基于VI-Rail的高速動車組半主動協調控制仿真分析*

趙義偉 劉永強 張新立 廖英英 馬增強

基于VI-Rail的高速動車組半主動協調控制仿真分析*

趙義偉1劉永強1張新立1廖英英2馬增強3

（1.石家莊鐵道大學機械工程學院，050043，石家莊；2.石家莊鐵道大學土木工程學院，050043，石家莊；3.石家莊鐵道大學電氣工程學院，050043，石家莊//第一作者，碩士研究生）

為了提升高速動車組的運行品質，提出了一種二系橫向、抗蛇行減振器半主動協調控制方法。首先利用VI-Rail軟件建立動車組單車模型，然后對提出的半主動協調控制方法進行動力學仿真，并與被動控制下的列車運行品質進行比較分析，探究此半主動協調控制方法對高速動車組運行平穩性和曲線通過安全性的影響。仿真結果表明：采用半主動協調控制的高速動車組的各項性能指標均明顯優于被動控制，而且有效緩解了列車運行平穩性和曲線通過性之間的矛盾，能很好地提升動車組的運行品質。

高速動車組；半主動協調控制；橫向減振器；抗蛇行減振器

懸掛系統的特性決定了動車組的動力學性能。傳統被動懸掛系統的阻尼和剛度無法在工作過程中進行自我調節，因此難以適應列車高速運行的要求，也無法適應不同線路的運行條件。針對被動懸掛的缺陷，國內外學者提出了許多基于主動控制技術的主動和半主動控制方法，并對此進行了分析。文獻［1-3］對車輛的半主動控制技術進行了仿真分析與試驗研究，得到了良好的效果；文獻［4］采用天棚和地棚混合半主動控制策略對單車模型進行了仿真分析，提高了整車動力學性能；文獻［5］提出了一種基于SH-ADD的新型半主動控制策略，提高了列車橫向平穩性能；文獻［6］用單車模型研究了主動控制技術對車輛動力學性能的影響；文獻［7-8］研究了半主動控制技術對車輛性能的影響。本文將二系橫向半主動控制技術與抗蛇行半主動控制技術聯合起來進行協調控制（即半主動協調控制），并對整車模型進行動力學仿真，進而分析其對列車平穩性和曲線通過性的影響。

1 動車組建模

以某型高速動車組頭車的技術參數為標準，利用VI-Rail多體動力學軟件［9］建立高速動車組單車空車模型，且將車體視為剛體，不考慮其彈性變形。動車組整車模型主要的技術參數如表1所示。車體模型和轉向架模型如圖1、2所示。

表1 模型主要技術參數

圖1 動車組車體模型

圖2 轉向架模型

將建立好的車體和轉向架模型組裝成車輛系統集成模型，如圖3所示。

圖3 動車組單車模型

2 橫向減振器半主動控制策略

要實現半主動控制，橫向減振器的阻尼必須能實時變化，因此用力元來取代橫向減振器的固定阻尼系數，并采用一種加速度阻尼控制策略［5］和IF函數來控制力元，從而實現橫向減振器半主動控制。

加速度阻尼控制策略如下：

式中：

C1——被動懸掛阻尼系數，C1=58.8 kN·s/m；

x·1——車體橫向速度；

x·2——轉向架橫向速度；

x··1——車體橫向加速度；

x·1-x·2——車體與轉向架之間的橫向相對速度。

3 抗蛇行減振器控制策略

對抗蛇行減振器進行半主動控制，仍然是利用IF函數控制減振器阻尼系數。但是，列車在直線軌道與曲線軌道上所需要的最優抗蛇行阻尼系數值不同，因此判斷列車是在直線軌道還是在曲線軌道上運行的切換參數便成為控制的關鍵所在。

由于存在曲線軌道超高因素，當列車通過曲線軌道時，車體左右兩側的垂向高度會發生變化，并且列車在曲線上的垂向變化會明顯大于在直線運行時的變化，因此可以把列車左右兩側的垂向高差（ΔZ）作為直線行駛與曲線行駛的切換參數［10］。本文將建立的高速動車組分別在直線與曲線軌道上進行動力學仿真，得出在不同軌道上的垂向高差，如圖4所示。

圖4 直線與曲線軌道上車體兩側垂向相對位置

由圖4可知，在直線軌道上，車體兩側垂向相對高差很小，僅幾毫米，而在曲線軌道上，車體兩側垂向相對高差達140 mm。取車體兩側垂向相對高差瓶頸值9.5 mm作為判斷直線行駛與曲線行駛的閾值。

列車在直線軌道行駛時，抗蛇行減振器阻尼系數越大，列車的橫向穩定性越好，但是考慮國內的技術因素，暫取其阻尼系數的最大極限值為1×107N·s/m。列車在曲線軌道行駛時，抗蛇行減振器系數必須具有最優值，才能保證列車有良好的平穩性與安全性。為了準確確定曲線通過時的抗蛇行最優阻尼系數值，預設該最優值的取值范圍為［1×105N·s/m，2×106N·s/m］，步長為 1×105，利用 VI-Rail進行動力學仿真。仿真結果如圖5所示。

圖5 通過曲線時抗蛇行阻尼系數優化

由圖5可知，曲線軌道上最優的抗蛇行阻尼系數為3×105N·s/m。因此，可得出高速動車組單車模型的抗蛇行減振器半主動控制策略為：

式中：

Cz——直線軌道上的最佳阻尼系數，Cz=1×107N·s/m；

Cq——曲線軌道上的最佳阻尼系數，Cq=3×105N·s/m；

ΔZ——車體兩側垂向高差。

4 半主動協調控制仿真分析

將上述兩個控制策略用VI-RAIL軟件添加到建立好的整車模型上，對其進行動力學仿真并分析此協調控制的好壞。

選取德國低干擾譜為高速動車組減振器的半主動協調控制的仿真軌道激勵，模擬動車組單車模型以250 km/h的速度勻速運行，首先通過347.20 m的直線區段和208.32 m的緩和曲線區段，然后在半徑為2 200 m、軌道超高為150 mm的曲線段上運行至1 597.12 m處，再經過208.32 m的緩和曲線區間，最后在直線區段行駛至2 083.33 m處。其動力學仿真結果如圖6～10所示。

圖6 車體橫向加速度

圖7 脫軌系數

圖10 輪軌垂向力

由圖6～10可知，與無控制相比，半主動協調控制可大幅降低列車的平穩性指標值與曲線安全性指標值，其中，最大車體橫向加速度由1.04 m/s2降到了0.82 m/s2，降幅為26.3%；最大脫軌系數由0.13降到了0.063，降幅可達50%；最大輪重減載率由0.51降到了0.30，降幅為39.9%；最大輪軸橫向力從14.6 kN降到10.4 kN，降低了29.2%；最大輪軌垂向力從91.3 kN降到了76.5 kN，降低了16%。

5 結語

本文對單車模型進行仿真分析，發現采用半主動協調控制方法能大幅度地提高列車的平穩性以及曲線通過安全性能。二系橫向半主動控制可提高列車平穩性，抗蛇行半主動控制可緩解動車組橫向運行平穩性與曲線通過安全性之間的矛盾。半主動協調控制則集合了上述兩者的優點。仿真數據表明：采用半主動協調控制，車體橫向振動加速度降低了26.3%，最大脫軌系數降低了50%，輪重減載率降低了39.9%，輪軸橫向力降低了29.2%，輪軌垂向力降低了16%。

［1］ 楊建偉，黃強，李偉，等.基于加速度阻尼控制的半主動懸掛研究［J］.鐵 道 學 報 ，2006，28（5）：22-27.

［2］ 楊明輝.半主動懸掛機車橫向動力學性能研究［D］.成都：西南交通大學，2005.

［3］ 熊永剛，謝勇，丁問司，等.機車車輛半主動懸掛控制系統的研究［J］.中 南 大 學 學 報 ，2005，36（4）：678-682.

［4］ 郭孔輝，隋記魁，郭耀華.基于天棚和地棚混合阻尼的高速車輛 橫向 減振 器半主動 控 制［J］.振 動 與 沖擊，2013，32（2）：18-23.

［5］ 廖英英，劉永強，楊紹普.一種新型混合半主動控制策略在高速 鐵 道 車 輛 振 動 控 制 中 的 應 用［J］.振 動 與 沖擊，2013，32（12）：84-87.

［ 6］ TANIFUJI K，KOIZUMI S，SHIMAMUNE R.Mechatronics in Japanese rail vehicles：active and semi-active suspensions［J］ .Control Engineering Practice，2002，10（9）：999-1004.

［7 ］ SHIN Y J，YOU W H，PARK JH.Semi-active control to reduce carbody vibration of railway vehicle by.using scaled roller rig［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26（11）：3423-3431.

［ 8］ STRIBERSKY A，KIENBERGERA，WAGNERG，et al.Design and evaluation of asemi-activedamping system for rail vehicles［J］.Vehicle System Dynamics，1998，29（S1）：669-681.

［9］ 王 成國 ．MSC.ADAMS/Rail基 礎 教程 ［M］.北 京 ：科 學 出 版社 ，2005：275-292．

［10］ 劉永強，廖英英，楊紹普，等.一種抗蛇行減振器控制系統在高速動車組中的仿真應用［J］.石家莊鐵道大學學報，2015，28（2）：68-72.

Simulation Analysis of Semi-active Coordination Control of High-speed EMU Based on VI-Rail

ZHAO Yiwei，LIU Yongqiang，ZHANG Xinli，LIAO Yingying，MA Zengqiang

In order to improve the operation quality of highspeed EMU，a coordination control method based on lateral semi-active and anti-hunting semi-active is proposed.Firstly，VI-Rail software is used to establish a bicycle model，then，the semi-active coordination control method is used to make the dynamic simulation，the results are compared with the quality of train operation in passive control mode.On this basis，the influence of the semi-active coordination control method on running stability and curve passing performance is explored.Simulation results show that the semi-active coordination control method can improve the quality of EMU operation obviously compared to the passive control mode，and alleviate effectively the contradiction between train running stability and curve passing performance.

EMU model； semi-active control； lateral damper；anti-hunting damper

U270.1+1：U291.91+4

10.16037/j.1007-869x.2017.10.009

First-author′s address School of Mechanical Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，050043，Shijiazhuang，China

* 國家自然科學基金項目 （11227201，11202141， 11302137，11472179，11572206，11372199）； 河北省自然科學基金項目（A2013210013，A2015210005）；河北省教育廳項目（YQ2014028）

2015-10-28）