一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器

1.本发明涉及轨道交通吸振技术领域，尤其是涉及一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器。


背景技术：

2.随着轨道交通的迅速发展，高速列车的运行速度、载重和发车频次大幅提升，车辆振动问题日益凸显。低频晃车是铁道车辆的一种常见异常振动现象，对列车运行平稳性和乘坐舒适性构成了极大的威胁。
3.低频晃车的频率属于人体敏感频率范围，导致旅客乘坐体验感不佳，舒适感大大降低。导致晃车的因素众多，如车辆关键部件的性能演变、轮轨磨耗以及外界横风激扰等，目前低频晃车的形成机理尚无统一定论，也没有固定的治理方法，采用主动控制方法抑制轨道车辆低频晃车具有其独特的优势。


技术实现要素：

4.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晃车的枢接式主动控制动力吸振器，通过吸振质量块与轴承内圈之间的枢接式转动吸振方式，对车体的横移、侧滚和摇头运动实施多方向抑制作用。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，该动力吸振器成对设置，每对动力吸振器分别安装在车体前端和后端的底架上。
7.进一步地，所述动力吸振器包括信号采集系统、控制系统和减振系统，所述控制系统分别连接所述信号采集系统和减振系统。
8.进一步地，所述信号采集系统包括边侧振动传感器集、中部振动传感器集和信号处理器，所述边侧振动传感器集位于车体转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上，用于测得车体边侧的实时垂向振动加速度；所述中部振动传感器集位于车体板中部，用于测得车体中部的实时横向振动加速度；所述信号处理器分别连接边侧振动传感器集和中部振动传感器集，用于接收加速度信息并进行指标计算。
9.进一步地，所述边侧振动传感器集和中部振动传感器集均包括多个振动传感器。
10.进一步地，所述控制系统安装在车体的控制器和安装在车体底部的作动器，所述控制器连接所述信号处理器，根据信号处理器计算的实时指标采用天棚模态控制与天棚阻尼控制算法，计算所需施加的主动力，通过所述减振系统改变阻尼力。
11.进一步地，所述减振系统包括吸振质量块、开口型直线轴承、轴承内圈固定杆、轴承外圈固定杆、阻尼器、阻尼器安装座与阻尼器铰接销座，所述开口型直线轴承通过轴承内圈固定杆与车体地板联结，所述阻尼器、阻尼器安装座与阻尼器铰接销座的数量均为两个，所述作动器通过阻尼器安装座分别与两个阻尼器联结，并对阻尼器施加主动力；两个阻尼器通过阻尼器铰接销座分别与轴承内圈固定杆和轴承外圈固定杆铰接；所述吸振质量块的
一端连接轴承外圈固定杆，另一端通过开口型直线轴承和轴承内圈固定杆安装于车体底部。
12.进一步地，所述吸振质量块与开口型直线轴承直接通过两个阻尼器的铰接连接方式，实现枢接式转动吸振方式，对车体的横移、侧滚和摇头运动实施多方向抑制。
13.进一步地，所述控制器的控制过程包括：
14.所述控制器中预设有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、横向平稳性阈值和垂向平稳性阈值；
15.所述控制器实时获取信号处理器根据成体垂向振动加速度和横向振动加速度计算的实时指标；
16.所述控制器将获取的指标结果与对应的预设的阈值对比，若未达到预设的阈值，则控制作动器不额外施加作用力；若任意指标达到预设的阈值，则控制作动器工作，作动器给阻尼器提供额外的阻尼力，抑制车体晃动。
17.进一步地，所述控制器根据天棚模态原理计算车体不同模态的加速度与模态速度，从而根据天棚阻尼原理设置增益系数得到相应的模态阻尼力，根据该模态阻尼力合成为作动器的实际输出力。
18.进一步地，根据车体不同模态的加速度进行积分得到对应的模态速度。
19.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
20.(1)本发明提供的枢接式主动控制动力吸振器中，将两个阻尼器通过阻尼器铰接销座与开口型直线轴承内圈固定杆、轴承外圈固定杆铰接，实现吸振质量块与轴承内圈之间的枢接式转动吸振方式，可使得阻尼器作用力方向更加灵活，对车体的横移、侧滚和摇头运动实施多方向抑制作用，控制效果更佳。
21.(2)由于吸振器轴承内圈固定杆刚性联结于车体底部、吸振质量块与轴承内圈之间的枢接转动，因此施加于轴承内外圈的阻尼力可直接作用到车体，输出力的相对转化效率较高。
22.(3)控制系统可根据车辆实时运行工况，通过天棚模态原理计算不同模态加速度与模态速度，根据天棚阻尼原理设置增益系数得到相应的模态阻尼力，而后减振系统将模态阻尼力合成为作动器实际输出力，具有较高的控制实时性。
附图说明
23.图1为本发明实施例中提供的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器的整体结构示意图；
24.图2为本发明实施例中提供的一种阻尼器和作动器的连接结构示意图；
25.图3为本发明实施例中提供的一种传感器测点位置及动力吸振器安装位置示意图；
26.图4为本发明实施例中提供的一种枢接式主动控制动力吸振器的控制方法流程示意图；
27.图中，1、边侧振动传感器集，2、中部振动传感器集，3、控制器，4、车体，5、作动器，6、阻尼器，7、阻尼器铰接销座，8、阻尼器安装座，9、轴承内圈固定杆，10、轴承外圈固定杆，11、开口型直线轴承，12、吸振质量块。
具体实施方式
28.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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.实施例1
35.如图1和图2所示，本实施例提供一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，该动力吸振器成对设置，每对动力吸振器分别安装在车体前端和后端的底架上。
36.每个动力吸振器均包括信号采集系统、控制系统和减振系统，控制系统分别连接信号采集系统和减振系统。
37.信号采集系统包括边侧振动传感器集1、中部振动传感器集2和信号处理器，边侧振动传感器集1位于车体转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上，用于测得车体边侧的实时垂向振动加速度，具体位于转向架上方偏于车体中心横向1m处的地板上；
38.中部振动传感器集2位于车体板中部，用于测得车体中部的实时横向振动加速度；信号处理器分别连接边侧振动传感器集1和中部振动传感器集2，用于接收加速度信息并进行指标计算。
39.边侧振动传感器集1和中部振动传感器集2均包括多个振动传感器。
40.控制系统安装在车体的控制器3和安装在车体底部的作动器5，控制器3连接信号处理器，根据信号处理器计算的实时指标采用天棚模态控制与天棚阻尼控制算法，计算所需施加的主动力，通过减振系统改变阻尼力；作动器位于车体底部，作动器可控制阻尼器输出力。
41.减振系统包括吸振质量块12、开口型直线轴承11、轴承内圈固定杆9、轴承外圈固定杆10、阻尼器6、阻尼器安装座8与阻尼器铰接销座7，开口型直线轴承11通过轴承内圈固定杆9与车体地板联结，阻尼器6、阻尼器安装座8与阻尼器铰接销座7的数量均为两个，作动器5通过阻尼器安装座8分别与两个阻尼器6联结，并对阻尼器6施加主动力；两个阻尼器6通过阻尼器铰接销座7分别与轴承内圈固定杆9和轴承外圈固定杆10铰接；吸振质量块12的一端连接轴承外圈固定杆10，另一端通过开口型直线轴承11和轴承内圈固定杆9安装于车体底部。
42.上述动力吸振器的装配方案如下：
43.a.边侧振动传感器集1安装在转向架上方偏于车体中心横向1m处的地板上，中部振动传感器集2安装在车体板中部，控制器3安装在车体4上。
44.b.吸振质量块通过开口型直线轴承及轴承内圈固定杆安装于车体底部。
45.c.作动器与两个阻尼器联结。
46.d.两个阻尼器分别与轴承内圈固定杆和轴承外圈固定杆铰接。
47.如图2所示，作动器通过两个阻尼器安装座与两个阻尼器联结，两个阻尼器通过阻尼器铰接销座与轴承内外固定杆铰接。因此吸振质量块与轴承内圈之间的枢接式转动吸振方式，可对车体的横移、侧滚和摇头运动实施多方向抑制作用，控制效果更佳，可有效抑制车辆晃车。
48.控制器3的控制过程包括：
49.控制器3中预设有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、横向平稳性阈值和垂向平稳性阈值；
50.控制器3实时获取信号处理器根据成体垂向振动加速度和横向振动加速度计算的实时指标；
51.控制器3将获取的指标结果与对应的预设的阈值对比，若未达到预设的阈值，则控制作动器5不额外施加作用力；若任意指标达到预设的阈值，则控制作动器5工作，作动器5给阻尼器6提供额外的阻尼力，抑制车体晃动；
52.控制器3根据天棚模态原理计算车体不同模态的加速度与模态速度，从而根据天棚阻尼原理设置增益系数得到相应的模态阻尼力，根据该模态阻尼力合成为作动器的实际输出力。
53.如图3所示，为本实施例中提供的一种具体的边侧传感器设置，其中，s1、s2表示前、后平稳性测点(边侧传感器测点)，s3为后平稳性测点的对称点(边侧传感器测点)，c1、c2、c3表示舒适性测点(中部传感器测点)，可得：
[0054][0055]
式中：为车体质心的横移加速度，为车体质心的侧滚角加速度，车体质心的摇头角加速度，为点头加速度，h为车体质心到地板面平稳性测点的垂向距离，l
x
为平稳性测点距车体地板面中心的纵向距离，ly为平稳性测点距车体地板面中心的横向距离
(1m)；a
1y
为平稳性测点s1的横向加速度，a
2y
为平稳性测点s2的横向加速度，a
2z
为平稳性测点s2的垂向加速度，a
3z
为平稳性测点s2对称点s3的垂向加速度。
[0056]
由式(1)可计算车体横移、摇头、侧滚3个模态的振动加速度依次为：
[0057][0058][0059][0060]
对模态加速度信号进行积分得模态速度，根据天棚阻尼原理可以设置增益系数得到相应的模态阻尼力。
[0061]
在控制器中预先设定阈值，设定横向振动最大幅值的阈值ay和垂向振动最大幅值的阈值az，舒适性阈值c，横向平稳性阈值sy，垂向平稳性阈值sz。
[0062]
本实施例装置的具体控制方法流程包括：如图4所示，当车辆运行时，车体上的传感器实时检测车体地板边侧和中部的振动加速度信号，并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，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，控制器便会采取天棚模态控制法与天棚阻尼控制算法计算出需要的主动控制力，计算过程如下：
[0063]
首先进行模态振动幅值识别，即识别出车体的3个振动模态(横移、摇头、侧滚)的加速度，根据各个模态振动设计最优天棚阻尼系数，进而获得控制模态振动的阻尼力，最后通过作动器对阻尼器施加主动力，可使得减振系统的吸振质量块与轴承内圈在预定阻尼力作用下转动，降低车体横移、摇头、侧滚的模态振动，抑制车体晃动。
[0064]
这种吸振质量与车体(车体与轴承内圈固定)之间枢接的方式，可在车体的横移、摇头、侧滚模态振动的多个方向上产生作用，巧妙且有效抑制车体的晃动，提高车辆运行平稳性和乘坐舒适性。此外，如果所有计算指标都没有达到阈值，则由阻尼器自身调节阻尼力即可，即为被动调节状态。
[0065]
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晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，该动力吸振器成对设置，每对动力吸振器分别安装在车体前端和后端的底架上。2.根据权利要求1所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，所述动力吸振器包括信号采集系统、控制系统和减振系统，所述控制系统分别连接所述信号采集系统和减振系统。3.根据权利要求2所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，所述信号采集系统包括边侧振动传感器集(1)、中部振动传感器集(2)和信号处理器，所述边侧振动传感器集(1)位于车体转向架上方偏于车体中心横向一侧的地板上，用于测得车体边侧的实时垂向振动加速度；所述中部振动传感器集(2)位于车体板中部，用于测得车体中部的实时横向振动加速度；所述信号处理器分别连接边侧振动传感器集(1)和中部振动传感器集(2)，用于接收加速度信息并进行指标计算。4.根据权利要求3所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，所述边侧振动传感器集(1)和中部振动传感器集(2)均包括多个振动传感器。5.根据权利要求3所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，所述控制系统安装在车体的控制器(3)和安装在车体底部的作动器(5)，所述控制器(3)连接所述信号处理器，根据信号处理器计算的实时指标采用天棚模态控制与天棚阻尼控制算法，计算所需施加的主动力，通过所述减振系统改变阻尼力。6.根据权利要求5所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，所述减振系统包括吸振质量块(12)、开口型直线轴承(11)、轴承内圈固定杆(9)、轴承外圈固定杆(10)、阻尼器(6)、阻尼器安装座(8)与阻尼器铰接销座(7)，所述开口型直线轴承(11)通过轴承内圈固定杆(9)与车体地板联结，所述阻尼器(6)、阻尼器安装座(8)与阻尼器铰接销座(7)的数量均为两个，所述作动器(5)通过阻尼器安装座(8)分别与两个阻尼器(6)联结，并对阻尼器(6)施加主动力；两个阻尼器(6)通过阻尼器铰接销座(7)分别与轴承内圈固定杆(9)和轴承外圈固定杆(10)铰接；所述吸振质量块(12)的一端连接轴承外圈固定杆(10)，另一端通过开口型直线轴承(11)和轴承内圈固定杆(9)安装于车体底部。7.根据权利要求6所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，所述吸振质量块(12)与开口型直线轴承(11)直接通过两个阻尼器(6)的铰接连接方式，实现枢接式转动吸振方式，对车体的横移、侧滚和摇头运动实施多方向抑制。8.根据权利要求6所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，所述控制器(3)的控制过程包括：所述控制器(3)中预设有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、横向平稳性阈值和垂向平稳性阈值；所述控制器(3)实时获取信号处理器根据成体垂向振动加速度和横向振动加速度计算的实时指标；所述控制器(3)将获取的指标结果与对应的预设的阈值对比，若未达到预设的阈值，则控制作动器(5)不额外施加作用力；若任意指标达到预设的阈值，则控制作动器(5)工作，作动器(5)给阻尼器(6)提供额外的阻尼力，抑制车体晃动。9.根据权利要求8所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，所述控制器(3)根据天棚模态原理计算车体不同模态的加速度与模态速度，从而根
据天棚阻尼原理设置增益系数得到相应的模态阻尼力，根据该模态阻尼力合成为作动器的实际输出力。10.根据权利要求9所述的一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，其特征在于，根据车体不同模态的加速度进行积分得到对应的模态速度。

技术总结
本发明涉及一种抑制轨道车辆晃车的枢接式主动控制动力吸振器，成对设置在车体前端和后端的底架上，包括信号采集系统、控制系统和减振系统，减振系统包括吸振质量块、开口型直线轴承、轴承内圈固定杆、轴承外圈固定杆、阻尼器、阻尼器安装座与阻尼器铰接销座，作动器通过阻尼器安装座分别与两个阻尼器联结；两个阻尼器通过阻尼器铰接销座分别与轴承内圈固定杆和轴承外圈固定杆铰接；吸振质量块的一端连接轴承外圈固定杆，另一端通过开口型直线轴承和轴承内圈固定杆安装于车体底部。与现有技术相比，本发明可使阻尼力在车体的横移、摇头、侧滚模态振动的多个方向上产生作用，巧妙有效抑制车体的晃动，从而提高车辆运行平稳性和乘坐舒适性。舒适性。舒适性。


技术研发人员：宫岛 刘广宇 周劲松 任利惠 李坤 李洪威 赵阔 沈有红 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：2023/5/26