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铁道车辆空气弹簧动力学特性及其主动控制研究

刘增华  
【摘要】: 提高列车运行速度是铁路运输发展中始终追求的目标。随着列车速度的不断提高,对车辆运行品质提出了更高的要求。转向架动力学性能是确保车辆具有良好运行品质的关键,其主要取决于其悬挂装置的特性及参数匹配。空气弹簧具有自振频率低、刚度可调、阻尼可控、降噪吸振能力好、使用寿命长等优点,逐渐代替钢圆簧作为二系悬挂系统的关键部件,近年来在轨道车辆上得到了广泛应用。而空气弹簧阻尼可控的特性为对其进行半主动控制,进一步提高车辆的运行平稳性提供了可能。 半主动控制是近年来运用到机车车辆研究领域的一门新技术,其为进一步提高机车车辆动力学性能开辟了新的途径,为机车车辆动力学性能各个方面日益突出的矛盾提供了解决的可能。合理的半主动悬挂系统设计可以在不影响机车车辆稳定性和曲线通过性能的前提下改善机车车辆运行平稳性,以满足车辆高速运行的要求。 本文基于有限元和现代控制理论对空气弹簧悬挂系统垂向力学特性、半主动控制控制器的设计和悬挂系统的计算机仿真等进行分析研究,主要研究内容如下: (1)针对空气弹簧的特点,对其热力学特性、垂直刚度特性和阻尼特性进行了系统的理论分析,得出了空气弹簧力学特性的主要影响因素,空气弹簧节流孔孔径与其阻尼的关系; (2)分析空气弹簧系统的材料非线性、几何非线性、状态非线性、流固耦合等对其动力学特性影响较大的非线性问题,并提出了进行力学特性分析时相应的建模方法; (3)采用现代有限元分析技术,以目前国内广泛应用的SYS540型空气弹簧为例,借助于ABAQUS有限元软件建立了有限元仿真分析模型,主要对其垂向力学特性进行了仿真分析,为空气弹簧的设计和制造提供了理论依据; (4)分析天棚阻尼控制、反馈控制、最优控制、预测控制、决策控制、自适应控制、H_∞控制、模糊控制和神经网络控制等半主动控制策略的基本原理及其在半主动控制悬挂系统中的具体应用。通过综合比较最终确定采用最优控制技术来对空气弹簧二系悬挂系统进行半主动控制; (5)建立了车辆垂向半主动悬挂系统完整的数学模型。包括1/4车辆半主动控制数学模型、整车半主动控制数学模型和测控系统输入输出通道模型; (6)运用半主动控制技术分析包括空气弹簧的1/4车辆模型和整车模型的最优控制策略,提出了一套以调节空气弹簧节流孔直径从而改变悬挂系统阻尼为目的的半主动控制方案,并运用计算机软件SIMULINK对半主动控制空气弹簧悬挂系统进行了计算机仿真分析。结果表明所设计出的控制器能有效降低车辆的垂向振动,提高了其运行平稳性; (7)进一步对控制器的性能影响因素进行分析,提出了所设计的最优控制器的实际效果很大程度上取决所选用的加权矩阵,即使半主动悬挂系统所有的参数和工作条件完全一样,由于所选用的加权矩阵不同,可能会导致其性能完全不同。


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