電液比例閥控式半主動減振器研究

黎劍鋒，王凱平，向賢虎，趙長龍，李海濤，崔志國

(1.株洲南車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001; 2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室 (南方)，山東青島 266111)

電液比例閥控式半主動減振器研究

黎劍鋒1，王凱平1，向賢虎1，趙長龍2，李海濤2，崔志國2

(1.株洲南車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001; 2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室 (南方)，山東青島 266111)

介紹了基于電液比例閥控制的半主動減振器原理，并設(shè)計和研制了該減振器的樣機(jī)，完成了阻尼特性研究和實車臺架試驗。臺架試驗結(jié)果表明:研制成功的電液比例閥控式半主動減振器能比較有效地改善高速動車組車體的橫向動力學(xué)性能。

高速列車;電液比例閥;半主動控制;減振器;動力學(xué)性能

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸遇到前所未有的發(fā)展機(jī)會，人們對交通運(yùn)輸質(zhì)量 (快速、安全、舒適)的要求越來越高。隨著動車組運(yùn)行速度的提升，確保車輛運(yùn)行舒適性已成為重要課題。高速行駛列車的乘坐舒適性惡化原因主要是軌道不平順、空氣動力學(xué)因素、車體輕量化等引起的車身橫搖和結(jié)構(gòu)振

動［1－2］。

由于列車傳統(tǒng)的被動懸掛系統(tǒng)的特性在列車運(yùn)行過程中不能實時調(diào)節(jié)，無法適應(yīng)高速行駛的列車對動力學(xué)性能的要求。半主動懸掛系統(tǒng)可以根據(jù)車體振動情況，在一定范圍內(nèi)實時控制阻尼力的大小，從而達(dá)到與主動懸掛系統(tǒng)接近的減振效果。因此，采用阻尼可調(diào)節(jié)的半主動懸掛系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊［3－5］。

1 半主動減振器原理及其實現(xiàn)

1.1 天棚減振控制原理

目前列車橫向半主動減振器控制方式大多采用天棚(SKY HOOK)原理，該方法簡單有效，易于實施，其原理如圖1所示。

圖1 天棚減振控制原理

圖中:Cs為天棚減振器阻尼系數(shù);Cr為實際減振器阻尼系數(shù);Fs為天棚減振器阻尼力;Fr為實際減振器阻尼力;v1為車體橫向振動速度;v2為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向振動速度。

阻尼連續(xù)變化的列車橫向振動半主動控制的天棚控制規(guī)則為:

為滿足該控制規(guī)則要求，實際橫向減振器的阻尼不但要能在“可提供”與“不提供”之間不斷切換，而且由于橫向減振器能提供的阻尼力只能為Fr=Cr(v1－v2)，為使Fr=Fs，必須要求Cr=Csv1/(v1－v2)。由于v1和v1－v2是連續(xù)變化的，因此，橫向減振器的實際阻尼系數(shù)Cr也連續(xù)變化。

1.2 電液比例閥控式半主動減振器

電液比例閥控式半主動減振器組成見圖2，減振器的底閥和活塞均是單向閥，其油液的流動和被動減振器相同，是單向流動。但油液的流動是通過控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，此控制系統(tǒng)由加速度傳感器、控制器、高速開關(guān)閥、節(jié)流閥和電液比例閥及相應(yīng)的油路組成。半主動減振器所提供阻尼力的大小及減振器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由電液比例閥3、高速開關(guān)閥1、高速開關(guān)閥2和二位三通閥5通過不同的狀態(tài)組合而得到。

圖2 比例閥控式半主動減振器組成

天棚原理中用來實施狀態(tài)判斷的車體及轉(zhuǎn)向架橫向運(yùn)動速度是通過控制器對兩個裝在車體的加速度傳感器所測量的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分來獲得。各閥(兩個節(jié)流閥除外)的狀態(tài)由控制器按照控制策略來確定。具體各閥控制動作特性見表1。

表1 各閥控制動作特性

節(jié)流閥6為復(fù)合閥，初始狀態(tài)為小孔節(jié)流，其節(jié)流特性如圖3，孔的大小不同就決定圖中特性曲線1段的傾斜度，當(dāng)壓力到一定后還起卸荷閥的作用，特性曲線為2段，2段對應(yīng)壓力值可由設(shè)計確定。而電液比例閥的溢流特性如圖4，不同的電流值A(chǔ)1，A2，…，就有不同的溢流壓力值。當(dāng)節(jié)流閥6和電液比例閥3并聯(lián)組合時就形成半主動減振器阻尼特性如圖5，從而實現(xiàn)通過調(diào)整電液比例閥的溢流壓力改變半主動減振器的阻尼特性。

圖4 電液比例閥特性圖

圖3 小孔節(jié)流阻尼特性

節(jié)流閥4采用檔板節(jié)流方式［6］，它的主要功能是當(dāng)系統(tǒng)有問題或者斷電時，其他油路斷開，油液通過節(jié)流閥4和6組成節(jié)流系統(tǒng)從而產(chǎn)生阻尼力，相當(dāng)于被動減振器，保證行車的安全。

圖5 半主動減振器阻尼特性

高速開關(guān)閥1和2是常閉開關(guān)閥，是為滿足天棚控制需要減振器阻尼力為零而設(shè)置，通過它直接控制半主動減振器為機(jī)車車輛提供天棚阻尼力，見圖6。

圖6 天棚阻尼力實現(xiàn)

1.3 控制策略

半主動控制系統(tǒng)的核心是控制器的控制策略，它在很大程度上決定了半主動減振器的使用效果。列車在行駛過程中產(chǎn)生的振動具有很大的非線性、時變性、多樣性、隨機(jī)性等特點(diǎn)。若用經(jīng)典方法，就需對這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型。由于列車系統(tǒng)模型復(fù)雜，控制的實時性較差，難以得到滿意的控制效果。模糊控制無需對復(fù)雜系統(tǒng)建立精確數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)由技術(shù)知識和理論經(jīng)驗總結(jié)出的控制規(guī)則進(jìn)行判斷，適合用于對列車懸掛系統(tǒng)進(jìn)行智能控制［7］。

圖7為半主動模糊控制策略圖。模糊控制器以車體的速度響應(yīng)作為輸入，根據(jù)控制規(guī)則，進(jìn)行模糊推理，輸出適當(dāng)控制電流。半主動減振器在其輸入電流控制下，提供控制阻尼力f，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的半主動控制。

圖7 模糊半主動控制策略圖

2 半主動減振器的阻尼特性研究

對研制的半主動減振器進(jìn)行了阻尼特性研究，取行程為s=20 mm，最大速度vmax=0.2 m/s，其速度阻尼特性如圖8所示。

圖8 半主動減振器阻尼特性

從圖中可以看出:半主動減振器的阻尼力可通過改變比例閥控制電流的大小來實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)節(jié)，從而能夠滿足不同車況對減振性能的要求。

3 半主動減振器實車臺架試驗

為了驗證半主動減振器的工作性能及其改善高速列車乘坐舒適性的效果，半主動減振器裝載在CRH380AL動車組非動力車上，在西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實驗室滾振試驗臺上進(jìn)行了實車試驗，試驗采用武漢－廣州實測線路譜作為不平順輸入的軌道譜。

圖9、10為速度為440 km/h和330 km/h時的車體前部橫向頻譜圖。從圖中可以看出:對于車體橫向振動，半主動正常狀態(tài)能起到一定的抑制振動的效果，尤其在1.5～2 Hz時效果較為明顯。

圖9 車體前部橫向頻譜圖 (v=440 km/h)

圖10 車體前部橫向頻譜圖 (v=330 km/h)

圖11、12為車體前部、后部橫向平穩(wěn)性指標(biāo)圖。由圖中試驗結(jié)果可知，半主動正常和半主動失效相比:車體前部橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在200 km/h以上具有一定改善率，最高達(dá)到4.14%;車體后部橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在40 km/h以上都具有改善率，最高達(dá)到6.01%。

半主動正常和原車方案相比:車體前部橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在200 km/h以上具有一定改善率，最高達(dá)到8.85%;車體后部橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在160 km/h以上具有一定改善率，最高達(dá)到8.77%［8］。

圖11 車體前部橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖12 車體后部橫向 平穩(wěn)性指標(biāo)

試驗結(jié)果表明:研制的半主動油壓減振器可以保證CRH380AL動車組非動力車在40～440 km/h速度范圍內(nèi)動力學(xué)性能優(yōu)越，能夠滿足線路上380 km/h速度安全運(yùn)行的要求。電液比例閥控式半主動減振器相對被動狀態(tài)和原車半主動減振器均能比較有效地改善高速動車組車體的橫向動力學(xué)性能。

4 結(jié)束語

對電液比例閥控制的半主動減振器的工作原理進(jìn)行了研究，開展了工程化設(shè)計實現(xiàn)樣機(jī)制造，并對不同比例閥控制電流下減振器的阻尼特性進(jìn)行了研究，并完成了裝CRH380AL動車組在機(jī)車車輛滾振試驗臺上的臺架試驗。實車試驗結(jié)果表明:研制成功的電液比例閥控式半主動減振器能比較有效地改善高速動車組車體的橫向動力學(xué)性能。

［1］佐佐木君章.改善高速列車的橫向乘坐舒適度:半主動懸掛減振裝置的應(yīng)用［J］.鐵道學(xué)報，2004，26(1):105－115.

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［4］李輝，顧亮，劉琰.車輛半主動懸掛控制理論的研究［J］.汽車科技，2002，26(2):26－28.

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［6］宋俊，王淑蓮.液壓元件優(yōu)化［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

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［8］魏來，戴煥云.半主動液壓減振器臺架試驗報告［R］.成都:西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實驗室，2012，14－50.

Research on Semi-active Damper Controlled by Electro-hydraulic Proportional Valve

LI Jianfeng1，WANG Kaiping1，XIANG Xianhu1，ZHAO Changlong2，LI Haitao2，CUI Zhiguo2
(1.Zhuzhou CSR Time Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412001，China; 2.National Engineering Laboratory for System Integration of High-speed Train(South)，CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266111，China)

The theory on semi-active damper based on electro-hydraulic proportional valve was introduced，and the prototype of damper was manufactured and designed.The damping characteristics and dynamic performance test on roller rig were completed.The results of rig test show that the successful development of the semi-active damper controlled by electro-hydraulic proportional valve can effectively improve the car body lateral dynamic performance of high-speed EMU.

High-speed train;Electro-hydraulic proportional valve;Semi-active control;Damper;Dynamic performance

U270.1

A

1001－3881(2014)9－071－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.019

2013－04－05

“十一五”國家科技支撐計劃項目 (2009BAG12A02－A12－2)

黎劍鋒 (1963—)，男，本科，高級工程師，主要研究方向為車輛振動與控制。E－mail:lijf@teg.cn。