基于构架振动控制的高速转向架横向稳定性理论与试验研究

The lateral hunting stability of railway vehicle running at high speed is one of the most concerned dynamics problems. When the vehicle runs at poor truck or operating environment, especially the structure suspension parameter changes to worse during service, the deficiencies of vehicle lateral stability will cause poor ride comfort and acceleration alarm even derail accidents. In order to reduce the stability sensitivity to the bogie structural parameters and the outside interference, the project studies the hunting bifurcation and proposes a method about bogie frame vibration suppression based on vibration control or the driving system suspension parameter optimization to improve the lateral stability for the high-speed EMU. For the simplified bogie lateral dynamics model, the cell mapping method based on parallel computing is used to analyze the hunting bifurcation characteristics and the multi-objective optimization method based on genetic algorithms is used to optimize the control and suspension parameters. The vehicle multi-body dynamics model with control is simulated to verify the dynamics control results. The bogie proportion roll rig of 1:5 will be established to test the frame control effects. The project refines the theory about high-speed bogie lateral stability based on the frame vibration suppression, which provide the theoretical support for bogie lateral stability design.

高速运行横向蛇行稳定性一直是机车车辆系统动力学最关注的问题之一。当车辆通过较差线路或外界激扰较大，尤其服役过程中车辆悬挂元件老化故障、轮对踏面磨耗时，车辆横向稳定性不足引发乘坐舒适度降低、加速度报警停车甚至安全事故。为了降低车辆横向稳定性对转向架结构参数变化及外界干扰的敏感度，针对国内近年运行高速动车，项目开展转向架蛇行运动分岔特性研究，提出采用驱动系统悬挂参数优化和主动控制方式减小构架横向振动以提高转向架蛇行运行稳定性的方法。针对简化转向架横向动力学理论分析模型，项目采用并行计算胞映射方法分析转向架的蛇行运动分岔特性，利用基于遗传算法的多目标优化方法实现控制和悬挂参数的优化。基于实际结构的整车多体系统模型与控制联合仿真验证动力学控制优化效果，搭建1:5比例转向架试验台进行构架振动控制试验研究。项目提炼基于构架振动抑制的高速转向架横向稳定性理论，为转向架横向稳定性设计与优化提供理论支持。

由于轮轨磨耗和悬挂元件性能退化等原因，横向蛇行运动稳定性仍是高速列车平稳安全运行的重要影响因素。尤其更高速度等级高速列车的研发和投入使用，采用机电转向架技术是保障高速列车稳定运行的重要措施。本项目针对高速列车运行蛇行稳定性问题，提出转向架构架横向振动主动控制的方式实现列车稳定性的增强。分别提出了基于惯性作动器的构架横向振动控制，以及转向架驱动系统横向主动弹性悬挂的两种实施方案，并在此基础之上，开展了高速列车健壮稳定性设计的基础理论研究。主要的研究内容包括：一、驱动系统弹性悬挂技术动力学仿真与参数优化研究，提出了基于动力吸振的弹性悬挂机理，由此引入驱动系统主动弹性悬挂的研究思路；二、针对构架横向主动控制方案及其对转向架稳定性的影响研究，采用多目标优化方法实现不同控制策略悬挂参数和控制参数的优化；三、转向架构架横向主动控制对应的非线性分岔特性以及控制时滞对稳定性的影响；四、转向架主动稳定性比例试验台试验研究，搭建了1:5的比例转向架主动控制实验台对控制实现方案和效果进行验证；五、搭建了作动器硬件在环的高速列车整车动力学性能仿真平台，并对作动器硬件特性和实际作动器作用下整车动力学性能进行了仿真研究。总之，项目开展了针对高速列车构架横向振动控制实现转向架主动稳定性的控制策略、实现方法、理论分析、时滞影响、作动器特性、整车动力学仿真优化以及转向架比例试验台和整车动力学半实物半虚拟的试验仿真研究。提出基于拟周期解逐点扫描的方法解决了高速转向架蛇行运动分岔特性及全局动力学性能的关键科学问题，解决并凝练了构架振动抑制实现对转向架蛇行运动稳定性影响的关键科学问题。提出基于大抗蛇行减振器阻尼和横向振动控制方法实现构架振动抑制，以提高转向架蛇行鲁棒稳定性，为高速列车横向稳定性设计与优化提供理论支撑。