开关型抗蛇行减振器对铁道车辆动力学性能影响研究

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在采用被动式悬挂系统的铁道车辆中,车辆蛇行运动稳定性和曲线通过能力在本质上存在一定矛盾关系,随着列车运行速度不断提高,这种矛盾关系日益剧烈,对动车组长期服役安全性造成严重影响。因此,本文研究一种阻尼可调的开关型抗蛇行减振器,通过合理的控制策略使车辆在不影响其他动力学性能前提下,大幅提升曲线通过能力,为解决车辆稳定性和曲线通过能力之间的矛盾问题提供一种新的方案。本文首先分析了传统抗蛇行减振器内部结构特点及工作原理,然后提出一种开关型抗蛇行减振器设计方案,并基于可压缩流体流动特性和阀门元件运动规律,使用Simulink建立了由液压油模型、腔体模型、阻尼元件模型等组成的开关型抗蛇行减振器力学模型,为其力学特性及其动力学性能的研究提供了理论基础。其次,基于抗蛇行减振器台架试验,对本文所建模型进行试验验证,试验研究结果表明:开关型抗蛇行减振器力学模型(开关关断下)能够较好描述减振器腔体中空气泡的溶解、析出过程,液压油在动态工况下被短暂压缩的过程以及减振器内部阀系元件动作过程,其仿真结果与试验结果吻合较好,表明该模型具有较高的仿真精度。再次,基于本文所建模型对开关型抗蛇行减振器开关打开状态下的力学特性进行初步研究,研究结果表明:开关型抗蛇行减振器开关打开后,其具有单油路减振器特性,拉伸、压缩对称性差,且通油管孔径越大,开关打开后的阻尼力越小。因此,在开关型抗蛇行减振器设计中,建议选取较大的通油管孔径,使其在开关打开状态下只具备较小的阻尼力,从而降低不对称性对减振器整体性能的影响。接着,通过Simulink/Simpack联合仿真技术平台,基于开关型抗蛇行减振器力学模型建立了车辆动力学联合仿真模型,并将联合仿真模型的仿真结果与传统动力学模型进行对比分析,研究结果表明:联合仿真模型更容易再现一次蛇行现象,能重现转向架蛇行运动频率与车体模态频率的“接近—耦合—离开”过程,且在曲线工况下,联合仿真模型对线路欠超高的变化更加敏感。因此,联合仿真模型大幅度提高了车辆动力学仿真精度,其仿真结果具有更高的可信度。然后,基于联合仿真模型对开关型抗蛇行减振器不同开关状态下的动力学性能进行研究,其研究结果表明:开关型抗蛇行减振器开关打开后,在小半径曲线工况下的动力学性提升较大,在其余工况下,开关关断下的车辆动力学性能更优。最后,以只在小半径曲线工况下打开开关为控制原则,基于抗蛇行减振器两端相对位移制定了合理的开关型抗蛇行减振器控制策略。这种控制策略能够准确识别小半径曲线工况,不仅大幅降低车辆通过小半径曲线时的轮轨横向力最大值,而且实现简单,具有较高的可行性和工程应用价值。
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