礦用重載電力機車車體結構剛度變化控制系統(tǒng)

申利燕，苗建明

（1.山西工程職業(yè)學院，山西 太原 030032；2.中山大學，廣東 廣州 519082）

1 引言

對于礦用重載電力機車而言，其車體結構的靜剛度和動剛度是兩項最為重要的指標[1]，如果不對剛度進行合理的控制，其自身變化就會直接影響機車的各項性能。剛度是一種會隨著響應頻率變化而變化的能力，其響應頻率變化的幅度數值和剛度是成正比的[2]，當車身的剛度不足時，響應頻率就會隨之降低從而產生共振，影響NVH（即共振Noise、噪聲Vibration 和不平順性Harsh?ness）以及整體的可操縱性、安全性、穩(wěn)定性、碰撞性、耐久性和經濟性等能力。因此，對剛度變化進行實時控制，可有效提高機車安全性能，并保障各項指標的正常實現(xiàn)。在相關學者研究中，文獻[3]提出了高速列車車體結構剛度優(yōu)化方法，以有限元理論、非線性理論和結構準靜態(tài)理論為基礎，構建剛度仿真模型，利用結構熱力耦合分析車體剛度，完成車體補強設計。但在車體剛度變化的掌握方面需要完善。文獻[4]考慮摩擦力、轉子偏心和電樞軸的非線性剛度，建立動態(tài)微分方程研究機車牽引系統(tǒng)的分岔和混沌行為。仿真結果揭示了間歇分岔的復雜動態(tài)，雖然為摩擦故障診斷提供參考依據，但對機車剛度的變化。文獻[5]研究了端齒連接結構接觸剛度的解析模型，該方法考慮了接觸界面微觀形貌的問題，將GW粗糙表面模型帶入剛度分析的公式中，得到了表面微觀形貌對端齒接觸剛度的影響結果。該方法求解結果與有限元結果相近，但在剛度變化的捕捉有待進一步完善。

綜上所述，設計一種重載電力機車車體結構剛度變化控制系統(tǒng)。通過詳細的系統(tǒng)控制流程，對車體結構剛度進行計算，根據計算的剛度數值給出相應的控制算法，提升剛度。盡可能地減少在受力情況下車體的變形程度，并降低機車在振動時產生的振幅，增強抗振性，提高安全性能。性能測試結果證明，所提系統(tǒng)的控制算法簡便且易于實現(xiàn)，能夠對車體剛度實現(xiàn)有效控制，具有很好的減振效果，能夠保證礦用重載電力機車的車體結構安全運行。

2 重載電力機車車體結構剛度變化控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)整體架構

給出重載電力機車車體結構剛度變化控制系統(tǒng)的整體架構，如圖1所示。

圖1 剛度控制系統(tǒng)整體架構Fig.1 Stiffness Control System Architecture

2.2 系統(tǒng)硬件設計

重載電力機車車體結構剛度控制系統(tǒng)的硬件部分主要由四個部分組成，分別為：傳感器、剛度調試器、剛度變化控制器及控制執(zhí)行機構。

（1）系統(tǒng)所使用的傳感器[6]是由目前最為實用的一臺891型拾振動器及兩臺CY3?8A型傳感器共同組成，一臺振動器用于監(jiān)測系統(tǒng)機器內部結構的速度絕對值，而另外兩臺傳感器則用于測量液壓缸內外的壓力差[7]。

（2）安裝剛度調試器是由一個安裝控制器、一個電磁閥門[8]和4條軟油管共同組成。其主要是在系統(tǒng)進行安裝及后期調試檢修時使用，只需要一臺調試器就可為多個控制系統(tǒng)同時使用，能夠保證調試精準度和質量安全。

（3）剛度變化頻率捕捉器是根據信號傳輸為依據，通過一個尺寸為（200×150×100）的硬件匣子作為傳輸媒介，其主要由剛度信號接收器、電路判斷機制、功率驅動機制等多個部分共同組。其通過接收器取得的對應信號，再經過電路判斷及功率驅動處理后，作為最后的控制信號輸出給剛度液壓控制模塊，讓其實現(xiàn)剛度變化控制。

（4）剛度變化控制系統(tǒng)中最為重要的一個執(zhí)行步驟就是液壓控制執(zhí)行機構。其通過系統(tǒng)內部的上下部分相對重復工作，根據計算的剛度數值利用機構內的關鍵推桿工作積攢變形能并釋放，經過一系列的循環(huán)最終完成剛度變化的控制，達到減振效果。轉向架是保證軌道車輛安全運行的主要部件之一，列車的運行穩(wěn)定性和乘坐舒適性與轉向架的懸掛特性密切相關，主要的剛度變化也主要集中在此結構中。剛度控制系統(tǒng)硬件組成結構，如圖2所示。

圖2 剛度控制系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware Composition of Stiffness Control System

2.3 系統(tǒng)軟件設計

2.3.1 車體剛度計算

大多數情況下，都會用數值來表達控制系統(tǒng)的剛度狀態(tài)。比如，彎曲剛度和扭轉剛度就是用來表示抗彎曲能力及扭轉變形能力的[9]。因此，可把重載機車的車身結構看成一個呈線性的大型系統(tǒng)，根據線性特質與力學特性的一致性，將矩陣剛度模型與模態(tài)進行關聯(lián)，通過此矩陣模型來反映力學的特點從而計算剛度數值。

若將矩形框架看成剛度變化控制的一個線性系統(tǒng)，就可以將系統(tǒng)受到外力時產生的向量表達為以下關系式：

式中：VB—線性系統(tǒng)受到外力時產生的向量系數。

一般情況下，施加載荷的施力點與其載荷方向一般保持一致（即與剛度矩形框架的水平方向呈垂直狀態(tài)），則載荷量與載荷施加點位置偏移的比值就可表示為：

式中：z1～z6—點1到點6與水平方向保持垂直的位移量；KB—剛度變化參數。

基于剛度矩形框架的扭轉剛度結構，如圖3所示。

圖3 基于矩形框架的扭轉剛度Fig.3 Torsional Stiffness Based on Rectangular Frame

在矩形下擺位置的1、2處施加同等大小的力F，讓力F之間方向保持相反，并與矩形平面呈垂直狀態(tài)，且對3、4、5位置處對應的自由度x、y、z實現(xiàn)約束。

如果將其記作為F1=F，F(xiàn)2=?F，那么就可以根據靜態(tài)平衡原理［10］，得出關系F3=?F，F(xiàn)4=F，將其表達在扭轉剛度矩形線性系統(tǒng)中，就可以得出以下向量關系式：

式中：VT—在扭轉剛度情況下產生的向量系數。

此時根據上述得出的扭轉剛度向量系數，基于矩形框架的扭轉剛度就可用施加在線段L12中點的扭轉距離與L12及L34間的扭轉角度來表示，關系式為：

式中：L12—扭轉剛度矩形的前長；L34—扭轉剛度矩形的后長。

基于n自由度線性的剛度變化控制系統(tǒng)，基本的常規(guī)自由振動表現(xiàn)為：

式中：M—關于變化控制系統(tǒng)的矩陣；K—剛度變化系統(tǒng)矩陣；x—位移運動的列向量。

對較為復雜的線性剛度變化控制系統(tǒng)來說，式（5）是屬于互為耦合數的微分方程，對此方程進行求解需滿足x=Φη，得出解耦后的函數為：

式中：Φ—控制系統(tǒng)矩陣的模態(tài)形式；η—模態(tài)的位置坐標。

因為此系數在各階級的模態(tài)向量值都與質量及剛度矩陣相關，且兩兩相交，所以就可推斷Mm=ΦtMΦ為對角矩陣，主要針對在各階級矩形模態(tài)的質量；Km=ΦtKΦ也為對角矩陣，但與前者不同，其主要針對在各階級矩形模態(tài)的剛度狀況。第i階級的矩形模態(tài)表達關系式為：

式中：ωi—在第i階級對角模態(tài)的角頻率；fi—自然情況下角頻率的正常數值；km.i—矩形模態(tài)的質量。

根據動力學結構原理及重載電力機車自身的結構特征，可得出基于上述線性剛度變化控制系統(tǒng)的靜態(tài)方程：

將x=Φη代入式（9）中，再乘以Φt，就可以得出關于線性控制系統(tǒng)在靜態(tài)與動態(tài)下的相互關系：

當矩形模態(tài)框架在靜止狀態(tài)下受到壓力而導致形變時，給出在第i階級狀態(tài)下的關系為：

再將式（12）代入到式（2）得出扭轉剛度數值，得出剛度xj與各階級下模態(tài)向量的關系：

以此類推，就可得出在各階級下剛度及其扭轉剛度的參數關系，就可得出最終的剛度數值xj。

2.3.2 車體剛度控制

重載電力機車剛度變化的控制主要依賴于計算得出的具體剛度值，通過數值再進行判斷并利用系統(tǒng)控制機器給出相應的控制動作，其具體工作過程，如圖4、圖5所示。

圖4 剛度變化控制機制向左工作運動Fig.4 Stiffness Change Control Mechanism Working to the Left

圖5 剛度變化控制機制向右工作運動Fig.5 Stiffness Change Control Mechanism Working to the Right

從圖4中可以看出，此控制系統(tǒng)的內部結構分為上下兩個部分，當圖4中上部分向左進行控制運動時，推桿a就會發(fā)生一個推拉動作，液壓工具閥門a1關閉，進而使兩側的軟油管路互相斷開，a處的內部壓強逐漸提升，a處推桿就會隨著壓強的升高慢慢被拉伸，以便儲蓄變形能量；當b處推桿受到壓強時，液壓工具閥門b1開啟，兩側的軟油管路會互相連接，b推桿處不會發(fā)生形變。

當控制器的上部分不再相對向左進行控制運動時，就會反向向右進行控制運動，這時，推桿a就會一直保持推拉的動作，而推桿b也會跟隨推桿a同時受拉，液壓工具閥門b1關閉，將兩側的軟油管路互相斷開，b處的內部壓強逐漸提升，再控制軟油管路的將液壓工具閥門a1斷開，使a1處兩側的軟油管路互相連接，這時a推桿處及其所連接的器件中所有儲存的變形勢能都會被釋放，再隨著b內部油壓的升高，油路控制機制就會將在三位工作的閥門b2推向二位處工作，而a1也會回到原本的位置并保持基本的常設狀態(tài)；與此同時，b處推桿會逐漸呈拉伸狀態(tài)，以便儲蓄變形能量。

如圖5過程所示，在向右控制運動工作結束時就會開始循環(huán)重復動作即繼續(xù)反向運動向左工作。隨著變形能力的不斷積蓄，振動會不間斷持續(xù)產生，可以反復重復上述動作。通過內部結構左右的不斷改變，剛度變化控制系統(tǒng)會隨之不斷吸收變形能量再進行釋放，進而達到對剛度變化的控制，實現(xiàn)減振效果。

3 仿真實驗

為了驗證系統(tǒng)對重載電力機車車體結構剛度變化的控制效果，將神24電力機車作為實驗對象，該電力機車長106m，具有6節(jié)編組，最高運行時速為120km，車組功率為28800kW，將該機車的剛度數值作為初始數據，建立三種不同情況下的剛度控制測試，全面測試所設計系統(tǒng)的控制效果，并進行對比分析。剛度測試軟件界面，如圖6所示。

圖6 剛度測試軟件界面Fig.6 Rstiffness Test Software Interface

其中，三種剛度情況如下：

（1）初始無控制的情況，在重載電力機車內沒有任何其他工作元件干擾工作，且沒有安裝剛度變化控制器件，此時的剛度數據為基本的初始數據，剛度數值為100。

（2）在機車車體內部增加橫梁的情況，增加剛度控制難度，以原有車體結構為基礎增強車體振動，從而增加剛度變化數值，剛度數值為200。

（3）利用本系統(tǒng)對上述兩種情況進行控制。將控制參數設置為KB10?1m、KB10?2m、KB10?3m、KB10?4m、KB10?5m。

剛度變化控制結果，如表1所示。

表1 基于同種特性的剛度變化控制結果Tab.1 Stiffness Variation Control Results Based on Homogeneous Characteristics

其中，xj表示剛度初始數值，根據如表1所示的對比結果分析可得：

（1）重載電力機車在無外物干擾及內部沒有控制元件的情況下，通過系統(tǒng)根據其原始剛度數據進行控制后，得出的百分比基本都保持在90%以上。由此可見，此系統(tǒng)的控制整體效果優(yōu)異，且在控制參數不斷下降的情況下也能保持一個合理的減少，效果相差不大。

（2）重載電力機車在無外物干擾，但內部增加負重橫梁的情況下，通過系統(tǒng)對其進行剛度變化控制后，得出的百分比基本都保持在85%以上。對于在車體增加了近5t的負重后，達到剛度控制效果來看，系統(tǒng)的控制效果已經能夠滿足實際需求。因為在一般情況下，如果車體結構負重不斷增加就會導致其表面逐漸產生壓力從而發(fā)生形變，增強剛度數值，共振也就會同時上升進而威脅安全縮短車體壽命。

4 結論

通過構建的剛度變化控制系統(tǒng)分析可得出以下結論：

（1）控制系統(tǒng)的硬件構造簡單不需要復雜的內部結構，器件耗用量較小、操作過程簡單且便于實現(xiàn)剛度變化控制。

（2）基于矩形線性原理的計算方法直觀簡便，且準確性高。

（3）最終的剛度變化控制機制工作步驟簡潔，具有較強的自控能力及程序恢復能力，在無法對其進行干預的情況下也能根據原本初設給出相應的控制方案，且效果優(yōu)異，不僅能有效減少車體內部的共振現(xiàn)象，還能減少機車的耗用量。

（4）仿真結果證明，基于重載電力機車車體結構的剛度變化控制系統(tǒng)具有較好的控制效果。