阅读说明：本技术 一种基于抗蛇行减振器控制车体异常抖动装置及控制方法 (Device and method for controlling abnormal shaking of vehicle body based on anti-snaking shock absorber ) 是由 李凡松 吴昊 王勇 王帅 戴焕云 邬平波 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于抗蛇行减振器控制车体异常抖动装置及控制方法,包括：车体和车体前后端的转向架,以及,主动控制处理器；加速度传感系统,设置在车体上,该加速度传感系统与主动控制处理器电性连接；抗蛇行减振系统,该抗蛇行减振系统设置在车体与转向架之间,并与主动控制处理器电性连接。本发明通过抗蛇行减振系统可以消除车体异常抖动现象,增加旅客舒适感,同时降低铁路运维成本。(The invention relates to a device and a method for controlling abnormal shaking of a vehicle body based on an anti-snaking shock absorber, wherein the device comprises the following steps: the system comprises a vehicle body, bogies at the front end and the rear end of the vehicle body, and an active control processor; the acceleration sensing system is arranged on the vehicle body and is electrically connected with the active control processor; and the anti-snaking vibration reduction system is arranged between the vehicle body and the bogie and is electrically connected with the active control processor. The invention can eliminate the abnormal shaking phenomenon of the train body through the anti-snaking vibration reduction system, increase the comfort of passengers and simultaneously reduce the railway operation and maintenance cost.)

一种基于抗蛇行减振器控制车体异常抖动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于抗蛇行减振器控制车体异常抖动装置及控制方法。

背景技术

国内高速动车组实际运营中，车辆运行安全性可以得到充分保证，在大部分运行线路和运行时间内均能保持非常优秀的运行品质。但在有些情况下，由于轮轨接触关系异常，也会出现某些异常振动。例如，动车组车轮需要周期性维护，一般动车组每运行15万公里～30万公里就会进行车轮廓形镟修，即把运行磨耗后的廓形重新镟修为初始设计廓形，保证轮轨接触关系正常。同样，高铁线路钢轨在一定周期内也需要打磨钢轨廓形。但是，某些情况下，如线路轨道廓形出现异常，动车组车轮处于维护周期后期时，此时轮轨关系匹配异常，转向架出现明显的蛇行周期性运动，运动频率在7～10Hz之间，因此会激发动车组车体低阶弹性模态，尤其是一阶菱形模态，因为一阶菱形模态频率在8～10Hz，此时动车组车体表现为明显的抖动，如果此时客室内座椅和行李架等结构存在装配缝隙，异常振动会导致这些结构自身或与其他车体结构存在相互摩擦或碰撞，产生明显的噪声，运行品质较差，而动车组车体是搭载乘客的直接结构，车体异常抖动时直接降低乘客的乘坐舒适性。因此，如何控制动车组车体异常抖动问题显得极为迫切。

发明内容

本申请提供一种基于抗蛇行减振器控制车体异常抖动装置及控制方法，解决了现有技术中动车组车体抖动问题，实现了消除动车组车体抖动现象。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于抗蛇行减振器控制车体异常抖动装置，包括车体和车体前后端的转向架，以及，

主动控制处理器；

加速度传感系统，设置在车体上，该加速度传感系统与主动控制处理器电性连接；

抗蛇行减振系统，该抗蛇行减振系统分别设置在车体前后端两侧与转向架之间，并与主动控制处理器电性连接。

所述主动控制处理器包括数据采集模块、数据分析模块和数据阈值判断模块，所述数据采集模块分别与加速度传感系统和抗蛇行减振系统电性连接。

所述加速度传感系统包括第一加速度传感器、第二加速度传感器和修正加速度传感器，所述第一加速度传感器设置在车体的左边梁纵向中部,第二加速度传感器设置在右边梁纵向中部，所述修正加速度传感器设置在车体一端的枕梁横向端部上，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器和修正加速度传感器分别与主动控制处理器电性连接，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器和修正加速度传感器分别测试车体的左边梁纵向中部、右边梁纵向中部和枕梁横向端部的垂向加速度和横向加速度。

所述抗蛇行减振系统包括抗蛇行减振器、第一减振座和第二减振座，所述第一减振座与车体下表面通过螺栓连接，所述抗蛇行减振器一端与第一减振座铰接，所述第二减振座固定在转向架的构架下部外侧面，所述第二减振座位于第一减振座下侧方，所述抗蛇行减振器另一端与第二减振座铰接，所述抗蛇行减振器与主动控制处理器电性连接。

一种基于抗蛇行减振器控制车体异常抖动控制方法，包括上述所述的控制车体异常抖动装置，包括如下步骤；

步骤一，主动控制处理器通过加速度传感系统实时采集左边梁中部、右边梁中部及枕梁三处的横向和垂向的六个振动加速度a_{L_Z}(t)、a_{L_Y}(t)、a_{R_Z}(t)、a_{R_Y}(t)、a_{B_Z}(t)、a_{B_Y}(t)，以及车体前后端两侧的四处抗蛇行减振器载荷F_{ksx_FL}(t)、F_{ksx_FR}(t)、F_{ksx_RL}(t)、F_{ksx_RR}(t)，Z和Y分别表示车体的垂向和横向，L、R代表左、右边梁测点，B代表枕梁修正加速度测点；ksx代表抗蛇行减振器，FL代表前转向架左侧，FR代表前转向架右侧，RL代表后转向架左侧，RR代表后转向架右侧，t表示时间，采样频率为fs，要求在100Hz及以上；

步骤二，在步骤一的基础上，主动控制处理器将步骤一得到的实时数据处理并记录，然后根据主动控制处理器内预先设置的判断逻辑判定车体是否发生异常抖动现象，具体处理和判断流程为：

数据预处理：

每0.5s主动控制处理器进行1次数据处理，处理t-1时刻至t时刻之间长度为1s的加速度数据，即数据处理窗的大小为1s，窗的滑移为0.5s，定义该加速度数据为a_{L_Z}(n)、a_{L_Y}(n)、a_{R_Z}(n)、a_{R_Y}(n)、a_{B_Z}(n)、a_{B_Y}(n)，由于数据长度为1s，n值即为采样频率值，

利用带通滤波器对加速度数据a_{L_Z}(n)、a_{L_Y}(n)、a_{R_Z}(n)、a_{R_Y}(n)、a_{B_Z}(n)、a_{B_Y}(n)进行5～12Hz带通滤波，得到滤波后的加速度数据为a_{L_Z_bp}(n)、a_{L_Y_bp}(n)、a_{R_Z_bp}(n)、a_{R_Y_bp}(n)、a_{B_Z_bp}(n)、a_{B_Y_bp}(n)；

相位关系判定：

以a_{L_Z_bp}(n)、a_{R_Z_bp}(n)为分析对象，计算车体左、右边梁垂向加速度平均斜率k_Z，即：

同理以a_{L_Y_bp}(n)、a_{R_Y_bp}(n)为分析对象，计算车体左、右边梁横向加速度平均斜率k_Y，即：

满足k_Z<0、k_Y>0时，则判定左、右边梁垂向振动反相位，横向振动同相位，停止判定，等待下一次0.5s判定；

阈值判定：

当满足相位判定k_Z<0、k_Y>0，再进行阈值判定,分别对a_{L_Z_bp}(n)、a_{R_Z_bp}(n)、a_{L_Y_bp}(n)、a_{R_Y_bp}(n)、a_{B_Z_bp}(n)、a_{B_Y_bp}(n)进行峰谷值提取，然后对提取后的峰谷值取绝对值，计算峰谷值的绝对值的平均值，分别表示为a_{L_Z_bp_mean_peak}、a_{L_Y_bp_mean_peak}、a_{R_Z_bp_mean_peak}、a_{R_Y_bp_mean_peak}、a_{B_Z_bp_mean_peak}、a_{B_Y_bp_mean_peak},如果同时满足如下六条判据，则判定车体发生异常抖动，否则停止处理，等待下一个0.5s进行数据处理，判据如下：

当判定车体发生异常抖动时，通过主动控制处理器对抗蛇行减振器发出主动控制信号，

控制信号为：提取t-1时刻至t时刻之间长度为1s的四处抗蛇行减振器载荷F_{ksx_FL}(n)、F_{ksx_FR}(n)、F_{ksx_RL}(n)、F_{ksx_RR}(n)，

通过频域FFT分析获取四处抗蛇行减振器载荷主频f_{ksx_FL}、f_{ksx_FR}、f_{ksx_RL}、f_{ksx_RR}，通过获得的四个载荷主频f_{ksx_FL}、f_{ksx_FR}、f_{ksx_RL}、f_{ksx_RR}获得抗蛇行减振器载荷主频的平均值f_ksx，由于车体发生异常抖动时，前、后转向架蛇行运动反相位，为了抑制车体异常抖动，需要控制前、后转向架的蛇行运动为同相位，这需要使前转向架左、右抗蛇行减振器载荷均滞后90度，后转向架左、右抗蛇行减振器载荷均提前90度，具体操作为：

求取滞后和提前时间τ，τ＝(1/f_ksx)×0.25s，则向抗蛇行减振器发出的主动控制载荷信号为F_{ksx_FL}(t+τ)、F_{ksx_FR}(t+τ)、F_{ksx_RL}(t-τ)、F_{ksx_RR}(t-τ)；

步骤三，将步骤二发出的主动控制载荷信号分别发送至车体前后端两侧的抗蛇行减振器，使前端转向架左和右抗蛇行减振器的载荷分别比原有载荷滞后90度相位，使后端转向架左和右抗蛇行减振器的载荷分别比原有载荷提前90度相位，载荷幅值保持原有幅值，实现前后转向架同相位、同频率、同幅值蛇行运动；

步骤四，在步骤三发出主动控制信号后，处理器仍然按照原有每隔0.5s进行判定，若仍然判定车体异常抖动，则持续发出上一时刻获得的抗蛇行减振器载荷F_{ksx_FL}(t+τ)、F_{ksx_FR}(t+τ)、F_{ksx_RL}(t-τ)、F_{ksx_RR}(t-τ)，若判定车体没有发生异常抖动，则停止向抗蛇行减振器发出主动控制信号，恢复减振器原有特性，被动减振，并将发出的主动控制信号清除，待下次存储，由此周而复始的进行车体异常抖动的监测和控制。

本发明的有益效果是：通过抗蛇行减振系统可以消除车体异常抖动现象，增加旅客舒适感，同时降低铁路运维成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的转向架与抗蛇行减振系统结构示意图。

图3是本发明的车体异常抖动时刻抗蛇行减振器姿态。

图4是本发明的主动控制处理器示意图。

图中：1-车体；2-转向架；3-主动控制处理器；4-第一加速度传感器；5-第二加速度传感器；6-抗蛇行减振器；7-第一减振座；8-第二减振座；9-修正加速度传感器。

具体实施方式

实施例：

参照图1-4，是本发明的结构示意图，一种基于抗蛇行减振器控制车体异常抖动装置，至少包括车体1和车体前后端的转向架2，主动控制处理器3；

加速度传感系统，设置在车体1上，该加速度传感系统与主动控制处理器3电性连接；抗蛇行减振系统，该抗蛇行减振系统分别设置在车体1前后端两侧与转向架2之间，并与主动控制处理器3电性连接。

所述主动控制处理器3包括数据采集模块、数据分析模块和数据阈值判断模块，所述数据采集模块与加速度传感系统和抗蛇行减振系统电性连接。

所述加速度传感系统包括第一加速度传感器4、第二加速度传感器5和修正加速度传感器9，所述第一加速度传感器4设置在车体1的左边梁纵向中部,第二加速度传感器5设置在右边梁纵向中部，所述修正加速度传感器9设置在车体1一端的枕梁横向端部上，所述第一加速度传感器4、第二加速度传感器5和修正加速度传感器9分别与主动控制处理器电性连接，所述第一加速度传感器4、第二加速度传感器5和修正加速度传感器9分别测试车体1的左边梁纵向中部、右边梁纵向中部和枕梁横向端部的垂向加速度和横向加速度。

所述抗蛇行减振系统包括抗蛇行减振器6、第一减振座7和第二减振座8，所述第一减振座7与车体1下表面通过螺栓连接，所述抗蛇行减振器6一端与第一减振座7铰接，所述第二减振座8固定在转向架2的构架下部外侧面，所述第二减振座8位于第一减振座7下侧方，所述抗蛇行减振器6另一端与第二减振座8铰接，所述抗蛇行减振器6与主动控制处理器3电性连接。

实际使用时：通过主动控制器3的数据测试模块和加速度传感器系统测试车体1在移动时3处测定的垂向和横向加速度，然后通过数据分析模块对数据处理并计算，在通过数据阈值判断模块对车体1是否发生异常抖动问题进行判断，判定主要思路为：当车体1左、右边梁中部横向加速度同相位，5～12Hz带通滤波后谐波幅值高于0.08g，持续时间超过1秒，车体1左、右边梁中部垂向加速度反相位，5～12Hz带通滤波后谐波幅值高于0.08g，持续时间超过1秒，并且利用修正加速度传感器测试数据为主动控制处理器3提供判定车体是否抖动的依据，其作用为修正判定结果，防止非一阶菱形模态导致的弹性共振而产生误报。最终满足判定规则时，则判定车体异常抖动，然后对车体1与转向架2之间的四个抗蛇行减振系统发出控制信号，控制每个抗蛇行减振系统相应的作用量，消除车体1异常抖动。

具体原理为：由于动车组车体1异常抖动是一个循环往复过程，本实施例以某一振动幅值最大时姿态进行说明，如图3所示，在车体纵向上，抗蛇行减振器均处于所在车体端枕梁内侧位置，则通过主动控制处理器3控制前部转向架2左侧抗蛇行减振器6伸长，给与车体1前部左侧的第一减振座7推力，控制前部转向架2右侧抗蛇行减振器6缩短，给前部右侧的第一减振座7拉力，车体1底架产生变形；同时，通过主动控制处理器1控制车体1后部左侧转向架2抗蛇行减振器6缩短，给车体1后部左侧的第一减振座7拉力，控制车体1后部右侧转向架2的抗蛇行减振器6伸长，给车体1后部右侧的第一减振座7推力，使转向架2蛇行运动同相位、同幅值、同频率，根据模态叠加法，即可消除或抑制由于转向架蛇行运动引起的异常抖动问题。

具体实施步骤为：

步骤一，主动控制处理器(3)通过加速度传感系统实时采集左边梁中部、右边梁中部及枕梁三处的横向和垂向的六个振动加速度a_{L_Z}(t)、a_{L_Y}(t)、a_{R_Z}(t)、a_{R_Y}(t)、a_{B_Z}(t)、a_{B_Y}(t)，以及车体(1)前后端两侧的四处抗蛇行减振器载荷F_{ksx_FL}(t)、F_{ksx_FR}(t)、F_{ksx_RL}(t)、F_{ksx_RR}(t)，Z和Y分别表示车体的垂向和横向，L、R代表左、右边梁测点，B代表枕梁修正加速度测点；ksx代表抗蛇行减振器，FL代表前转向架左侧，FR代表前转向架右侧，RL代表后转向架左侧，RR代表后转向架右侧，t表示时间，测试时采样频率为fs，要求在100Hz及以上；

步骤二，在步骤一的基础上，主动控制处理器(3)将步骤一得到的实时数据处理并记录，然后根据主动控制处理器(3)内预先设置的判断逻辑判定车体(1)是否发生异常抖动现象，具体处理和判断流程为：

数据预处理：

每0.5s主动控制处理器进行1次数据处理，处理t-1时刻至t时刻之间长度为1s的加速度数据，即数据处理窗的大小为1s，窗的滑移为0.5s，定义该加速度数据为a_{L_Z}(n)、a_{L_Y}(n)、a_{R_Z}(n)、a_{R_Y}(n)、a_{B_Z}(n)、a_{B_Y}(n)，由于数据长度为1s，n值即为采样频率值，

利用带通滤波器对加速度数据a_{L_Z}(n)、a_{L_Y}(n)、a_{R_Z}(n)、a_{R_Y}(n)、a_{B_Z}(n)、a_{B_Y}(n)进行5～12Hz带通滤波，得到滤波后的加速度数据为a_{L_Z_bp}(n)、a_{L_Y_bp}(n)、a_{R_Z_bp}(n)、a_{R_Y_bp}(n)、a_{B_Z_bp}(n)、a_{B_Y_bp}(n)；

相位关系判定：

以a_{L_Z_bp}(n)、a_{R_Z_bp}(n)为分析对象，计算车体左、右边梁垂向加速度平均斜率k_Z，即：

同理以a_{L_Y_bp}(n)、a_{R_Y_bp}(n)为分析对象，计算车体左、右边梁横向加速度平均斜率k_Y，即：

当满足k_Z<0，k_Y>0时，则判定左、右边梁垂向振动反相位，横向振动同相位，否则停止判定，等待下一次0.5s判定；

阈值判定：

当满足相位判定k_Z<0，k_Y>0，再进行阈值判定,分别对a_{L_Z_bp}(n)、a_{R_Z_bp}(n)、a_{L_Y_bp}(n)、a_{R_Y_bp}(n)、a_{B_Z_bp}(n)、a_{B_Y_bp}(n)进行峰谷值提取，然后对提取后的峰谷值取绝对值，计算峰谷值的绝对值的平均值，分别表示为a_{L_Z_bp_mean_peak}、a_{L_Y_bp_mean_peak}、a_{R_Z_bp_mean_peak}、a_{R_Y_bp_mean_peak}、a_{B_Z_bp_mean_peak}、a_{B_Y_bp_mean_peak},如果同时满足如下六条判据，则判定车体发生异常抖动，否则停止处理，等待下一个0.5s进行数据处理，判据如下：

当判定车体发生异常抖动时，通过主动控制处理器(3)对抗蛇行减振器(6)发出主动控制信号，

控制信号为：提取t-1时刻至t时刻之间长度为1s的四处抗蛇行减振器载荷F_{ksx_FL}(n)、F_{ksx_FR}(n)、F_{ksx_RL}(n)、F_{ksx_RR}(n)，

通过频域FFT分析获取四处抗蛇行减振器载荷主频f_{ksx_FL}、f_{ksx_FR}、f_{ksx_RL}、f_{ksx_RR}，通过获得的四个载荷主频f_{ksx_FL}、f_{ksx_FR}、f_{ksx_RL}、f_{ksx_RR}获得抗蛇行减振器载荷主频的平均值f_ksx，由于车体发生异常抖动时，前、后转向架(2)蛇行运动反相位，为了抑制车体异常抖动，需要控制前、后转向架的蛇行运动为同相位，这需要使前转向架左、右抗蛇行减振器6载荷均滞后90度，后转向架左、右抗蛇行减振器载荷均提前90度，具体操作为：

求取滞后和提前时间τ，τ＝(1/f_ksx)×0.25s，则向抗蛇行减振器(6)发出的主动控制载荷信号为F_{ksx_FL}(t+τ)、F_{ksx_FR}(t+τ)、F_{ksx_RL}(t-τ)、F_{ksx_RR}(t-τ)；

步骤三，将步骤二发出的主动控制载荷信号分别发送至车体(1)前后端两侧的抗蛇行减振器(6)，使前端转向架(2)左、右抗蛇行减振器(6)的载荷分别比原有载荷滞后90度相位，使后端转向架(2)左、右抗蛇行减振器(6)的载荷分别比原有载荷提前90度相位，载荷幅值保持原有幅值，实现前后转向架同相位、同频率、同幅值蛇行运动；

步骤四，在步骤三发出主动控制信号后，处理器仍然按照原有每隔0.5s进行判定，若仍然判定车体异常抖动，则持续发出上一时刻获得的抗蛇行减振器载荷F_{ksx_FL}(t+τ)、F_{ksx_FR}(t+τ)、F_{ksx_RL}(t-τ)、F_{ksx_RR}(t-τ)，若判定车体没有发生异常抖动，则停止向抗蛇行减振器发出主动控制信号，恢复减振器原有特性，被动减振，并将发出的主动控制信号清除，待下次存储，由此周而复始的进行车体异常抖动的监测和控制。

本发明的第一加速度传感器4、第二加速度传感器5和修正加速度传感器9分别可以设置多个，为节约成本，第一加速度传感器4、第二加速度传感器5和修正加速度传感器9分别设置1个较佳。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，其都在该技术的保护范围内。