[发明专利]高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法

说明书

本申请公开本申请实施例的高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法，所述高速列车包括控制装置，所述控制装置包括车尾控制模块、列车侧向控制模块和车顶及车底控制模块，三个控制模块之间相互配合作用，产生对应方向的控制力矩，直接作用在列车车体，分别对高速列车的侧滚、点头、摇头动态行为进行抑制。该方法直接产生作用在车体上的控制力矩，实现列车带有转动动态行为如侧滚、点头、摇头的抑制。

技术领域

本申请实施例涉及铁路工程振动抑制等相关工程技术领域，尤其涉及高速列车侧滚、点头、摇头动态行为的力矩控制方法。

背景技术

高速铁路具有速度高、能耗低、运力大、安全等诸多经济技术优势，已经成为世界各国优先发展的和谐友好绿色交通工具。

在车辆等结构中合理地安装振动控制系统可以有效的降低车辆的不利动态行为，减小车体动态响应，维护车体稳定，减轻车体的破坏及损伤，保证乘客的舒适度，达到安全性、经济性与舒适可靠性的合理平衡。大量研究表明：振动控制装置如列车悬挂系统，可以有效降低列车在运行中的不利动态响应，有效提高列车的运行稳定性，保证乘客的舒适度。

高速列车的运行平稳性一直是机车车辆研究的热点，列车的减振技术对保证列车安全平稳运行、保证列车及轨道服役寿命、保证铁路基础辅助设施具有重要意义。列车减振技术有利于列车平稳性提高，进而提高其运行速度。现以包西高铁铜川至延安段速度目标值方案研究为例分析对经济效益的影响。在运价率相同时，速度目标值为350km/h的财务内部收益率为0.84，速度目标值为300km/h的财务内部收益率为0.73，提高了0.11，由此可见，列车的运行速度的提高对于经济效益的贡献的重要性，进一步说明了列车平稳性提高的重要性以及我们研究平稳性的重要意义。

高速铁路运行速度快，其动态行为复杂，在运行过程中可能遭受轨道不平顺、列车会车气压差以及风、雨、雪等外界因素的动态行为，已不是单一的运动模式的控制问题，而是涉及到车体平动(沉浮、横摆和伸缩)、摇摆运动(点头、摇头和侧滚)及其耦合振动与运动的复杂问题，研究适用于解决列车复杂动态行为的控制系统具有重要的理论与现实意义。

另一方面，针对高速列车的动态行为，目前普遍采用悬挂系统来对列车的振动及其他不利动态行为进行控制。悬挂系统的减振性能是保证列车的舒适性、安全性和运行平稳性的重要指标。当前悬挂系统主要包括被动、半主动和主动三种悬挂方式，由于主动悬挂可以更有效降低车体的振动，更明显改善列车的乘坐舒适性，是目前最为积极有效的控制技术，已经越来越受到学者的关注。而针对列车的动态行为，现有的悬挂系统主要分为两个作用方向：垂向和横向。悬挂系统垂向控制作用主要针对车体的沉浮、点头、侧滚，横向控制作用主要针对车体的摇头和横摆。悬挂系统的安装可以有效降低车体的振动，改善列车的运行平稳性。但是，由于当今悬挂系统均仅分为垂向和横向两个作用方向，其出力方向也仅限于两个方向，这使得悬挂系统的控制作用无法得到充分发挥，列车的不利动态响应无法得到充分抑制。因此，专家学者仍聚焦于改善悬挂系统技术，提高悬挂系统的控制效果，从而使控制系统能够发挥更大作用，提高列车的运行平稳性。

现有研究对于列车动态行为的控制均采用天棚阻尼器的假设，如图1所示，假设虚拟墙具有无穷大的刚度，虚拟天棚减振器和实际减振器实现列车的动态行为消减作用。现有技术悬挂系统采用减振器，牺牲有限质量的转向架运动，列车内部构造消耗振动能量，从而实现控制作用。然而实际列车转向架质量有限，对于具有转动成分的运动形式控制效果有限。

而且，对于现有列车动态行为控制的天棚阻尼器假设分析方法，本身具有不合理性。如图2所示，现有简化分析方法本质是忽略了转向架质量有限的事实，假设虚拟天棚减振器输出力的作用抑制车体动态行为，而忽略了车体作用虚拟减振器的反作用力。然而，由于实际车体转向架质量有限，是一个质量有限的子系统，车体的反作用力对于车体自身、转向架以及列车整体的动态行为具有不可忽略的影响，因此，需要综合考虑车体反作用力对于车体动态行为控制效果的影响。