A semi-active damper for the secondary suspension of high-speed trains

Secondary suspensions of high speed trains are designed to guarantee high comfort levels to the passengers reducing the perceived vibrations. Recent studies have shown that the acceleration of the car-body is not only related to the rigid motions, but that it is also affected by the excitation of the deformable modes, that are at higher frequencies (8-10 Hz). Therefore, the design of a passive damper has to balance two opposite requirements: damping the rigid motions, while, at the same time, reducing the force transmitted at high frequencies to limit the excitation of the deformable modes. To overcome this trade-off, in this thesis, the introduction of a semi-active damper will be analysed, as it seems to be the best compromise between the costs and the beneficial effect. In order to simulate the vertical dynamic of the railroad-car, to design the control logics, two simplified models have been developed. As a detailed mathematical description of the hydraulic dampers during the control design would be of marginal utility and difficult, in this thesis a simplified approach has been followed describing numerically the dynamic of the damper and of the control valve, combining a mathematical model with experimental results. Having implemented and tested the established logics, e.g. Sky-Hook, and a modified version of the Linear Quadratic Regulator, the study focussed on the simplification of the designed control architecture and on the development of a control logic easy to be implemented, a modified Maximum Power Point Tracking, and that, at the best of our knowledge, has never been used for this application. To experimentally compare the comfort improvement related to the introduction of the different logics, a Hardware in the Loop test rig has been designed and set up.

Le sospensioni secondarie dei treni ad alta velocità sono progettate per garantire elevati livelli di comfort ai passeggeri riducendo le vibrazioni percepite. Studi recenti hanno mostrato che l’accelerazione in cassa non dipende solamente dai moti rigidi, ma anche dai moti deformabili a più alta frequenza (8-10 Hz). Di conseguenza, il progetto di uno smorzatore passivo deve conciliare questi due requisiti: smorzare i moti rigidi, limitando allo stesso tempo la forza trasmessa in alta frequenza per ridurre l’eccitazione dei modi deformabili. Per risolvere questo problema, in questa tesi, sarà analizzata la possibilità di impiegare smorzatori semi-attivi, che appaiono essere il miglior compromesso tra costi e benefici, per ottenere l’effetto desiderato. Al fine di riprodurre la dinamica verticale della vettura, per implementare le logiche di controllo, sono stati sviluppati due modelli semplificati della carrozza. Poiché una modellazione matematica dettagliata degli smorzatori idraulici sarebbe di utilità marginale, e difficile, nella sintesi del controllo, in questa tesi si è seguito un approccio semplificato per descrivere numericamente la dinamica dello smorzatore e della valvola di controllo, combinando un modello matematico con prove sperimentali sul cilindro. Dopo aver implementato e testato le logiche di uso consolidato, come lo Sky- Hook, e una versione modificata del Regolatore Lineare Quadratico, lo studio si è rivolto alla semplificazione dello schema di controllo progettato e allo sviluppo di una logica di semplice implementazione, una versione modificata del Maximum Power Point Tracking, che non ci risulta mai applicata prima a problemi di questo tipo. A livello sperimentale, è stato allestito un banco di prova Hardware in the Loop per confrontare le diverse logiche in esame in termini di miglioramento del comfort.