杆与车体之间的位置结构示意图。

图中，1.扭杆，2.水平扭转臂，3.竖直作动器，4.陀螺仪，5.车体，6.转向架与车体联接单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图3-5所示，一种轨道交通用主动控制的抗侧滚扭杆装置，包括车辆传感器测试系统和抗侧滚扭杆；所述车辆传感器测试系统包括设置在待测车体5端部的陀螺仪4和设置在待测车体5下方的反馈控制器；

图3和5所示，所述抗侧滚扭杆，包括扭杆1、至少一对水平扭转臂2和至少一对竖直作动器3；所述竖直作动器3与一端与车体5连接，另一端与水平扭转臂2一端铰连接，水平扭转臂2的另一端与扭杆1活动连接；所述陀螺仪4用于测得车体5相对地面的实际侧滚角θ_m；所述反馈控制器会根据测得的车体的实际侧滚角θ_m与预先设置的车体侧滚角的限值进行比较，判断是否需要对竖直作动器3进行操作。竖直作动器3为了抑制车体5的侧滚运动，施加向上的作用力时，由于力的相互作用，车体5对竖直作动器3有向下的作用力，传递到水平扭转臂2上，水平扭转臂2绕扭杆1旋转，将力的作用转换成扭杆1的扭转运动，通过扭转角θ'实现了扭矩M。

竖直作动器3为电磁作动器、液压作动器或者气压作动器。具体选择可以根据车辆实际运行环境和车辆具体参数进行合理选择。该作动器在车辆系统不需要提供额外作用力时是刚性的，和现有的抗侧滚扭杆原理相似，满足对车辆动力学性能不产生影响的目的。

如图4所示，陀螺仪4可以得到车体的实际侧滚角；安装在车体下方的反馈控制器会将测得的实际侧滚角θ_m与目标侧滚角进行比较分析，判断主动控制的抗侧滚扭杆是否需要额外提供侧滚作用力，车辆传感器测试系统，还包括车辆的运行速度传感器和车载GPS，所述运行速度传感器和车载GPS通过光纤与反馈控制器连接。车辆运行的速度、运行位置等信息也通过光纤传输到反馈控制器中，根据抗侧滚灵敏度的需求，快速做出反应。该抗侧滚扭杆主动控制装置属于主动闭环控制，通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变抗侧滚扭杆参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。

如图1-2所示，利用上述装置实现主动控制抗侧滚的方法

具体的是利用安装在车辆上的传感器测试系统将车辆前方路面信息等预先传给悬挂装置，并把所采集到的状态变量反馈给反馈控制器，以实施最优控制的一种控制策略。

步骤如下：

步骤(a)反馈控制器中预先设置好车体侧滚角的限值θ₀和θ_c。车辆在不同线路上运行所需的悬挂参数是不同的，例如同样的车辆运行在客专干线铁路上车辆的侧滚角限值稍大，在高速铁路上侧滚角稍小，此外，天气环境对侧滚角限值的影响很明显，比如在常年大风天气的兰新线上，侧滚角限值θ₀需要设置的稍微大点，但是在京沪等线路上就需要设置小点，避免限值过大造成抗侧滚扭杆系统不能对车体5瞬间横向冲击做出合理的反应。该车体侧滚角限值θ₀需要合理选择，需要根据前期分析计算和车辆运营环境的调研得到。对于限值θ_c来说，需要根据线路曲线情况进行计算分析得到车体最大未平衡横向加速度，在确保车辆运行安全性的条件下，选取略小于最大值的限值来提高乘客乘坐舒适性。

步骤(b)安装在车体5端部的陀螺仪4测试得到车体5相对地面的实际侧滚角θ_m；陀螺仪作为车辆传感器测试系统重要的组成部分，可以根据车体5的运行姿态，对车体5侧滚运动进行监控和测试，得到车体5的实际侧滚角θ_m。陀螺仪4将测得的信号通过光钎传输到反馈控制器内，此外，步骤(b)中还包括通过车辆的运行速度传感器和车载GPS，通过光纤传输将车辆的运行速度v和车辆实时的GPS信息传输到反馈控制器内，用于控制竖直作动器3的作用时间t。

步骤(c)反馈控制器会根据测得的车体5实际侧滚角θ_m与预先设置车体侧滚角的限值θ₀和θ_c进行比较，判断是否需要对竖直作动器3进行操作。

对于不同的车辆运行环境，主动控制的抗侧滚扭杆装置的控制策略不一样，这里，主要介绍两种控制机制。

第一种控制机制，

步骤(a)中的所述车体侧滚角的限值为固定的最大车体侧滚角的限值θ₀。对于车辆处于横风、穿越隧道等运行环境下，为了车辆的运行安全性，需要确保车体的侧滚角度不大于限值θ₀。那么，当θ_m≤θ₀时，反馈控制器不对抗侧滚扭杆进行作用，竖直作动器3相当于刚性直杆，与被动抗侧滚扭杆的作用相同；当θ_m>θ₀时，车体5的实际侧滚角θ_m超过了车体侧滚角的限值，需要竖直作动器3额外提供作动力F，增大扭杆1的扭矩M。作动力与抗侧滚扭杆的扭矩M的关系是：

F·b＝K_t·θ'＝M

其中，图5所示，b是水平扭转臂2的水平长度，K_t是扭杆1的角刚度，θ'是扭杆1的扭转角。扭杆1的角刚度K_t与材料的固有属性有关，确定后刚度无法修改，但是可以通过施加作动力F，从而控制扭杆1的扭转角θ'实现了对车体侧滚运动的抑制作用。从传感器测得车体的实际侧滚角θ_m到竖直作动器3做出反应的时间是t＝L/v，陀螺仪4的安装位置与抗侧滚扭杆在车体5上的安装位置间距是L。可以快速反应并做出抑制车体侧滚运动的行为。竖直作动器3施加的额外作用力可表示为：

其中，F_s是单元作用力，系统会根据施加后车体侧滚角是否满足θ_m≤θ₀的条件，若不满足则继续加载单元作用力，如此重复，直至达到θ_m≤θ₀的目标。

第二种控制机制：

步骤(a)中的所述车体侧滚角的限值为根据曲线线路参数得到实际所需要的车体最大侧滚角θ_c。为提高干线客车车辆通过曲线线路的运行速度，通过抗侧滚扭杆主动控制技术，抵消车体通过曲线时的未平衡横向加速度。车辆通过曲线线路的未平衡横向加速度是：

a_c＝v²/R-gsin(θ+θ_c)

其中，a_c是车辆的未平衡横向加速度，R是曲线线路半径，g是重力加速度，θ是曲线线路超高引起的车体倾斜角，θ_c是车体的侧滚角。

我国铁路按照曲线线路的最大超高值来保证旅客的乘坐舒适度，等效得到车辆系统最大未平衡横向加速度为0.077g，根据曲线线路参数可以得到所需要的车体最大侧滚角θ_c。那么，车载GPS信息实时与控制系统中预先设置好的线路图对照，当车辆系统运行至曲线线路的缓和曲线线路段时，竖直作动器3开始作用，竖直作动器3施加的额外作用力可表示为：

系统会根据施加后车体侧滚角是否满足θ_m＝θ_c的条件，若不满足则继续加载单元作用力，如此重复，直至达到θ_m＝θ_c的目标，当θ_m>θ_c时，竖直作动器3会减小作用力，避免车体侧滚角度过大。竖直作动器3的作用时间从车辆进入缓和曲线至车辆到达圆曲线段，车辆运行的距离为s，根据车辆运行速度v，那么作用时间t_c＝s/v。

步骤(d)当车辆系统需要通过抗侧滚扭杆的主动控制来实现对车体侧滚运动的抑制时，通过外接能量源提供能量，控制作动器3施加单元载荷F_s，促使扭杆1产生扭矩；然后再进行步骤(c)的判断，车体实际侧滚角是否满足控制策略的需求，如此，主动控制的抗侧滚扭杆实现了控制目标，并且控制时间反馈快捷，不会出现控制不及时的情况，实现了抗侧滚扭杆主动控制的目的。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种主动控制抗侧滚的方法，所述方法用轨道交通用的抗侧滚扭杆装置实现，所述扭杆装置，包括车辆传感器测试系统和抗侧滚扭杆；

所述车辆传感器测试系统包括设置在待测车体(5)端部的陀螺仪(4)和设置在待测车体(5)下方的反馈控制器；

所述抗侧滚扭杆，包括扭杆(1)、至少一对水平扭转臂(2)和至少一对竖直作动器(3)；所述竖直作动器(3)与一端与车体(5)连接，另一端与水平扭转臂(2)一端铰连接，水平扭转臂(2)的另一端与扭杆(1)活动连接；

所述陀螺仪(4)用于测得车体(5)相对地面的实际侧滚角θ_m；所述反馈控制器会根据测得的车体(5)的实际侧滚角θ_m与预先设置的车体(5)侧滚角的限值进行比较，判断是否需要对竖直作动器(3)进行操作；

所述方法特征在于：

步骤如下：

(a)反馈控制器中预先设置好车体(5)侧滚角的限值；

(b)安装在车体(5)端部的陀螺仪(4)测试得到车体(5)相对地面的实际侧滚角θ_m；

(c)反馈控制器会根据测得的车体(5)的实际侧滚角θ_m与预先设置的车体(5)侧滚角的限值进行比较，判断是否需要对竖直作动器(3)进行操作；

具体过程如下：

所述车体(5)侧滚角的限值为固定的最大车体(5)侧滚角的限值θ₀；

当θ_m≤θ₀时，反馈控制器不对抗侧滚扭杆进行作用，竖直作动器(3)相当于刚性直杆，与被动抗侧滚扭杆的作用相同；当θ_m>θ₀时，车体(5)的实际侧滚角θ_m超过了车体(5)侧滚角的限值，需要竖直作动器(3)额外提供作动力F，增大扭杆(1)的扭矩M；作动力与抗侧滚扭杆的扭矩M的关系是：

F·b＝K_t·θ'＝M

其中，b是水平扭转臂(2)的水平长度，K_t是扭杆(1)的角刚度，θ'是扭杆(1)的扭转角；扭杆(1)的角刚度K_t与材料的固有属性有关，确定后刚度无法修改，通过施加作动力F，从而控制扭杆(1)的扭转角θ'实现了对车体(5)侧滚运动的抑制作用；从传感器测得车体(5)的实际侧滚角θ_m到竖直作动器(3)做出反应的时间是t＝L/v，陀螺仪(4)的安装位置与抗侧滚扭杆在车体(5)上的安装位置间距是L，快速反应并做出抑制车体(5)侧滚运动的行为，竖直作动器(3)施加的额外作用力表示为：

其中，F_s是单元作用力，系统会根据施加后车体(5)侧滚角是否满足θ_m≤θ₀的条件，若不满足则继续加载单元作用力，如此重复，直至达到θ_m≤θ₀的目标；

或者，

步骤(a)中的所述车体(5)侧滚角的限值为根据曲线线路参数得到实际所需要的车体(5)最大侧滚角θ_c；

为提高干线客车车辆通过曲线线路的运行速度，通过抗侧滚扭杆主动控制技术，抵消车体(5)通过曲线时的未平衡横向加速度，车辆通过曲线线路的未平衡横向加速度是：

a_c＝v²/R-g sin(θ+θ_c)

其中，a_c是车辆的未平衡横向加速度，R是曲线线路半径，g是重力加速度，θ是曲线线路超高引起的车体倾斜角，θ_c是车体的侧滚角；

根据曲线线路参数可以得到所需要的车体(5)最大侧滚角θ_c；那么车载GPS信息实时与控制系统中预先设置好的线路图对照，当车辆系统运行至曲线线路的缓和曲线线路段时，竖直作动器(3)开始作用，竖直作动器(3)施加的额外作用力可表示为：

系统会根据施加后车体(5)侧滚角是否满足θ_m＝θ_c的条件，若不满足则继续加载单元作用力，如此重复，直至达到θ_m＝θ_c的目标，当θ_m>θ_c时，竖直作动器(3)会减小作用力，避免车体(5)侧滚角度过大；竖直作动器(3)的作用时间从车辆进入缓和曲线至车辆到达圆曲线段，车辆运行的距离为s，根据车辆运行速度v，那么作用时间t_c＝s/v；

(d)控制垂直作动器(3)施加单元载荷，促使扭杆(1)产生扭矩；然后再进行步骤(c)的判断，车体(5)的实际侧滚角θ_m是否满足控制策略的需求。