半主動(dòng)懸掛橫向和垂向阻尼系數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

半主動(dòng)懸掛橫向和垂向阻尼系數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

隨著列車的快速啟動(dòng)，動(dòng)態(tài)懸索系統(tǒng)在高速和高端列車中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。由于半主動(dòng)控制阻尼器件和阻尼控制策略目前還處在研究階段,因此,借助于各種仿真軟件對(duì)各種懸掛模型和控制算法進(jìn)行仿真研究受到了重視。近年來,針對(duì)橫向、垂向半主動(dòng)懸掛的研究較多,而橫向和垂向在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的耦合關(guān)系,且相互影響,本文建立了具有橫向和垂向半主動(dòng)懸掛的車輛模型。同時(shí)對(duì)于半主動(dòng)懸掛來說,阻尼系數(shù)選擇的恰當(dāng)與否直接決定了機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能的好壞,基于此,本文就半主動(dòng)懸掛的橫向和垂向高阻尼系數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析,低阻尼系數(shù)取相應(yīng)高阻尼系數(shù)的5%。1減振器阻尼力變化公式基于我國(guó)機(jī)車車輛的提速要求,采用半主動(dòng)減振系統(tǒng)技術(shù)是一種快捷有效的途徑。目前較為適用的列車半主動(dòng)懸掛振動(dòng)控制的方法為天棚阻尼(SKY-HOOK)法。它的出發(fā)點(diǎn)是以一個(gè)虛擬的“天棚減振器”連接在一個(gè)固定的點(diǎn)和簧上質(zhì)量(車體)之間,天棚阻尼器直接作用于簧上質(zhì)量,以大幅度降低簧上質(zhì)量的振動(dòng)。列車橫向和垂向振動(dòng)所采用的天棚阻尼半主動(dòng)控制的基本控制邏輯如圖1所示。雖然被動(dòng)懸掛的阻尼力具有抑制振動(dòng)功能,但相對(duì)于車體來說,有時(shí)阻尼力作正功,使得振動(dòng)加劇。在這種狀況下,為了減少車體振動(dòng),要求懸掛系統(tǒng)能夠始終作負(fù)功,對(duì)于減振器來說即要求提供正阻尼,但在非主動(dòng)懸掛下無法實(shí)現(xiàn)提供正阻尼,因此,最好的減振措施是使減振器不提供使車體加速振動(dòng)的作用力,即使其阻尼值為零?；谏鲜鏊枷?本文以車體絕對(duì)速度和車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的相對(duì)速度(減振器的相對(duì)速度)乘積作為反饋信號(hào),為了更好的說明在激擾頻率較高時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象,得出減振器阻尼力變化公式如(1)、(2)所示{Fyr=Cyh˙Yc˙Yc(˙Yc-˙Yt)＞0Fyr=Cyl˙Yc˙Yc(˙Yc-˙Yt)≤0{Fyr=CyhY˙cFyr=CylY˙cY˙c(Y˙c?Y˙t)＞0Y˙c(Y˙c?Y˙t)≤0(1){Fzr=Czh˙Ζc˙Ζc(˙Ζc-˙Ζt)＞0Fzr=Czl˙Ζc˙Ζc(˙Ζc-˙Ζt)≤0(2){Fzr=CzhZ˙cFzr=CzlZ˙cZ˙c(Z˙c?Z˙t)＞0Z˙c(Z˙c?Z˙t)≤0(2)式中Fyr、Fzr——可控減振器橫向、垂向阻尼力;Cyh、Cyl——天棚阻尼可控減振器橫向的高、低阻尼系數(shù);Czh、Czl——天棚阻尼可控減振器垂向的高、低阻尼系數(shù);Yc、˙Yc——車體安裝減振器位置的絕對(duì)橫向振動(dòng)位移、振動(dòng)速度;Zc、˙Ζc——車體安裝減振器位置的絕對(duì)垂向振動(dòng)位移、振動(dòng)速度;Yt、˙Yt——構(gòu)架安裝減振器位置的絕對(duì)橫向振動(dòng)位移、振動(dòng)速度。Zt、˙Ζt——構(gòu)架安裝減振器位置的絕對(duì)垂向振動(dòng)位移、振動(dòng)速度。以上采用SIMPACK內(nèi)定系統(tǒng)坐標(biāo)系,即取車輛運(yùn)行方向?yàn)閄軸正方向,右側(cè)為Y軸正方向,豎直向下為Z軸正方向。2抗蛇行式小自由度結(jié)構(gòu)車輛模型由車體、構(gòu)架、軸箱及輪對(duì)組成。車體通過二系高撓圓彈簧坐在構(gòu)架上。車體與每個(gè)構(gòu)架之間配有2個(gè)垂向減振器,2個(gè)橫向減振器和2個(gè)抗蛇行減振器。構(gòu)架與軸箱之間由一系懸掛裝置連接,每軸箱一系懸掛裝置配有垂向減振器?？紤]了7個(gè)剛體,輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架和車體均具有伸縮、橫移、浮沉、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭6個(gè)自由度,共42個(gè)自由度?？紤]輪軌接觸幾何和蠕滑關(guān)系的非線性、輪對(duì)自由橫動(dòng)量和軸箱橫向止擋的非線性、二系橫向彈性和剛性止擋的非線性以及部分減振器的非線性特性。同時(shí)運(yùn)用SIMPACK控制模塊建立了具有橫向和垂向的半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。3計(jì)算方法3.1前后構(gòu)架對(duì)比分別計(jì)算由于半主動(dòng)懸掛橫向和垂向高阻尼系數(shù)的不同,車體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、前后構(gòu)架橫向和垂向加速度均方根值的變化情況。線路不平順取美國(guó)5級(jí)譜,包括橫向不平順、軌距不平順、垂向不平順和左右軌的高低不平順。計(jì)算中除了考慮不平順的位移激擾外,同時(shí)還考慮了不平順的速度和加速度激擾。運(yùn)行速度為160km/h。3.2曲線軌道上進(jìn)行曲線通過計(jì)算是在一條由直線—緩和曲線—圓曲線—緩和曲線—直線組成的光滑曲線軌道上進(jìn)行的。直線長(zhǎng)度20m,緩和曲線長(zhǎng)度80m,圓曲線長(zhǎng)度100m,曲線半徑為300m,外軌超高150mm,計(jì)算車輛以75km/h??的速度通過曲線時(shí)半主動(dòng)懸掛高阻尼系數(shù)對(duì)輪對(duì)沖角、磨耗指數(shù)的影響。4性能分析4.1半主動(dòng)懸掛方式垂向阻尼系數(shù)對(duì)垂向加速度的影響圖2為半主動(dòng)懸掛方式橫向和垂向阻尼系數(shù)對(duì)車體橫向、垂向平穩(wěn)性的影響。由圖2(a)可以看出,對(duì)于橫向阻尼系數(shù),其值越大車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)越小,即平穩(wěn)性越好;對(duì)于垂向阻尼系數(shù),當(dāng)橫向阻尼系數(shù)一定時(shí),橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著垂向阻尼系數(shù)的增加而減小。增大半主動(dòng)懸掛的橫向和垂向阻尼系數(shù)有利于提高車輛的平穩(wěn)性性能。從圖2(b)可以清楚地看出,橫向阻尼系數(shù)的5條曲線基本上完全重合,說明其對(duì)車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)沒有什么影響,而垂向阻尼系數(shù)對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)影響較大,隨著垂向阻尼系數(shù)的增大,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)約成線性降低?？偨Y(jié)以上分析,說明垂向阻尼系數(shù)對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響大于橫向阻尼系數(shù)對(duì)垂向平穩(wěn)性的影響,采用較大的橫向和垂向半主動(dòng)懸掛阻尼系數(shù)有利于改善運(yùn)行品質(zhì)。圖3和圖4考察半主動(dòng)懸掛方式阻尼系數(shù)對(duì)前后構(gòu)架橫向和垂向加速度的影響情況。由圖3(a)可得,前構(gòu)架橫向加速度均方根值隨著橫向阻尼系數(shù)增加而增大,垂向阻尼系數(shù)增加,橫向加速度均方根值也增大;由圖3(b)可知,橫向阻尼系數(shù)對(duì)垂向加速度均方根值影響較小,而垂向阻尼系數(shù)越大其值越大。說明降低半主動(dòng)懸掛橫向和垂向阻尼系數(shù)能減小構(gòu)架的振動(dòng),提高構(gòu)架平穩(wěn)性性能。對(duì)于圖4后構(gòu)架橫向加速度均方根值來說,與圖3具有相同的結(jié)論,其中橫向阻尼系數(shù)對(duì)垂向加速度均方根值影響更小,而垂向阻尼系數(shù)基本上與其成正比例關(guān)系。圖3和圖4的分析結(jié)果無論是在橫向和垂向阻尼系數(shù)上,還是在橫向和垂向平穩(wěn)性(構(gòu)架為加速度均方根值)上與圖2車體的平穩(wěn)性分析完全相反,從圖中可以明顯看出這一結(jié)論。這是由于車輛在運(yùn)行中半主動(dòng)懸掛的阻尼系數(shù)越大,抑制車體振動(dòng)的控制力就越大,使車體的平穩(wěn)性指標(biāo)得到改善,此為半主動(dòng)懸掛的最大優(yōu)越性,同時(shí)由于力的反作用,該反力必將對(duì)構(gòu)架起加速振動(dòng)作用,惡化了構(gòu)架的動(dòng)力學(xué)性能,所以阻尼系數(shù)增加前后構(gòu)架加速度均方根值也隨著增大,此又為二系半主動(dòng)懸掛的弊端。說明在選擇阻尼系數(shù)時(shí)車體和構(gòu)架的平穩(wěn)性性能存在矛盾性,無論是橫向阻尼系數(shù)還是垂向阻尼系數(shù)都不存在最優(yōu)值,能使車體和構(gòu)架的平穩(wěn)性同時(shí)得到提高,設(shè)計(jì)中只能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)兩者折中考慮。4.2輪對(duì)流角和磨耗指數(shù)衡量曲線通過性能的指標(biāo)很多,但通常根據(jù)輪對(duì)的沖角、輪軌橫向力和磨耗指數(shù)就能直觀地判斷出一個(gè)轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能的好壞,所以本文在進(jìn)行曲線通過性能的優(yōu)化計(jì)算時(shí),選取的目標(biāo)函數(shù)為輪對(duì)沖角和磨耗指數(shù),為了便于分析本文取兩者的最大值進(jìn)行分析。(1)橫向阻尼系數(shù)圖5為半主動(dòng)懸掛方式阻尼系數(shù)對(duì)各輪對(duì)沖角的影響。從各輪對(duì)沖角隨橫向和垂向阻尼系數(shù)的變化可以看出,橫向阻尼系數(shù)對(duì)各輪對(duì)沖角的影響比較大,增大橫向阻尼系數(shù),1、2、4位輪對(duì)沖角也增大,而3位輪對(duì)沖角卻隨之減小;垂向阻尼系數(shù)與各輪對(duì)沖角的變化曲線較為平緩,即隨著垂向阻尼系數(shù)的增加,輪對(duì)沖角有所減小,但總體來說不如橫向阻尼系數(shù)那么明顯,3位輪對(duì)沖角在垂向阻尼系數(shù)為0.3~0.9MN·s/m?內(nèi)基本上沒有變化,隨后有所下降。上述分析,雖然1、2、4位輪對(duì)沖角隨橫向阻尼系數(shù)的變化關(guān)系與3位輪對(duì)相反,但1位輪對(duì)為前轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)輪對(duì),對(duì)整個(gè)車輛起著導(dǎo)向作用,其沖角較3位輪對(duì)大很多,所以就分析輪對(duì)動(dòng)力學(xué)性能來說應(yīng)主要考慮1位輪對(duì)。上述表明,要降低1位輪對(duì)沖角應(yīng)減小橫向阻尼系數(shù),這與圖3(a)和圖4(a)中分析構(gòu)架加速度與橫向阻尼系數(shù)關(guān)系是一致的,而與橫向阻尼系數(shù)對(duì)車體平穩(wěn)性的影響恰好相反。再將圖5中垂向阻尼系數(shù)與各輪對(duì)沖角的變化曲線與圖2~圖4進(jìn)行比較,可以看出,對(duì)于輪對(duì)沖角,垂向阻尼系數(shù)應(yīng)越大越好;對(duì)于車體平穩(wěn)性,垂向阻尼系數(shù)也應(yīng)越大越好;對(duì)于構(gòu)架加速度,垂向阻尼系數(shù)應(yīng)越小越好。輪對(duì)沖角、車體平穩(wěn)性與構(gòu)架加速度在垂向阻尼系數(shù)上又存在矛盾,很難選出對(duì)三者都有利的最佳方案。(2)橫向阻尼系數(shù)對(duì)輪軌摩擦學(xué)性能的影響磨耗指數(shù)采用公式(3)W=|Τxζx|+|Τyζy|+|Μzζsp|(3)式中Tx,Ty,Mz分別為縱向、橫向蠕滑力和自旋蠕滑力矩;ζx,ζy,ζsp分別為縱向、橫向蠕滑率和自旋蠕滑率。以前的計(jì)算公式中通常都不考慮自旋蠕滑的影響。在直線或大半徑曲線上,當(dāng)輪緣不接觸鋼軌時(shí),自旋蠕滑的影響確實(shí)很小,但通過小半徑曲線時(shí),輪緣很容易接觸鋼軌,此時(shí)的接觸角很大,自旋蠕滑對(duì)輪軌磨耗的影響已不可小視了,所以考慮了自旋蠕滑的影響。該磨耗指數(shù)的物理意義可表述為單位速度下的蠕滑功率。從表1可以清楚看出,磨耗指數(shù)幾乎不受垂向阻尼系數(shù)的影響,而橫向阻尼系數(shù)對(duì)其影響較大,磨耗指數(shù)隨著橫向阻尼系數(shù)增加而增大。表2中后轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)輪對(duì)磨耗指數(shù)隨著垂向阻尼系數(shù)的增加先增大后減小,橫向阻尼系數(shù)增加其磨耗指數(shù)在減小,這與圖5(c)中分析輪對(duì)沖角得出的結(jié)論是一致的。從表1和表2的數(shù)值來看,1位輪對(duì)磨耗指數(shù)平均比3位輪對(duì)大0.2,與輪對(duì)沖角一樣,只考慮1位輪對(duì)磨耗指數(shù)。通過分析,說明阻尼系數(shù)對(duì)磨耗指數(shù)的影響與輪對(duì)沖角具有相似的結(jié)論,磨耗指數(shù)、構(gòu)架加速度與車體平穩(wěn)性指標(biāo)在橫向阻尼系數(shù)上存在矛盾,不存在一個(gè)最佳阻尼系數(shù)使三者同時(shí)處于最低水平的情況。5橫向和垂向的阻尼系數(shù)通過以上仿真計(jì)算,可以得出如下結(jié)論:(1)提高車體平穩(wěn)性需增大半主動(dòng)懸掛橫向和垂向阻尼系數(shù);降低構(gòu)架加速度需減小半主動(dòng)懸掛橫向和垂向阻尼系數(shù);為了改善曲線通過性能,降低輪對(duì)沖角和磨耗指數(shù),需增大垂向阻尼系數(shù),減小橫向阻尼系數(shù)。沒有合理的橫向和垂向阻尼系數(shù)能滿足平穩(wěn)性和曲線通過性能各