趙義偉 劉永強(qiáng) 張新立 廖英英 馬增強(qiáng)

基于VI-Rail的高速動車組半主動協(xié)調(diào)控制仿真分析*

趙義偉1劉永強(qiáng)1張新立1廖英英2馬增強(qiáng)3

（1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，050043，石家莊；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，050043，石家莊；3.石家莊鐵道大學(xué)電氣工程學(xué)院，050043，石家莊//第一作者，碩士研究生）

為了提升高速動車組的運(yùn)行品質(zhì)，提出了一種二系橫向、抗蛇行減振器半主動協(xié)調(diào)控制方法。首先利用VI-Rail軟件建立動車組單車模型，然后對提出的半主動協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行動力學(xué)仿真，并與被動控制下的列車運(yùn)行品質(zhì)進(jìn)行比較分析，探究此半主動協(xié)調(diào)控制方法對高速動車組運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過安全性的影響。仿真結(jié)果表明：采用半主動協(xié)調(diào)控制的高速動車組的各項(xiàng)性能指標(biāo)均明顯優(yōu)于被動控制，而且有效緩解了列車運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過性之間的矛盾，能很好地提升動車組的運(yùn)行品質(zhì)。

高速動車組；半主動協(xié)調(diào)控制；橫向減振器；抗蛇行減振器

懸掛系統(tǒng)的特性決定了動車組的動力學(xué)性能。傳統(tǒng)被動懸掛系統(tǒng)的阻尼和剛度無法在工作過程中進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，因此難以適應(yīng)列車高速運(yùn)行的要求，也無法適應(yīng)不同線路的運(yùn)行條件。針對被動懸掛的缺陷，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多基于主動控制技術(shù)的主動和半主動控制方法，并對此進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［1-3］對車輛的半主動控制技術(shù)進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究，得到了良好的效果；文獻(xiàn)［4］采用天棚和地棚混合半主動控制策略對單車模型進(jìn)行了仿真分析，提高了整車動力學(xué)性能；文獻(xiàn)［5］提出了一種基于SH-ADD的新型半主動控制策略，提高了列車橫向平穩(wěn)性能；文獻(xiàn)［6］用單車模型研究了主動控制技術(shù)對車輛動力學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)［7-8］研究了半主動控制技術(shù)對車輛性能的影響。本文將二系橫向半主動控制技術(shù)與抗蛇行半主動控制技術(shù)聯(lián)合起來進(jìn)行協(xié)調(diào)控制（即半主動協(xié)調(diào)控制），并對整車模型進(jìn)行動力學(xué)仿真，進(jìn)而分析其對列車平穩(wěn)性和曲線通過性的影響。

1 動車組建模

以某型高速動車組頭車的技術(shù)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，利用VI-Rail多體動力學(xué)軟件［9］建立高速動車組單車空車模型，且將車體視為剛體，不考慮其彈性變形。動車組整車模型主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。車體模型和轉(zhuǎn)向架模型如圖1、2所示。

表1 模型主要技術(shù)參數(shù)

圖1 動車組車體模型

圖2 轉(zhuǎn)向架模型

將建立好的車體和轉(zhuǎn)向架模型組裝成車輛系統(tǒng)集成模型，如圖3所示。

圖3 動車組單車模型

2 橫向減振器半主動控制策略

要實(shí)現(xiàn)半主動控制，橫向減振器的阻尼必須能實(shí)時變化，因此用力元來取代橫向減振器的固定阻尼系數(shù)，并采用一種加速度阻尼控制策略［5］和IF函數(shù)來控制力元，從而實(shí)現(xiàn)橫向減振器半主動控制。

加速度阻尼控制策略如下：

式中：

C1——被動懸掛阻尼系數(shù)，C1=58.8 kN·s/m；

x·1——車體橫向速度；

x·2——轉(zhuǎn)向架橫向速度；

x··1——車體橫向加速度；

x·1-x·2——車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向相對速度。

3 抗蛇行減振器控制策略

對抗蛇行減振器進(jìn)行半主動控制，仍然是利用IF函數(shù)控制減振器阻尼系數(shù)。但是，列車在直線軌道與曲線軌道上所需要的最優(yōu)抗蛇行阻尼系數(shù)值不同，因此判斷列車是在直線軌道還是在曲線軌道上運(yùn)行的切換參數(shù)便成為控制的關(guān)鍵所在。

由于存在曲線軌道超高因素，當(dāng)列車通過曲線軌道時，車體左右兩側(cè)的垂向高度會發(fā)生變化，并且列車在曲線上的垂向變化會明顯大于在直線運(yùn)行時的變化，因此可以把列車左右兩側(cè)的垂向高差（ΔZ）作為直線行駛與曲線行駛的切換參數(shù)［10］。本文將建立的高速動車組分別在直線與曲線軌道上進(jìn)行動力學(xué)仿真，得出在不同軌道上的垂向高差，如圖4所示。

圖4 直線與曲線軌道上車體兩側(cè)垂向相對位置

由圖4可知，在直線軌道上，車體兩側(cè)垂向相對高差很小，僅幾毫米，而在曲線軌道上，車體兩側(cè)垂向相對高差達(dá)140 mm。取車體兩側(cè)垂向相對高差瓶頸值9.5 mm作為判斷直線行駛與曲線行駛的閾值。

列車在直線軌道行駛時，抗蛇行減振器阻尼系數(shù)越大，列車的橫向穩(wěn)定性越好，但是考慮國內(nèi)的技術(shù)因素，暫取其阻尼系數(shù)的最大極限值為1×107N·s/m。列車在曲線軌道行駛時，抗蛇行減振器系數(shù)必須具有最優(yōu)值，才能保證列車有良好的平穩(wěn)性與安全性。為了準(zhǔn)確確定曲線通過時的抗蛇行最優(yōu)阻尼系數(shù)值，預(yù)設(shè)該最優(yōu)值的取值范圍為［1×105N·s/m，2×106N·s/m］，步長為 1×105，利用 VI-Rail進(jìn)行動力學(xué)仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 通過曲線時抗蛇行阻尼系數(shù)優(yōu)化

由圖5可知，曲線軌道上最優(yōu)的抗蛇行阻尼系數(shù)為3×105N·s/m。因此，可得出高速動車組單車模型的抗蛇行減振器半主動控制策略為：

式中：

Cz——直線軌道上的最佳阻尼系數(shù)，Cz=1×107N·s/m；

Cq——曲線軌道上的最佳阻尼系數(shù)，Cq=3×105N·s/m；

ΔZ——車體兩側(cè)垂向高差。

4 半主動協(xié)調(diào)控制仿真分析

將上述兩個控制策略用VI-RAIL軟件添加到建立好的整車模型上，對其進(jìn)行動力學(xué)仿真并分析此協(xié)調(diào)控制的好壞。

選取德國低干擾譜為高速動車組減振器的半主動協(xié)調(diào)控制的仿真軌道激勵，模擬動車組單車模型以250 km/h的速度勻速運(yùn)行，首先通過347.20 m的直線區(qū)段和208.32 m的緩和曲線區(qū)段，然后在半徑為2 200 m、軌道超高為150 mm的曲線段上運(yùn)行至1 597.12 m處，再經(jīng)過208.32 m的緩和曲線區(qū)間，最后在直線區(qū)段行駛至2 083.33 m處。其動力學(xué)仿真結(jié)果如圖6～10所示。

圖6 車體橫向加速度

圖7 脫軌系數(shù)

圖10 輪軌垂向力

由圖6～10可知，與無控制相比，半主動協(xié)調(diào)控制可大幅降低列車的平穩(wěn)性指標(biāo)值與曲線安全性指標(biāo)值，其中，最大車體橫向加速度由1.04 m/s2降到了0.82 m/s2，降幅為26.3%；最大脫軌系數(shù)由0.13降到了0.063，降幅可達(dá)50%；最大輪重減載率由0.51降到了0.30，降幅為39.9%；最大輪軸橫向力從14.6 kN降到10.4 kN，降低了29.2%；最大輪軌垂向力從91.3 kN降到了76.5 kN，降低了16%。

5 結(jié)語

本文對單車模型進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)采用半主動協(xié)調(diào)控制方法能大幅度地提高列車的平穩(wěn)性以及曲線通過安全性能。二系橫向半主動控制可提高列車平穩(wěn)性，抗蛇行半主動控制可緩解動車組橫向運(yùn)行平穩(wěn)性與曲線通過安全性之間的矛盾。半主動協(xié)調(diào)控制則集合了上述兩者的優(yōu)點(diǎn)。仿真數(shù)據(jù)表明：采用半主動協(xié)調(diào)控制，車體橫向振動加速度降低了26.3%，最大脫軌系數(shù)降低了50%，輪重減載率降低了39.9%，輪軸橫向力降低了29.2%，輪軌垂向力降低了16%。

［1］ 楊建偉，黃強(qiáng)，李偉，等.基于加速度阻尼控制的半主動懸掛研究［J］.鐵 道 學(xué) 報 ，2006，28（5）：22-27.

［2］ 楊明輝.半主動懸掛機(jī)車橫向動力學(xué)性能研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2005.

［3］ 熊永剛，謝勇，丁問司，等.機(jī)車車輛半主動懸掛控制系統(tǒng)的研究［J］.中 南 大 學(xué) 學(xué) 報 ，2005，36（4）：678-682.

［4］ 郭孔輝，隋記魁，郭耀華.基于天棚和地棚混合阻尼的高速車輛 橫向 減振 器半主動 控 制［J］.振 動 與 沖擊，2013，32（2）：18-23.

［5］ 廖英英，劉永強(qiáng)，楊紹普.一種新型混合半主動控制策略在高速 鐵 道 車 輛 振 動 控 制 中 的 應(yīng) 用［J］.振 動 與 沖擊，2013，32（12）：84-87.

［ 6］ TANIFUJI K，KOIZUMI S，SHIMAMUNE R.Mechatronics in Japanese rail vehicles：active and semi-active suspensions［J］ .Control Engineering Practice，2002，10（9）：999-1004.

［7 ］ SHIN Y J，YOU W H，PARK JH.Semi-active control to reduce carbody vibration of railway vehicle by.using scaled roller rig［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26（11）：3423-3431.

［ 8］ STRIBERSKY A，KIENBERGERA，WAGNERG，et al.Design and evaluation of asemi-activedamping system for rail vehicles［J］.Vehicle System Dynamics，1998，29（S1）：669-681.

［9］ 王 成國 ．MSC.ADAMS/Rail基 礎(chǔ) 教程 ［M］.北 京 ：科 學(xué) 出 版社 ，2005：275-292．

［10］ 劉永強(qiáng)，廖英英，楊紹普，等.一種抗蛇行減振器控制系統(tǒng)在高速動車組中的仿真應(yīng)用［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報，2015，28（2）：68-72.

Simulation Analysis of Semi-active Coordination Control of High-speed EMU Based on VI-Rail

ZHAO Yiwei，LIU Yongqiang，ZHANG Xinli，LIAO Yingying，MA Zengqiang

In order to improve the operation quality of highspeed EMU，a coordination control method based on lateral semi-active and anti-hunting semi-active is proposed.Firstly，VI-Rail software is used to establish a bicycle model，then，the semi-active coordination control method is used to make the dynamic simulation，the results are compared with the quality of train operation in passive control mode.On this basis，the influence of the semi-active coordination control method on running stability and curve passing performance is explored.Simulation results show that the semi-active coordination control method can improve the quality of EMU operation obviously compared to the passive control mode，and alleviate effectively the contradiction between train running stability and curve passing performance.

EMU model； semi-active control； lateral damper；anti-hunting damper

U270.1+1：U291.91+4

10.16037/j.1007-869x.2017.10.009

First-author′s address School of Mechanical Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，050043，Shijiazhuang，China

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （11227201，11202141， 11302137，11472179，11572206，11372199）； 河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（A2013210013，A2015210005）；河北省教育廳項(xiàng)目（YQ2014028）

2015-10-28）