抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统和方法

1.本发明涉及轨道交通吸振技术领域，尤其是涉及抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统和方法。


背景技术：

2.随着轨道交通行业快速发展，高速铁路成为了人们出行的重要交通方式，同时人们对动车组列车运行速度、运行安全性和运行平稳性等要求也不断提高。动车组列车在长期服役的过程中，由于运行速度的不断提高、轮轨磨耗、车下设备激扰、悬挂参数匹配等问题的存在，车辆运行品质劣化风险增大，一些车辆菱形模态抖车的问题逐渐暴露出来。车辆菱形模态抖车问题是目前常见的车体弹性异常振动问题，亟待解决。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统和方法。
4.在满足运行安全性的前提下，人们正在努力改善车辆运行平稳性和乘坐舒适性。如果在外界力量作用下，车下设备的侧滚频率与车体的菱形频率相同，且保证它们之间的振动为严格的反相位关系，车体的菱形模态抖车便会得到明显抑制。
5.为此，可以根据车体与车下设备之间的振动加速度相位信息计算并施加合适的阻尼力，借助车下设备改变车体振动状态，而无需附加额外质量即可抑制菱形模态抖车。由于被动控制的减振器阻尼力方向调节受限，半主动控制减振器控制效果有限，而主动控制方法实时控制车下设备的侧滚频率，方式更加理想。因此，所提出的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振方法具有重要意义。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，包括信号采集与处理系统、控制系统和作动系统，所述控制系统分别连接所述信号采集与处理系统和作动系统。
8.进一步地，所述信号采集与处理系统包括：
9.位于第一转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上的第一车体加速度传感器；
10.位于第二转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上的第二车体加速度传感器，所述第一车体加速度传感器与第二车体加速度传感器在地板上沿对角分布，用于平稳性指标分析；
11.位于车体地板中部的车体地板中心加速度传感器，用于舒适性指标分析；
12.位于车下设备两端的第一车下设备相位识别加速度传感器和第二车下设备相位识别加速度传感器；
13.位于车体地板两侧的第一车体地板相位识别加速度传感器和第二车体地板相位识别加速度传感器，所述第一车体地板相位识别加速度传感器和第二车体地板相位识别加速度传感器分别与所述第一车下设备相位识别加速度传感器和第二车下设备相位识别加
速度传感器在竖直位置方向上相对应，用于获取车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系；
14.分别连接信号采集与处理系统中各个传感器的信号处理器，用于接收加速度信息并进行指标计算。
15.进一步地，所述作动系统包括作动器、作动器铰接座、阻尼器、阻尼器铰接座、联动横杆和可伸缩联动长杆，所述作动器通过作动器铰接座连接车体，所述阻尼器通过阻尼器铰接座连接车下设备，所述作动器和阻尼器的数量均为多个，分别位于车下设备的两侧，所述作动器与阻尼器一一对应连接，同侧的所述作动器之间通过所述联动横杆连接，两侧的所述作动器通过所述可伸缩联动长杆连接。
16.进一步地，所述联动横杆与可伸缩联动长杆之间采用间隙配合的方式，可相对转动连接，所述车体通过作动系统连接车下设备。
17.进一步地，所述控制系统包括控制器，该控制器用于接收信号处理器传输的指标信息并进行实时监测判断，若有任意一个指标达到对应的预设阈值，则根据车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系确定阻尼力的施加大小与方向，驱动作动系统。
18.进一步地，所述控制器根据车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系，控制车下设备侧滚频率与车体菱形模态频率一致，且使车下设备侧滚运动与车体菱形模态振动反相位作用，进而确定阻尼力的施加大小与方向，抑制车体菱形模态抖车。
19.进一步地，所述控制器位于车体板中部。
20.本发明还提供一种如上所述的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统的控制方法，包括以下步骤：
21.1)预先设置横向振动最大幅值的阈值、垂向振动最大幅值的阈值、舒适性阈值、横向平稳性阈值、垂向平稳性阈值、车体与车下设备相位差；
22.2)根据信号采集与处理系统中各个加速度传感器获取的实时加速度信息，计算对应的指标；
23.3)根据指标计算结果与预先设置的各个阈值对比，若没有指标达到对应的预设阈值，则作动器不额外施加作用力；若存在指标达到对应的预设阈值，则控制作动器工作，为阻尼器提供额外的阻尼力，通过该阻尼力控制车下设备侧滚频率与车体菱形模态频率一致，且使车下设备侧滚运动与车体菱形模态振动反相位作用。
24.进一步地，通过构建主动控制吸振系统的系统模态振动传递函数，获取所述车体菱形模态频率；
25.所述系统模态振动传递函数的计算表达式为：
[0026][0027]
式中，hr(ω)为系统模态振动传递函数，ω为圆频率，ω0为车体菱形模态频率，j1为车体侧滚转动惯量；l为车体长度；j2为车下设备侧滚转动惯量；θ2为车下设备侧滚角；g为车体地板剪切弹性模量；i为惯性矩；k2为车下设备悬挂刚度；a2为车下设备在联动长杆方向上的悬挂跨距；r1为车体侧滚角。
[0028]
进一步地，通过控制作动器工作，为阻尼器提供额外的阻尼力的计算表达式为：
[0029][0030]
式中，f
t
为作动系统的输出力，c为阻尼调节系数，表示依据车下设备侧滚与车体菱形模态振动间相位确定阻尼力的函数关系，f
max
为作动系统的输出力最大值。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0032]
(1)无需附加吸振质量：本发明就地取材，借助车辆现有车下设备，通过在其上设置作动系统实现对车辆菱形模态振动的控制。
[0033]
(2)振动控制实时性好：本发明采用主动控制，根据车体和车下设备设置的多个加速度传感器获取车辆实时运行状态，主动调节阻尼力，实时有效抑制菱形模态抖车。
[0034]
(3)抑振方式简明：本发明通过在车体地板和车下设备分别设置在竖直位置方向上相对应的相位识别加速度传感器获取车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系，通过作动系统中分布在车下设备的两侧的作动器和阻尼器，控制车下设备侧滚频率与车体菱形模态振动频率相同，且相位相反，可为类似二自由度结构体的模态振动控制方式提供参考。
[0035]
(4)应用范围广。该主动吸振方法可应用到各类轨道交通车辆系统的振动控制，如高速客车、有轨电车、地铁、货运列车等，同理也可推广到胎路运输车辆系统中应用。
附图说明
[0036]
图1为本发明实施例中提供的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统的整体结构示意图；
[0037]
图2为本发明实施例提供的吸振系统中作动系统与车下设备的结构示意图；
[0038]
图3为本发明实施例提供的吸振系统中作动器与阻尼器结构连接示意图；
[0039]
图4为本发明实施例中提供的一种车体菱形模态及本装置作动系统安装位置示意图；
[0040]
图5为本发明实施例中提供的一种作动系统的吸振原理示意图；
[0041]
图6为本发明实施例中提供的一种种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统的主动控制流程闭环简图；
[0042]
图中，1、第一车体加速度传感器，2、控制器，3、信号处理器，4、第二车体加速度传感器，5、车体，6、作动器铰接座，7、作动器，8、第一车下设备相位识别加速度传感器，9、阻尼器铰接座，10、阻尼器，11、车下设备，12、可伸缩联动长杆，13、第二车下设备相位识别加速度传感器，14、联动横杆，15、车体地板中心加速度传感器，16、第一车体地板相位识别加速度传感器，17、第二车体地板相位识别加速度传感器。
具体实施方式
[0043]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0044]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0046]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0047]
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0048]
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0049]
实施例1
[0050]
如图1所示，本实施例提供一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，包括信号采集与处理系统、控制系统和作动系统，控制系统分别连接信号采集与处理系统和作动系统。
[0051]
具体地，信号采集与处理系统包括：第一车体加速度传感器1、第二车体加速度传感器4、车体地板中心加速度传感器15、第一车体地板相位识别加速度传感器16、第二车体地板相位识别加速度传感器17、第一车下设备相位识别加速度传感器8、第二车下设备相位识别加速度传感器13和信号处理器3；
[0052]
第一车体加速度传感器1位于第一转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上，第二车体加速度传感器4位于第二转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上，且与第一车体加速度传感器1对角分布，主要用于平稳性指标分析；车体地板中心加速度传感器15位于车体地板中部，主要用于舒适性分析；第一车下设备相位识别加速度传感器8和第二车下设备相位识别加速度传感器13位于车下设备两端；第一车体地板相位识别加速度传感器16和第二车体地板相位识别加速度传感器17位于车体地板两侧，且与第一车下设备相位识别加速度传感器8和第二车下设备相位识别加速度传感器13位置竖直方向对应，这四个传感器主要用于分析车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系。信号处理器3用于接收加速度信息并计算相关指标。
[0053]
控制系统主要指控制器2，控制器2位于车体板中部，用于接收各种指标信息并进行实时监测，若有任意一个指标达到预先所设定的阈值，控制器根据车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系确定阻尼力的施加大小与方向(该方向使车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动反相位)。
[0054]
如图2和图3所示，作动系统包括作动器7、作动器铰接座6、阻尼器10、阻尼器铰接
座9、联动横杆14、可伸缩联动长杆12。作动器7通过作动器铰接座6连接车体，阻尼器10通过阻尼器铰接座9连接车下设备，作动器7和阻尼器10的数量均为多个，分别位于车下设备的两侧，作动器7与阻尼器10一一对应连接，同侧的作动器7之间通过联动横杆14连接，两侧的作动器7通过可伸缩联动长杆12连接，以确保阻尼力可实现对车下设备侧滚频率的控制。
[0055]
可选的，本实施例中，设置了四个连接点，每个连接点均包括相互连接的作动器7和阻尼器10，四个连接点均采取相同的连接方式。
[0056]
车体菱形模态示意图及作动系统安装位置示意图如图4所示，车体菱形模态振动发生的最大位置在车体中部，因此作动系统安装于车体地板中部位置，可利用设备侧滚运动最大程度抑制菱形模态振动。
[0057]
下面提供本实施例中的一种具体的装配步骤：
[0058]
a.将三向加速度传感器ⅰ1、三向加速度传感器ⅱ4分别安装于车体两个转向架上方横向1m处，且呈对角分布；将信号处理器3、控制器2固定于车底板中心；将车下设备三向加速度传感器ⅰ8、三向加速度传感器ⅱ13安装于车下设备两端；三向加速度传感器15位于车体地板中部；三向加速度传感器16、17位于车体地板两侧，且与传感器8、13位置竖直方向对应。
[0059]
b.作动器铰接座6通过螺栓固定于车体底架。
[0060]
c.作动器7与车体5通过作动器铰接座6铰接。
[0061]
d.作动器7与阻尼器10固定连接。
[0062]
e.阻尼器10与车下设备11通过阻尼器铰接座9铰接。
[0063]
f.阻尼器铰接座9通过螺栓固定于车下设备11上。
[0064]
上述抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统的控制方法，包括以下步骤：
[0065]
1)预先设置横向振动最大幅值的阈值、垂向振动最大幅值的阈值、舒适性阈值、横向平稳性阈值、垂向平稳性阈值、车体与车下设备相位差；
[0066]
2)根据信号采集与处理系统中各个加速度传感器获取的实时加速度信息，计算对应的指标；
[0067]
3)根据指标计算结果与预先设置的各个阈值对比，若没有指标达到对应的预设阈值，则作动器不额外施加作用力；若存在指标达到对应的预设阈值，则控制作动器7工作，为阻尼器6提供额外的阻尼力，通过该阻尼力控制车下设备侧滚频率与车体菱形模态频率一致，且使车下设备侧滚运动与车体菱形模态振动反相位作用。
[0068]
下面结合实例具体介绍所提出的抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振方法流程，如图6所示，先在控制器中预先设定指标阈值，设定横向振动最大幅值的阈值y
max
、垂向振动最大幅值的阈值z
max
、舒适性阈值s
max
、横向平稳性阈值wy、垂向平稳性阈值wz及车体与车下设备振动相位差阈值。
[0069]
当车辆运行时，车体上的三向加速度传感器与车下设备上的三向加速度传感器检测该车的实时振动加速度信号，通过信号处理器计算车体横向振动最大幅值、垂向振动最大幅值、舒适性、横向平稳性和垂向平稳性指标、车体与车下设备相位差，并与控制器中设定指标阈值进行比较，大于设定指标则输出高电平，再经过或逻辑门，即如果有任意一个指标到达阈值，
[0070]
控制器即根据车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系确定阻尼力的施加大小与方向(原则是：使车下设备的侧滚运动频率与车体菱形模态频率ω0相同，且振动相位相反)，该主动控制力信号经由作动器实现对阻尼器输出力的控制。借助车下设备为吸振质量，通过主动作用力实时控制车下设备的侧滚频率和侧滚运动相位，抑制车体菱形模态振动，可有效提高车辆运行平稳性和乘坐舒适性。
[0071]
车体菱形模态频率的确定过程包括：
[0072]
首先对安装作动系统后的车体地板-车下设备系统的运动状态进行分析，如图5所示，可给出系统的动能t和势能u：
[0073][0074][0075]
式中，j1为车体侧滚转动惯量；l为车体长度；r(x,t)为车体地板位置侧滚角，其与地板位置坐标x和时间t有关；j2为车下设备侧滚转动惯量；θ2为车下设备侧滚角；g为车体地板剪切弹性模量；i为惯性矩；k2为车下设备悬挂刚度；a2为车下设备在联动长杆方向上的悬挂跨距；r1为车体侧滚角。
[0076]
令e＝t-u，可得系统的拉格朗日方程为：
[0077][0078][0079]
结合公式(1)、(2)、(3)、(4)可得系统模态振动传递函数：
[0080][0081]
其中，ω为圆频率，ω0为车体菱形模态频率。
[0082]
控制器设置控制条件为：
[0083][0084]
全主动控制力f
t
可表述为：
[0085][0086]
式中：c为阻尼调节系数，表示依据车下设备侧滚与车体菱形模态振动间相位
确定阻尼力的函数关系，f
max
为主动执行机构的输出力最大值。
[0087]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，其特征在于，包括信号采集与处理系统、控制系统和作动系统，所述控制系统分别连接所述信号采集与处理系统和作动系统。2.根据权利要求1所述的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，其特征在于，所述信号采集与处理系统包括：位于第一转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上的第一车体加速度传感器(1)；位于第二转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上的第二车体加速度传感器(4)，所述第一车体加速度传感器(1)与第二车体加速度传感器(4)在地板上沿对角分布，用于平稳性指标分析；位于车体地板中部的车体地板中心加速度传感器(15)，用于舒适性指标分析；位于车下设备两端的第一车下设备相位识别加速度传感器(8)和第二车下设备相位识别加速度传感器(13)；位于车体地板两侧的第一车体地板相位识别加速度传感器(16)和第二车体地板相位识别加速度传感器(17)，所述第一车体地板相位识别加速度传感器(16)和第二车体地板相位识别加速度传感器(17)分别与所述第一车下设备相位识别加速度传感器(8)和第二车下设备相位识别加速度传感器(13)在竖直位置方向上相对应，用于获取车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系；分别连接信号采集与处理系统中各个传感器的信号处理器(3)，用于接收加速度信息并进行指标计算。3.根据权利要求2所述的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，其特征在于，所述作动系统包括作动器(7)、作动器铰接座(6)、阻尼器(10)、阻尼器铰接座(9)、联动横杆(14)和可伸缩联动长杆(12)，所述作动器(7)通过作动器铰接座(6)连接车体，所述阻尼器(10)通过阻尼器铰接座(9)连接车下设备，所述作动器(7)和阻尼器(10)的数量均为多个，分别位于车下设备的两侧，所述作动器(7)与阻尼器(10)一一对应连接，同侧的所述作动器(7)之间通过所述联动横杆(14)连接，两侧的所述作动器(7)通过所述可伸缩联动长杆(12)连接。4.根据权利要求3所述的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，其特征在于，所述联动横杆(14)与可伸缩联动长杆(12)之间采用间隙配合的方式，可相对转动连接，所述车体通过作动系统连接车下设备。5.根据权利要求3所述的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器(2)，该控制器(2)用于接收信号处理器(3)传输的指标信息并进行实时监测判断，若有任意一个指标达到对应的预设阈值，则根据车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系确定阻尼力的施加大小与方向，驱动作动系统。6.根据权利要求5所述的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，其特征在于，所述控制器(2)根据车下设备的侧滚运动与车体菱形模态振动的相位关系，控制车下设备侧滚频率与车体菱形模态频率一致，且使车下设备侧滚运动与车体菱形模态振动反相位作用，进而确定阻尼力的施加大小与方向，抑制车体菱形模态抖车。7.根据权利要求5所述的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，其特征在于，所述控制器(2)位于车体板中部。
8.一种如权利要求3-7任一所述的一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)预先设置横向振动最大幅值的阈值、垂向振动最大幅值的阈值、舒适性阈值、横向平稳性阈值、垂向平稳性阈值、车体与车下设备相位差；2)根据信号采集与处理系统中各个加速度传感器获取的实时加速度信息，计算对应的指标；3)根据指标计算结果与预先设置的各个阈值对比，若没有指标达到对应的预设阈值，则作动器不额外施加作用力；若存在指标达到对应的预设阈值，则控制作动器(7)工作，为阻尼器(6)提供额外的阻尼力，通过该阻尼力控制车下设备侧滚频率与车体菱形模态频率一致，且使车下设备侧滚运动与车体菱形模态振动反相位作用。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过构建主动控制吸振系统的系统模态振动传递函数，获取所述车体菱形模态频率；所述系统模态振动传递函数的计算表达式为：式中，h
r
(ω)为系统模态振动传递函数，ω为圆频率，ω0为车体菱形模态频率，j1为车体侧滚转动惯量；l为车体长度；j2为车下设备侧滚转动惯量；θ2为车下设备侧滚角；g为车体地板剪切弹性模量；i为惯性矩；k2为车下设备悬挂刚度；a2为车下设备在联动长杆方向上的悬挂跨距；r1为车体侧滚角。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过控制作动器工作，为阻尼器提供额外的阻尼力的计算表达式为：式中，f
t
为作动系统的输出力，c为阻尼调节系数，表示依据车下设备侧滚与车体菱形模态振动间相位确定阻尼力的函数关系，f
max
为作动系统的输出力最大值。

技术总结
本发明涉及一种抑制轨道车辆菱形模态抖车的主动控制吸振系统，包括信号采集与处理系统、控制系统和作动系统，信号采集与处理系统包括安装在车下设备和车体上三向加速度传感器和信号处理器，信号处理器处理加速度信息得到指标结果以及车体与车下设备之间的相位信息；控制系统监测指标结果，根据加速度及相位信息计算所需阻尼力；作动系统包括作动器、作动器铰接座、阻尼器、阻尼器铰接座、联动横杆、可伸缩联动长杆，作动器根据控制器计算的阻尼力改变阻尼器输出力，以抑制轨道车辆菱形模态抖车。与现有技术相比，本发明可以改变现有车下设备的侧滚频率与相位降低车体菱形模态异常抖振，无需附加吸振质量即可提高车辆运行平稳性及乘坐舒适性。稳性及乘坐舒适性。稳性及乘坐舒适性。


技术研发人员：宫岛 刘广宇 周劲松 任利惠 李洪威 李坤 沈有红 赵阔 王泽根 邓新
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/6/7