铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告.docx
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铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告
铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告
1.车辆悬挂系统概述
十年来，中国铁路连续实施六次大提速，旅客列车的运行速度不断提高，对车辆运行平稳性的要求也越来越高。
铁道车辆速度的提高，使其在铁路运行时的振动随之增加，车辆剧烈振动也会损伤车辆结构，轮轨之间的作用力和车辆振动达到一定程度后还会影响行车安全。
控制车辆振动是铁道车辆提速并改善其平稳性的关键技术。
为了改善铁道车辆的乘坐舒适性和运行平稳性，一方面可以提高线路的质量状况，另一方面则可以提高悬挂系统的性能。
要提高线路的质量状况，需要投入巨额的费用。
此外，线路的改造也很复杂，而目前我国一些线路受条件限制难以改造。
因此，车辆的乘坐舒适性和运行平稳性只能依靠悬挂系统的减振性能来提高。
设计合适的悬挂系统改善车辆的性能，是一种经济、有效的途径，对于正在进行的铁道车辆研究具有重要意义。
铁道车辆的悬挂系统与两个主要性能即平稳性和稳定性密切相关。
目前应用的悬挂系统主要有三种：
被动悬挂，全主动悬挂和半主动悬挂。
传统的被动悬挂系统由于其弹性元件和阻尼元件的参数不能实时调节，因而不能使铁道车辆的乘坐平稳性和操作舒适性同时达到最优。
全主动悬挂系统结构复杂，成本高，因而难以得到应用。
阻尼可调的半主动悬挂系统与全主动悬挂系统相比，虽然对振动控制的性能略差，但其结构相对简单，价格低廉，同时，在控制品质上又能接近于主动悬挂，因而有着广阔的应用前景。
特别是磁流变减振器的出现，加快了半主动悬挂产业化的进程。
在目前铁道车辆营运速度迅速提高的情况下，采用阻尼调节的半主动悬挂系统应用前景广阔。
2.列车的三种悬挂方式以及他们之间的分析比较
（1）.列车的三种悬挂方式
1）.被动悬挂
传统的铁路铁道车辆悬挂系统由弹性元件和阻尼元件组成，它们在工作时不消耗外界能源，故称为被动悬挂。
这种悬挂系统简单可靠，易于实现，可以在一定程度上满足铁道车辆对动力学性能的要求，但由于被动悬挂的参数在车辆运行的过程中无法实时调节，难以解决运行线路断面的多样性和悬挂参数单一性、列车运行速度的不定性与传统悬挂参数的一定性之间的矛盾，被动悬挂系统的适应性比较差，因而无法适应列车高速运行时对动力学性能的更高要求。
被动悬挂系统只能根据车体与转向架间的相对速度产生阻尼力，而实际所需阻力应由速度、位移及加速度多种因素决定:
，而且被动悬挂系统只能在一定条件下对铁道车辆作衰减振动，难以适应在复杂多变的线路上高速运行的列车对动力学性能的要求。
针对被动悬挂存在的缺陷，60年代提出了铁道车辆的主动悬挂。
2）.主动悬挂
在悬挂系统中加入力发生器（作动器）的装置称为主动悬挂。
主动悬挂系统由于需安装测量传感装置、作动器及控制装置，会不可避免地提高列车成本，同时由于列车结构空间的限制，若在极有限的空间中安装作动器，势必导致列车结构更加复杂，复杂的主动作动器和车辆结构可能影响可靠性并带来高昂的维护费用。
不仅如此，主动悬挂系统无论采用何种形式的作动器，都将大量消耗外界附加能量。
虽然设备及结构的复杂性可通过技术的日益成熟来解决，成本高昂也可通过大批量生产来解决，但能量消耗过大是主动悬挂固有的缺陷，唯有通过原理的改进来解决，因而在普及上尚有困难。
目前，主动悬挂主要用于高速列车。
3）.半主动悬挂
在悬挂系统中需要输入少量能量的，具有可调阻尼的装置称为半主动悬挂。
它是美国加州大学戴维斯分校机械工程系D.E.Kamopp教授等人于1974年提出来的[1,2,3]。
[1]KarnoppDCandTrikhaAK.Comparativestudyofoptimizationtechniquesforshockandvibrationisolation.JournalofEngineeringforIndustry1969,1128~1132.
[2]KarnoppDCandCrosbyMJ.Theactivedamper-anewconceptforshockandvibrationcontrol.TheShockandVibrationBulletin，1973，43，TheShockandvibrationInformationCenter,NavalResearchLaboratory,Washington,D.C.
[3]KarnoppDCCrosbyMJandHarwoodRA.Vibrationcontrolusingsemi-activeforegeneratorrs.TransactionsoftheASMEJournalofEngineeringforIndustry,seriesB，1974，96
（2）:
619~626
半主动悬挂利用可以控制的调节阻尼器，根据预定的阻尼控制规律，实时调节阻尼力。
半主动悬挂的提出晚于主动悬挂，比主动悬挂结构简单、成本低，而且性能接近于主动悬挂，另外由于不需要专用大功率能源装置，这对各种载运工具来说是一个突出的优点，因而受到重视，具有较好的发展前景。
（2）.悬挂系统的分析比较
1）.改善系统性能原理
从系统动力学的观点来看，系统在输入的作用下存在输出。
通过调整输入和（或）系统的结构参数来使系统的输出符合我们的要求，就是对系统实施控制。
系统的输入是外界干扰（包括轨道不平顺、空气动力等）和控制力；研究的系统是车辆系统，包括车辆悬挂系统和车体本身；输出是表征系统振动性能的参数（如车体加速度的统计值或车辆的平稳性指标）。
我们希望输出能够控制在一个合理的范围内以改善系统的振动性能，因此只能通过调整输入和（或）悬挂系统本身结构来实现。
对于被动悬挂系统，当输入改变时，由于其结构本身不能改变，因此其输出必然随输入而发生变化，有时会超出合理的范围，导致车体振动加剧；对于主动控制当系统的激扰改变时，可借助于外部能量产生控制力来改善系统的性能，通过调整控制力以保证输出符合要求，从而提高车辆自身的减振性能；对于半主动控制系统，通过改变减振器的阻尼系数或弹簧刚度适应不同的道路和行驶状况的需要，即当输入改变时，通过系统自身（悬挂元件的参数）调整来改善系统的性能。
也就是说，半主动悬挂是通过系统结构的自身调整来改进系统性能的，即当系统的输入改变时，通过调整悬挂参数来改善系统的输出。
2）.系统组成
被动悬挂系统：
即传统的悬挂系统，由弹簧和减振器组成。
被动悬挂的设计，主要是确定弹簧和减振器的参数，使悬挂系统满足平稳性、轮轨动作用力等指标，得到一组最优或次优悬挂参数，能在特定的线路激扰、车辆结构参数和运行速度下达到性能最优。
主动悬挂系统：
即在悬挂系统中加入力发生器（作动器），根据传感器从车体和转向架所获取的信息，按给定的控制规律产生连续可控的悬挂力，使车体加速度减小。
这种装置需要一套能量供给设备。
半主动悬挂系统：
针对主动悬挂需要较大控制能量和成本较高的作动器，人们想起在悬挂元件——弹簧和减振器上做文章（有人认为若采用改变刚度：
如采用空气弹簧和油气弹簧的方法来减振，因刚度的改变需要大量气压，同样需要较大能量，而改变阻尼是容易实现的）。
半主动悬挂系统根据传感器从车体和转向架所获取的信息，通过半主动悬挂系统的控制器调节减振器阻尼状态，从而达到改善车辆运行平稳性和安全性的目的。
车辆主动、半主动悬挂系统由传感器测量车辆系统的输出信号，如车体绝对速度、或车体对转向架的相对速度、车体的加速度等信号，经微处理器发出指令执行实时控制，由执行机构调节阻尼力（半主动）或控制力（主动）。
对于主动悬挂控制系统来说，采用的执行机构有液压伺服作动器、机电作动器、伺服气缸等几种方案。
对于半主动控制系统来说，由于减振器较易被控制，采用的执行机构一般是可变阻尼减振器。
3）.系统复杂度
半主动悬挂系统因为需要传感器、控制器等，显然比被动悬挂系统要复杂，但与主动悬挂相比，因为其不需要油泵（或空气压缩机）、过滤器、储油室、冷却器及输油管（输气管）等提供大能量的辅助器件，因而结构简单、价格相对便宜得多。
4）.控制效果
主动悬挂系统和半主动悬挂系统都可以利用天棚控制来计算控制力，二者都是通过产生减少车体绝对速度所需的控制力而达到减振目的的，故减振效果相近，其中，主动悬挂系统的控制力是根据传感器提供的信息由外部能量直接产生的，半主动悬挂系统的控制力是通过调整系统本身结构而近似得到的。
而被动悬挂无法调整系统结构，也没有外力来控制车体输出，故而其减振效果不如主动和半主动悬挂系统。
5）.能量级别
与主动悬挂系统相比，半主动悬挂系统通过改进系统的结构来衰减振动，所以，除了驱动电磁阀或施加电（磁）场需要耗能外，并不需要向悬挂系统提供额外的能量，因此所需的能耗与主动悬挂系统相比很小，而且远不止一个数量级。
Spencer采用半主动控制方案，设计了能产生200000N力（20T力）的磁流变减振器，其行程为士8cm所需提供电量小于50瓦特，试验中测得5cm/s的速度时，磁流变减振器产生201000N力的控制力，如果该控制力直接由主动控制方式产生，则功率为10000W，由此可见，主动控制能耗至少是半主动控制的2000倍以上。
车辆悬挂系统的特性比较：
悬挂名称
被动悬挂
半主动悬挂
主动悬挂
开关型
连续型
慢主动
全主动
执行元件
普通液压
减振器
分级可控
减振器
连续可控
减振器
液压系统
液压系统
作用原理
阻尼力不
可控
阻尼力分
级可调
阻尼力连
续可调
调节作动力
调节作动力
控制方式
无
手动调节自动调节
电液调节自动调节
电液调节自动调节
电液调节自动调节
频率范围
无
0-10Hz
0-20Hz
3-6Hz
大于15Hz
改善横向
动力特性
无
小
中
大
大
改善垂向
动力特性
无
小
中
大
大
传感器数量
无
少
较少
多
多
能量消耗
无
小
小
大
大
制造成本
最小
小
中
大
大
使用程度
大量采用
小量
小量
横向、垂向控制
主动倾摆、横向控制
（3）.铁道车辆悬挂系统发展趋势
铁道车辆主动、半主动悬挂系统主要是自动控制技术与现代铁道车辆技术成功结合的产物，这体现了主、被动一体化振动控制的思想，同时也是结构和控制一体化设计思想的延伸与发展。
根据对铁道车辆悬挂功能原理及特点的分析，可以看出，半主动悬挂旨在以接近被动悬挂的造价和复杂程度来提供接近主动悬挂的性能，而且半主动悬挂系统是通过调整系统的结构来适应外界输入，从而改善系统的性能。
因此，它是车辆悬挂的主要发展方向之一。
结合半主动悬挂系统的特点及我国铁路发展的现状，采用半主动悬挂系统对铁道车辆进行振动控制是一种较好的选择。
3.国内外主动/半主动悬挂研究和应用状况
（1）.国外主动/半主动悬挂系统的应用状况
在20世纪80年代中、后期，日本的三菱汽车公司和Nissan汽车公司分别在本公司生产的某些车型的轿车上采用了电子控制半主动悬架系统。
LEXUSL5400型轿车的电子控制悬架系统是一种较典型的半主动悬架系统。
该系统采用了充有压缩空气的空气弹簧，弹簧的弹性可在“软”与“硬”之间切换，减振器则有三种不同的阻尼特性可供选择。
轿车行驶过程中，电子控制单元能够根据各种传感器的输入信号，选择最佳的空气弹簧的弹性与减振器阻尼特性的组合，从而获得良好的乘坐舒适性和操纵性能[4]。
[4]梁杰.丰田LEXUSLS40O型轿车的电子控制悬架.汽车技术.1997，第9期:
43~48
1988年，Nissan公司研制开发了一种所谓声纳半主动悬架装置，并首先选装在Maxima型轿车上。
其原理就是通过发出的声纳信号进行路面搜索，同时将来自路面的反射波信号进行接收识别[5]。
[5]孙求理，张洪欣.主动悬架的发展和技术现状.世界汽车.1996，第5期:
4~6
2002年德国采埃孚一萨克斯公司宣布，该公司最近与另一家名为兰齐亚的汽车公司合作，开发出了一种能自动识别道路状况的半主动悬架系统一自动连续调节阻尼控制系统（CDC）。
据称，这一系统不仅可以装配在诸如法拉利等赛车上，还可以安装在其他高级轿车上[6]。
[6]http:
//www.sachs.de/
日本500系为了以提高舒适性为目标，在两头车厢（1，16号车厢）安装主动悬挂系统，而在安装受电弓的车厢上（5，13号车厢）和绿色车厢（8，9，10号车厢）上安装半主动悬挂系统。
装用半主动悬挂装置后，列车的乘坐舒适性从“普通”区域提高到“良好”一“普通”区域。
装用半主动悬挂系统的500系列新干线动车无论运行在明线或隧道内，都有改善乘坐舒适性的效果。
可以确认，这种列车在300km/h速度运行时的乘坐舒适性与以往270km/h速度运行时的一样或者更好。
今后将以进一步改善乘坐舒适性为标，继续研究改进半主动悬挂系统的结构和性能[7]。
[7]则直久，张耀宏.500系列动车的半主动悬挂系统.国外内燃机车.1998，第5期:
8~12
日本700系新干线采用了半有源悬挂系统。
不仅在车体发生摇动时需要使减振器向抑制振动的方向动作，且在由于轨道的影响使转向架发生振动时，为使振动不向车体传递，也要求横向减振器具有相应的动力衰减能力。
为此，需要测出车辆的横向运动加速度，控制衰减系数可变的横向减振器的动作，从而提高乘坐舒适性。
与500系客车一样，本系统安装于两个头车（1号、16号车）、装有受电弓的车厢（5号、12号车）以及头等车厢，这对于实现“提供舒适性更好的客车”这一目标，具有明显的效果[8]。
[8]刘克鲜.日本新干线700系客车.国外铁道车辆.1998，35（6）:
14~17
2002年，东日本旅客铁道株式会社在其E2系新干线车辆上安装了有源悬挂系统，利用气压作动器和H∞控制的主动悬挂装置，日本E2新干线列车部分车辆上安装的横向全主动悬挂系统由以下几个部分组成：
安装在车体和转向架之间传统二系横向减振器的位置上的空气压力式作动器及其配套部件、车体上的加速度传感器、根据加速度信号处理风压伺服阀控制信号的控制元件、减振器和其它被动悬挂部件。
这套系统考虑了车体的横移、摇头和测滚运动，采用H∞控制。
由于起初确定的加权函数侧重于改善车辆在线路敞开地段运行工况下的舒适度，在运行试验中发现安装该横向主动悬挂系统的车辆在线路敞开地段的乘坐舒适度比普通车辆的乘坐舒适度高5~9dB，但在隧道内只能提高2dB左右。
在重新确定加权函数后，发现在隧道内该系统也能够将车辆的乘坐舒适度提高5dB左右。
这充分说明在铁道车辆悬挂的H∞控制器设计过程中，合理地选取加权函数是很重要的[9]。
[9]董锡明高速动车组工作原理与结构特点中国铁道出版社
德国ICE2动车组的拖车上采用SGP400转向架，SGP400具有独特的横向主动控制系统”AQS”，在构架上安装2个水平的“空气弹簧风缸”，相当于一个在水平方向起作用的横向位置调整器，使车体在曲线上行驶时，能主动回到中心位置附近，从而大大改善横向舒适性。
并且在弯道行驶时，具有与直道运行系统一样的舒适性[9]。
董锡明高速动车组工作原理与结构特点中国铁道出版社
Siemens公司开发的SF600型高速转向架（最高运行速度250km/h），主要运用在ICE-T动车组上。
SF600转向架二系横向采用了主动弹簧加半主动阻尼器的悬挂系统，这个系统安装在已有车体倾摆系统和横向定位气动系统的转向架上。
车体安装在由倾摆系统支承的上摇枕上，二系空气弹簧用以支承下枕梁，扭杆用作抗侧滚装置，一系悬挂装有圆弹簧和液压无源减振器，以半主动控制减振器代替传统的吹响和横向减振器，。
每两节车的四台转向架上，与空气弹簧并联装有一套垂向和一套横向半主动减振系统。
每节车上装有一套SIBA32诊断、控制系统和一套惯性传感系统。
每台转向架上的垂向半主动减振系统装有：
2个具有连续调节阻尼控制阀的垂向液压减振器、2个测量垂向减振器行程的非接触式旋转电位器、2个安装在转向架下枕梁上的垂向加速度计。
每台转向架上的横向半主动减振系统装有2个具有连续调节阻尼控制阀的横向液压减振器、2个装在液压缸上的横向行程传感器、1个装在转向架下枕梁的横向加速度计[9]。
董锡明高速动车组工作原理与结构特点中国铁道出版社
（2）.国内外主动/半主动悬挂系统的研究状况
对铁道车辆主动悬挂的研究很早以前就已经开始。
1984年，日本对采用PID控制的气压式主动悬挂装置进行了装车运行试验。
据报告，共振区内的车体振动加速度减小了约二分之一。
英国国铁也对电磁方式等主动悬挂进行了研究。
法国也进行了相关研究，拟将主动悬挂装置应用到TGV列车上，使车辆在运行速度为350km/h时的乘坐舒适度能够控制在运行速度为300km/h时的水平。
然而由于成本问题和无法保证安全性等因素，这些研究未能实现在运营车辆上装车[10]。
[10]RogerGoodall"ActiveRailwaySuspensions:
ImplementationStatusandTechnological
TrendsVehicleSystemDynamicsVol.28（1997）87-117
DaimlerChryslerAG公司和BombardierTransportation公司研制了一套横向主动悬挂系统，该系统已经在慕尼黑通过了滚动试验台样车试验，试验结果证明该系统满足作动器能耗低、行程小、减振效果明显等要求。
系统采用液气压联动式（hydro-pneumatic）作动器，这种作动器的一端是一个气压腔，能够起到类似于空气弹簧的作用，使作动器兼有被动弹簧的刚度和阻尼特性，作动器输出力由油压伺服阀控制[11]。
[11]Dr.RalphStreiter"ActiveLateralSuspensionforHighSpeedTrains,2001
控制器的设计采用传统的传递函数综合法。
需要对车辆系统动力学方程进行简化，以得到适合于控制器设计的简化模型，将得到的简化模型和原模型进行仿真比较，确定了简化模型的有效性。
利用简化模型和相关控制理论确定了控制器的阶数，然后根据减少车体横向振动和相关性能的要求（作动器冲程、限界等）确定控制器传递函数的各个系数。
控制器需要测量到下面的信息：
车体重心处的横向惯性加速度和摇头加速度，车体相对于两个转向架的横向位移以及两个转向架的相对摇头角和侧滚角。
其中有些量（如车体重心处的横向加速度）并不能直接测量到，需要通过测量其它量间接得到。
此外，还需要在作动器上安装液压传感器，以增强对作动器的控制，避免控制失效。
值得关注的是以上所介绍的横向主动悬挂系统是作为“主动转向架”项目的一部分研究开发的，“主动转向架”研究项目由DaimlerChslerAG公司和BombardierTransportation公司合作完成，旨在研制出代表转向架发展趋势的机械电子式（Mechatronic）转向架，这种新型转向架具有一系、二系主动悬挂系统和倾摆系统，并具有故障检测和诊断功能。
机械电子式转向架包括机械、电子、控制三个部分，这三个部分的设计并不是逐一独立进行的，而是在设计开发初期就充分考虑到三者之间的相互作用和影响，从整体上同步研究开发，这种设计理念能够最大限度地发挥各个部件的作用。
德国的西门子公司研制了一套用于摆式列车上的半主动悬挂系统，该系统采用天钩阻尼控制，包含横向半主动悬挂系统和垂向半主动悬挂系统。
每个可控减振器上都安装了位移传感器，控制器对位移传感器测出的位移信号进行微分运算，得到相对速度信号。
在车体上靠近每个可控减振器的地方安装了加速度传感器，车体相应的绝对速度信号由对各加速度传感器测得的加速度信号进行积分获得。
实车试验表明在运行速度为1SOkm/h时，和垂向被动悬挂系统相比，该系统中的垂向半主动悬挂能够将车体共振点处的幅值降低85%[12]。
[12]ANTONSTRIBERSKY,ANDREASKIENBERGER,GUNTHERWAGNER"DesignandEvaluationofaSemi-ActiveDampingSystemforRailVehicles"VehicleSystemDynamicssupplement28（1998）669-681
日本基于一种内置可变阻尼油压减振器空气弹簧研制出了一套列车垂向半主动悬挂系统，该系统采用天钩阻尼控制，现已完成实车运行试验。
内置可变阻尼油压减振器空气弹簧内部装有一个节流孔可调的油压减振器，主要面向于列车垂向半主动悬挂方面的应用，目前已申请专利[13]。
[13]原能生旧等“垂向半主动悬挂装置性能试验”《国外铁道车辆》2002年5月第39卷第3期32~36
日本国内有人目前在研制一种能源再生半主动悬挂系统，该系统能够将可控减振器吸收的能量转化为电能储存起来，然后反过来再利用这些电能实现对可控减振器的控制[14]。
[14]YoshihiroSuda,ShigeyukiNakadal,KimihikoNakano"HybridSuspensionSystemwithSkyhookControlandEnergyRegenerationVehicleSystemDynamicssupplement28（1998）,619-634
针对天钩阻尼控制不能有效地衰减车体振动加速度的缺点，西南交大研制了基于加速度反馈的自校正横向半主动悬挂系统。
控制器中包含一个参数估计环节，对车体质量进行在线辨识，根据车体质量的变化确定出最优的加速度反馈系数，确定出理想的目标力值。
减振器分别采用了可调节节流孔大小的快速调节减振器和磁流变减振器，近似实现目标力值。
减振器活塞相对于缸体的运动速度由加速度信号积分得到。
在机车车辆振动试验台上的试验结果表明，采用这套横向半主动悬挂系统，能够将车辆的横向乘坐舒适度指标改善10%~18%[15]。
[15]吴学杰，王月明，张立民，戴焕云，陈春俊.高速成列车横向悬挂主动、半主动控制技术的研究，铁道学报[J]，2006,28
（1）:
50-54.
中南大学的熊勇刚等人对采用天钩阻尼控制的机车车辆横向半主动悬挂系统进行了研究，开发出了一套电子控制系统，该系统的处理器选用89C52单片机，整个系统由采样滤波、运算处理、功率放大、可调节流孔减振器等几个部分组成。
初步的试验结果表明该系统能够提高车辆的平稳性指标，可靠性较高[16]。
[16]熊勇刚，谢勇，丁问司等.机车车辆半主动悬挂控制系统的研究[J].中南大学学报.2005，36（4）,678~682
西南交大的张开林等对采用LQG控制的铁道车辆横向主动悬挂系统进行了试验研究。
试验采用1：
8的半车模型，线路激扰为简单的正弦激扰，试验结果表明车体的横向共振振幅相对于被动悬挂能够减少80%。
控制器假设车体的状态信号均可以测量，对转向架的状态则采用卡尔曼滤波进行估计获得。
由于试验采用正弦激振，没有对被动悬挂的阻尼进行优化匹配，因此试验结果并不能如实反映主动悬挂的减振效果[17,18]。
[17]张开林.机车车辆横向平稳性主动控制的研究.西南交通大学博士研究生学位论文，1997
[18]张开林，米彩盈.铁道车辆主动减振控制系统的开发.铁道车辆.1998.36（9）:
28~30
西南交通大学的戴焕云教授对铁道车辆横向主动悬挂采用随机最优控制进行了仿真研究，采用简单的两自由度车辆模型。
控制器设计的目标是尽可能地同时减小车体最大横向加速度、二系悬挂的最大静挠度和主动悬挂力，为此，选用车体最大横向加速度、二系悬挂的最大静挠度、主动悬挂力三个量的加权平方和作为目标优化函数。
仿真计算的结果表明，通过调整优化目标函数中各个项的加权系数，可以侧重于提高
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