基于阻尼力调节的城轨车辆复合结构车身减振控制系统设计.pdf
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1、计算机测量与控制 ()C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l 控制技术 收稿日期:;修回日期:.基金项目:陕西省教育厅科学研究计划项目(J K ).作者简介:赵树萍(),女,山西晋中人,硕士,讲师,主要从事振动与噪声的阻尼控制方向的研究.引用格式:赵树萍,贾雄伟,张凯铭,等基于阻尼力调节的城轨车辆复合结构车身减振控制系统设计J计算机测量与控制,():文章编号:()D O I:/j c n k i /t p 中图分类号:T P 文献标识码:A基于阻尼力调节的城轨车辆复合结构车身减振控制系统设计赵树萍,贾雄伟,张凯铭,宋勇(西安交通工
2、程学院 机械与电气工程学院,西安 ;太原科技大学 机械工程学院,太原 )摘要:为了降低车身振动给城轨车辆复合结构产生的危害,利用阻尼力调节技术优化城轨车辆复合结构车身减振控制系统;在考虑城轨车辆复合组成结构和工作方式的情况下,构建了城轨车辆复合结构模型;在该模型下,结合城轨车辆的运行环境,模拟城轨车身在不同场景下的振动过程;利用安装在车身传感器,获取城轨车辆的实时运行数据,提取城轨车身振动特征,计算车身阻尼力调节量的理论值;采用可调阻尼器作为执行元件,执行可调阻尼力,在系统减振控制器的支持下,实现城轨车辆复合结构车身减振控制功能;通过系统测试得出结论:应用基于阻尼力调节的城轨车辆复合结构车身减
3、振控制系统后,车身振动频率和振动幅值得到明显降低.关键词:阻尼调节;城轨车辆复合结构;车身结构;减振控制D e s i g no fD a m p i n gC o n t r o l S y s t e mf o rC o m p o u n dS t r u c t u r eB o d yo fU r b a nR a i lV e h i c l eB a s e do nD a m p i n gF o r c eA d j u s t m e n tZ HAOS h u p i n g,J I AX i o n g w e i,Z HANGK a i m i n g,S ONGY
4、o n g(S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,X i a nT r a f f i cE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e,X i a n ,C h i n a;S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,T a i
5、y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t or e d u c e t h eh a r mc a u s e db yb o d yv i b r a t i o nt ot h ec o m p o s i t es t r u c t u r eo fu r b a nr a i l v e h i c l e,ad a m p i n gf o r c ea d j u s t m e n t t e c h n o l o g y i su s e d t oo p t i m i z e t h eb o d yv i b
6、r a t i o nr e d u c t i o nc o n t r o l s y s t e mo f t h e c o m p o s i t e s t r u c t u r eo f u r b a nr a i l v e h i c l e I nt h ec a s eo f c o n s i d e r i n gt h ec o m p o s i t es t r u c t u r ea n dw o r k i n gm o d eo fu r b a nr a i lv e h i c l e,ac o m p o s i t es t r u c t
7、u r em o d e lo fu r b a nr a i lv e h i c l e i sp r o p o s e d I nt h i sm o d e l,c o m b i n e dw i t h t h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t o f t h eu r b a nr a i l v e h i c l e,t h ev i b r a t i o np r o c e s so f t h eu r b a nr a i l v e h i c l e i nd i f f e r e n t s c e n a r
8、 i o s i s s i m u l a t e d T h e s e n s o r s t h a t i n s t a l l e d i nv e h i c l e a r eu s e d t oo b t a i n t h e r e a l t i m e r u n n i n gd a t ao ft h eu r b a nr a i l v e h i c l e,a c q u i r e s t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h eu r b a nr a i l b o d
9、y,a n d t h e t h e o r e t i c a l v a l u eo f t h e a d j u s t m e n t a m o u n to f t h eb o d yd a m p i n gf o r c e i sc a l c u l a t e d T h ea d j u s t a b l ed a m p e r i su s e da s t h ee x e c u t i v ee l e m e n t t op e r f o r mt h et a s ko fa d j u s t i n gt h ed a m p i n g
10、f o r c e W i t h t h e s u p p o r t o f t h e s y s t e mv i b r a t i o nr e d u c t i o nc o n t r o l l e r,t h ev i b r a t i o nr e d u c t i o nc o n t r o l f u n c t i o no f t h e c o m p o s i t es t r u c t u r eb o d yo f t h eu r b a nr a i l v e h i c l e i s r e a l i z e d T h r o
11、u g h t h e s y s t e mt e s t,i t i s c o n c l u d e d t h a t,a f t e r t h ed a m p i n g f o r c e a d j u s t m e n t b a s e dc o m p o s i t es t r u c t u r eb o d yv i b r a t i o nc o n t r o l s y s t e mi s a p p l i e d f o r t h eu r b a nr a i l v e h i c l e,t h ev i b r a t i o n f
12、 r e q u e n c ya n dv i b r a t i o na m p l i t u d eo f t h ev e h i c l eb o d ya r es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d K e y w o r d s:d a m p i n ga d j u s t m e n t;c o m p o s i t es t r u c t u r eo fu r b a nr a i l v e h i c l e;b o d ys t r u c t u r e;d a m p i n gc o n t r o l引言城轨
13、车辆是城市交通中的重要组成部分,其运行安全程度直接影响城市居民的日常通行.为了保证铁路交通的载客质量和效率,城轨车辆由司机室车体以及多节无司机室车体组成,除了车顶、底架、端墙等基本组成结构外,城轨车辆还安装了转向架、牵引缓冲连接装置、制动装置等元件,形成了城轨车辆的复合结构形式,这种结构形式使得车辆元件之间产生较大的摩擦力与转向角,在车辆行驶过程中,发动机、路面不平顺等激励会引起城轨车辆出现明显的振动现象,并通过悬架传递到车身位置,逐渐传递给车辆的各个结构部件以及驾驶员,给城轨车辆内的所有人员和物品带来较大危害.据不完全统计,城轨车辆驾驶员颈椎、腰部、骨关节以及内脏的病变均与其在城轨车辆上的长
14、期振动有关,另外车身振动也在一定程度上加大了车辆组成元件的疲劳与破坏程度,不仅增加城轨车辆的维护费用,也提高了城轨车辆行驶的危险系数.以降低城轨车辆复合结构车身振动给车辆本身以及车内人员、物品造成的负面影响为目的,设计并开发了城轨投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期赵树萍,等:基于阻尼力调节的城轨车辆复合结构车身减振控制系统设计 车辆复合结构车身减振控制系统.减振是减少各类机械中不必要的机械振动的措施,将振动信号的频率控制在正常范围内.现阶段城轨车辆使用的车身减振控制系统的控制方式可以分为主动控制、被动控制和半主动控制种类型,通过外部能量的输入和交换,实现振动的控
15、制为主动控制;被动控制是通过对振动源的干扰,实现对车身振动的控制,而半主动控制就是根据系统输入变化和输出的要求,实时调节车身的相关运行参数,从而使得车身获得良好的振动特性.当前已有相关研究领域学者对城轨车辆复合结构车身减振控制方法做出了研究,文献 对具有多个动力阻尼器的轨道交通汽车纵向振动模型进行了研究,并给出了一种适合于城市轨道交通的多动力吸振器的设计方案.文献采用双管式液压阻尼器进行汽车悬挂系统的振动控制.采用二次微分方程对其进行建模,并在单管式液压阻尼器中增设额外的气缸,设计了双管液压减振器.然而在实际的应用与运行过程中,上述控制系统存在振动控制效果不佳的问题,为此引入阻尼力调节技术.阻
16、尼力是与振动速度相关且方向相反的力.利用阻尼力调节技术优化设计城轨车辆复合结构车身减振控制系统,以期得到预期的控制效果.城轨车辆复合结构车身减振控制系统硬件设计优化设计的减振控制系统采用硬件与软件相结合的运行模式,硬件设备为控制任务的执行元件,软件用来生成控制指令.构建城轨车辆复合结构模型城轨车辆由多个车厢、转向架、牵引缓冲装置、制动装置等元件组成,其中转向架是车体与车轨间的行走设备,是保障汽车行驶质量的重要组成部分.制动装置是保障城轨车辆安全运行的重要设备,能确保列车在行驶时能根据要求减速或在一定距离内停止.另外城轨车辆车身与车轮之间以悬架作为支撑,悬架结构工作原理如图所示.图车辆悬架结构工
17、作原理图如图所示,以悬架作为支撑城轨车辆车身与车轮之间作用力的结构,变量xs u s、xt y r e和xp a v分别表示的是城轨车辆中悬架和轮胎的垂向位移以及路面激励位移,Ms u s和Mt y r e对应的是悬架和轮胎的质量,s u s和t y r e为悬架与轮胎的等效刚度.在城轨车辆运行过程中,其内部悬架的运行满足如下方程:Ms u sxs u ss u s(xs u sxt y r e)(xs u sxt y r e)FcMt y r ext y r e(xt y r exs u s)t y r e(xt y r exp a v)Fc()式中,为悬架阻尼,Fc表示的是城轨车辆运行过程
18、中的摩擦力.城轨车辆复合结构中车身扭转刚度和弯曲刚度的计算公式如下:r e v e r s eZ (xf lxf i)dfb e n dQxLm a xxRm a x()式中,变量Z为车辆车身的施加扭转力矩,xf l和xf i对应的是左右两端前悬置点的位移,df为悬置点之间的距离,Q为弯曲工况下车身承受的总载荷值,xLm a x和xRm a x对应的是车身左右两侧门槛梁位移的最大值.同理可以得出城轨车辆在正常运行状态下的参数,将其代入到车辆的复合结构中,完成城轨车辆复合结构模型的构建.安装城轨车辆复合结构车身运行传感器通过对城轨车身振动过程的模拟与分析,可以确定车辆的实时振动情况与其所处环境以
19、及运行速度有关,为了得出当前车辆的振动特征数据,需要对车身的实时运行数据进行采集,选择传感器作为数据采集的执行设备.城轨车辆复合结构车身所需的加速度传感器采用低成本、低功耗的MMA 微型电容式加速度传感器,该设备具有信号调节、单极点低通滤波、温度补偿、g线性自由下落保护等特点,可选择g量程范围,并具备V/V的工作电压,负载响应速度非常快,适合在高噪音的供电环境中使用.系统安装的加速度传感器的数据采集电路原理如图所示.图加速度传感器的采集电路图系统安装加速度传感器输出的加速度数据采集结果与检测电压之间的函数关系如下:a Uc ()式中,Uc为检测电压,a为车辆加速度的传感结果.除车辆加速度传感器
20、外,还需要在车身位置上安装速度传感器、荷载传感器等设备,将其安装在城轨车辆复合结构模型的指定位置上,完成传感器设备的安装工作.可控阻尼器根据车身减振控制工作中阻尼力调节量的计算结果,采用可调阻尼器作为执行元件,完成对城轨车身阻尼力的调节.选择的可调阻尼器要求能够执行双向调节任务,既投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m计算机测量与控制第 卷 能够增大车身的阻尼力,也能够降低车身的阻尼力.系统装设的可调阻尼器结构及其工作原理如图所示.图可控阻尼器内部结构与工作原理图由图所示,可控阻尼器由阻尼调节机构、驱动机构等部分组成,其中驱动装置包括:摇动气缸、气缸保持架、支撑托垫、电
21、磁阀,气缸和气缸组成气缸保持架和支撑托垫,使摇动气缸与阻尼器本体相结合,通过气缸的一条通道与电磁阀的通气口相连,再通过电磁阀将两个管道分别与摇动气缸相连,通过电磁阀对摇动气缸进行吸气.为方便对大跨空间网壳进行半主动控制,需要采用杆件串联、长细比大的形式.因此,优化设计的可调阻尼器采用了多节柱塞结构,通过增大有效长度来补偿柱塞有效面积,从而达到最大输出功率的目的.城轨车辆复合结构车身减振控制框架为了提高城轨车辆复合结构车身减振控制指令的生成速度,在减振控制器外部连接一个 TM S C D S P处理器设备.城轨车辆复合结构车身减振控制框架如图所示.图城轨车辆复合结构车身减振控制框架在实际的运行过
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