CN110641502B - 列车转向架悬挂系统动态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车转向架悬挂系统动态调节方法，该方法主要实现过程为：列车起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，保证车辆行驶平稳性；正常行驶时，调节空气弹簧刚度和减振器阻尼到最佳值，保证乘客乘坐舒适度；高速行驶时，降低车辆高度、增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，保证车辆行驶平稳性。本发明在起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，优先保证车辆行驶平稳性；正常行驶时，优先保证乘客乘坐舒适度；高速行驶时，优先保证车辆行驶平稳性，从而有效保证了列车整个行驶过程中的平稳性和乘客乘坐舒适度，极大地改善了乘客体验，提高了行车安全性。

Description

列车转向架悬挂系统动态调节方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通领域，特别是一种列车转向架悬挂系统动态调节方法。

背景技术

当今人们对轨道车辆的运行品质及性能的要求越来越高，而轨道车辆由于轮载分布不均、动态性能十分复杂等原因，使轨道车辆在轨道车辆在悬挂系统动态调节方面的改进十分困难，亟需一种有效的转向架悬挂系统动态调节方法，保证列车行驶过程中的平稳性和乘客舒适度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种列车转向架悬挂系统动态调节方法，保证列车行驶的平稳性和乘客的乘坐舒适度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种列车转向架悬挂系统动态调节方法，该方法主要实现过程为：

列车起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，保证车辆行驶平稳性；

正常行驶时，调节空气弹簧刚度和减振器阻尼到最佳值，保证乘客乘坐舒适度；

高速行驶时，降低车辆高度、增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，保证车辆行驶平稳性。

借由上述方法，保证列车行驶的平稳性和乘客的乘坐舒适度。

本发明中，列车起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，通过如下步骤保证车辆行驶平稳性：

1)列车运行过程中，采集车体x、y、z三个方向的加速度、转向架轮轴转速，判断列车行驶状态；

2)当判断出列车在起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，控制电磁阀打开至进气位置，向空气弹簧充气，增加空气弹簧内部压力，减小或增大辅助气室容积，旋转节流阀，减小节流孔开度，控制电磁阀档位，增加减振器阻尼；

3)对动态调节的列车平稳性指标等级进行计算，当得到的平稳性指标等级达到预先设定的等级时，结束调节。

步骤3)中，利用下式计算列车平稳性指标：

式中：W为列车平稳性指标；A为车辆振动加速度，单位为m/s²；f为振动频率，单位为Hz；F(f)为频率修正系数。

频率修正系数F(f)的确定方法包括：垂直振动模式下：f＝0.5～5.9Hz时，F(f)＝0.325f²；f＝5.9～20Hz时，F(f)＝400/f²；f＞20Hz时，F(f)＝1；横向振动模式下，f＝0.5～5.4Hz时，F(f)＝0.8f²；f＝5.4～26Hz时，F(f)＝600/f²；f＞26Hz时，F(f)＝1。

平稳性指标等级按照如下规则确定：平稳性等级为1级时，评定为优，平稳性指标W＜2.5；平稳性等级为2级时，评定为良好，平稳性指标W取值为2.5～2.75；平稳性等级为3级时，评定为合格，平稳性指标W取值为2.75～3。

本发明中，保证乘客乘坐舒适度的具体实现过程包括：

1)列车运行过程中，采集车体x、y、z三个方向的加速度、转向架轮轴转速、车辆速度，判断列车行驶状态；

2)当判断出列车正常匀速行驶时，控制电磁阀的位置，使空气弹簧充气或放气，增加或减小空气弹簧内部压力，增加或减小辅助气室容积，旋转节流阀，增加或减小节流孔开度，控制电磁阀档位，增加或减小减振器阻尼；

3)采集车辆振动加速度和振动频率参数，计算动态调节的列车舒适度指标，当得到的舒适度指标等级达到预先设定的等级时，完成调节。

步骤3)中，列车舒适度指标N的计算公式如下：

式中：N为舒适度指标；a为有效加速度，其上标W_b、W_d表示加速度值分别按图1的加权曲线频率加权，下标x、y、z分别表示纵向、横向、竖向，P表示测点位于地板面，95表示加速度取95％置信度的有效值，例如

表示测点位于地板面、纵向加速度使用W_d频率加权且取95％置信度的有效值。

高速行驶时，降低车辆高度、增加空气弹簧刚度和减振器阻尼的具体实现过程包括：

1)列车运行过程中，采集车体x、y、z三个方向的加速度、转向架轮轴转速，判断列车行驶状态；

2)当判断出列车是高速行驶时，将电磁阀打开至出气位置，降低空气弹簧高度，减小辅助气室容积或增大辅助气室容积，旋转节流阀，减小节流孔开度，控制器控制电磁阀档位，增加减振器阻尼；

3)采集车辆振动加速度和振动频率参数，对动态调节的列车平稳性指标等级进行计算，当得到的平稳性指标等级达到预先设定的等级时，完成调节。

本发明利用三组车体传感器采集车体x、y、z三个方向的加速度，所述三组车体传感器均安装于车体地板上；利用构架传感器采集转向架轮轴转速，所述构架传感器安装于转向架轮轴上；优选的，所述电磁阀与减振器、控制器电连接。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，优先保证车辆行驶平稳性；正常行驶时，优先保证乘客乘坐舒适度；高速行驶时，优先保证车辆行驶平稳性，从而有效保证了列车整个行驶过程中的平稳性和乘客乘坐舒适度，极大地改善了乘客体验，提高了行车安全性。

附图说明

图1为加权曲线；

图2为车辆传感器与悬挂系统布置图；

图3为本发明系统控制原理图。

具体实施方式

本发明参照平稳性与舒适度指标对转向架刚度与阻尼进行调节，以满足列车各种运行情况下对列车平稳性与乘坐舒适度的要求。

(1)起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，优先保证车辆行驶平稳性；

(2)正常行驶时，调节空气弹簧刚度和减振器阻尼到最佳值，优先保证乘客乘坐舒适度；

(3)高速行驶时，降低车辆高度、增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，优先保证车辆行驶平稳性。

如图2所示，参考标准GB5599-85，在车体地板位置布置3组传感器(车体传感器)，每组传感器包括3个单向传感器，3个单向传感器用来测量列车车体纵向x、横向y与垂向z加速度；3组传感器分别安装在距车辆1、2位端转向架中心一侧1m的车体地板面位置和车辆中央地板面位置，用来测量计算车辆1、2位端位置和车辆中央位置的平稳性、舒适度。图2中a为带容积可变辅助气室与开度可变节流孔的自由膜式空气弹簧，b为转向架横向、纵向与垂向阻尼可变减振器。

如图3所示，数据采集卡将采集的各种传感器参数输入计算机，计算机判断车辆运行状态，并给出相应的控制指令到控制器，控制器对系统进行调节，保证车辆运行的平稳性与舒适度。图3中构架传感器包括轮轴上安装的速度传感器和加速度传感器。

本发明整体构思如下：

(1)采用气压、位移传感器对空气弹簧的状态参数进行实时监测。

(2)采用振动、速度、加速度传感器对车辆运动状态参数进行实时监测。

(3)采用节流阀开度可变、辅助气室容积可变空气弹簧以及阻尼可变减振器。

(4)车辆动态运行过程中，将数据采集卡采集的传感器信息输入计算机进行分析处理，得到控制指令。

(5)控制器接受指令，对空气弹簧的压力、空气弹簧的位移、节流阀开度、辅助气室容积以及减振器阻尼参数进行实时控制。

具体地，本发明的实现过程如下：

(1)起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，优先保证车辆行驶平稳性；

1)列车运行过程中，数据采集卡采集车体传感器(安装位置如图2所示，能够测量x、y、z三个方向加速度的传感器)、构架传感器(安装于转向架轮轴旁能够测量轮轴转速的传感器)的加速度、速度信息，通过计算机判断列车行驶状态；

2)当判断出列车在起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时(车体传感器x方向加速度绝对值|a_x|与持续时间t_x大于阈值(根据不同列车、不同灵敏度要求，例如|a_x|的阈值可设置为0m/s²～0.1m/s²中某值、t_x的阈值可设置为0s～3s中某值)时为加减速，y方向加速度绝对值|a_y|与持续时间t_y大于阈值(同加减速设置)时为过弯道，z方向加速度绝对值|a_z|与持续时间t_z大于阈值(同加减速设置)时为过竖曲线)，计算机依据公式1～4及通过实验得到的经验数据，将控制指令发送到控制器，控制器控制电磁阀打开至进气位置，通过高压储气罐向空簧充气，增加空气弹簧内部压力，控制器控制电机推动活塞在辅助气室内移动，活塞压缩辅助气室减小辅助气室容积(当车体传感器测出振动频率f小于阈值(一般取f≤3Hz，具体需根据列车与结构与空气弹簧结构确定)时)或活塞拉伸增大辅助气室容积(当车体传感器测出振动频率f大于阈值(一般取f＞3Hz，具体需根据列车与结构与空气弹簧结构确定)时)，控制器控制电机旋转节流阀，减小节流孔开度，控制器控制电磁阀档位，增加减振器阻尼；

3)调节过程中，数据采集卡持续采集车体传感器获得的车辆振动加速度和振动频率参数，并输入计算机，计算机对动态调节的列车平稳性指标等级进行计算(依据公式5、表1、表2)，当得到的平稳性指标等级达到预先设定的等级时，计算机向控制器发出暂停指令，此时控制器结束并完成调节。

(2)正常行驶时，调节空气弹簧刚度和减振器阻尼到最佳值，优先保证乘客乘坐舒适度；

1)列车运行过程中，数据采集卡采集车体传感器、构架传感器的加速度、速度信息，通过计算机判断列车行驶状态；

2)当判断出列车是正常匀速行驶时(车体x、y、z三个方向加速度的传感器数值|a_x|、|a_y|、|a_z|与持续时间t_x、t_y、t_z小于阈值(根据不同列车、不同灵敏度要求，例如|a_x|、|a_y|、|a_z|的阈值可设置为0m/s²～0.1m/s²中某值、t的阈值可设置为0s～3s中某值))，构架速度传感器测量值v小于阈值(根据不同列车，例如城轨车v的阈值可设置为80km/h～120km/h中某值、动车v的阈值可设置为200km/h～300km/h中某值))，计算机将控制指令发送到控制器，控制器控制电磁阀的位置，使空簧充放气，增加或减小空气弹簧内部压力，控制器控制电机推动活塞在辅助气室内移动，通过活塞压缩或拉伸，增加或减小辅助气室容积，控制器控制电机旋转节流阀，增加或减小节流孔开度，控制器控制电磁阀档位，增加或减小减振器阻尼；

3)调节过程中，数据采集卡持续采集车体传感器获得的车辆振动加速度和振动频率参数，并输入计算机，计算机对动态调节的列车舒适度指标等级进行计算(依据公式6、表3)，当得到的舒适度指标等级达到预先设定的等级时，计算机向控制器发出暂停指令，此时控制器结束并完成调节。

(3)高速行驶时，降低车辆高度、增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，优先保证车辆行驶平稳性。

1)列车运行过程中，数据采集卡采集车体传感器、构架传感器的加速度、速度信息，通过计算机判断列车行驶状态；

2)当判断出列车是高速行驶时(构架速度传感器测量值v大于阈值(根据不同列车，例如城轨车v的阈值可设置为80km/h～120km/h中某值、动车v的阈值可设置为200km/h～300km/h中某值))，计算机依据公式1～4及通过实验得到的经验数据，将控制指令发送到控制器，控制器控制电磁阀打开至出气位置，降低空气弹簧高度，控制器控制电机推动活塞在辅助气室内移动，活塞压缩辅助气室减小辅助气室容积(当车体传感器测出振动频率小于阈值时)或活塞拉伸增大辅助气室容积(当车体传感器测出振动频率大于阈值时)，控制器控制电机旋转节流阀，减小节流孔开度，控制器控制电磁阀档位，增加减振器阻尼；

3)调节过程中，数据采集卡持续采集车体传感器获得的车辆振动加速度和振动频率参数，并输入计算机，计算机对动态调节的列车平稳性指标等级进行计算(依据公式5、表1、表2)，当得到的平稳性指标等级达到预先设定的等级时，计算机向控制器发出暂停指令，此时控制器结束并完成调节。

本发明中，列车转向架横向、纵向与垂向均采用阻尼可变减振器，通过电控调节减振器阻尼。

本发明使用的电磁阀为三位三通电磁阀，该电磁阀的进气口与储气罐连通，工作口与二系弹簧(即本发明的空气弹簧)的进气口连通，排气口与大气相通。

列车转向架采用带容积可变辅助气室与开度可变节流孔的自由膜式空气弹簧，其刚度特性公式：

K＝dW/ds＝PdA_e/ds-n(P+P_a)A_e/V·dV/ds (1)

式中：K为空气弹簧刚度；n为多变指数(当空气弹簧缓慢振动时，多变指数取1，当空气弹簧剧烈振动时，多变指数取1.4，一般情况下取1.33)；P_a为大气压力；P为空气弹簧内气体工作压力；V₀气为空气弹簧在设计位置时的容积；V为空气弹簧高度变化后的容积(V＝V_a+V_b；V_a为橡胶气囊容积，V_b为辅助气室容积)。

为了使空气弹簧刚度便于调节，采用圆柱形活塞底座的膜式空气弹簧，其有效承压面积变化率dA_e/ds＝0，其刚度简化为：

K＝n(P+P_a)A_e/V·dV/ds (2)

根据公式与通过实验得到的经验数据可得到以下结论：

弹簧气囊

1)刚度：空气弹簧初始气压的增大会使弹簧动刚度增加，即簧上静载荷的增加会使弹簧的动刚度增加；增加空气弹簧内部压力可增加空气弹簧刚度，减小空气弹簧内部压力可减小空气弹簧刚度。

2)传递比：空气弹簧在没有辅助气室时传递比可达到0.5。

辅助气室

1)刚度：在低频范围，减小辅助气室容积可增加空气弹簧刚度，增大辅助气室容积可减小空气弹簧刚度，但当辅助气室容积超过弹簧容积2倍以后，辅助气室容积的继续增大对降低弹簧动刚度的作用便不再明显；在高频范围，辅助气室容积越大，动刚度越大。

2)阻尼：在低频范围，辅助气室容积越大，阻尼比越大；高频范围，体积变化，阻尼比不变。

3)传递比：在低频范围，辅助气室容积越大，传递比越小；高频范围，体积变化，传递比不变。

节流孔

1)刚度：根据节流孔的作用特点，随着节流孔开度的增大，弹簧动刚度由最大值逐渐减小，直到超过一定阈值时，节流孔失去节流作用，达到最小值，反之，随着节流孔开度减小，弹簧动刚度增大，直到超过一定阈值时，橡胶气囊和辅助气室隔断，达到最大值。在节流孔的有效作用频率区间内，振动频率和振幅的增大均会增大弹簧的动刚度。

2)阻尼：在阻尼方面，随着节流孔开度的减小，空气弹簧阻尼比增大，反之，随着节流孔开度的增大，空气弹簧阻尼比减小。

其中描述的低频范围定义为(≤3Hz)，高频范围定义为(＞3Hz)。

系统刚度公式：

K_s＝K·K′/K+K′ (3)

式中：K_s为系统刚度；K为空气弹簧刚度；K’为系统其他结构部件总刚度。根据公式3可知，当系统其它结构部件总刚度K’不变时，系统刚度K_s随空气弹簧刚度K的增加而增加，减小而减小。

系统阻尼公式：

F_s＝F·f/F+f+F′ (4)

式中：F_s为系统阻尼；F为空气弹簧阻尼；f为减振器阻尼；F’为系统其他结构部件总阻尼。

根据公式4可知，当系统其它结构部件总阻尼F’不变时，系统阻尼F_s随空气弹簧阻尼F和减振器阻尼f的增加而增加，减小而减小。

列车平稳性

根据标准(GB5595-85)，平稳性指标计算方法和平稳性指标评定等级如下：

式中：W为平稳性指标；A为振动加速度，g；f为振动频率，Hz；F(f)为频率修正系数，见表1。

表1频率修正系数

用平稳性指标来评价来对列车运行平稳性进行评价，如表2。

表2平稳性指标等级表

列车乘坐舒适度

根据标准(UIC513)，乘坐舒适度分为完全方法和简化方法；完全方法又分坐姿和站姿两种。这里可采用站姿或坐姿均适用的简化方法，其计算公式为：

式中：N为舒适度指标；a为有效加速度，其上标W_b、W_d表示加速度值分别按图1的加权曲线频率加权，下标x、y、z分别表示纵向、横向、竖向，P表示测点位于地板面，95表示加速度取95％置信度的有效值，例如

表示测点位于地板面、纵向加速度使用W_d频率加权且取95％置信度的有效值。

在舒适度测量及计算时，每个速度级的采样时间持续为5分钟，以5s为计算间隔换算成频率加权后的横向、纵向和垂向加速度有效值，确定频率范围为0.4～80Hz，然后统计5分钟时间内测量的各方向60个加速度有效值95％的置信点，最后代入公式6中计算该采样段的舒适度指标。

列车乘坐舒适度的等级划分如表3所示。

表3舒适度等级划分表

本发明中，除前述可通过传感器对列车各种行驶状态进行识别外，列车起步加速、停站减速行驶状态可根据计算机获取列车牵引与制动指令进行识别，列车过弯道、过竖曲线行驶状态可根据数字轨道地图与列车定位系统进行识别；列车在无突发事件(例如外部环境问题、列车故障导致采取紧急制动等)的正常运营条件下，列车的各种行驶状态可事先根据数字轨道地图进行规划、采用列车定位系统进行识别执行。

Claims (10)

1.一种列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，该方法包括：

列车起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，保证车辆行驶平稳性；

正常行驶时，调节空气弹簧刚度和减振器阻尼到最佳值，保证乘客乘坐舒适度；

高速行驶时，降低车辆高度、增加空气弹簧刚度和减振器阻尼，保证车辆行驶平稳性；

列车起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，通过如下步骤保证车辆行驶平稳性：

1）列车运行过程中，采集车体x、y、z三个方向的加速度、转向架轮轴转速，判断列车行驶状态；

2）当判断出列车在起步加速、停站减速、过弯道、过竖曲线时，控制电磁阀打开至进气位置，向空气弹簧充气，增加空气弹簧内部压力，减小或增大辅助气室容积，旋转节流阀，减小节流孔开度，控制电磁阀档位，增加减振器阻尼；

3）对动态调节的列车平稳性指标等级进行计算，当得到的平稳性指标等级达到预先设定的等级时，结束调节。

2.根据权利要求1所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，步骤3）中，利用下式计算列车平稳性指标：

；

式中：为列车平稳性指标；A为车辆振动加速度，单位为m/s²；f为振动频率，单位为Hz；F(f)为频率修正系数。

3.根据权利要求2所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，频率修正系数F(f)的确定方法包括：

垂直振动模式下：f=0.5～5.9Hz时，F(f)=0.325f²；f=5.9～20Hz时，F(f)= 400/f²；f＞20Hz时，F(f)=1；

横向振动模式下，f=0.5～5.4Hz时，F(f)=0.8f²；f=5.4～26Hz时，F(f)= 600/f²；f＞26Hz时，F(f)=1。

4.根据权利要求2或3所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，平稳性指标等级按照如下规则确定：平稳性等级为1级时，评定为优，平稳性指标＜2.5；平稳性等级为2级时，评定为良好，平稳性指标取值为2.5～2.75；平稳性等级为3级时，评定为合格，平稳性指标取值为2.75～3。

5.根据权利要求1所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，保证乘客乘坐舒适度的具体实现过程包括：

1）列车运行过程中，采集车体x、y、z三个方向的加速度、转向架轮轴转速，判断列车行驶状态；

2）当判断出列车正常匀速行驶时，控制电磁阀的位置，使空气弹簧充气或放气，增加或减小空气弹簧内部压力，增加或减小辅助气室容积，旋转节流阀，增加或减小节流孔开度，控制电磁阀档位，增加或减小减振器阻尼；

3）采集车辆振动加速度和振动频率参数，计算动态调节的列车舒适度指标，当得到的舒适度指标等级达到预先设定的等级时，完成调节。

6.根据权利要求5所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，步骤3）中，列车舒适度指标N的计算公式如下：

；

式中：N为舒适度指标；a为有效加速度，其上标W_b、W_d表示加速度值分别按加权曲线频率加权，下标x、y、z分别表示纵向、横向、竖向，P表示测点位于地板面，95表示加速度取95%置信度的有效值。

7.根据权利要求6所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，舒适度等级与舒适度指标的关系如下：

舒适度等级为1级，评定为非常舒适，N＜1；

舒适度等级为2级，评定为舒适，1≤N＜2；

舒适度等级为3级，评定为比较舒适，2≤N＜4；

舒适度等级为4级，评定为不舒适，4≤N＜5；

舒适度等级为5级，评定为非常不舒适，N≥5。

8.根据权利要求1所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，高速行驶时，降低车辆高度、增加空气弹簧刚度和减振器阻尼的具体实现过程包括：

1）列车运行过程中，采集车体x、y、z三个方向的加速度、转向架轮轴转速、车辆速度，判断列车行驶状态；

2）判断出列车是高速行驶时，将电磁阀打开至出气位置，降低空气弹簧高度，减小或增大辅助气室容积，旋转节流阀，减小节流孔开度，控制器控制电磁阀档位，增加减振器阻尼；

3）采集车辆振动加速度和振动频率参数，对动态调节的列车平稳性指标等级进行计算，当得到的平稳性指标等级达到预先设定的等级时，完成调节。

9.根据权利要求1、5、8之一所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，利用三组车体传感器采集车体x、y、z三个方向的加速度，所述三组车体传感器均安装于车体地板上；利用构架传感器采集转向架轮轴转速，所述构架传感器安装于转向架轮轴上。

10.根据权利要求9所述的列车转向架悬挂系统动态调节方法，其特征在于，所述电磁阀与减振器、控制器电连接。

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