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高速铁路车辆多功能半主动悬架系统的开发与评估
Tianhe Jin , Zhiming Liu , Shuaishuai Sun , Zunsong Ren , Lei Deng , Bo Yang ,Matthew Daniel Christie , Weihua Li
北京交通大学，机械电子与控制工程学院，北京100044
卧龙岗大学机械，材料，几点和生物医学工程学院，澳大利亚新南威尔士州2522
东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819
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文章信息 |
摘要 |
文章历史：
2019年4月17日收到
自2019年8月19日修订
2019年8月29日修改完成
2019年9月20日线上发表
关键词：
高速列车
振动控制
可变刚度和可变阻尼磁流变技术
随着高速列车速度的提高，它们的振动将变得越来越剧烈，尤其是车身发生横向共振时 。本文开发了一种适用于高速列车的半自动悬挂系统，该系统对于高速列车配备了具有变刚度（VS）的磁变流弹性 (MRE)绝缘体和变阻尼(VD)的磁变流(MR)缓冲器，旨在通过避免车辆共振和耗散振动能量来改善乘坐舒适性。首先，为高速公路汽车设计一个多功能的、变刚度变阻尼的半自动悬架原型，它具有四个VS-MRE绝缘体和两个VD-MR缓冲器。在此基础上，设计并建立一个由车体和二级横向悬挂系统组成的比例列车模型，对新型变结构车辆悬架系统的性能做出评价；提出了一种基于短时傅里叶变换(STFT)和sky-hook的控制策略来控制新的悬架系统。两种不同的激励：谐波激励和随机激励，被用来评估列车的VSVD悬架。作为比较，有四种不同的悬挂系统也要进行评估。包括被动悬架、主动悬架、纯VS悬架。和纯VD悬架。评价结果验证了列车的VSVD悬架系统可以避免车体横向共振，有效地耗散振动能量。对比验证了VSVD悬架系统优于被动悬架、主动悬架、纯VS悬架和纯VD悬架。
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1. 简介
高速列车的发展和进步对促进各国经济发展起到了至关重要的作用。然而，随着高速列车速度的提高，车厢体的振动明显增加，列车的行驶舒适性和运行安全性急剧下降。[1]因此，抑制车体振动对于提高铁路车辆的运行安全性和行驶舒适性至关重要。
抑制列车振动的传统方法是采用被动悬架系统，许多学者对此进行了研究[2-4]，具体来说，Sun等人.[2] 设计了一种新的减振器，实现了底盘下装置垂直方向和横向刚度的分离。然后优化了垂直和横向刚度。结果表明新型减振器能提高高速列车的运行稳定性。
相应的作者。
电子邮件地址：16116364@bjtu.edu.cn （T.金）ssun@uow.edu.au（孙先生）。
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.106338 0888-3270/ 2019 埃尔塞维尔有限公司保留所有权利。
秦等人[3]研究了二级横向悬架的刚度和阻尼对列车临界速度和轮轨磨损的影响，并优化了被动悬架系统的刚度和阻尼。金等人[4]还分析了二次悬架的横向和纵向阻尼对铁路车辆动态性能的影响，并优化了列车二次悬架的横向阻尼系数。以上研究主要集中在被动悬架系统;但是，由于无源悬架系统的参数是固定的，因此不能根据不同的运行速度、不同的轨道不规则性以及不同的Looo条件实时调整这些系统的参数。为了克服被动悬架的局限性，研究人员一直在研究自适应悬架系统，以提高高速列车的减振性能。例如，主动悬架系统已应用于高速列车悬架系统[5-7]。特别是，在对高速列车的转向架进行线性和非线性分析后，Yao等人[5] 提出了一个活跃的Sus养老金制度，以提高转向架的狩猎稳定性。哈丹加等人[6] 对铁路车辆的二次悬架系统应用主动LQG控制，结果表明主动悬架比钝车悬架提供更好的乘客舒适度。朱等人[7]提出了一种基于谐振控制方法的高速列车低成本横向主动悬架系统。仿真结果表明，主动悬架能提高行驶质量。虽然主动悬架系统能提高轨道车辆的运行性能，但主动悬架系统的能耗和硬件成本较高。此外，主动控制对列车系统造成不稳定问题的可能性很高，这也限制了其在高速列车的实际应用。
半主动悬架作为另一种典型的自适应悬架系统，由于能耗较低，参数可控，可实时调节[8-13]，因此越来越受到人们的关注。例如，开发了可变孔阻尼器和智能流体阻尼器，以抑制高速铁路车辆的振动[14-16]。基于可变孔阻尼器的半主动悬架通过调节机械阀来改变孔径，从而实现阻尼变化，相对而言，智能流体阻尼通过控制流体的粘度来调节阻尼。与改孔减震器相比，这些自适应减震器具有机械部件少、稳定性好、维护成本更低、响应快等优点[17]。电热学（ER）流体和磁流（MR）流体是两种典型流体，已被广泛用于开发自适应阻尼器[18]。当施加电场或磁场时，它们可以从流体流动状态以毫秒为单位变为半固态。由于ER流体通过施加高达8 kV/mm的电场来通电，因此ER半主动悬架的安全性一直是其实际应用的一大关注点[17，18]。相反，MR流体只需要一个小电压来控制其粘度，并被广泛用于开发高速列车的可变阻尼悬架系统[17-24]。举个例子，王和[17，20] 应用MR阻尼器为列车构建半主动辅助侧悬架，以提高其乘坐舒适性。还构建了 17 度自由度 （DOF） 轨道车辆模型，以从数值上评估 MR 悬架的性能。孙等人[18] 为高速列车建造了4个MR阻尼器，经实验验证，MR悬架系统能够提高铁路车辆的临界速度。S.D. Nguyen等人[19]设计了一种基于安装在列车悬架上的MR减震器的新型最佳模糊扰动变阻器增强模型的控制器，结果表明该方法能有效降低列车振动。宗等人[21] 构建了H1控制策略，用于控制高spe列车的MR悬架系统，以提高其动态性能。Shin等人[22]还研究了MR减震器在高速列车上的应用，并评估了装有MR减震器的铁路车辆的行驶舒适性和横向稳定性。
可控阻尼悬架系统虽然可以大大提高铁路车辆的行驶舒适性和运行稳定性，但铁路车辆二次侧悬架的刚度无法调节，从而修复了车身横向的谐振频率。根据齐等人的研究。[25]和H.克劳斯等人。[26]，轨道激励频率随车速的增加而增加，这意味着激励频率将等于高速列车在一定运行速度下的谐振频率。这种共振会引起车体的剧烈横向振动，大大降低高速列车的行驶舒适性和安全性。因此，除了大坝平可控悬架外，还迫切需要开发刚度可调悬架系统，以避免车身的横向共振，提高高速铁路车辆的动力学性能。
基于这一动机，本文开发了一种用于高速列车的多功能VSVD悬架系统。这种先进的悬架将满足不同工作场景的苛刻要求，实现无共振控制，具有刚度可控性和具有阻尼可控性的高效振动抗过敏性。本文的结构如下。第2部分介绍了多功能VSVD半主动悬架、VSVD器件和小型高速铁路车辆模式l的详细设计、工作原理，以及VS和VD器件的测试结果。第三节提出了VSVD控制策略，并提出了在谐波和随机电子激励下小型高速铁路车辆多功能半主动悬架的评价。最后，以第 4 节结束本文。
2. 高速铁路车辆多功能半主动悬架系统的设计、原型和测试
本章介绍了拟建的高速铁路车辆多功能半主动悬架系统的工作原理，以及相应的VS隔离器和VD阻尼器的原型、仿真和测试。
2.1.多功能VSVD半主动悬架系统的结构、设计和工作原理
为了验证VSVD悬架系统对高速铁路车辆的影响，本文设计了一个小型铁路车辆系统，并对其进行了验证，如图1所示。该铁路车辆系统主要由车体、二次横向半主动悬架系统和两个转向架组成。考虑到试验台的最大垂直支撑能力，选择缩放车的吨位为70公斤。实际车身质量为36000kg;因此，缩放车身和实际车身的重量比约为 1：512。根据 A 中使用的缩放规则。
Jaschinski[27]和Y.J.Shin[28]等人，在本文中使用的列车尺寸的刻度因子是。因此，缩放列车的其他尺寸和参数可以由缩放因子确定，并在表 1中给出。对于 VSVD 悬架系统，根据不同的工作场景控制刚度和阻尼。原理图如图1（a）和（b）所示，其中yc，yb，ky和cy分别表示车身的横向位移、转向架的横向位移、次级横向可变刚度和阻尼。如图1（c）所示，铁路车辆的二级横向半主动悬架系统主要包括4个VS-MRE隔离器和2个VD-MR阻尼器。四个 MRE 隔离器用作辅助垂直弹簧，以支持铁路车辆的重量，为列车系统提供可控的横向刚度。MRE阻断器可以更换列车悬架系统中的空气弹簧，而无需对列车进行较大的配置更改。两个 MR 减震器用作辅助横向阻尼器，为列车悬架提供可控横向阻尼。本研究的重点是二次悬架系统，转向架结构已简化为支撑板，如图1（c）所示。
（c） 高速铁路车辆的二次悬挂系统。
图1.缩放铁路车辆的结构和原型。
对于 VSVD 半主动悬架系统，将正确控制所有 MR 阻尼器和 MRE 隔离器，以实现可变刚度可变阻尼悬架系统。作为比较，还设计和测试了四种备用悬架系统，详情如下：
案例 1：被动悬架：被动关闭悬架系统使用 MRE 隔离器和 MR 阻尼器作为被动组件，而无需对其进行控制策略。在这种情况下，悬架系统的刚度和阻尼是固定的，MRE隔离器和 MR 阻尼器的电流分别设置为恒定 3 A 和 0 A。
案例 2：被动式悬架：被动式悬架系统使用 MRE 隔离器和 MR 阻尼器作为无源分量，MRE 隔离器和 MR 减震器的电流分别设置为恒定 3 A 和 2 A。
案例 3：VS 悬架。VS 悬架系统仅对 MRE 隔离器应用控制策略，而 MR 减震器充当无源元件。VS 悬架只能实时改变其刚度，不能调整其阻尼。这样，MRE 隔离器的电流得到控制，而 MR 阻尼器的电流设置为恒定 0 A.
案例 4： VD 悬架。VD 悬架是一种悬架系统，使用 MR 减震器作为可控部件，而 MRE 隔离器作为无源组件工作。VD 悬架可以实时调整其阻尼g，同时其刚度是固定的。MRE 隔离器的电流设置为 3 A。
2.2. VS隔离器和VD阻尼器的设计和测试
2.2.1. MRE隔离器的设计和测试
MRE是一种智能材料，在振动控制中被广泛应用[29，30]。许多学者研究了MRE隔离器，并将其用作可变刚度器件[31，32]。作为一种智能结构，MRE器件的刚度可以通过将电流调节到电母线圈中加以控制。此外，MRE 隔离器的配置与列车的空气弹簧类似，因此，MRE 隔离器可用作具有可变刚度特性的智能空气弹簧，以改变车身的横向自然频率。换句话说，通过控制 MRE 隔离器的刚度，可以避免列车体的横向共振。
图2（a）显示了我们集团开发的拟建的MRE隔离器的结构和原型[33，34]。该MRE是一个电磁线圈，两个永磁体，一个钢锁，两个钢板和MRE层。两个永磁体被放置在MRE层的末端，由10层MRE圆形晶圆和11层低碳钢b与强力粘合剂一起制成。MRE 层和永磁体被电磁线圈包围，电磁线圈被放置在钢锁内。两个钢板分别安装在永磁体的顶部和底部。上部钢板和钢锁之间留有一个 ga p，以便在顶板和底板之间相对移动。
MRE 隔离器的工作原理如下。将不同方向的电流施加到电磁线圈上，可以在不同方向产生磁场。当电磁线圈中电流产生的磁场方向与永磁体产生的m参数场方向相同时，本文将电流的方向定义为正极。否则，电磁线圈中的电流方向被定义为负电流。当电磁线圈作为正电流时，MRE层中的磁场得到增强。施加的正电流越大，MRE层中的磁场越强，直到磁场饱和。应该指出，在这项研究中，只使用正电流，但是，鉴于最初的隔离器刚度低。此时，MRE层的水平刚度逐渐增加，控制电流的增加。MRE 隔离器产生的力可以通过 [35-37]计算：
其中是存储或有效刚度 是损耗刚度，，是等效阻尼, 和 是顶钢板相对于底部钢板的位移和速度;是频率;和 分别是MRE 的存储和损耗模量，它们与磁场强度的关系在附录（A 节）中显示;A 和 h分别是MRE 层的横截面区域和厚度，，是MRE 层的直径；是MRE 表的层数。
MRE 隔离器的尺寸如图 2 （a） 所示。MRE隔离器的主要原型参数可以根据缩放列车所需的刚度计算，在表2中给出。电磁线圈的导线直径为1mm，电磁线圈的圈数为1000。
为了分析MRE隔离器的特性，使用COMSOL模拟了核磁共振层的磁场。模拟结果如附录（A 节）所示。然后，可以根据Eq计算MRE隔离器在外部激发下产生的力。（1）.图 3 显示了 MRE 隔离器的力位移关系，激励频率为 5 Hz，电流从 0 A 到 3 A 变化，期间数值有变为1 A。可以看出，当正电流施加到MRE隔离器上时，其斜率会随着电流的增加而逐渐增大，这意味着其刚度可以通过电流控制。
表 1
缩放因子和参数值。
|
参数 |
全面规模 |
比例因子 |
小规模 |
|
车身质量（千克） |
36,000 |
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