（载运工具运用工程专业论文）摆式列车机电耦合系统动力学及控制研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 摆式列车是既有线路上列车提速的重要手段，尤其适合小半径曲线较多 的线路，也可用于高速线路上列车的进一步提速。国外摆式列车已经进入了 成熟的商业运营阶段，我国在上世纪9 0 年代以后对摆式列车进行了大量研 究，但还没有完全掌握其关键技术。本文对摆式列车机电耦合系统动力学问 题进行了深入研究，可为我国今后摆式列车的研制提供理论基础。本文的主 要工作如下： ( 1 ) 建立了由多节动车和拖车组成的摆式列车机电耦合系统非线性数学 模型，该模型包括车辆子系统、车间连接子系统、弓网子系统、倾摆控制和 机电作动器子系统以及制动防滑控制子系统，能够模拟摆式列车的动态运行 过程。 ( 2 ) 首先研究了摆式列车曲线信号的检测方法、倾摆控制指令生成方法 和倾摆控制规律。详细讨论了采用线性预测法和神经网络预测法来进行头车 倾摆控制信号延时的补偿问题，研究了车体倾摆的p 控制和h 。鲁棒控制方 法。仿真分析表明，采用超高时变率能较好地判别摆式列车进出曲线的情况； 应用预测方法可有效地补偿头车的倾摆延时，在预测时间较短时线性预测效 果较好，而在预测时间较长时神经网络预测效果更好；p 控制方法和鲁棒控 制方法都能及时准确地跟踪倾摆控制信号，鲁棒控制器有更好的鲁棒性能且 控制效果比p 控制略好。然后采用本文的曲线检测方法和倾摆控制信号生成 方法，对列车线路试验的曲线检测数据进行了处理，并应用本文的摆式列车 模型对试验曲线线路工况进行了仿真，通过仿真结果和试验结果的对比，对 本文提出的曲线检测方法进行了验证。 ( 3 ) 对摆式列车的曲线通过动力学进行了深入研究，分析了三类径向转 向架曲线通过性能、倾摆时车体的扭转振动对倾摆控制性能的影响以及摆式 列车的道岔通过性能。 ( 4 ) 对摆式列车直线轨道运行平稳性和蛇行运动稳定性进行了仿真研 究，分析了列车编组形式、车间连接刚度和阻尼对运行平稳性和蛇行失稳临 界速度的影响。通过研究可知，单节车辆模型的横向平稳性要差于列车模型， 而列车模型头尾车的横向平稳性要差于中间车辆；适当的车间横向连接阻尼 能够改善列车横向运行平稳性：列车模型的临界速度与单车模型相差不大， 可以采用单车模型来进行列车运动稳定性的研究。 ( 5 ) 采用接触网有限元模型和非线性受电弓模型，研究了摆式列车的弓 第页西南交通大学博士研究生学位论文 网耦合振动，对摆式列车受电弓横向( 倾摆) 被动和主动控制进行了分析， 设计了受电弓导轨形状，研究了控制信号和控制策略。 ( 6 ) 建立了制动防滑控制模型，进行了摆式列车制动动力学问题的研究， 深入研究了制动过程中轮对的抱死过程和防滑控制以及粘滑颤振问题，并分 析了颤振对制动防滑控制的影响。 关键词：摆式列车；机电耦合动力学；倾摆控制；弓网耦合振动；防滑控制 西南交通大学博士研究生学位论文第页 a b s t r a c t 弛en s eo ft i l t i n gt r a i ni sa ne f f i c i e n tw a yt or a i s et r a i ns p e e di ne x i s t i n g r a i l w a yl i n e s ，e s p e c i a l l yi nt h el i n e sw i t hm a n ys h a r pc u r v e s t h et i l t i n gt r a i nc a n a l s ob ea p p l i e dt of u r t h e ri n c r e a s et r a i ns p e e di nh i g l ls p e e dl i n e s t i l t i n gt r a i n s h a v es u c c e s s f u l l ye n t e r e di n t oc o m m e r c i a lu s ei nm a n yc o u n t r i e s e v e nt h o u g ha l o to f r e s e a r c h e sh a v eb e e nc o n d u c t e di nc h i n as i n c e1 9 9 0 s ，w es t i l lh a v e n tf u l l y m a s t e r e ds o m ec o r et e c h n o l o g i e so ft i l t i n gt r a i n s i nt h i st h e s i s ，t h ed y n a m i c p r o b l e m so ft h et i l t i n gt r a i ne l e c t r i c a l m e c h a n i c a lc o u p l e ds y s t e ma r es t u d i e d t h o r o u g h l y t h ew o r kc o n d u c t e dc a np r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u t u r e d e v e l o p m e n to f t i l t i n gt r a i n si nc h i n a t h em a i n r e s e a r c hw o r ko f t h et h e s i sa r ea s b e l o w ： ( 1 ) i kn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft i l t i n gt r a i ne l e c t r i c a l - m e c h a n i c a l c o u p l e ds y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so f s e v e r a lm o t o re a r sa n dt r a i l e r e a r s ，i s e s t a b l i s h e d t h em o d e l ，t h a tc a ns i m u l a t et h ea c t u a lr t m n i n gb e h a v i o u ro ft i l t i n g t r a i n s ，i n c l u d e st h es u b s y s t e m so fv e h i c l e ，c a re n di n t e r f a c e ，p a n t o g r a p h - c a t e n a r y , t i l t i n gc o n t r o la n d m e c h t r o n i ca c t u a t o r , a n db r a k ea n t i s l i d i n gc o n t r 0 1 ( 2 ) t h ec u r v ed e t e c t i n gm e t h o d ，t i l t i n gc o n t r o ls i g n a lg e n e r a t i n gm e t h o da n d t i l t i n gc o n t r o ls t r a t e g ya r es t u d i e d t h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d so fc o n t r o ls i g n a l d e l a yo ft h ef i r s tc a rs u c ha st h el i n e a rf o r e c a s ta n dn e u r a ln e t w o r kf o r e c a s ta r e d i s s c u s s e d n 坞pc o n t r o l l e ra n dh _ r o b u s tc o n t r o l l e ro ft h et i l t i n gs y s t e ma r e s t u d i e d i tc a nb ek n o w nf r o mt h es i m u l a t i o nt h a tt h ec u r v ee n t r ya n de x i to ft h e t i l t i n gt r a i nc a nb eb e t t e rd i a g n o s e db yt h eu s eo ft r a c kc a n tc h a n g er a t e t h eu s e o fs i g m af o r e c a s tc a ne f f i c i e n t l yc o m p e n s a t et h et i l t i n gd e l a yo ft h ef i r s tc a r c a u s e db ys i g n a lf i l t e r i n g t h el i n e a rf o r e c a s ti se f f i e t i v ew h e nt h et i m ed e l a yi s s h o r t ，w h i l et h en e u r a ln e t w o r km e t h o dc a ng e tb e t t e rr e s u l t sw h e nt h et i m ed e l a y i sl o n g 1 1 1 epc o n t r o la n dh r o b u s tc o n t r o lm e t h o d sc a na c c u r a t e l yt r a c et h e t i l t i n gc o n t r o ls i g n a l s ，b u tt h eh c o n t r o l l e ri sm o r er o b u s ta n dp o s s e s s e sb e t t e r c o n t r o le f f e c tt h a nt h epc o n t r o l l e r t h e nt h ec u r v i n gd e t e c t i n gd a t ao b t a i n e df r o m t h ef i e l dt e s tf o rat r a i na r ep r o c e s s e db yu s i n gt h ec u r v i n gd e t e c t i n gm e t h o da n d t i l t i n gs i g n a lg e n e r a t i n gm e t h o ds u g g e s t e di nt h et h e s i s ，a n dt h et e s tt r a c kc u r v e c o n d i t i o ni ss i m u l a t e db yt h et i l t i n gt r a i nm o d e l t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h en u m e r i c a lr e s u l t sa n dt e s tr e s u l t s ，t h ec a l v ed e t e c t i n gm e t h o di sv a l i d a t e d 第页西南交通大学博士研究生学位论文 ( 3 ) t h ec u r v i n gd y n a m i c so ft h et i l t i n gt r a i ni sc a r e f u l l yi n v e s t i g a t e d t h e c u r v i n gb e h a v i o u ro ft h es t e e r i n gb o g i e s ，t h ee f f e c to fc a r b o d yt o r s i o no i lt i l t i n g b e h a v i o u r a n dt h ep e r f o r m a n c eo f t u r n o u tn e g o t i a t i o na r ea n a l y s e d ( 4 ) t h er i d eq u a l i t ya n dh u n t i n gs t a b i l i t yo ft i l t i n gt r a i n a r es t u d i e d t h e i n f l u e n c eo ft h et r a i nc o n s i s t ，c a re n di n t e r f a c es t i f f n e s sa n dd a m p i n go nt h e v e h i c l er i d eq u a l i t ya n dh u n t i n gs p e e di sa n a l y s e d ，i tc a nb ek n o w nf r o mt h e n u m e r i c a lr e s u l t st h a tt h el a t e r a lr i d eq u a l i t yo fas i n g l ec a rm o d e li sw o r s et h a n t h er e s u l t so ft r a i nm o d e l ，w h i l et h el a t e r a lr i d eq u a l i t yo ft h ef r o n ta n dr e a l e a r s a r ew o r s et h a nt h em i d d l ec a r s t h eu s eo fp r o p e rl a t e r a ld a m p i n gb e t w e e nc a r s c a ni m p r o v et h el a t e r a lr i d ep e r f o r m a n c e b e c a u s et h e r ei sn o tm u c hd i f f e r e n c ef o r t h eh u n t i n gc r i t i c a ls p e e db e t w e e nt h es i n g l ec a rm o d e la n dt r a i n s e tm o d e l ，t h e s i n g l ec a rm o d e lc a nb eu t i l i z e df o rt r a i ns t a b i l i t ys t u d y ( 5 ) t h ep a n t o g r a p h - c a t e n a r yc o u p l e dd y n a m i c so ft h et i l t i n gt r a i ni ss t u d i e d b yc o n s i d e r i n gt h ef e me a t e n a r ym o d e la n dn o n l i n e a rp a n t o g r a p hm o d e l t h e p a s s i v ea n da c t i v ec o n t r o l sf o rt h ep a n t o g r a p hl a t e r a lm o t i o n sa r ea n a l y s e d t h e p a n t o g r a p hg u i d e w a yo nt o po ft h ee a r b o d yi sd e s i g n e d , a n dc o n t r o ls i g n a la n d c o n t r o ll a wa l ei n v e s t i g a r t e d ( 6 ) t h eb r a k i n ga n t i s l i d ec o n t r o lm o d e li ss e tu pa n dt h et i l t i n gt r a i nb r a k i n g d y n a m i cp r o b l e m sa r er e s e a r c h e d t h ew h e e l s e ts e i z e dp r o c e s s ，a n t i s l i d ec o n t r o l a n ds t i c k - s l i pc h a t t e rp r o b l e md u r i n g b r a k i n g a r et h o r o u g h l ys t u d i e d t h e i n f l u e n c eo f c h a t t e rv i b r a t i o no nt h eb r a k i n ga n t i s l i d ec o n t r o li si n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：t i l t i n gt r a i n ，e l e c t r i c a l m e c h a n i c a lc o u p l e dd y n a m i c s ，t i l t i n gc o n t r o l ， p a n t o g r a p h - c a t e n a r yc o u p l e dv i b r a t i o n ，a n t i s l i d i n gc o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校傺馨并自国家祷关部门或杌构送交论文的复印佟移 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行梭索，可以采用影 露、缡窜或掇搐等复窜手段像存纛汇编本学彼谂文。 本学位论文属于 l ，缳密强，萄已一年舞密惹逶麓本援投书； 2 不保密妊使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 7、 叼天 j 刍- 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 建立了摆式列车机电耦合系统动力学仿真模型。并运用该模型对摆 式列车曲线检测方法、倾摆控制信号生成和补偿方法、倾摆控制规律进行了 研究( 2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 ，3 1 ，3 2 ，3 3 ，3 4 ) 。 ( 2 ) 建立了考虑摆式列车受电弓横向控制的弓网系统动力学仿真模型， 研究了摆式列车受电弓的倾摆方案和控制策略( 5 1 ，5 2 ) 。 ( 3 ) 建立了摆式列车制动系统动力学模型，研究了摆式列车制动防滑控 制、制动单元颤振及其对防滑控制的影响( 6 2 ，6 3 ，6 4 ，6 5 ，6 6 ) 。 学位论文作者：罗 仁 日期：弘刀年g 月秒日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 铁路运输的发展经历了近2 0 0 年的历史。铁路以其运量大、速度快、运 输安全、节约能源、污染小等优点而迅速发展成运输的主体，到1 9 世纪末、 2 0 世纪初达到顶蟛”。全球铁路总长超过1 2 0 万公里，铁路运量占总运输量 的7 0 ( 客运) 和6 0 ( 货运) 。上世纪以来，科学技术迅速发展，汽车和 航空等其它交通工具取得了长足的进步并在交通领域占有越来越重要的角 色，铁路运输面临和经历着与其它交通工具的激烈竞争并处于弱势，一度被 称为“夕阳工业”。当上世纪六十年代以来，高速铁路的发展给铁路运输带来 了勃勃生机，各国相继发展高速铁路，并取得了举世瞩目的成，就【”】。 1 9 6 4 年日本建成东海道新干线，最高速度超过2 0 0 k m h 。其运行的安全 性、能耗低、污染小、运量大和速度高使日本铁路一举扭亏为盈【1 - 2 1 。高速铁 路的这一突出成就，大大改变了铁路在运输竞争中的地位，极大地促进了高 速铁路在各国的发展。日本的新干线、法国的t g v 、德国的i c e 和其它一些 国家的高速列车成为世界高速铁路的先锋和代表。 我国于1 9 9 5 年在广深线成功开行了1 6 0 k m h 准高速列车【3 l 。秦沈客运专 线的修建也为我国高速铁路提供了前期基础。国内的几条主要干线自1 9 9 7 年 以来已进行了5 次大的提速，主干线列车运行速度达到1 4 0 1 6 0 k m h ：2 0 0 7 年进一步提速，最高运行速度达到2 0 0 - 2 5 0 k m h 。为了解决制约经济发展的运 输瓶颈和改善旅客出行条件，国家的“十一五”规划将发展高速铁路放在了 重要位置，国务院已经批准建设1 l 条客运专线，设计速度2 0 0 3 5 0 k m h ，其 中京津客运专线将在2 0 0 8 年奥运会开幕前投入运行。目前，有多条客运专线 已经开始建设，我国高速铁路建设出现了欣欣向荣的景象。到2 0 2 0 年，我国 高速客运专线将达到1 2 0 0 0 公里，铁路的发展形式空前喜人。 随着高速铁路的发展和各种新技术在铁路行业的推广，铁路的优势不断 得到加强；尤其在能源问题和污染问题日益严重的今天，铁路运输在这两方 面的优势更是其它运输方式所不能比拟的。高速铁路建设成本大、维护费用 高、技术要求高，在某些地方修建高速铁路是不经济的，同时我国存在大量 既有线路，不可能全部新修或改建为高速铁路【”l 。既有线路设计时速一般不 高，主要表现在曲线半径小、曲线段多、线路等级低等方面。而限制列车运 行速度的关键问题之一是线路曲线半径的大小，故列车提速的另一有效途径 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 是在大量的既有铁路线上采用摆式列车技术w - g ，准高速和高速铁路线上也可 采用摆式列车进一步提高列车速度【m 1 1 l 。 1 1 1 国外摆式列车的发展历程【1 2 - 2 6 1 上世纪二十年代德国人k r u c k e n b e r g 就提出了摆式列车的原理和方案设 想以提高列车曲线通过速度，但限于当时的技术条件，其设计思想直到1 9 3 5 年才由瑞士的s i g 公司在b l s 铁路上实现，但该试验车没有得到真正的应用。 最早运用的摆式列车是1 9 4 3 年西班牙t a l g o 公司开发的摆式系统，并且经过 了近4 0 年的不断改造和试验，才于1 9 8 0 年将摆式列车t a l g op e n d u l a r 正式投 入批量生产。现在的t a l g o 摆式列车已经达到3 0 0k m h 以上的设计和运行速 度，是高速摆式列车和多种新技术的集中体现。 意大利是主动倾摆技术的发源地，经过多年的研究和试验之后，于1 9 7 5 年制造了e t r 4 0 1 电动车组，即第一代p e n d o l i n o 。它采用陀螺仪和横向加速 度传感器来检测曲线和生成车体倾摆指令，利用液压作动器使车体倾摆。随 后e t r 系列摆式列车不断发展，取得了巨大的成功。 瑞典在1 9 6 9 年进行了摆式列车的首次试验，针对本国国情确定了对既有 线路不进行改造或稍加改造的基础上提高列车速度的方针。1 9 8 1 年成功地将 x 1 5 摆式列车推向市场，在1 9 8 6 年批量生成时改名为x 2 0 0 0 。之后又研制了 时速达2 5 0 k m h 的新型高速x 2 0 0 0 摆式列车，取得了巨大成功并成为摆式列 车典范。 德国经过了几十年的摆式列车试验研究和挫折之后，于1 9 9 5 年研制出了 世界第一列采用机电式作动器的内燃摆式动车组v t 6 1 1 。之后还开发成功了 采用在抗侧滚扭杆上安装倾摆作动器的倾摆技术，以及i c e - - e t 摆式电动车 组等摆式列车。 日本是在米轨铁路上第一个采用摆式列车的国家，其3 8 1 系列被动摆式 电动车组于1 9 7 3 年投入运营。之后又加装了一个作动风缸，并将事先检测的 曲线数据存储在车载计算机中，当列车通过曲线前由路面a t s 信号告知列车 的运行位置，再根据车速和存储在车上的曲线信息主动控制车体倾摆，使倾 摆性能大大改善。随后又设计和生产了一批摆式电动车组和内燃车组，用于 提高既有线路列车速度的同时，可用于新干线运行，如2 8 3 系、2 8 1 系、2 0 0 0 系和3 0 0 x 系。 英国、法国和瑞士等欧洲国家对摆式列车进行了长期研究，但效果不佳。 加拿大开发了l r c 摆式列车，但由于客流少等原因未能推广使用。 意大利p e n d o l i n o ，西班牙t a l g o 和瑞典x 2 0 0 0 摆式列车在上世纪8 0 年 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 代的成功经验和在既有线路提速的欲望，引起了欧美许多国家对摆式列车的 兴趣。进入9 0 年代后，随着摆式列车技术的日益成熟，各国开始看好摆式列 车的广阔运用前景，纷纷以不同方式来发展和运用摆式列车。意大利、瑞典、 西班牙、日本、德国、加拿大、美国、英国、法国、瑞士、捷克、波兰、芬 兰、挪威和澳大利亚等国先后运行了摆式列车，均取得了缩短旅行时间的效 果，摆式列车开始真正进入成熟的运用阶段。实践表明，摆式列车可以提高 运行速度3 0 左右，缩短运行时间约2 5 ，而且线路的曲线越多，效果则越 明显。 1 1 2 我国摆式列车的发展情况 我国从上世纪9 0 年代初开始进行摆式列车的前期理论研究 2 7 - 3 4 。1 9 9 6 年在西南交通大学建成了主动悬挂研究实验室，这是国内第一个摆式车辆模 拟试验台，它可以对车辆倾摆系统、控制系统和车辆参数进行试验研究，特 别是对控制系统的可靠性和安全性提供试验验证；在该试验台上进 两关于 摆式列车的大量前期研究工作【3 1 埘l 。从1 9 9 8 年开始，广深铁路租用了瑞典的 x 2 0 0 0 摆式列车，最高运行速度为1 9 0 k m h ，该摆式列车运行性能良好，并 取得了很好的经济效益【3 5 1 。1 9 9 9 年我国开发出了第一列内燃摆式列车，以及 摆式列车迫导向转向架和自导向转向架【”】，但未能够投入真正运用。 1 1 3 摆式列车的仿真研究 国外在摆式列车的研制过程中进行了大量的仿真研究【3 6 - 4 2 1 ，为摆式列车 的设计提供了理论依据，也为线路试验提供了理论支持。但国外这方面的文 献不多，现有的文献一般也只是稍微提及控制策略，重点讲述动力学仿真结 果和控制效果。对摆式列车这样的铁路主动控制技术，由于其在曲线段控制 的特殊性，目前实验室试验还不能完全模拟其运行工况，故线路试验是其运 营前的主要调试和检验方法。线路试验费用昂贵、周期长，如果能通过对摆 式列车系统的仿真从理论上指导线路试验，在仿真研究中完成更多的设计工 作从而减少线路试验项目，将是非常有意义的。文献【3 9 】对意大利p e n d o l i n o 摆式列车进行了控制系统和动力学耦合仿真，并与线路试验和试验台试验取 得了一致结果。但该文献没有具体阐述曲线检测和控制策略，其采用液压作 动器和簧上摆的方式也和我国采用的技术线路有差别。文献【4 0 】对德国i c e t d 型内燃摆式动车组的原理、结构、仿真和试验进行了介绍，证明了其良好 的曲线通过性能和完善的控制策略，但没有涉及到具体内容。文献【4 l 】对日本 特有的摆枕下曲面滚道支撑摆式列车进行了介绍，通过动力学仿真和试验研 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 究了该摆式列车的倾摆控制规律，指出主动倾摆技术能大大改善被动倾摆的 效果。 国内对摆式列车也进行了大量的仿真和试验研究【4 5 1 ，但大多是针对某 个具体方面，没有对摆式列车系统进行综合的研究，主要表现为控制规律研 究和动力学研究的分离。文献 4 3 - 4 9 对摆式列车动力学进行了研究，仿真中 曲线线路条件和倾摆角度作为已知条件。文献 2 7 ，3 l ，3 3 ，4 9 - 5 3 1 对摆式列车控 制策略进行了仿真或试验研究，但没有结合动力学对倾摆效果进行验证。文 献 2 9 3 0 对摆式列车倾摆系统的故障检测和故障处理进行了研究，文献 5 0 1 对用超高或超高时变率检测曲线、横向加速度的滤波方法进行了研究，文献 【5 l 】对倾摆控制信号预测和控制策略进行了研究。 1 2 摆式列车基本原理和技术实现 1 。2 1 摆式列车基本原理 列车以速度v 通过半径为r 、超高为h ( 超高角0 m i l 俗，其中s 为轨距) 的曲线时，旅客承受的未平衡横向加速度为： a 。= 矿2 r g s i n o( 1 1 ) 可见a e 和车速以及具体线路条件密切相关。欠超高幻定义为： = v 2 s r g h ( 1 2 ) 如果：h a 0 ，则称h d 为欠超高；h d 0 ，则称为过超高：= o ，此时列车 运行速度为平衡速度( 均衡速度) 。 由于客、货车的行车速度不同，在设置线路超高时要两者兼顾。实际运 用中很容易使旅客列车出现欠超高而货运列车出现过超高的情况。有关资料 表明【5 6 1 ，最大欠超高值的确定取决于以下三个因素： ( 1 ) 不因超高不足而导致车轮爬上钢轨； ( 2 ) 不因横向力太大而使轨道失去稳定； ( 3 ) 保证旅客一定的乘坐舒适性。 未平衡横向加速度a 。过大( 即欠超高过大) ，往往使旅客感到不适，尤其 在小半径曲线较多的山区铁路，可能造成旅客晕车。根据大量的试验和实践 表明，旅客对未平衡横向加速度的承受能力分为以下几种情况： ( 1 ) a c o 0 4 9 ，旅客对未平衡横向加速度无明显感觉； ( 2 ) a 。= o 0 5 9 ，旅客能察觉到该加速度，但无不舒服感； ( 3 ) a c = o 0 7 7 9 ，一般旅客能长时间承受该横向加速度： ( 4 ) a 。= o 1 9 ，一般旅客能承受不频繁的这种未平衡横向加速度。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 国外铁路大多用未平衡横向加速度作为评价旅客舒适度的标准，要求： 在较好的线路上，旅客列车的未平衡横向加速度a c o 0 5 9 ； 在山区和提速线路上，a c o 0 7 7 9 ，最大不超过o 1 9 。 我国铁路按照最大欠超高值来保证乘坐舒适度和规定列车通过曲线的最 高速度，其规定如下： ( 1 ) 在等级较高的线路上，旅客列车的欠超高小于7 0 m m ； ( 2 ) 在一般线路上，欠超高小于9 0 m m ： ( 3 ) 在既有线路上提速时，某些线路的欠超高小于等于1 l o m m 。 根据h d = a ，s g 可知，欠超高等于l l o m m 时的未平衡横向加速度为 0 0 7 7 9 。也就是说，我国线路上旅客列车的最高运行速度至少要满足小于 0 0 7 7 9 的未平衡横向加速度的要求。为此列车通过曲线时需要限速，最大车 速公式为： = 乒铲 式中：p ；。为曲线通过最高速度o 。m m ) ，h 为实际超高( 蛐) ， 许欠超高( i i l i n ) ，r 为曲线半径( m ) 。 1 - 3 ) d i l 且，为最大允 研究表明 1 3 , 4 3 l ，在小半径曲线较多的线路上，仅仅提高列车的最高运行 速度对提高旅行速度作用不大。这主要是进入和驶出曲线时需要加减速，从 而降低了旅行速度。为此提高曲线段的运行速度是该类线路列车提速的主要 途径。而提高列车速度的重要问题之一就是在提高车速的同时如何解决旅客 乘坐舒适性问题，摆式列车就是针对这一问题研制的。虽然线路的超高固定 不变，但只要使车体在通过曲线时向曲线内侧倾斜一定角度绣，旅客承受的 未平衡横向加速度就会减小： a = v 2 r - g s i n ( o + 0 。) ( 1 - 4 ) 根据国外的摆式列车试验和运营经验，人体对车体的倾摆角加速度及其 变化非常敏感。如果摆式列车倾摆角加速度较大或者变化频繁，像感受未平 衡横向加速度一样，旅客同样会产生不适感。当车体倾摆到未平衡横向加速 度为“0 ”时，旅客看到的窗外景象表明其正在通过曲线，但身体上却没有这 种感觉，这是十分不舒服的。为此车体的倾摆角度一般在抵消全部未平衡横 向加速度所需的倾摆角度的7 0 左右，要求车体的最大倾摆角速度低于5 0 s ( 即0 0 8 7r a d s ) ，最大倾摆角加速度低于1 5 0 s 2 ( 即0 2 6 2r a d s 2 ) 。实际运营 中这两个值越小，旅客感觉会越好，但需要的线路缓和曲线会越长，故要根 据实际情况加以调整。 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 2 2 摆式列车技术的实现 1 2 2 1 车体倾摆及曲线检测方式 确定了倾摆目标后，如何及时准确地使车体倾摆并保证倾摆角速度和角 加速度等满足限制条件成为最主要的问题。摆式列车经历了几十年的发展， 采用了多种控制模式和倾摆方梨1 2 4 。 车体的倾摆控制方案分为被动式和主动式。被动式是在构架上建立车体 倾摆的支点，依靠曲线通过时车体承受的离心力使车体相对转向架向曲线内 侧倾摆。这种方式在摆式列车开发的早期曾被采用，但由于倾摆效果不理想， 现在都安装了主动作动器，或改用主动倾摆技术 埘，4 1 埘】。主动式是根据线 路信息和车速，由倾摆指令控制作动器迫使车体倾摆。主动式倾摆是现在摆 式列车的发展趋势。 摆式列车倾摆控制的关键问题是如何准确获得进入和驶出曲线的时刻和 在该段曲线上的倾摆指令。曲线信息的获取方式主要有两种：在线实时检测 方式和车载曲线信息方式印”。 1 ) 在线实时检测曲线【1 她4 5 0 】。一般采用位于头车前构架上的陀螺仪和横 向加速度传感器获取曲线信息。陀螺仪检测构架侧滚角速度或摇头角速度， 滤波后判断进入和驶出曲线。构架的侧滚角速度和摇头角速度分别包含了曲 线的超高角速度和水平转动角速度，是判断曲线的必要条件。由于构架不随 车体倾摆，获得的构架横向加速度，滤波后的值和车体需要的倾摆角度成对 应关系，可用于车体倾摆指令的生成。 该方式不易达到最佳的倾摆效果，不可避免的存在倾摆指令相对于实际 曲线的延时，但在实际运营中仍能达到让人满意的程度，而且不需要在线路 上设置任何曲线信息装置，列车运营和编组方便灵活，适合既有线路列车提 速，世界上大多数摆式列车采用该方式，我国现在的摆式列车发展路线也是 采用这种方式筘”。 2 ) 车载线路曲线信息口4 , 4 h 。这种方式是将线路曲线信息存储在列车上， 由安装在线路上的信号装置通知列车将进入某段曲线，然后列车根据曲线信 息和车速生成倾摆指令并准确及时地控制车体倾摆。随着计算机和通讯技术 的发展和成本的降低，这种方式的优越性也逐渐显露。在线检测方式的时间 滞后是其致命弱点，同时倾摆指令也不易根据线路信息人为地调整，车载曲 线信息方式在这方面具有优势。 目前只有日本的窄轨铁路采用了车载线路曲线信息的倾摆方式。现在更 先进的方法是通过g p s 或其它定位系统告知列车的实际位置，然后根据车载 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 线路曲线信息和车速控制车体倾摆，g p s 定位能取得很好的效果陋”。 1 2 2 2 主动倾摆的作动方式 主动倾摆摆式列车的倾摆作动器主要分为三类：气动式、液压式和机电 式【1 2 】。气动式只有少量应用，由于其延时较大且空气本身有压缩性，新开发 的摆式列车基本都不采用。下面主要介绍后两种作动器。 1 ) 液压作动器。液压作动器技术成熟，响应快，一次投入成本高但二次 成本低，且不易发生故障。但液压系统庞大，质量大；对液压油质量要求较 高，维修不方便，且容易造成污染。虽然现在已有发展无管路的液压系统趋 势，但体积和质量仍然较大0 2 , 2 6 ，4 9 1 。 2 ) 机电作动器。机电作动器体积小质量轻，响应快，动作准确，一次成 本低，维修方便t 1 2 ，5 1 。但机电作动器的滚珠丝杆使用寿命有限，二次投入 成本高，有可能出现丝杆锁死现象。应该说，机电作动器是倾摆驱动的发展 方向。 矗 为了避免液压作动器和机电作动器各自的缺陷，同时发挥两者的优点， 有人开发了电液作动器。即将液压系统集成在一个液压单元中，用伺服电机 作为液压马达驱动液压缸。这样就避免了滚珠丝杆的更换和潜在危险，液压 系统也不会和外界接触，不会产生液压油的污染。模块化的设计便于更换维 修，同时原有的机电作动器倾摆控制系统照样可以使用。但该系统还未正式 投入运用。 1 2 2 3 倾摆机构 车体倾摆机构形式多样，但都是通过构架和车体间的机构使车体能相对 构架倾摆。主要有【1 3 ，1 q ：e t r 4 6 0 、x 2 0 0 0 、v t 6 11 等采用的四连杆倾摆机 构；日本2 8 3 系、3 8 1 系和英国西海岸w m c l 采用的滚子式倾摆机构；西班 牙t a l g o p e n d u l a r 采用的吊钟式倾摆机构；德国的抗侧滚扭杆式倾摆机构。还 有采用二系空气簧升降来倾摆的报道【4 9 1 。四连杆机构结构简单可靠，但由于 四连杆机构会使倾摆瞬心变化，车体倾摆的同时会造成车体重心较大的横移 和垂移，降低了乘坐舒适性。滚子式倾摆机构能保证车体倾摆瞬心和重心重 合，但结构复杂且维护麻烦。文献 5 8 】对摆式列车滚子式倾摆机构进行了研究。 按照倾摆机构的位置，摆式列车分为簧上摆和簧间摆。簧上摆是指包括 作动器在内的倾摆机构都布置在二系悬挂和车体之间：簧间摆是指包括作动 器在内的倾摆机构都布置在构架和二系悬挂之间。采用簧上摆结构的摆式列 车通过曲线时，离心力使二系横向和垂向变形较大，二系横向止挡和车体会 经常碰撞，倾摆作动力直接作用在车体上，旅客乘坐舒适性差，所以，簧上 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 摆一般都有车体横向主动控制装置。簧间摆方式由于车体和倾摆机构之间有 二系悬挂，乘坐舒适性较好；但由于二系弹簧变形，车体实际倾摆角度要比 预期的小：其簧问质量比簧上摆时大，轮轨作用加强：同时由于倾摆机构占 据一定空间，动力转向架的轴距不可能很小。 本论文考虑的摆式列车为：在线检测曲线方式，采用机电作动器和四连 杆机构簧间摆。 1 3 其它相关研究背景 摆式列车是一个庞大的复杂系统，对摆式列车机电耦合系统的动力学和 控制研究将涉及很多内容。首先，考虑曲线检测、控制信号获取和倾摆控制 的摆式列车研究需要建立由多辆动车和拖车组成的摆式动车组模型，这涉及 到列车动力学。为了保证摆式列车在车体倾摆情况下仍具有良好的弓网接触 关系，受电弓倾摆控制( 以下也称为受电弓横向控制) 也是一个重要研究课 题。由于摆式列车速度提高，其制动性能要求也高，所以对摆式列车制动动 力学和防滑控制也值得深入研究。摆式列车在既有线路以高于普通列车3 0 的速度运行，必然恶化轮轨作用，为了降低磨耗和减轻轮轨相互作用力，应 该采用有较好导向能力的径向转向架。 1 3 1 列车动力学仿真研究 列车是由多辆动车和拖车组成的复杂系统，过去由于计算条件的限制， 通常只对单节车辆进行仿真研究，认为各车之间为弱耦合关系 4 8 - 4 9 , 5 9 , - 6 3 1 。对 列车的研究一般采用列车纵向动力学模型，不研究列车的横向和垂向动力学 行为，只由经验公式计算制动时的一些动力学现象1 6 2 ”l 。文献【2 ，4 5 ，4 6 ，6 5 - - 6 9 】 研究了最多三节车组成的列车动力学问题。 对在线检测式摆式列车，由于控制信号的延时，对前面延时较大的车辆 和后面没有延时的车辆，控制策略有所不同。在进行摆式列车机电耦合仿真 时，建立列车动力学模型是必要的。如果不让车体倾摆或取消倾摆机构，就 是一般的列车动力学模型了。在列车高速运行时，列车的动力学行为和车辆 的动力学行为间的关系及区别也需要深入研究。 1 3 2 摆式列车弓网耦合振动及控制仿真 弓网接触是机车车辆和外界的重要接触关系r m 】，在高速运行时，其振动 和产生的噪声是十分棘手的问题。摆式列车通过曲线时，车体倾摆会造成车 体重心较大的横向和垂向位移；如果受电弓所在的车辆也倾摆，弓头的横向 和垂向位移都很大，恶化了弓网接触关系和受流质量。受电弓的弓头随车体 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 倾摆而有很大的横移，如果再加上接触网对轨道中心线的偏移，这个横移量 可能使弓网接触点在弓头上的位置超过了弓头的工作范围。这种情况下，国 外的摆式列车都对受电弓进行了横向控制。主要方式是在受电弓和车顶间安 装四连杆机构或导轨，采用被动或者主动方式控制其横移【7 1 司2 1 。 对摆式列车受电弓横向控制机构和运动学的研究已见很多报道【” 7 ”，但 很少从动力学角度研究其控制。而对受电弓横向控制的目的不仅仅是使弓头 位于工作范围内，也要求较小的弓网耦合振动和较好的受流质量，故从动力 学角度进行仿真研究是十分必要的。 文献 7 0 - - 7 4 对摆式列车受电弓的横向控制进行了研究，设计了控制机构 并进行了已知倾摆规律下的运动学仿真，取得了较好的效果。文献 7 6 8 0 对 受电弓垂向主动控制进行了研究，主要采用状态反馈二次最优控制、非线性 控制、p i 控制等策略，结合受电弓的线性模型和接触网的静态接触刚度模型 或接触网的动力学模型进行了仿真，并取得了很好的控制效果。 1 3 3 列车制动动力学及防滑控制仿真 列车制动是其必须的安全保证，尤其对高速列车，有效和安全的制动是 其重要课题 6 5 , m 埘】。摆式列车速度较一般列车高，甚至进入高速领域，对其 制动性能的研究也很重要。国内外关于列车和汽车防滑控制