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原文传递高速列车车体及车下惯容悬挂设备耦合系统动态特性研究

论文题名：	高速列车车体及车下惯容悬挂设备耦合系统动态特性研究
关键词：	高速列车;惯容悬挂设备;垂向动力学;线性二次最优控制
摘要：	高速列车在现代综合交通运输中起着支柱作用，俨然成为区域快速发展的助推器，是综合国力的支柱力量。现高速列车动车组采用轻量化的设计准则和动力分散式的牵引方式，轻量化设计准则会导致车身刚度不足，加剧车身的弹性振动；动力分散式牵引方式是将重达几吨的车下悬挂设备安装于车身底架，势必会引起车体和车下悬挂设备的耦合振动。车下悬挂设备采用基于“弹簧－阻尼”的固有减振结构制约着车辆运行平稳性的进一步提升，而惯容器作为一种应用于振动控制系统的双端减振元件，由于其具有低频减振效果，在悬挂减振系统方面已获得广泛研究。基于以上问题，本文将惯容器引入车下悬挂设备，分别设计了单级和两级车下新型惯容悬挂设备，建立了高速列车车体及车下新型惯容悬挂设备刚柔耦合垂向动力学模型，将线性二次最优控制（LQR,Linear Quadratic Regulator）理论运用于车下惯容悬挂设备，并与被动惯容悬挂设备进行对比分析。本文的主要研究内容归纳如下：　　（1）高速列车车下单级被动惯容悬挂设备动态特性研究。将惯容器运用于高速列车车下悬挂设备，基于“惯容－弹簧－阻尼”减振结构，建立了高速列车车体及车下惯容悬挂设备刚柔耦合垂向动力学模型，通过遗传算法对惯容悬挂系统结构参数进行了优化设计，采用虚拟激励法快速获得系统的动态响应，并采用Sperling平稳性指数评价系统的动态特性。仿真结果表明与被动悬挂设备相比，在低速时车身振动加速度均方根值减小50%，Sperling平稳性指数优化15%。　　（2）高速列车车下单级半主动惯容悬挂设备动态特性研究。基于LQR半主动控制策略，建立了高速列车车体及车下半主动惯容悬挂设备刚柔耦合垂向动力学模型。为了进一步改善控制效果，基于半主动刚柔耦合动力学模型仿真获得的动力学性能指标，利用粒子群算法对影响指标的加权系数进行了优化设计，并与被动惯容悬挂设备进行对比，分析了车下半主动惯容悬挂设备在时域和频域下的动态性能。研究表明与被动惯容悬挂设备相比，采用半主动惯容悬挂设备的高速列车车身振动加速度均方根值减小18%，Sperling平稳性指数优化8%。　　（3）高速列车车下两级惯容悬挂设备动态特性及半主动控制研究。采用两级减振原理分析车下有源悬挂设备对高速列车车身振动产生的影响，基于“惯容－弹簧－阻尼”减振结构，建立了高速列车车体及车下两级惯容悬挂设备刚柔耦合垂向动力学模型，并基于虚拟激励法快速求得系统的动态性能，从而获得了结构参数的最优解。将LQR半主动控制策略运用于车下两级惯容悬挂设备，利用粒子群算法对LQR控制器的重要参数进行优化设计，并与被动惯容悬挂设备进行对比分析。研究表明与被动惯容悬挂设备相比，采用基于LQR控制策略的新型两级半主动惯容悬挂设备的高速列车车身振动加速度均方根值减小18%，Sperling平稳性指数优化8%。　　（4）高速列车车下惯容悬挂设备动态试验研究。将半主动刚柔耦合动力学模型进行轨道谱输入试验，并与被动惯容悬挂设备进行比较。试验表明，与单级被动惯容悬挂设备相比，单级半主动惯容悬挂设备在车速分别为200km/h、260km/h和350km/h下，高速列车车身振动加速度均方根值分别减小了1.80%，8.39%和18.43%。与两级被动惯容悬挂设备相比，两级半主动惯容悬挂设备在车速为200km/h、260km/h和350km/h下的车身振动加速度均方根值减小了4.88%，14.63%和24.17%。试验结果证明了本文设计的新型车下惯容悬挂设备能够显著抑制车身振动，提高车辆动态性能，为惯容悬挂设备工程应用奠定理论基础。　　综上所述，本文系统地研究了高速列车车体及车下惯容悬挂设备刚柔耦合系统的动态性能，并将LQR半主动控制运用于车下惯容悬挂设备，研究了半主动刚柔耦合系统的动态性能，研究结果为建立惯容悬挂设备减振理论与参数设计准则提供指导。
作者：	李昊轩
专业：	车辆工程
导师：	王勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022