可变刚度一系定位节点控制系统及控制方法与流程
1.本发明涉及高速动车组转向架系统技术领域，具体涉及一种通过实时调节一系定位节点刚度参数来改善高速动车组动力学性能的控制系统及控制方法。
背景技术：
2.随着我国高速动车组技术自引进、消化到自主创新，车辆运营速度也在逐步提升，由最早的250km/h、300km/h到现在的350km/h，未来几年内目标运营速度将达到400km/h。速度的提升对于车辆运行安全性和平稳性提出了更高的要求。
3.提高动车组的运行品质主要有两个途径，第一是改善线路条件，主要是控制线路的不平顺水平，加大线路的曲线半径，避免极小曲线半径线路等。我国高速铁路总里程已达到3万公里，受不同地区的地理环境的制约，不同线路之间轨道结构阻尼和刚度以及钢轨的几何形状、轨道不平顺、最小曲线半径等均存在一定差异，若想进一步通过控制线路激扰幅值的方法来改善车辆运行品质，将会变得十分困难，而且成本会非常高。第二是优化车辆悬挂设计，通过优化车辆悬挂方式和悬挂参数，增强悬挂系统的隔振性能，提高车辆运行稳定性并改善运行平稳性。
4.目前高速动车组普遍采用被动悬挂，悬挂元件的阻尼与刚度参数为固定值，被动悬挂已经没有太多的优化空间，不能根据车辆状态实时调节悬挂特性参数，无法适应不同运行条件，不能同时兼顾一次蛇行和二次蛇行、直线运行稳定性和曲线通过性能之间的矛盾问题，迫切需要新的技术来提高车辆整体技术的发展。
技术实现要素：
5.本发明为解决现有技术中针对车辆状态实时调节悬挂特性参数，无法适应不同运行条件，不能同时兼顾一次蛇行和二次蛇行、直线运行稳定性和曲线通过性能之间的矛盾等问题，提供一种可变刚度一系定位节点控制系统及控制方法。
6.可变刚度一系定位节点控制系统，该控制系统包括gps模块、车载陀螺仪模块、车载速度模块、车体底架振动加速度传感器、转向架横向振动加速度传感器、前置处理器和车载主机；
7.所述车载主机分别与前置处理器、车体底架振动加速度传感器、转向架横向振动加速度传感器、gps、车载速度模块、车载陀螺仪模块以及可变刚度一系定位节点连接；
8.所述gps模块用于接收gps信号，获取车辆的运行线路信息；
9.所述车载陀螺仪模块用于判断线路信息的曲线半径；
10.所述车载速度模块用于提供车辆运行速度信息；
11.所述车体底架振动加速度传感器用于采集车体振动加速度；转向架横向振动加速度传感器用于采集构架振动加速度；
12.所述前置处理器根据实测车体振动加速度计算舒适度指标，根据实测构架横向振动加速度进行滤波计算，并整合可变刚度一系定位节点自反馈信号提供至车载主机；
13.所述车载主机对舒适度指标、构架横向滤波加速度、陀螺仪及gps信息、车辆运行速度以及可变刚度一系定位节点反馈信号进行整合，并进行控制。
14.本发明还提供一种可变刚度一系定位节点控制方法，该方法由以下步骤实现：
15.步骤一、当动车组受电弓给电时，可变刚度一系定位节点的自检模块工作，判断节点阀系及供电系统是否正常，如果状态正常，执行步骤二；如果状态不正常，控制电磁阀完全断电，将可变刚度一系定位节点刚度执行被动安全参数l0，待车辆入库后对节点进行检查；
16.步骤二、车载主机判断车载速度模块获取的动车组运行速度是否大于80km/h时，如果是，执行步骤三；如果否，控制可变刚度一系定位节点的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点的刚度执行l6参数；执行步骤七；
17.步骤三、通过gps模块判断当前线路信息，如果是曲线，且根据陀螺仪模块判断曲线半径小于1000m时，控制可变刚度一系定位节点的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点的刚度执行l5参数；执行步骤七；
18.如果运行线路为直线或曲线半径大于1000m，执行步骤四；
19.步骤四、则判断转向架横向振动加速度，如果0.5-10hz滤波后的横向振动加速度在10分钟内出现3次大于0.5g，则认为转向架存在失稳风险，控制可变刚度一系定位节点的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点的刚度执行l1参数；执行步骤七；
20.如果0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度没有出现预警，则执行步骤五；
21.步骤五、若车体底架振动加速度传感器获得的舒适度指标没有超过2，则认为车辆运行状态正常，控制可变刚度一系定位节点的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点的刚度执行l2参数；执行步骤七；
22.如果舒适度指标超过2，且车体横向振动加速度频率小于等于3hz，认为车辆出现明显的晃动问题，根据构架横向振动加速度进一步判断是否同时引起车辆运行安全问题；执行步骤六；
23.步骤六、若0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度出现连续5次达到0.3g，认为此时车辆可能存在安全隐患，控制可变刚度一系定位节点的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点的刚度执行l3参数；执行步骤七；
24.如果0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度未出现连续5次达到0.3g，认为此时车辆为单一的车体晃动问题，控制可变刚度一系定位节点的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点的刚度执行l4参数；执行步骤七；
25.步骤七、所述可变刚度一系定位节点的自反馈模块判断当前执行指令与目标指令是否一致，如果否，则可变刚度一系定位节点存在异常，控制电磁阀完全断电，将可变刚度一系定位节点刚度执行被动安全参数l0，待车辆入库后对节点进行检查。
26.本发明的有益效果：本发明所述的控制方法，利用车载加速度传感器、gps及陀螺仪模块实时采集的数据评估车辆当前运行状态及线路工况，基于评估结果以及一系定位节点反馈信号实时调节一系定位节点刚度以满足车辆动力学性能需求，降低车辆曲线通过时的轮轨相互作用力，解决轮缘磨耗和小半径曲线钢轨侧磨问题，延长车轮和钢轨的使用寿命，降低运维成本，提高检修维护的经济性；增强车辆对不同维护状态下线路的适应能力，提高车辆乘坐舒适性，为车辆性能提升及设计提供更大空间；解决了当前车辆设计时无法
兼顾高速与小半径曲线通过性能的重大难题以及局部线路因轮轨匹配不良出现的稳定性、平稳性及舒适度问题，满足城际车、市域车等市场需求。
27.本发明控制方法采用动态控制的闭环逻辑，可有效降低车轮轮缘磨耗、减小轮轨接触应力、改善局部线路车辆出现的稳定性不足、车体低频晃动等问题，提高车辆运行安全性、平稳性和曲线通过性能，进而延长车轮镟修周期，增强车辆对轨道的适应性。
附图说明
28.图1为本发明所述的可变刚度一系定位节点控制系统的结构示意图；
29.图2为本发明所述的可变刚度一系定位节点控制方法的逻辑图。
具体实施方式
30.具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，可变刚度一系定位节点控制系统，该系统包括gps模块1，车载陀螺仪模块2，车载速度模块3，车体底架振动加速度传感器4，转向架横向振动加速度传感器5，可变刚度一系定位节点(带自检和反馈功能)6，前置处理器7和车载主机8，如图1所示。
31.本实施方式中，所述gps模块用来接收gps信号，具有定位功能，用于曲线、直线的判断；车载陀螺仪模块用来判断曲线半径的大小；车载速度模块用来提供车辆运行速度信息；车体底架振动加速度传感器用于采集车体振动加速度；转向架横向振动加速度传感器用于采集构架振动加速度；可变刚度一系定位节点可通过电磁阀实时改变节点内部阀系，进而改变刚度特性，并带有自检和反馈功能，可调整刚度按照由大到小分为6级，即l1～l6，其中l1刚度范围为70-80mn/m，l2刚度范围为40-50mn/m，l3刚度范围为30-40mn/m，l4刚度范围为20-30mn/m，l5刚度范围为15-20mn/m，l6刚度范围为10-15mn/m，其中l3为常工作刚度，此外还有主动变刚度功能失效时的被动安全参数l0，范围为50-60mn/m；前置处理器根据实测车体振动加速度按照gb5599标准计算舒适度指标，根据实测构架横向振动加速度按照gb5599标准进行滤波计算，并整合可变刚度节点自反馈信号提供给主机；车载主机对舒适度指标、构架横向滤波加速度、陀螺仪及gps信息、车辆运行速度以及可变刚度一系定位节点反馈信号进行整合，并执行控制逻辑。
32.具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式采用具体实施方式一所述的变刚度一系定位节点控制系统进行控制的方法，该方法由以下步骤实现：
33.(1)当动车组受电弓给电时，一系定位变刚度节点自检模块工作，判断节点阀系及供电系统是否正常，若不正常需要电磁阀完全断电，一系定位节点刚度执行被动安全参数l0，待车辆入库后对节点进行检查；
34.(2)当动车组运行速度小于80km/h时，电磁阀动作，一系定位节点刚度最低，表现为l6刚度参数，改善车辆低速通过车辆段或车站小曲线时的轮缘磨耗问题；
35.(3)当车组运行速度大于80km/h时，通过gps模块判断当前线路信息，如果是曲线，且根据陀螺仪模块判断曲线半径小于1000m时，电磁阀动作，一系定位节点刚度执行l5参数，改善车辆通过正线较小曲线时的轮缘磨耗问题；
36.(4)当运行线路为直线或曲线半径大于1000m，优先判断转向架构架横向振动加速度，如果0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度在10分钟内出现3次大于0.5g(称该工况为
预警)，认为转向架存在失稳风险，需要将一系定位节点刚度调整最大来保证车辆运行稳定性，此时电磁阀动作，一系定位节点刚度执行l1参数；
37.(5)如果0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度没有出现预警，判断车辆是否出现明显晃动。若舒适度指标没有超过2，认为车辆运行状态正常，电磁阀动作，一系定位节点刚度执行l2参数；
38.(6)如果舒适度指标超过2，且车体横向振动加速度频率小于等于3hz，认为车辆出现明显的晃动问题，需要根据构架横向振动加速度进一步判断是否同时引起车辆运行安全问题。若0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度出现连续5次达到0.3g，认为此时车辆可能存在安全隐患，一系定位节点刚度可适当降低，但不能过小，因此电磁阀动作，一系定位节点刚度执行l3参数；
39.(7)如果0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度未出现连续5次达到0.3g，认为此时车辆为单一的车体晃动问题，一系定位节点刚度可大幅降低，消除车体低频晃动问题。此时电磁阀动作，一系定位节点刚度执行l4参数；
40.(8)所有工况下电磁阀在动作之后均需要通过自反馈模块判断当前执行的指令与目标指令是否一致，如果不一致说明一系定位变刚度节点可能存在异常，此时电磁阀完全断电，一系定位节点刚度执行被动安全参数l0，待车辆入库后对节点进行检查。
41.通过以上动态控制的闭环逻辑，可有效降低车轮轮缘磨耗、改善局部线路车辆稳定性不足、车体低频晃动等问题，提高车辆运行安全性和平稳性，进而延长车轮镟修周期。
技术特征：
1.可变刚度一系定位节点控制系统，其特征是：该控制系统包括gps模块(1)、车载陀螺仪模块(2)、车载速度模块(3)、车体底架振动加速度传感器(4)、转向架横向振动加速度传感器(5)、前置处理器(7)和车载主机(8)；所述车载主机分别与前置处理器(7)、车体底架振动加速度传感器(4)、转向架横向振动加速度传感器(5)、gps(1)、车载速度模块(3)、车载陀螺仪模块(2)以及可变刚度一系定位节点(6)连接；所述gps模块用于接收gps信号，获取车辆的运行线路信息；所述车载陀螺仪模块用于判断线路信息的曲线半径；所述车载速度模块(3)用于提供车辆运行速度信息；所述车体底架振动加速度传感器(4)用于采集车体振动加速度；转向架横向振动加速度传感器(5)用于采集构架振动加速度；所述前置处理器根据实测车体振动加速度计算舒适度指标，根据实测构架横向振动加速度进行滤波计算，并整合可变刚度一系定位节点自反馈信号提供至车载主机(8)；所述车载主机(8)对舒适度指标、构架横向滤波加速度、陀螺仪及gps信息、车辆运行速度以及可变刚度一系定位节点反馈信号进行整合，并进行控制。2.根据权利要求1所述的可变刚度一系定位节点控制系统，其特征在于：所述可变刚度一系定位节点通过电磁阀实时改变节点内部阀系，进而改变刚度特性，并带有自检和反馈功能，调整刚度按照由大到小分为六级，即l1～l6，其中l3为常工作刚度，此外还有主动变刚度功能失效时的被动安全参数l0。3.可变刚度一系定位节点控制方法，其特征是：该控制方法通过如权利要求1所述的控制系统实现，该方法由以下步骤实现：步骤一、当动车组受电弓给电时，可变刚度一系定位节点(6)的自检模块工作，判断节点阀系及供电系统是否正常，如果状态正常，执行步骤二；如果状态不正常，控制电磁阀完全断电，将可变刚度一系定位节点(6)刚度执行被动安全参数l0，待车辆入库后对节点进行检查；步骤二、车载主机(8)判断车载速度模块(3)获取的动车组运行速度是否大于80km/h时，如果是，执行步骤三；如果否，控制可变刚度一系定位节点(6)的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点(6)的刚度执行l6参数；执行步骤七；步骤三、通过gps模块判断当前线路信息，如果是曲线，且根据陀螺仪模块判断曲线半径小于1000m时，控制可变刚度一系定位节点(6)的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点(6)的刚度执行l5参数；执行步骤七；如果运行线路为直线或曲线半径大于1000m，执行步骤四；步骤四、则判断转向架横向振动加速度，如果0.5-10hz滤波后的横向振动加速度在10分钟内出现3次大于0.5g，则认为转向架存在失稳风险，控制可变刚度一系定位节点(6)的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点(6)的刚度执行l1参数；执行步骤七；如果0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度没有出现预警，则执行步骤五；步骤五、若车体底架振动加速度传感器(4)获得的舒适度指标没有超过2，则认为车辆运行状态正常，控制可变刚度一系定位节点(6)的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点(6)的刚度执行l2参数；执行步骤七；
如果舒适度指标超过2，且车体横向振动加速度频率小于等于3hz，认为车辆出现明显的晃动问题，根据构架横向振动加速度进一步判断是否同时引起车辆运行安全问题；执行步骤六；步骤六、若0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度出现连续5次达到0.3g，认为此时车辆可能存在安全隐患，控制可变刚度一系定位节点(6)的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点(6)的刚度执行l3参数；执行步骤七；如果0.5-10hz滤波后的构架横向振动加速度未出现连续5次达到0.3g，认为此时车辆为单一的车体晃动问题，控制可变刚度一系定位节点(6)的电磁阀动作，可变刚度一系定位节点(6)的刚度执行l4参数；执行步骤七；步骤七、所述可变刚度一系定位节点(6)的自反馈模块判断当前执行指令与目标指令是否一致，如果否，则可变刚度一系定位节点(6)存在异常，控制电磁阀完全断电，将可变刚度一系定位节点(6)刚度执行被动安全参数l0，待车辆入库后对节点进行检查。
技术总结
可变刚度一系定位节点控制系统及控制方法，涉及高速动车组转向架系统技术领域，解决现有技术中针对车辆状态实时调节悬挂特性参数，无法适应不同运行条件，不能同时兼顾一次蛇行和二次蛇行、直线运行稳定性和曲线通过性能之间的矛盾等问题，该控制系统包括GPS模块、车载陀螺仪模块、车载速度模块、车体底架振动加速度传感器、转向架横向振动加速度传感器、前置处理器和车载主机；本发明控制方法采用动态控制的闭环逻辑，可有效降低车轮轮缘磨耗、减小轮轨接触应力、改善局部线路车辆出现的稳定性不足、车体低频晃动等问题，提高车辆运行安全性、平稳性和曲线通过性能，进而延长车轮镟修周期，增强车辆对轨道的适应性。增强车辆对轨道的适应性。增强车辆对轨道的适应性。
