趙樹萍，賈雄偉，張凱銘，宋 勇

(1.西安交通工程學院 機械與電氣工程學院，西安 710300；2.太原科技大學 機械工程學院，太原 030024)

0 引言

城軌車輛是城市交通中的重要組成部分，其運行安全程度直接影響城市居民的日常通行。為了保證鐵路交通的載客質(zhì)量和效率，城軌車輛由司機室車體以及多節(jié)無司機室車體組成，除了車頂、底架、端墻等基本組成結(jié)構(gòu)外，城軌車輛還安裝了轉(zhuǎn)向架、牽引緩沖連接裝置、制動裝置等元件，形成了城軌車輛的復合結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式使得車輛元件之間產(chǎn)生較大的摩擦力與轉(zhuǎn)向角，在車輛行駛過程中，發(fā)動機、路面不平順等激勵會引起城軌車輛出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象，并通過懸架傳遞到車身位置，逐漸傳遞給車輛的各個結(jié)構(gòu)部件以及駕駛員，給城軌車輛內(nèi)的所有人員和物品帶來較大危害[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，城軌車輛駕駛員頸椎、腰部、骨關(guān)節(jié)以及內(nèi)臟的病變均與其在城軌車輛上的長期振動有關(guān)，另外車身振動也在一定程度上加大了車輛組成元件的疲勞與破壞程度，不僅增加城軌車輛的維護費用，也提高了城軌車輛行駛的危險系數(shù)。

以降低城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身振動給車輛本身以及車內(nèi)人員、物品造成的負面影響為目的，設(shè)計并開發(fā)了城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制系統(tǒng)。減振是減少各類機械中不必要的機械振動的措施，將振動信號的頻率控制在正常范圍內(nèi)?，F(xiàn)階段城軌車輛使用的車身減振控制系統(tǒng)的控制方式可以分為主動控制、被動控制和半主動控制3種類型，通過外部能量的輸入和交換，實現(xiàn)振動的控制為主動控制；被動控制是通過對振動源的干擾，實現(xiàn)對車身振動的控制，而半主動控制就是根據(jù)系統(tǒng)輸入變化和輸出的要求，實時調(diào)節(jié)車身的相關(guān)運行參數(shù)，從而使得車身獲得良好的振動特性。

當前已有相關(guān)研究領(lǐng)域?qū)W者對城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制方法做出了研究，文獻[2]對具有多個動力阻尼器的軌道交通汽車縱向振動模型進行了研究，并給出了一種適合于城市軌道交通的多動力吸振器的設(shè)計方案。文獻[3]采用雙管式液壓阻尼器進行汽車懸掛系統(tǒng)的振動控制。采用二次微分方程對其進行建模，并在單管式液壓阻尼器中增設(shè)額外的氣缸，設(shè)計了雙管液壓減振器。

然而在實際的應用與運行過程中，上述控制系統(tǒng)存在振動控制效果不佳的問題，為此引入阻尼力調(diào)節(jié)技術(shù)。阻尼力是與振動速度相關(guān)且方向相反的力。利用阻尼力調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)化設(shè)計城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制系統(tǒng)，以期得到預期的控制效果。

1 城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計的減振控制系統(tǒng)采用硬件與軟件相結(jié)合的運行模式，硬件設(shè)備為控制任務(wù)的執(zhí)行元件，軟件用來生成控制指令。

1.1 構(gòu)建城軌車輛復合結(jié)構(gòu)模型

城軌車輛由多個車廂、轉(zhuǎn)向架、牽引緩沖裝置、制動裝置等元件組成，其中轉(zhuǎn)向架是車體與車軌間的行走設(shè)備，是保障汽車行駛質(zhì)量的重要組成部分[4]。制動裝置是保障城軌車輛安全運行的重要設(shè)備，能確保列車在行駛時能根據(jù)要求減速或在一定距離內(nèi)停止。另外城軌車輛車身與車輪之間以懸架作為支撐，懸架結(jié)構(gòu)工作原理如圖1所示。

圖1 車輛懸架結(jié)構(gòu)工作原理圖

如圖1所示，以懸架作為支撐城軌車輛車身與車輪之間作用力的結(jié)構(gòu)，變量xsus、xtyre和xpav分別表示的是城軌車輛中懸架和輪胎的垂向位移以及路面激勵位移，Msus和Mtyre對應的是懸架和輪胎的質(zhì)量，κsus和κtyre為懸架與輪胎的等效剛度。

在城軌車輛運行過程中，其內(nèi)部懸架的運行滿足如下方程：

(1)

式中，μ為懸架阻尼，F(xiàn)c表示的是城軌車輛運行過程中的摩擦力[5]。城軌車輛復合結(jié)構(gòu)中車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度的計算公式如下：

(2)

式中，變量Z為車輛車身的施加扭轉(zhuǎn)力矩，xfl和xfi對應的是左右兩端前懸置點的位移，df為懸置點之間的距離，Q為彎曲工況下車身承受的總載荷值，xLmax和xRmax對應的是車身左右兩側(cè)門檻梁位移的最大值。同理可以得出城軌車輛在正常運行狀態(tài)下的參數(shù)，將其代入到車輛的復合結(jié)構(gòu)中，完成城軌車輛復合結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。

1.2 安裝城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身運行傳感器

通過對城軌車身振動過程的模擬與分析，可以確定車輛的實時振動情況與其所處環(huán)境以及運行速度有關(guān)，為了得出當前車輛的振動特征數(shù)據(jù)，需要對車身的實時運行數(shù)據(jù)進行采集，選擇傳感器作為數(shù)據(jù)采集的執(zhí)行設(shè)備[6]。城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身所需的加速度傳感器采用低成本、低功耗的MMA7361微型電容式加速度傳感器，該設(shè)備具有信號調(diào)節(jié)、單極點低通濾波、溫度補償、0 g線性自由下落保護等特點，可選擇±6 g量程范圍，并具備5 V/3.3 V的工作電壓，負載響應速度非?？?，適合在高噪音的供電環(huán)境中使用。系統(tǒng)安裝的加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集電路原理如圖2所示。

圖2 加速度傳感器的采集電路圖

系統(tǒng)安裝加速度傳感器輸出的加速度數(shù)據(jù)采集結(jié)果與檢測電壓之間的函數(shù)關(guān)系如下：

a=4.9Uc-12.25

(3)

式中，Uc為檢測電壓，a為車輛加速度的傳感結(jié)果[7]。除車輛加速度傳感器外，還需要在車身位置上安裝速度傳感器、荷載傳感器等設(shè)備，將其安裝在城軌車輛復合結(jié)構(gòu)模型的指定位置上，完成傳感器設(shè)備的安裝工作。

1.3 可控阻尼器

根據(jù)車身減振控制工作中阻尼力調(diào)節(jié)量的計算結(jié)果，采用可調(diào)阻尼器作為執(zhí)行元件，完成對城軌車身阻尼力的調(diào)節(jié)。選擇的可調(diào)阻尼器要求能夠執(zhí)行雙向調(diào)節(jié)任務(wù)，既能夠增大車身的阻尼力，也能夠降低車身的阻尼力[8]。系統(tǒng)裝設(shè)的可調(diào)阻尼器結(jié)構(gòu)及其工作原理如圖3所示。

圖3 可控阻尼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理圖

由圖3所示，可控阻尼器由阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)等部分組成，其中驅(qū)動裝置包括：搖動氣缸、氣缸保持架、支撐托墊、電磁閥，氣缸和氣缸組成氣缸保持架和支撐托墊，使搖動氣缸與阻尼器本體相結(jié)合，通過氣缸的一條通道與電磁閥的通氣口相連，再通過電磁閥將兩個管道分別與搖動氣缸相連，通過電磁閥對搖動氣缸進行吸氣[9]。為方便對大跨空間網(wǎng)殼進行半主動控制，需要采用桿件串聯(lián)、長細比大的形式。因此，優(yōu)化設(shè)計的可調(diào)阻尼器采用了多節(jié)柱塞結(jié)構(gòu)，通過增大有效長度來補償柱塞有效面積，從而達到最大輸出功率的目的[10]。

1.4 城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制框架

為了提高城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制指令的生成速度，在減振控制器外部連接一個3TMSC320 DSP 處理器設(shè)備。城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制框架如圖4所示。

圖4 城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制框架

在實際的運行過程中，處理器輸出車身振動信號數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，將其導入到控制器中，生成相應的控制指令，在無線通信網(wǎng)絡(luò)的支持下驅(qū)動可控阻尼器[11]。根據(jù)生成的減振控制指令，采用步進電動機來控制節(jié)流閥，通過節(jié)流閥調(diào)整節(jié)流閥的尺寸，使阻尼器的阻尼力發(fā)生變化。步進電動機的角度變化是由單片機輸出的脈沖信號所決定的[12]。通過對傳感器的持續(xù)取樣，可以得到不同的路面激勵，在需要的時候，可以根據(jù)單片機的變化來調(diào)整輸出信號，并對節(jié)流孔的尺寸做出相應的反應，從而達到最佳的減振效果。

2 城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制功能實現(xiàn)

此次優(yōu)化設(shè)計的城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制系統(tǒng)以阻尼力與振動特征之間的作用關(guān)系為理論基礎(chǔ)，通過對當前車身振動特征的分析，確定抑制該振動信號所需的阻尼力，在此基礎(chǔ)上，利用阻尼器以及減振控制器等設(shè)備，執(zhí)行阻尼力調(diào)節(jié)任務(wù)，進而完成對城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身振動的抑制與控制。

2.1 模擬城軌車身在不同場景下的振動過程

城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身產(chǎn)生振動的原因主要是路面不平順產(chǎn)生的激勵，路面不平順類型可以分為水平不平順、高低不平順等多種場景。路面高低不平順具體是指城軌車輛線路軌道中心線在垂直地面方向上的高度均存在不均衡現(xiàn)象，主要是由路基道床搗固程度不均勻、扣件松動等原因造成的，高低不平順場景可以量化表示為；

(4)

式中，hi和hi+1分別為城軌線路中任意節(jié)點i及其相鄰節(jié)點的高度值，hl為城軌線路的高度差，也就是路面的高低不平順程度[13]。那么路面高低不平順程度輸入到城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身中的激勵可以表示為：

(5)

式中，f和f0分別為空間頻率及其參考值，γ為頻率指數(shù)，將公式3的計算結(jié)果代入到式(4)中，即可得出作用在車身上的激勵信號。在上述路面場景下，可以得出城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身對路面激勵的響應情況如下：

(6)

式中，υ(t)為t時刻城軌車輛的行駛速度，ω為角頻率，求解結(jié)果B(t)即為城軌車輛在路面高低不平順場景下的振動信號[14]。按照上述方式可以得出其他城軌車輛運行場景不平順的量化轉(zhuǎn)換結(jié)果以及對應場景下車身的振動響應情況。

2.2 提取城軌車身振動特征

利用傳感器設(shè)備獲取城軌車身的實時振動信號，提取波形、峰值、裕度等無量綱特征指標對連續(xù)振動信號和離散振動信號進行描述。上述指標能夠表達出信號波形的平緩程度，能夠描述信號特征變量的分布。其中振動信號波形特征的提取結(jié)果如下：

(7)

式中，|g|和grms分別為振動信號絕對值的平均值以及有效值。另外峰值、裕度以及偏度特征的提取結(jié)果可以表示為：

(8)

2.3 城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身阻尼力調(diào)節(jié)

根據(jù)當前城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身振動信號及其特征參數(shù)的提取與分析結(jié)果，計算當前振動狀態(tài)所需的阻尼力為：

(9)

式中，g(t)為城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身實時振動信號，F(xiàn)restore和Fcompress對應的是復原阻尼力和壓縮阻尼力，κdamping為相對阻尼系數(shù)[16]。按照公式(9)的計算方式，將理想車身振動信號賦值給g(t)，得出城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身的預期阻尼力，記為Fexpect(t)，那么在車身減振控制過程中阻尼力的調(diào)節(jié)量為：

ΔFdamping=|Fexpect-(Frestore+Fcompress)|

(10)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到公式(10)中，得出城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身阻尼力調(diào)節(jié)量的計算結(jié)果。

可控阻尼器的簡化模型計算公式如下：

(11)

式中，F(xiàn)Cullen和Fviscosity分別為庫侖力和黏滯力，δ為零場粘度，H和h為阻尼器中活塞的有效長度和通道，ψshear分別為剪切屈服強度，Spiston、Dpiston和vpiston分別為活塞面積、外徑和運動速度。將車身阻尼力調(diào)節(jié)量的計算結(jié)果輸入到可控阻尼器中，按照圖4表示原理執(zhí)行阻尼力調(diào)節(jié)任務(wù)[17]。在原有的活塞總成上增加了一個閥芯和閥體的旋轉(zhuǎn)閥型阻尼調(diào)整裝置，將活塞桿換成空心結(jié)構(gòu)，在空心活塞桿內(nèi)部安裝了一個轉(zhuǎn)軸，該轉(zhuǎn)軸的下端連接到閥芯，改變閥體上的小孔 B、C的重合度，改變節(jié)流閥的通液區(qū)域，達到了阻尼力調(diào)節(jié)的功能。

2.4 實現(xiàn)城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制

車身減振控制器的裝設(shè)目的是生成減振控制任務(wù)，將其作用在可控阻尼器，驅(qū)動可控阻尼器執(zhí)行阻尼力調(diào)節(jié)任務(wù)[18]。在控制系統(tǒng)中，以給定的數(shù)值和反饋到的偏差為輸入，利用不同的影響因素，對比例、積分、微分環(huán)節(jié)進行線性組合操作，輸出的控制量對受控對象進行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系表述如下：

(12)

式中，ωp、ωi和ωd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，ε(t)為輸入的減振控制量，該參數(shù)的具體取值與阻尼力的調(diào)節(jié)量計算結(jié)果一致。調(diào)節(jié)各控制系數(shù)的具體取值，完成減振控制器的裝配[19]。

3 實驗測試

對基于阻尼力調(diào)節(jié)的城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制系統(tǒng)進行軌道實驗，測試城軌車身的各項性能指標，然后將優(yōu)化減振控制系統(tǒng)裝車并調(diào)試控制功能，驗證優(yōu)化設(shè)計減振控制系統(tǒng)的有效性。在系統(tǒng)測試與應用過程中，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行對比分析，檢驗優(yōu)化設(shè)計減振控制系統(tǒng)是否達到預期水平。

3.1 準備城軌車輛研究對象

實驗中準備的城軌車輛研究控制樣本可以分為A、B、C三種型號，3種車型的主要區(qū)別是車體寬度，其中A型車是城軌車輛中寬度最大、載客量最大的車型，標準A型車的寬度和高度分別為3 m和3.8 m，車身的有效長度為22 m，實驗中選擇的A型車為6節(jié)編組，客運量約為5.0萬人。B型車和C型車的寬度分別為2.8 m和2.6 m，車體的有效長度分別為18.5 m和18.0 m，車廂編組數(shù)量為4節(jié)[17]。準備A、B、C三種型號的城軌車輛，每個型號車輛的準備數(shù)量均為2輛，為了保證減振控制系統(tǒng)與城軌車輛之間的適配性，要求準備的城軌車輛研究對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無明顯形變，能夠正常執(zhí)行運輸任務(wù)，且具有無線網(wǎng)絡(luò)通信接口。

3.2 布設(shè)硬件設(shè)備與振動測點

根據(jù)基于阻尼力調(diào)節(jié)的城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制系統(tǒng)中硬件設(shè)備的使用情況，在實驗環(huán)境中安裝相關(guān)的硬件設(shè)備，需要安裝的硬件設(shè)備包括阻尼器、控制器、傳感器等。以阻尼器的裝配為例，通過使用阻尼器外殼、活塞單元和活塞桿裝配減振器裝置，將減振器活塞上的勵磁線圈用排繞式纏繞方法，在活塞的凹槽上涂一層絕緣涂料，待油漆干燥，再用絕緣紙包裹住第一個線圈，當一層纏好后，再用絕緣紙進行絕緣。每個挖槽纏繞線圈400匝，總電阻14 Ω[18]。系統(tǒng)中的傳感器除了用來采集車輛運行數(shù)據(jù)，還用來檢測車身的實時振動信號，從而驗證系統(tǒng)的減振控制效果。在城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身范圍內(nèi)設(shè)置12個測點，實驗要求的檢測信號包括：車身阻尼力和振動信號，其中阻尼力傳感器選擇范圍為±600 kg的壓力傳感器，6 024 E型數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)了傳感器信號的采集[19]。利用高尺校準技術(shù)對硬件進行了處理，在傳感器設(shè)備裝配與調(diào)試完成后，將其安裝在城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身的測點位置上。按照上述方式對系統(tǒng)中的其他硬件設(shè)備進行組裝，并安裝在對應位置上。

3.3 選擇城軌車輛運行場景

此次系統(tǒng)測試實驗選擇的運行場景分別為水平不平順軌道和高低不平順軌道，實驗中使用的水平不平順軌道在同一橫截面上左右兩軌頂面之間的高度差值為1.5 mm，水平不平順軌道的長度為3.5 km。而高低不平順軌道沿鋼軌長度方向在垂直方向上存在1.0 mm左右的凹凸情況，高低不平順軌道長度為2.8 km。在上述運行場景中，車輛研究對象的負載重量為最大載客量的二分之一。

3.4 生成城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身振動樣本

在未啟動車身減振控制系統(tǒng)的情況下，驅(qū)動城軌車輛行駛，利用傳感器設(shè)備獲取各個測點的振動信號。測點1位置上收集到的振動信號如圖5所示。

圖5 城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身振動響應波形圖

按照上述方式可以得出車身上所有測點的振動信號樣本生成結(jié)果。

3.5 設(shè)置系統(tǒng)減振控制功能測試指標

此次實驗分別設(shè)置阻尼力調(diào)節(jié)量控制誤差、振動信號頻率以及振動信號幅值作為系統(tǒng)減振控制功能的量化測試指標，其中阻尼力調(diào)節(jié)量控制誤差指的是實際作用在車身上的阻尼力調(diào)節(jié)量與阻尼力調(diào)節(jié)量理論值之間的偏差，其數(shù)值結(jié)果如下：

(13)

(14)

式中，nloop和ΔTtest分別為振動的循環(huán)次數(shù)和測試時間，gmax和gmin對應的是車身振動信號的正向峰值和負向峰值。最終計算得出阻尼力調(diào)節(jié)量控制誤差越小、振動頻率和振動幅值越小，證明對應系統(tǒng)的車身減振控制功能越優(yōu)。

3.6 系統(tǒng)測試過程與結(jié)果分析

測試程序在多層次的振動測試及分析平臺環(huán)境下開發(fā)，用于數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和存儲。首先對系統(tǒng)進行初始化，同時開啟硬件和軟件系統(tǒng)并驅(qū)動城軌車輛，當不平順路面給系統(tǒng)一個激勵信號后，得出阻尼力調(diào)節(jié)量的理論值，并將運行信號輸入到主測計算機，由主測計算機根據(jù)軟件的控制規(guī)律，生成相應的控制信號，然后作用到阻尼器上，通過阻尼力調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身的減振控制。減振控制系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計城軌車身減振控制系統(tǒng)執(zhí)行界面

為了體現(xiàn)出阻尼力調(diào)節(jié)技術(shù)在城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢，設(shè)置文獻[2]方法、文獻[3]方法作為實驗的對比方法，按照上述方式進行系統(tǒng)的開發(fā)與運行，得出對應的減振控制執(zhí)行結(jié)果。通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，得出反映系統(tǒng)阻尼力調(diào)節(jié)量控制誤差指標的測試結(jié)果，如表1所示。

表1 系統(tǒng)阻尼力調(diào)節(jié)量控制誤差測試對比結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)代入到式(13)中，得出文獻[2]方法、文獻[3]方法的平均阻尼力調(diào)節(jié)量控制誤差分別為2.72 kN、2.4 kN，而本文方法的阻尼力調(diào)節(jié)量控制誤差的平均值為0.24 kN。這是因為文獻[2]方法、文獻[3]方法未對車身阻尼力調(diào)節(jié)量的理論值進行計算，調(diào)節(jié)量控制誤差較大。而本文方法根據(jù)車身的振動特征，計算了車身阻尼力調(diào)節(jié)量的理論值，根據(jù)該理論值執(zhí)行可調(diào)阻尼力調(diào)節(jié)任務(wù)，因此阻尼力調(diào)節(jié)量控制誤差較小。

提取系統(tǒng)減振控制下的車身振動信號，經(jīng)過公式(14)的計算，得出反映系統(tǒng)減振控制效果的測試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)減振控制效果測試對比結(jié)果

從圖7中可以直觀地看出，文獻[2]方法作用下車身振動信號的頻率和幅值分別為82 Hz和64 dB，本文方法控制下車身振動信號的頻率和幅值分別為64 Hz和37 dB，由此可見與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)控制下振動信道的運行參數(shù)得到明顯降低，即優(yōu)化系統(tǒng)在減振控制功能方面具有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

通過研究發(fā)現(xiàn)城軌車輛運行振動是影響其運行安全程度以及使用壽命的重要指標之一，因此對車身振動進行控制具有較高的現(xiàn)實意義。本文提出基于阻尼力調(diào)節(jié)的城軌車輛復合結(jié)構(gòu)車身減振控制系統(tǒng)。建立了城市軌道交通車輛的復合結(jié)構(gòu)模型，并提取了其振動特性，以可調(diào)式阻尼器為執(zhí)行器，完成可調(diào)式阻尼調(diào)節(jié)，通過系統(tǒng)減振控制器實現(xiàn)對城市軌道車輛復合結(jié)構(gòu)車身振動的控制。實驗結(jié)果表明，應用該系統(tǒng)有效提高了對車身的減振控制效果，對于城軌車輛的維護以及管理具有較高的應用價值。