高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法技术

本申请公开本申请实施例的高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法，所述高速列车包括控制装置，所述控制装置包括车尾控制模块、列车侧向控制模块和车顶及车底控制模块，三个控制模块之间相互配合作用，产生对应方向的控制力矩，直接作用在列车车体，分别对高速列车的侧滚、点头、摇头动态行为进行抑制。该方法直接产生作用在车体上的控制力矩，实现列车带有转动动态行为如侧滚、点头、摇头的抑制。

Torque control method for dynamic behavior of rolling, nodding and shaking of high speed train

【技术实现步骤摘要】
高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法
本申请实施例涉及铁路工程振动抑制等相关工程
，尤其涉及高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法。
技术介绍
高速铁路具有速度高、能耗低、运力大、安全等诸多经济技术优势，已经成为世界各国优先发展的和谐友好绿色交通工具。在车辆等结构中合理地安装振动控制系统可以有效的降低车辆的不利动态行为，减小车体动态响应，维护车体稳定，减轻车体的破坏及损伤，保证乘客的舒适度，达到安全性、经济性与舒适可靠性的合理平衡。大量研究表明：振动控制装置如列车悬挂系统，可以有效降低列车在运行中的不利动态响应，有效提高列车的运行稳定性，保证乘客的舒适度。高速列车的运行平稳性一直是机车车辆研究的热点，列车的减振技术对保证列车安全平稳运行、保证列车及轨道服役寿命、保证铁路基础辅助设施具有重要意义。列车减振技术有利于列车平稳性提高，进而提高其运行速度。现以包西高铁铜川至延安段速度目标值方案研究为例分析对经济效益的影响。在运价率相同时，速度目标值为350km/h的财务内部收益率为0.84，速度目标值为300km/h的财务内部收益率为0.73，提高了0.11，由此可见，列车的运行速度的提高对于经济效益的贡献的重要性，进一步说明了列车平稳性提高的重要性以及我们研究平稳性的重要意义。高速铁路运行速度快，其动态行为复杂，在运行过程中可能遭受轨道不平顺、列车会车气压差以及风、雨、雪等外界因素的动态行为，已不是单一的运动模式的控制问题，而是涉及到车体平动(沉浮、横摆和伸缩)、摇摆运动(点头、摇头和侧滚)及其耦合振动与运动的复杂问题，研究适用于解决列车复杂动态行为的控制系统具有重要的理论与现实意义。另一方面，针对高速列车的动态行为，目前普遍采用悬挂系统来对列车的振动及其他不利动态行为进行控制。悬挂系统的减振性能是保证列车的舒适性、安全性和运行平稳性的重要指标。当前悬挂系统主要包括被动、半主动和主动三种悬挂方式，由于主动悬挂可以更有效降低车体的振动，更明显改善列车的乘坐舒适性，是目前最为积极有效的控制技术，已经越来越受到学者的关注。而针对列车的动态行为，现有的悬挂系统主要分为两个作用方向：垂向和横向。悬挂系统垂向控制作用主要针对车体的沉浮、点头、侧滚，横向控制作用主要针对车体的摇头和横摆。悬挂系统的安装可以有效降低车体的振动，改善列车的运行平稳性。但是，由于当今悬挂系统均仅分为垂向和横向两个作用方向，其出力方向也仅限于两个方向，这使得悬挂系统的控制作用无法得到充分发挥，列车的不利动态响应无法得到充分抑制。因此，专家学者仍聚焦于改善悬挂系统技术，提高悬挂系统的控制效果，从而使控制系统能够发挥更大作用，提高列车的运行平稳性。现有研究对于列车动态行为的控制均采用天棚阻尼器的假设，如图1所示，假设虚拟墙具有无穷大的刚度，虚拟天棚减振器和实际减振器实现列车的动态行为消减作用。现有技术悬挂系统采用减振器，牺牲有限质量的转向架运动，列车内部构造消耗振动能量，从而实现控制作用。然而实际列车转向架质量有限，对于具有转动成分的运动形式控制效果有限。而且，对于现有列车动态行为控制的天棚阻尼器假设分析方法，本身具有不合理性。如图2所示，现有简化分析方法本质是忽略了转向架质量有限的事实，假设虚拟天棚减振器输出力的作用抑制车体动态行为，而忽略了车体作用虚拟减振器的反作用力。然而，由于实际车体转向架质量有限，是一个质量有限的子系统，车体的反作用力对于车体自身、转向架以及列车整体的动态行为具有不可忽略的影响，因此，需要综合考虑车体反作用力对于车体动态行为控制效果的影响。如图3所示，与图2相比，对比了现有的分析方法和实际情况理论分析方法，其本质区别是现有的分析方法忽略了作用力与反作用力的基本事实，将转向架质量考虑为无穷大，忽略了车体反作用力对于列车动态行为的影响，而反作用力作用在有限质量的子系统，其影响是不可忽略的。如图4所示，将列车分析方法进行简化，可以发现，列车动态行为简化分析模型的本质等效于振动控制领域的质量调谐阻尼器(TMD)。另外，悬挂系统针对车体的沉浮、点头、侧滚、摇头和横摆有一定的控制作用，但是，由于现有的悬挂系统技术均仅分为垂向和横向两个作用方向，其出力方向也仅限于两个直线方向。但是，由于现实情况下，列车的动态响应会产生类似于转动形式的运动，如图5(a),(b),(d)。现有技术对于图5(c),(e)所示的运动形式，控制作用较为理想，悬挂系统的出力方向沿直线，可以充分发挥出其控制效果。然而，对于图5(a),(b),(d)中，摇头、侧滚、点头等具有转动成分的运动形式，现有的悬挂系统技术提供的直线力作用，无法形成最有效的控制力作用，这使得现有的悬挂系统的控制作用无法得到充分发挥，列车的不利动态响应无法得到充分抑制。对于以上如侧滚运动，这些具有转动成分的运动形式，最理想的控制方式是施加控制力矩的作用，这会对以上动态行为起到充分的抑制作用，对维持车体的稳定性，提高乘客的舒适度，具有非常重要的意义。而通过大量试验和研究表明，两个直线力作用，悬挂系统的控制力特性呈现出了较强的非线性，对于不同的激励频率，系统控制效果不同，甚至在某种激励频率下，悬挂系统非但没有控制效果反而会放大体系的响应，无法产生预期的控制力矩作用，因此，需要研究一种可以直接提供控制力矩作用的控制方法，来对列车的以上带有转动成分的动态行为，施加直接有效的控制作用。综上所述，随着高速铁路运行速度的提高和人们对乘坐舒适度的要求提高，列车在高速运行过程中由于复杂作用产生的动态行为，尤其是带有转动运动成分的动态行为的问题将更加突出，研究一种弥补现有悬挂技术，直接输出控制力矩的控制方法，对减小车体受动态扰动的不稳定运动行为，增强车体动态稳定性能，保证乘客的舒适度，减轻车体的破坏及损伤，提高列车服役寿命具有重要的理论与现实意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法，产生直接作用在车体上的控制力矩，实现对车体的侧滚、点头、摇头运动形式的不利动态行为进行有效的控制。本申请实施例解决上述技术问题所采用的技术方案如下：根据本申请实施例的一个方面，提供高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法，所述高速列车包括控制装置，所述控制装置包括车尾控制模块、列车侧向控制模块和车顶及车底控制模块，三个控制模块之间相互配合作用，产生对应方向的控制力矩，直接作用在列车车体，分别对高速列车的侧滚、点头、摇头动态行为进行抑制。进一步地，所述车尾控制模块、列车侧向控制模块和车顶及车底控制模块均有被动悬挂、半主动悬挂、主动悬挂三种类型的悬挂方式。进一步地，所述控制装置包括转动惯量体、转轴和转动恢复力提供机构。进一步地，所述三个控制模块之间的转动恢复力提供机构的不同进一步地，所述控制装置通过连接板与所述列车车体固定连接。进一步地，所述转动惯量体外形为圆形，圆盘或者为圆环。进一步地，所述转动惯量体平行于所述列车车体的转动面，所述转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法，其特征在于，所述高速列车包括控制装置，所述控制装置包括车尾控制模块、列车侧向控制模块和车顶及车底控制模块，三个控制模块之间相互配合作用，产生对应方向的控制力矩，直接作用在列车车体，分别对高速列车的侧滚、点头、摇头动态行为进行抑制；所述对应方向是指与高速列车的侧滚方向、点头方向或摇头方向相反的方向。/n

【技术特征摘要】
1.高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法，其特征在于，所述高速列车包括控制装置，所述控制装置包括车尾控制模块、列车侧向控制模块和车顶及车底控制模块，三个控制模块之间相互配合作用，产生对应方向的控制力矩，直接作用在列车车体，分别对高速列车的侧滚、点头、摇头动态行为进行抑制；所述对应方向是指与高速列车的侧滚方向、点头方向或摇头方向相反的方向。


2.如权利要求1所述的高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法，其特征在于，所述车尾控制模块、列车侧向控制模块和车顶及车底控制模块均有被动悬挂、半主动悬挂、主动悬挂三种类型的悬挂方式。


3.如权利要求1或2所述的高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法，其特征在于，所述控制装置包括转动惯量体、转轴和转动恢复力提供机构。


4.如权利要求3所述的高速列车侧滚、点...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春巍，王昊，徐洋，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37