文献翻译Semiactive control to reduce carbody vibration of railway vehicleWord格式.docx
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在此研究中，带磁流阻尼器的天棚控制被应用到滚动试验台上的遏制车体横向振动的1/5比例的铁路车辆模型实验中。
根据这1/5比例原型模型的铁路车辆，其他车辆的尺寸以相似方法进行缩减。
通过对控制车体横向振动的数值分析和实验进行了比较。
详细讨论了提高乘坐舒适性和通过使用半主动控制运行的铁路车辆稳定性的可能性。
关键字：
半主动控制；
铁路车辆；
缩放滚动试验台；
磁流变阻尼器（MR阻尼器）
1.介绍：
最近铁路系统因为其环保的运输手段，提高铁路车辆性能的技术越来越多地需要。
一般情况下，驾乘的舒适性主要受转向架和车体之间的辅助放置空间，还有受连接轮和转向架【1，2】之间基础悬架对正在运行的稳定性的影响。
由于传统被动悬架在其在提高性能方面优化的限制，几十年来进行了半主动和主动悬浮在铁路车辆中使用的研究。
半主动悬架与主动相比的一点好处是简单起见，因为单独电源供应制动器不是需要用到的【3】。
半主动悬架受到的关注一直很多，因为它可以找到成本和改善平顺性的备用方案间的最佳平衡点。
铁路车辆上半主动悬架的主要技术是使用液压型半主动阻尼器。
然而，只有通过数值示例【4】才能对铁路车辆的磁流变阻尼器应用进行讨论。
王等人在其数值模拟中报道，相对于被动悬架系统[5]来说使用磁流变阻尼器的半主动悬架系统可以大大减少车体振动。
此外，Hudha等人比较了使用天棚控制的半主动悬架系统和被动悬架系统【6】的性能。
Stribersky等人通过现场测试表明液压型半主动阻尼器能够提供平顺度达15%。
Sasaki等人报道不带有可变倾斜式阻尼器的半主动悬架可以抑制车体的横向振动约20-30%【8,9】。
除了这些研究，已经存在很多在铁路车辆的半主动悬架上应用了几十年的理论和实验研究工作【10】。
然而，在铁路车辆上目前使用最多的半主动阻尼器大多是液压类型。
能够使用液压电磁阀的半主动悬架能力使它适用于铁路车辆[11]。
然而，使用液压电磁阀的半主动阻尼器需要单独的液压缸提供流体，而且维修时很难防止它不漏油。
另一方面，使用磁流变阻尼器的半主动悬架是一个相对简单的系统，并且具有相比传统半主动悬架维护中没有的优势。
尽管许多国家有许多相关研究，但都尚未应用到一个真正的铁路车辆当中。
Y.J.Shin等人/机械科学与技术26（11）杂志（2012年）3423~3431
表1。
缩放后的汽车模型的自由度
参数
横向位移
偏航角
滚动角
轮对（i=1~2）
yi
𝟁
i
-
转向架
yb
b
𝞥
车体
c
表2。
缩放比例因子和参数值。
因数
原尺寸
比率
1/5比例
半车体质量（公斤）
10.50e3
90.26
半车体框架长度（米）
10.00
2.00
半车体框架宽度（米）
3.12
0.62
转向架质量（公斤）
2.15e3
17.20
半转向架框架长度（米）
2.97
0.59
半转向架框架宽度（米）
1.97
0.39
轮对质量（公斤）
1.69e3
13.50
纵向主刚度（牛/米）
6.70e3
5.40e4
横向主刚度（牛/米）
4.90e6
3.97e4
垂直主刚度（牛/米）
8.94e6
7.15e4
纵向第二刚度（牛/米）
1.67e5
横向第二刚度（牛/米）
0.98e3
垂直第二刚度（牛/米）
3.20e5
2.56e3
图1。
半车汽车模型
目前这个研究的目的是通过磁流变阻尼器的应用来提高驾乘舒适性，而不是由被动横向阻尼器在转向架和车体之间的空间所决定的。
为此，对1/5比例的铁路车辆动态模型采用数学方法进行研究。
其性能通过使用一种数值方法模拟。
用配备有磁流变阻尼器的1/5比例的模型来验证这一理论结果。
2.1/5缩放铁路车辆动态建模的动态模型
在这个部分，通过1/5比例的铁路车辆的动态模型进行推导评估出正在运行的特点。
铁路车辆的数学模型是由两个车轮，一个转向架和半车体组成，如图1所示。
他们是由一级和二级悬浮架相连。
如表1所示，横向和偏航运动被认为是轮对，横向.偏航和横摇运动对转向架的影响。
因为考虑了试验的边界条件，车体上无横向运动的偏航和横摇运动被采用了。
因此，总的自由度是9而且控制的目标是减少车体的偏航振动。
数值分析中，城市铁路车辆的一般参数的应用如表2所示。
模型的运动方程详载于AppendixA.1。
此外，空间状态方程表示为方程
（1）-（3）。
（1）
而
A=
B=
（2a,2b）
C=
,D=
（2c.2d）
这分别表示系统矩阵，输入矩阵，输出矩阵，以及传输矩阵。
而代表系统静态的静态向量为
X=
（3）
3.1/5铁路车辆的磁流变减震器
图2.一个缩放的磁流变阻尼器和在振动试验台上的电流驱动器
图3，（MR）阻尼器的性能测试结果（力-速度）。
图4.阻尼器的测试结果和近似公式
这种目前应用于铁路车辆的半主动悬浮架在大多数情况下采用使用液压的可变节流孔形式。
另一方面，MR阻尼器不需要在可调阻尼器中使用机械阀。
它的工作机制是当电流被施加到电磁线圈时通过改变磁流变流体在壳体和活塞间隙磁场中的间距而改变粘度从而生成控制力。
使用磁流变阻尼器的半主动悬架优点之一是它的设计比液压半主动悬架更简单。
此外，它不需要那些用于主动悬架的额外的外部力量和设备。
在这项研究中，缩放后的MR阻尼器以1/5比例车辆模型的半主动悬架展开研究。
通过一系列测试验证其性能。
考虑到121N的20%的余裕，通过比例变化的磁流变阻尼器的最大力被设置为通过模拟得到的最大值150N。
显示在图2中缩小的阻尼器和电流驱动装置可以控制阻力系数。
性能测试是按照不同的励磁频率和电流进行测试的。
显示在图2中的阻力器测试台试验了从±
3.0mm.内的不同位置发出0.5Hz,1Hz,3Hz,4Hz和5Hz的不同激励频率对磁流变阻力器进行测试。
对各种激励条件和输入电流下的阻尼力进行了测量。
图3显示了缩小的磁流变阻尼器性能测试结果和在3HZ的激励下±
3.0mm内的力和速度图像。
由于力的特性，阻尼力随施加到磁流变阻尼器上的电流增大而增大。
基于适用于横向振动的力-速度图像得出最大阻尼为148.2Ns/mm。
图4显示了由（MR）阻尼器性能测试数据所得表示力和速度关系的曲线并且，它可以通过公式4可以推导。
4.天棚控制
众所周知，天棚逻辑具有理想的振动悬架的特性【12】。
天棚配置了连接到虚构天空的阻尼器。
由于天棚阻尼器，这个力表示为
是车体的绝对速度。
这个采用假想天空的理想天棚阻尼器不能应用在实际系统中【13】。
因此，需要考虑一些表示等效天棚阻尼力的方法。
在本文中，天棚控制应用于在转向架和车体之间的MR阻尼器中；
阻尼力通过利用等效的阻尼系数得到。
半主动天棚控制法如下计算：
表示转向架和车体的相对速度，
表示车体的绝对速度。
图5显示了仿真软件程序对采用天棚控制器的铁路车辆模型的动态仿真。
图5.铁路车辆模型的动态仿真程序
图6.干扰信号的仿真
图7.由天棚控制对车体加速度降低的仿真。
图8.MR阻尼器的控制力
图9.控制前后车体振动的位移
5.数值仿真
为了确定在实验测试中使用的缩小的车辆的动态特性，数值分析方法被采用了。
详细结果见参考文献【14】、【15】。
在数值分析中，为了进行更准确的仿真，激励了实验测试中的振动试验台的横向位子的制动电压被转换成一个干扰力。
图6显示了滚动实验台上在频域和时域内干扰信号。
如上所述，天棚阻尼控制通过使用正在滚动试验台上运行的1/5比例铁路车辆测试的干扰信号作为输入信号，进行数值分析。
图7表明车体的振动被很好地控制在不超过7.5HZ的频率范围内。
尤其在当天棚增益被设为20，一个显著的控制效果被发现了。
这时在4HZ的频域，频域特性的干扰比较明显。
在控制器中产生的控制力如图8所示。
，最大值为121N。
图9显示了当4HZ的横向波对轮对进行激励时车体通过仿真的振动位移大小。
通过使用MR阻尼器的控制效果大约为77%（从1.57毫米到0.35毫米），可以发现这可达8.0秒左右。
6.实验
6.1实验仪器
在本节中，1/5比例的铁路车辆和滚动试验台的规格进行了说明。
图10显示了缩放滚动振动试验台和铁路车辆的结构，它是由轮对，转向架，，半车体，悬架和中心支点组成。
二级悬架通过使用球辊和螺旋线圈构成，因此横向和纵向的的动态特性能够分离。
而且磁流变阻尼器安装在转向架和车体之间。
对于原型车辆模型的生产，城市铁路车辆的参数使用考虑到1/5比例的规格（如表二所示）。
缩放的滚动振动试验台被设计，以至于在导轨上相应的辊通过速度命令被伺服马达控制。
车体被垂直的二级悬架所支撑，它安装在车体的上半部分和转向架的中心部分。
车体通过一个中心枢纽连接到转向架上。
在车体和中心枢纽之间有±
0.2mm间距。
在安装缩放转向架上半部分的二级悬架中，TM导杆和带有空气弹簧刚度的螺旋弹簧结合在一起。
此外，垂直螺旋弹簧的刚性特征被限制，以确保有垂直运动。
而且，一个柱塞式球辊被附加到TM导杆和车体顶部，如图11所示。
这个球辊设计用来模拟横向和偏航方向的运动。
图10.测试滚动试验台的布局（前视图）
图11.缩放铁路车辆的详细组成
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