基于磁流变技术的地铁轨道隔振器参数优化与控制

针对地铁轨道被动隔振器不可控带来的参数设计和隔振能力受限问题，利用磁流变弹性体和磁流变脂开发变刚度变阻尼的轨道主动隔振器，建立隔振器非线性刚度阻尼与振动功率流的耦合关系模型，以功率流传递率极小为目标函数，用最大熵和粒子群算法研究磁流变隔振器刚度阻尼优化计算方法；建立轨道隔振系统模型，把隔振器刚度、阻尼作为智能体(Agent)，以列车移动载荷激振下轨道多隔振器系统传递到地基的整体功率流最小为目标，用群体智能建立多Agent关联模型，研究隔振系统多Agent控制方法；构建轨道主动隔振模拟实验系统，利用刚度阻尼在线可控的磁流变技术匹配多隔振器参数最优值和隔振器最佳位置，并研究隔振系统可控效果。项目创新之处：基于磁流变技术的理论估计与实验自动匹配结合的隔振器刚度阻尼参数在线优化方法和基于群体智能的轨道磁流变隔振系统多Agent控制技术，为地铁轨道被动隔振器参数设计及主动隔振提供新方法和技术储备。

为抑制地铁轨道振动对周围环境的干扰，本项目通过引入磁流变智能隔振器来研究轨道被动隔振器不可控带来的参数设计和隔振能力受限难题，属于结构振动领域的振动分析与控制方向。在深入分析地铁浮置板轨道结构振动特征和轨道隔振器设计准则的基础上，采用改进集成方式研制出轨道隔振的可调刚度磁流变弹性体和可调阻尼磁流变脂器件，利用MTS实验台测试的磁流变隔振器动静态特性，推导出外加激励和隔振器刚度阻尼的关系，建立了该隔振器的Bouc-Wen非线性模型。在研究磁流变隔振器刚度阻尼与轮轨各向振动传递耦合关系的基础上，建立了短型浮置板轨道磁流变隔振器参数优化模型，以轨道结构质量比、激振频率、隔振器刚度、阻尼等为待优化参数，以降低力传递率为首要目标并兼顾振动位移和加速度的抑制，在隔振器承受最主要的垂向激振下，研究了最大信息熵和粒子群算法结合的垂向隔振器参数优化算法及自适应性；进一步考虑隔振器承受轮轨多向激振的情况，对轨道三维隔振器进行无量纲建模变换处理，提出了磁流变隔振器多向参数的无量纲优化方法，求得最佳有效刚度阻尼值及其驱动电流；通过在线仿真优化匹配出了磁流变隔振器各向刚度、阻尼最佳参数值，结果表明优化后浮置板加速度有效值减少30%、地基力有效值减少58%。在地铁轨道宽频多向激振下，建立了“列车-轨道-浮置板-磁流变隔振器-地基”的振动系统控制模型。先针对浮置板定点振动隔离问题，提出了轨道垂向-横摇-纵摇振动的磁流变隔振系统频率加权变论域模糊控制方法，利用模拟退火算法对各阻尼控制值进行自适应调整，仿真表明该自适应控制方法使各向振动力传递率降低40%，明显优于被动隔振。进一步考虑列车移动载荷激振下的轨道整体隔振问题，将磁流变隔振器组的刚度、阻尼调节分别作为智能体（Agent)，研究了基于群体智能和仿人智能的磁流变隔振系统自适应控制方法，并用群概周期竞争模型来分析了控制器性能，仿真表明该控制方法能够有效降低地基整体合力和抑制各浮置板振动。由于轨道隔振系统原型研究难以实现，基于相似理论提出了短型浮置板磁流变隔振的试验台架设计方法，进行了小尺度轨道隔振器的参数在线匹配试验、自适应控制试验和优化分析，台架振动力、加速度及隔振效率等主要试验指标结果与理论计算和仿真分析接近。本项目的研究成果，可为我国发展地铁等城市轨道交通的轨道结构隔振器参数优化和变刚度阻尼主动隔振装置提供理论探索和技术储备。