鐵道車輛蛇行穩(wěn)定性主動(dòng)控制綜述

摘 要：隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸載體也都在發(fā)展中有了較大的變革，交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展正處于一個(gè)日新月異的階段。在鐵路運(yùn)輸方面的發(fā)展，可謂是涉及到很多方面，鐵路運(yùn)輸不僅方便了人們的日常交通，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中也占有非常重要的地位，這就要從多方面去加強(qiáng)鐵道部門的管理。在鐵道車輛中蛇形運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性是一個(gè)非常重要的情況，蛇形運(yùn)動(dòng)的頻率可以與鐵道車輛的運(yùn)行速度互相融合，互相疊加，也提高了車輛的運(yùn)行頻率。鐵路部門為了更好地改善車輛的運(yùn)行狀態(tài)，正在采取相應(yīng)的措施讓車輛與蛇形共振速度保持一致。

關(guān)鍵詞：鐵道車輛 蛇行穩(wěn)定性 主動(dòng)控制 控制算法 測(cè)量系統(tǒng)

Summarization of Active Control of Railway Vehicle Snaking Stability

Li Jiangli

Abstract：With the continuous development of China's transportation industry， transportation carriers have also undergone major changes in their development. The development of the transportation industry is in a stage of rapid change. The development of railway transportation can be said to involve many aspects. Railway transportation not only facilitates people's daily transportation， but also plays a very important role in the development of China's national economy. This requires strengthening the management of railway departments from many aspects. The stability of the serpentine movement in railway vehicles is a very important situation. The frequency of serpentine movement can be integrated with the running speed of the railway vehicle and superimposed on each other， which also improves the running frequency of the vehicle. To better improve the running state of the vehicles， the railway department is taking corresponding measures to keep the speed of the vehicles consistent with the serpentine resonance.

Key words：railway vehicle， hunting stability， active control， control algorithm， measurement system

1 引言

在現(xiàn)代高速鐵道車輛系統(tǒng)中，不同的車輛運(yùn)行在不同的線路上，在運(yùn)行線路中有很多的曲線，車輛通過(guò)這些曲線時(shí)都具有非常良好的舒適性。車輛在發(fā)展的過(guò)程中，遵守的基本原則就是高速。但是車輛的高速運(yùn)行也會(huì)使車輪和軌道之間產(chǎn)生特有的情況，隨著車速不斷地提高，車輛在運(yùn)行中產(chǎn)生的能量，就很容易使車輛處于一個(gè)蛇形運(yùn)行的狀態(tài)。所以鐵路部門正在加大對(duì)車輛蛇形穩(wěn)定性的管理和控制，在車輛的運(yùn)行速度范圍內(nèi)去考慮車輪踏面錐度的變化。

2 蛇行運(yùn)行的特性

蛇行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的形成原理也是鐵道車輛在運(yùn)行中固有的特點(diǎn)，是由于鐵路車輛運(yùn)行中車輪踏面有錐度，高效的速度給了車軸一個(gè)動(dòng)力，車輪就會(huì)對(duì)中心線發(fā)生橫移和轉(zhuǎn)向的變化，整個(gè)車輛就會(huì)出現(xiàn)橫向移動(dòng)和側(cè)向移動(dòng)的狀態(tài)前進(jìn)，就像蛇的運(yùn)動(dòng)。就算車輛是在普通平整的軌道上行駛，由于軌道與車輛內(nèi)部的震動(dòng)能量頻率不一樣，而且可以互相轉(zhuǎn)換出現(xiàn)特有的能量，也會(huì)產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。蛇行運(yùn)動(dòng)的原因是由于車輛在動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中逐漸產(chǎn)生的，與車輛的起動(dòng)和停止沒(méi)有關(guān)系，影響蛇行運(yùn)動(dòng)的主要是車輛的運(yùn)行速度。如果離心運(yùn)動(dòng)越明顯，車輛的運(yùn)行速度就越快，頻率就越大。在實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)中，車輛都是應(yīng)用彈性定位轉(zhuǎn)向所實(shí)現(xiàn)的。雖然速度不斷地在增加，蛇行頻率運(yùn)行的狀態(tài)也在不斷增加，在車輛運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)的自振和車速關(guān)系很小，在某個(gè)蛇行運(yùn)行的均速中，它的運(yùn)行頻率和自振頻率都會(huì)產(chǎn)生共鳴。

3 車輛震動(dòng)的模態(tài)分析

3.1 適用于研制控制器的穩(wěn)定性控制

車輛在運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生蛇行的運(yùn)行狀態(tài)，主要由于車輪的特殊關(guān)系產(chǎn)生。所以設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)改變車輪對(duì)外對(duì)內(nèi)的受力情況，去提高蛇形運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。操作人員可以根據(jù)車輪和車軸之間的距離，找到合適的連接方式，將這二者之間的區(qū)別分辨出來(lái)，同時(shí)控制策略和控制方法都有所不同。對(duì)于懸掛式的穩(wěn)定性控制主要是改變車輛的曲線通行，改變車輪的受力情況。在我國(guó)鐵道車輛發(fā)展的歷史中，傳統(tǒng)的車輪也有自己的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。在車輛中懸掛的主動(dòng)控制是由蛇行運(yùn)動(dòng)完成的，設(shè)計(jì)人員為了能進(jìn)一步的改變蛇形運(yùn)動(dòng)在車輛中存在的穩(wěn)定性，所以就以函數(shù)的形式設(shè)計(jì)出了多種的運(yùn)動(dòng)方程。

3.2 基于陀螺阻尼器的穩(wěn)定性控制

有位專業(yè)的設(shè)計(jì)師在最早是運(yùn)用陀螺力來(lái)控制車輪在軌道運(yùn)行中對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)的整體狀態(tài)，也設(shè)計(jì)了一個(gè)陀螺的結(jié)構(gòu)。整體是由陀螺和內(nèi)部支架還有外部支架還有所支撐的彈簧所組成，設(shè)計(jì)師在對(duì)陀螺點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)中將蛇性穩(wěn)定性的策略和措施加入進(jìn)去，也增加了陀螺的轉(zhuǎn)速。在運(yùn)行的過(guò)程中，車輛的車輪在運(yùn)行中如果速度過(guò)低的話也會(huì)使車輛在蛇形行駛中失去穩(wěn)定性。所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)該合理的去設(shè)計(jì)陀螺的旋轉(zhuǎn)速度，要設(shè)計(jì)好陀螺的外觀，要求陀螺的穩(wěn)定性達(dá)到要求，車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)中通過(guò)曲線運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生離心力的作用效果。在車輛運(yùn)行中，由于車輪支撐的彈簧速度的原因沒(méi)有辦法進(jìn)行正常的工作，就會(huì)給車輛的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器增加一定的困難。最新的研發(fā)將新型的穩(wěn)定性加入到對(duì)整個(gè)車輛的控制，主要利用的是轉(zhuǎn)向架作為陀螺的阻尼器，控制好運(yùn)行的速度。

4 控制策略設(shè)計(jì)

4.1 對(duì)單輪進(jìn)行控制分析

設(shè)計(jì)人員在對(duì)單輪系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，不斷地加大阻尼器的穩(wěn)定性，也加大了對(duì)軸輪的控制。主要是通過(guò)兩種方法去獲取阻輪的施加動(dòng)力。首先就是將各個(gè)車與行駛速度構(gòu)成正比的橫向力，這種方法可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)更好的保證，也能更好地提高其穩(wěn)定性。另外就是控制器的采用方法，在不同原理技術(shù)和車輪之間去增加一個(gè)合適的搖頭阻尼。要合理的控制穩(wěn)定性，還要將高頻率的穩(wěn)定性融入進(jìn)去。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開鐵路交通運(yùn)輸?shù)挠绊?，但是在鐵路交通運(yùn)輸中還存在著一系列不可避免的問(wèn)題，鐵路部門要想更好地保障鐵路運(yùn)輸，提高運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量和效率。就要加大對(duì)車輛各方面的調(diào)控。

4.2 對(duì)鐵道車輛設(shè)計(jì)分析方案

鐵道車輛由于涉及到的方面比較廣泛，而且應(yīng)用起來(lái)比較麻煩，所以理論性比較復(fù)雜。在鐵道車輛設(shè)計(jì)方案中，對(duì)阻尼值的運(yùn)算是一項(xiàng)非常謹(jǐn)慎的工作，這些人員要根據(jù)合理的數(shù)據(jù)分析，要增加車輛行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性，還要將值加入進(jìn)去進(jìn)行引導(dǎo)，控制好鐵道車輛的最初速度。利用一些其他的設(shè)計(jì)模型和設(shè)計(jì)理念來(lái)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，將這些專業(yè)性的理論知識(shí)去反映車輛的動(dòng)力學(xué)性能。還要根據(jù)實(shí)際情況和具體要求去模擬車輛在使用中的條件，就非線性車輛與線性車輛的模型進(jìn)行對(duì)比和調(diào)整，得出最終的調(diào)試結(jié)果。同時(shí)，技術(shù)人員還要在操作人員試驗(yàn)車輛開始之前，為整個(gè)模擬的條件和環(huán)境該出合理的應(yīng)用價(jià)值，管理員要從復(fù)雜的線性模型中去完善對(duì)車道車輪的控制策略與方案。

4.3 蛇形運(yùn)動(dòng)的分類

蛇行運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)還可以分為兩種狀態(tài)。一種蛇形運(yùn)動(dòng)是一次，主要表現(xiàn)的是車輛在車道運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程中，速度適中，而且屬于搖頭運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性較高。在車道運(yùn)行的過(guò)程中等效錐度比較低，運(yùn)行的頻率和車體的整體狀態(tài)比較接近，所以會(huì)使出現(xiàn)劇烈的橫向移動(dòng)或者是搖頭運(yùn)動(dòng)。然后就是所了解的二次蛇形，操作人員要想避免二次蛇行運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，讓車恢復(fù)到原先的狀態(tài)，就要去降低車的速度，讓車的速度合理化，這樣可以恢復(fù)車輛的穩(wěn)定性。在車輪磨損的后期，車輪會(huì)出現(xiàn)一些復(fù)雜的問(wèn)題。而且當(dāng)時(shí)的錐度比較高，會(huì)導(dǎo)致蛇行頻率與車體的形態(tài)近似相同，車輛在車道上行駛的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的抖動(dòng)現(xiàn)象，這就是稱作二次蛇行運(yùn)動(dòng)。這兩者蛇形運(yùn)動(dòng)的關(guān)系有所不同，在數(shù)據(jù)參數(shù)上存在著一些矛盾。管理人員在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，根據(jù)一次蛇行運(yùn)動(dòng)的缺點(diǎn)，正在逐漸地提高研究的效果和蛇形運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性能，也逐漸開發(fā)出二次蛇行穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)的控制性能方法。

5 車輛運(yùn)行的穩(wěn)定態(tài)分析

根據(jù)現(xiàn)在我國(guó)的科學(xué)家對(duì)車道蛇行穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)的研究分析表明，車輛在運(yùn)行的過(guò)程中橫向平穩(wěn)的移動(dòng)，是根據(jù)車輛行駛的速度去改變自身的運(yùn)行狀態(tài)，它在運(yùn)行中的平穩(wěn)性不是成遞增的形式出現(xiàn)的。研究學(xué)者表明，反向蛇形運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)改變車的整體速度和整體運(yùn)行狀態(tài)去控制搖頭震動(dòng)。 同時(shí)對(duì)車輛的橫向運(yùn)動(dòng)也造成了一些影響。如果操作人員在行車過(guò)程中增大速度時(shí)橫向運(yùn)動(dòng)就會(huì)逐漸變得劇烈，穩(wěn)定性能就會(huì)有所影響。與此同時(shí)，車輛在垂直方面的平穩(wěn)性能也但隨著車的速度逐漸增大。如果車輛在這時(shí)期是轉(zhuǎn)彎的話，會(huì)出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)，會(huì)發(fā)生穩(wěn)定性缺失的情況，但是垂直方向的穩(wěn)定性不會(huì)有劇烈的變化。這些研究成果都表現(xiàn)了蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)車輛的垂直方向的穩(wěn)定性影響性能頗微弱。同時(shí)轉(zhuǎn)向蛇行運(yùn)動(dòng)效率隨著車輛在運(yùn)行中的速度不斷地增加而處于上升的狀態(tài)，在不斷地發(fā)生著變化。因?yàn)檐囁偈遣欢ǖ?，隨著車速的不斷的改變，蛇行運(yùn)動(dòng)的頻率也與車輪上的傳動(dòng)軸頻率逐漸地接近，效果逐漸地相似。會(huì)產(chǎn)生共振的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象都對(duì)這個(gè)速度段的車道行駛造成了一些影響，車到了穩(wěn)定性出現(xiàn)了一些變化。設(shè)計(jì)專家也提出了抗蛇行減震器的研發(fā)，由于受到減震器內(nèi)部的油態(tài)所影響時(shí)，減震器在運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)頻率過(guò)高的彈簧反應(yīng)。根據(jù)這些研究的情況，科學(xué)技術(shù)人員正在擴(kuò)大對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定性的控制，也為鐵道交通在未來(lái)的發(fā)展中奠定了良好的基礎(chǔ)。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上面我們所說(shuō)的，鐵路交通在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中舉足輕重，也是我國(guó)在運(yùn)輸貿(mào)易中的一個(gè)重要的核心內(nèi)容。鐵道車輛在運(yùn)行的過(guò)程中，隨著速度在不斷的變化，會(huì)出現(xiàn)一系列不可避免地故障，尤其是蛇行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這些情況都需要鐵路部門相關(guān)技術(shù)管理人員加以重視，不斷的將制度方案去完善，不斷地去提高管理措施和策略。根據(jù)鐵道車輛在運(yùn)行中出現(xiàn)的蛇行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這篇文章進(jìn)行了具體分析和具體調(diào)整，同時(shí)，專家管理人員也根據(jù)蛇形運(yùn)動(dòng)狀態(tài)去提出一些良好的控制措施。設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了一款抗蛇行減震器，這種機(jī)械設(shè)備可以通過(guò)小幅度的震動(dòng)效果使車體增加更強(qiáng)的穩(wěn)定性，為鐵路運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介

李江利：（1971.10—），男，漢族，河南許昌人，大學(xué)本科。鐵道車輛專業(yè)。