基于模糊控制的高速列车半主动减振器研究

　　0　引言

　　在中国铁路高速化的背景下,列车运行速度不断提高。然而随着速度的提高,机车和车辆的振动性能不断恶化。引起高速列车振动增加的主要原因有:长波长轨道不平顺的影响、车体轻量化的影响和空气动力作用的影响。

　　采用被动悬挂系统的机车车辆在列车运行过程中不能实施阻尼调节,无法适应在复杂多变线路上高速运行的列车对动力学性能的要求。为解决高速列车运行时平稳性和稳定性间的矛盾,悬挂系统中采用阻尼可调的半主动减振器十分必要。半主动减振器旨在以接近被动减振器的造价和复杂程度来提供接近主动减振器的控制性能,有良好的性价比。

　　列车半主动减振器改变阻尼特性的方法可分为流变型和阀控型两类,基于PWM控制的高速开关阀型半主动减振器是阀控型中的一种。

　　1　高速开关阀型半主动减振器原理

　　列车横向半主动减振控制大多采用天棚(SkyHook)方式。为满足控制规则要求,实际安装在车体和转向架间的减振器阻尼不但要能在“可提供”与“不提供”之间切换,而且要能不断被调整。根据需要所设计的横向半主动减振器原理如图1所示。该半主动减振器的基本结构与一般被动式减振器相似,具有油液单向流动的结构,液压缸面积与活塞杆面积比为2:1。控制系统由车体加速度传感器、活塞速度传感器、控制器、4个高速开关阀和2个溢流阀及相应的油路组成。

　　天棚控制原理中所需提供减振力的大小及减振器工作状态的转换均是由高速开关阀通过不同的状态组合并与溢流阀相配合而得到。阀1、阀2分别为拉伸卸荷阀和压缩卸荷阀。它们的工作状态决定着减振器是否提供减振力。而阻尼的调整通过阀3、阀4两个高速开关阀与两个节流孔的组合来实现。采用这种方式则减振器尺寸更紧凑、加工工艺简化、成本降低。

　　对阀3、阀4分别进行PWM控制可实现油路系统的阻尼调节。在PWM控制状态下,高速开关阀的快速振动将使得油路处于节流状态,并使所在油路产生阻尼。在采用较小脉冲周期(<10 ms)的条件下,因阀振动引起节流而产生的阻尼力与调制率D=有关。理论上,由于调制率D可通过控制器实现无级调节,因此,减振器的阻尼力特性也可在一定范围内实现连续调节。

　　在如图2所示的减振器特性曲线中,曲线1为阀3、阀4均导通时仅由油路形成的阻力特性;曲线3为阀3、阀4均关闭时由节流孔1、2组合形成的阻力特性;曲线2表示在非控制状态下(各阀均不通电,转为被动减振器时)的阻力特性曲线。对阀3、阀4施行PWM控制可使减振器阻力特性在曲线1~3之间的区域中连续变化。