（车辆工程专业论文）高速客车的半主动悬挂研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速及舒适始终是我国铁路客运发展的主方向。近年来，随着我国国民 经济的快速发展，铁路行业也取得了很大的进步，已连续6 次实施提速，并 开行了运行速度达2 5 0 k m h 和3 0 0 k m h 的“和谐号”系列高速动车组。随着 旅客列车运营速度的不断提高，车辆垂向运行平稳性基本能满足运行要求， 而横向平稳性性能不佳，这对车辆平稳性提出了更高的要求。为了在现有运 行速度下进一步提高车辆运行平稳性，或在高速运行时保持车辆平稳性在较 好的水平，采用主动、半主动悬挂系统是十分有必要的。结合我国铁路发展 现状，采用半主动悬挂控制系统是我国目前高速列车悬挂系统的最佳形式。 本文结合国内外半主动控制技术的研究现状，对比分析了各种半主动控 制策略，确定采用模糊控制方法对二系悬挂的横向减振器进行半主动控制。 在掌握车辆系统动力学理论的基础上，建立了某高速客车的横向一垂向耦合 的空间动力学仿真模型，并将其与横向动力学、垂向动力学仿真模型进行动 力学仿真对比，提出车辆系统动力学仿真模型的适用工况。结合机车车辆的 运行特点，逐一设计了半主动悬挂模糊控制器的结构、模糊控制规则表并选 择了合适的近似推理算法以及清晰化方法，完成了半主动悬挂控制系统的设 计。在此基础上，通过对车辆半主动悬挂系统进行动力学仿真，研究模糊半 主动悬挂对车辆运行平稳性的改善以及对构架、轮对动力学性能的影响情况， 同时分析了二系横向半主动减振器失效工况下的动力学性能，以及侧向风和 会车压力波作用时车辆的半主动悬挂系统的动力学性能。 关键词：半主动悬挂；动力学仿真；动力学性能；模糊控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t h i g hs p e e da n dr i g h tc o m f o r tp e r f o r m a n c eh a v ea l w a y sb e e nt h ed i r e c t i o no f r a i lp a s s e n g e r sd e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y , t h e r eh a sb e e ng r e a tp r o g r e s si nt h er a i l w a yi n d u s t r ya n di th a s c a r r i e do u ts i xs p e e d sc o n t i n u o u s l y t h ee l e c t r i c a lm u l t i p l eu n i t s ( e m u ) n a m e d h a r m o n yh a v eb e e nr u n n i n ga tt h es p e e do f2 0 0k i l o m e t e r sp e rh o u ra n d30 0 k i l o m e t e r sp e rh o u r a st h es p e e do fp a s s e n g e rt r a i ni s i m p r o v e d ，t h ev e r t i c a l s m o o t hp e r f o r m a n c ec o u l db a s i c a l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t s ，w h i l et h ep o o rl a t e r a l s m o o t hp e r f o r m a n c en e e d sa d v a n c e m e n t t oi m p r o v et h es m o o t hp e r f o r m a n c ea t t h ep r e s e n ts p e e d ，o rt ok e e ps u i t a b l es m o o t hp e r f o r m a n c ea th i g hs p e e d ，i ti sr e a l n e c e s s a r yt oa p p l yt h ea c t i v e s e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m c o m b i n e dt h e c u r r e n ts i t u a t i o no fr a i l w a yi n d u s t r y , s e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mi st h eb e s t c h o i c ef o rh i g h s p e e dt r a i n a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fs e m i - a c t i v ec o n t r o lt e c h n i q u ea t h o m ea n da b r o a d ，v a r i o u sc o n t r 0 1s t r a t e g i e sa r ea n a l y z e di nt h i st h e s i sa n dt h e f u z z yl o g i cc o n t r o lm e t h o di sc h o s e nf o rt h es e m i a c t i v el a t e r a ld a m p e ro ft h e s e c o n d a r ys u s p e n s i o ns y s t e m b a s e do nt h et h e o r yo fv e h i c l es y s t e md y n a m i c s ， t h r e e d y n a m i cm o d e l s a r e r e s p e c t i v e l y b u i l t b ys i m u l i n k ，w h i c h a r e v e r t i c a l l a t e r a l s p a t i a ld y n a m i cm o d e l ，v e r t i c a ld y n a m i cm o d e la n dl a t e r a l d y n a m i cm o d e l t h ea d a p t i v ec o n d i t i o n so ft h et h r e em o d e l sa r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n sr e s u l t so ft h e i rd y n a m i cp e r f o r m a n c e i na c c o r d a n c e w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fv e h i c l es y s t e md y n a m i c s ，t h es t r u c t u r ea n dc o n t r o lr u l e t a b l eo ft h es e m i a c t i v ef u z z yc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e ds t e pb ys t e pa sw e l la st h e a p p r o x i m a t er e a s o n i n ga l g o r i t h ma n dd e f u z z i f i c a t i o nm e t h o d a st h es e m i a c t i v e s u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d ，t h ei m p r o v e m e n tt os m o o t hp e r f o r m a n c e a n dt h ei m p a c to nf r a m e s ，w h e e l s e t s d y n a m i c so ff u z z yc o n t r o ls e m i a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e db yd y n a m i cs i m u l a t i o n t h ev e h i c l ed y n a m i c p e r f o r m a n c ei sa l s os t u d i e dw h e nt h es e m i a c t i v ed a m p e r sa r eb r o k e nd o w na n d t h el a t e r a lw i n dp r e s s u r eo r p r e s s u r ep u l s eo nh i g h s p e e dt r a i n sp a s s i n ge a c h o t h e ri sa p p l i e dt ot h ec a r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e yw o r d s ：s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e ； f u z z yl o g i cc o n t r o l 西南交通大学曲南父逋大莩 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 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密嘭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名毒心 日期：卅卜l i ， 指导老师签名：1 、旌少令 日期：刁肛z 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： 本文利用s i m u l i n k 建立了车辆3 1 自由度垂向一横向耦合的空间动力学仿 真模型，综合考虑车辆系统运行特点，对二系横向减振器进行模糊半主动悬 挂控制，并进行了相关动力学性能分析。 学位论文作者签名：岳冷 日期：垆c 1卜1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 上世纪6 0 年代，随着汽车和飞机制造业的迅速发展，公路和航空运输打 破了铁路运输长期以来的垄断地位，铁路运输高速化和重载化正式提上议程。 特别是旅客运输方面，随着生活节奏的加快和生活水平的改善，人们对旅行 速度和乘坐质量也提出了更高的要求。 自1 9 6 4 年1 0 月1 日世界上第一条高速铁路在日本建成以来，世界许多 先进国家的铁路部门都开始大力发展高速铁路运输技术，高速列车的研制由 此而得到迅速发展 1 】，目前主要有瑞典公司研制的x 2 0 0 0 列车、西班牙t a l g o 公司的p e n d u l a r 列车、法国的t g v 系列、德国的i c e 系列、意大利的e t r 系列和日本2 0 0 系列、5 0 0 系列、7 0 0 系列等【2 1 。在欧洲以及全球，列车速度 的提高也处于竞争局势。德国i c e 的运营速度为2 5 0k m h ，投入运营的1 9 8 5 年当年，最高运行速度就达到了3 1 7k m h 。1 9 8 8 年，在富尔达一维腾堡新建 高速线上创造了当时4 0 6 9k m h 的世界纪录。1 9 9 7 年，日本在山阳新干线开 通了运行速度达到3 0 0k m h 的5 0 0 系高速列车。法国t g v 运营速度为3 0 0 k m h ，1 9 9 0 年5 月的试验速度达到创纪录的51 5 3k m h 。2 0 0 7 年4 月3 日， 法国t g v 再一次震惊全世界，其v 1 5 0 高速列车在运行试验中创造出5 7 4 8 k m h 的新世界纪录【4 7 】。 2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国正式迈入高速铁路运营的时代，c r h 2 型“和谐 号 高速动车组的速度达到2 0 0 k m h ，部分区段速度达到2 5 0 k m h 。2 0 0 7 年 年底，国产速度3 0 0 - 3 5 0k m h 的动车组下线。2 0 0 8 年4 月1 8 日，中国第一 条具有世界先进水平的高速铁路京沪高速铁路开工建设，京沪高速铁路 采用高速轮轨技术，设计速度为3 5 0k m h a ，预计2 0 1 0 年正式投入运营。2 0 0 8 年8 月1 日，京津城际铁路投入运营，最高运营速度达到3 5 0 k m h ，是目前 世界上运营速度最高的铁路p 引。 列车速度的提高涉及到很多问题，需要克服许多技术难点，其中之一就 是在高速的前提下满足车辆运行稳定性的要求。特别是旅客列车，在保证稳 定性的前提下，尽量提高乘客的乘坐舒适性。改进提速车辆的运行品质有两 条途径：一是提高线路等级，二是设计合理的悬挂参数。对新修线路来说， 提高线路等级会使造价大幅增加。而对于大多数既有线路来说，要保证车辆 的运行品质，很大程度上取决于车辆悬挂系统参数的优化选择。车辆悬挂系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 统结构和参数的设计应按实际运用条件包括速度、曲线半径和超高以及线路 不平顺各方面来综合考虑。 车辆悬挂系统是轮对与构架、构架与车体之间一切传递力的装置的总称， 它由弹性元件和阻尼元件组成，根据其作用位置不同，通常分为一系悬挂和 二系悬挂。设计车辆的一系悬挂应考虑限制其行程在一定范围以保证基础制 动装置的作用。如无一系垂向阻尼，则一系悬挂的刚度不能过小以防止构架 振幅过大。现代高速客车上，一系悬挂已普遍采用轴箱减振器，这样就可采 用刚度较小的一系悬挂。选择一系刚度时，还应考虑到构架的垂向自振频率 应与车体的弯曲自振频率避开，以防止构架的高频振动引起车体的弯曲振动。 同时，一系悬挂对车辆的运行平稳性不是很强，因此通过设计一系悬挂提高 乘坐舒适性的空间就很小。二系悬挂和车体相连，直接影响到车体的运行状 态。从整个车辆系统来看，二系悬挂主要承担两个任务，一是支撑车体，使 车体的质量及载荷比较均衡地传递给各个轮轴；二是衰减因线路不平顺以及 车轮缺陷等原因引起的车体振动和冲击。支撑车体要求二系悬挂足够硬，能 够保证车体和转向架一起运动；衰减车体振动则要求二系悬挂足够软，从而 很好地隔离和衰减来自于转向架的高频振动。目前设计合适的二系悬挂降低 车辆振动、提高乘坐舒适度是一个研究热点【2 】。 1 2 车辆悬挂方式 车辆悬挂系统根据其控制方式的不同，可以分为被动悬挂、主动悬挂和 半主动系统，图1 1 为三种悬挂控制方式的基本形式。三种类型的悬挂系统 是在车辆高速化进程中，随着人们对舒适性和安全性等要求的提高以及现代 科学技术的发展，经过科学研究及实践而依次出现的。 1 2 1被动悬挂 传统的被动悬挂系统由弹性元件和阻尼元件组成，系统工作时并不需要 外界能源，只是耗散或暂时储存能量。被动悬挂系统的悬挂特性仅与悬挂元 件的相对运动有关，与外部激扰并无直接的联系。被动悬挂可以在一定程度 上满足对车辆动力学性能的要求，但由于被动悬挂的参数在车辆运行的过程 中无法实施调节，难以解决运行线路断面的多样性与悬挂参数单一性、列车 运行速度不确定性与传统悬挂参数的定性之间的矛盾，因而无法适应列车 高速运行时对车辆动力学性能的更高要求。 相对于被动悬挂，基于主动控制技术的主动悬挂系统由于能根据线路及 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 运行状况实时调整悬挂参数，为解决列车动力学性能在各个方面的矛盾提供 了解决方案。国外研究资料表b ) j 2 4 , 2 5 , 4 8 , 4 9 j ，为了在现有运行速度下进一步提 高列车运行平稳性，或在高速运行时保持列车平稳性在较好的水平，采用主 动悬挂系统是十分有必要的。我国已实现第六次大提速，提速机车和动力车 均普遍存在横向平稳性性能不佳的问题，这对列车平稳性提出了更高的要求。 我国关于列车横向平稳性的主动控制的研究刚刚起步。由于主动悬挂方式在 线路较为恶劣时对瞬态激扰引起的振动的降低效果非常显著，所以若将主动 悬挂方式以一定形式运用到我国现有车辆设计中，将会使我国列车的运行品 质有很大的提高，意义重大。 k ( a ) 被动悬挂( b ) 主动悬挂( c ) 半主动悬挂 图1 1 三种悬挂方式对比 1 2 2主动悬挂 早在上世纪5 0 年代就有学者提出了主动悬挂的概念。典型的主动悬挂系 统由外界能源输入系统、作动器( 液压作动器、气动作动器、电磁作动器等) 、 测量及传感系统及反馈放大系统组成，其结构框图如图1 2 所示。主动悬挂 采用有源可控元件组成闭环控制系统，根据车辆振动状态和当前激励主动做 出反应，由作动器提供适当的悬挂力，抑制车体振动，使系统处于最佳减振。 从悬挂系统由无能源来看，主动悬挂区别被动悬挂的外部特征是需要外界能 源供给。主动悬挂系统所必须的各种传感器、控制器以及作动器均需要外部 能源供给能量：从控制理论的角度看，被动悬挂属于开环控制方式而主动悬 挂系统是具有负反馈的闭环控制方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 反馈调节系统 图1 2 主动悬挂系统的结构框图 1 2 3 半主动悬挂 半主动悬挂的概念最早由美国学者k a r n o p p 于1 9 7 4 年提出，其基本思想 是根据线路激扰和车辆振动状态调节悬挂的阻尼特性或刚度特性。半主动悬 挂系统以可控阻尼器代替主动悬挂中的主动力作动器。它利用弹性元件同阻 尼元件并联来支撑悬挂质量，但其阻尼元件是一个可控的力发生器，系统通 过可控阻尼元件产生连续可调的阻尼力以改善悬挂体的动力学性能。 m a r g o l i s 等提出了o i l o f f 半主动控制策略，其特点是当悬挂质量和非悬 挂质量同向运动，且非悬挂质量的速度较大时，减振器将不产生阻尼力或产 生较小的力，在其它情况下产生较大的阻尼力，其主要思想是通过降低悬挂 质量的加速度和速度来提高车辆的平稳性 7 6 , 7 7 。一些国外学者采用其他方法 优化半主动悬挂性能，如v a l a s e k 、n o v a k 等提出的g r o u n d h o o k 半主动悬挂 技术【7 8 】；以及t o y o f u k u 等研究分析的有辅助腔的空气弹簧半主动悬挂技术 f 7 9 】。 由于半主动悬挂系统在设计时以耗散系统内部能量为约束条件，因此， 基本不需外部能量的输入，其用来控制阻尼系统的能量与主动悬挂所需要输 入的能量相比是微不足道的。 1 2 4主动悬挂和半主动悬挂的对比 主动悬挂系统由于需要安装测量传感装置、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将 可能影响可靠性并需要投入高昂的维护费用。不仅如此，主动悬挂系统无论 采用何种形式的作动器，都将消耗大量的外界附加能源。 半主动悬挂系统几乎不消耗外部能量，从原理上克服了主动悬挂的致命 弱点，同时由于仅采用可变阻尼减振器，半主动悬挂系统的配置对目前已定 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 型的车辆结构影响很小，使得针对现有的列车转向架的改进也很容易，因此 有着巨大的优势。有资料表明 2 4 , 2 5 , 2 7 1 ：列车采用半主动悬挂方式的控制效果 与主动悬挂方式的控制效果是比较接近的。 可见，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，具有良好的性价比，是一种实用的悬挂方式。通过上述分析 表明，半主动悬挂系统的特点及我国铁路发展的现状决定了采用半主动悬挂 系统是我国目前高速列车悬挂系统发展的最佳形式。 1 3 半主动悬挂的发展现状 从上世纪7 0 年代开始，英国、美国、日本及德国等铁路先进国家对主动 4 主动控制技术在车辆上的推广运用进行了大量的理论和试验研究工作，已 经取得了一些阶段性成果，并且开始应用于实际中。 我国对主动半主动控制技术的研究起步较晚，大多仅限于理论研究和计 算机仿真研究。上世纪9 0 年代初，西南交通大学机车车辆研究所开始对摆式 列车进行研究，1 9 9 6 年成立了主动悬挂实验室，进行摆式列车和主动隔振的 理论和试验研究。 1 3 1国外半主动悬挂发展现状 1 9 8 3 年，日本丰田汽车公司在t o y o t as o a r e r2 8 0 0 g t 和l e x u sl s 4 0 0 两类型号的轿车上开发并运用了半主动悬架系统。该悬架系统由电子计算机 控制调节空气弹簧的刚度在“软”“硬”切换，同时减振器有三级阻尼。 在轿车行驶过程中，电子控制单元根据传感器检测到的系统状态，结合控制 规律选择最佳的空气弹簧刚度和减振器的阻尼组合，获得了良好的乘坐舒适 性和操纵性能【6 】。 1 9 8 8 年，日本公司开发研制了一种所谓声纳半主动悬架装置，并首先安 装在m a x i m a 型轿车上。它可以通过声纳信号检测识别路面激励信号，将减 振器的阻尼特性在“柔和”、“适中和“稳定”三种状态间进行切换【7 】。 日本新干线铁路上运行的5 0 0 系高速列车的车厢上安装了主动半主动 悬挂系统，其乘坐舒适性得到了明显改善。期间进行了确认乘坐舒适性及长 期耐久性的运行试验，结果表明：5 0 0 系新干线动车采用半主动悬挂系统无 论在明线还是隧道运行，都可以改善乘坐舒适性【8 1 。同样，名为r a i ls t a r 的 7 0 0 系新干线列车也采用了半主动悬挂系统，减振器可以抑制车体的摇头运 动，且衰减转向架的振动向车体传递，从而提高乘坐了舒适性【9 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 德国s i e m e n s 公司开发的s f 6 0 0 转向架，将半主动悬挂系统运用到车辆 倾摆系统中，同时进行了半主动减振器的原型试验。两个单元试验列车的4 个原型转向架上，与空气弹簧一起安装了垂向和横向半主动减振系统。每辆 车均有一个s i b a s 3 2 控制单元和一个惯性传感器系统，控制单元都能控制车 体倾摆和横向位置。对半主动减振器的首次原型试验的测量结果表明，车辆 舒适度指标提高了1 5 1 0 , 1 1 】。 日本基于一种内置可变阻尼液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，该系统采用天棚阻尼控制，现已完成实车运行试验。内置 可变阻尼液压减振器空气弹簧内部装有一个节流孔可调的液压减振器，主要 面向列车垂向半主动悬挂方面的应用 1 2 1 。 1 3 2国内半主动悬挂发展现状 在2 0 0 3 2 0 0 4 年期间，西南交通大学牵引国家重点实验室承担了铁道部 科技发展基金项目高速列车的主动、半主动控制技术研究。在吴学杰教 授主持下，张利民教授承担了旁路阀开度可调液压减振器的研制，王月明教 授承担了磁流变可调减振器的研制，戴焕云教授承担了全主动鲁棒控制器的 设计，陈春俊博士承担了全主动、半主动悬挂预测控制系统设计及实验数据 的分析与处理，陈良麒研究员和杨世杰工程师等实验组人员承担试验系统的 安装、调试等工作。在滚动振动试验台上，对试验车在整车滚动和半车激振 条件下，进行了原车阻尼、去掉原车二系横向阻尼、分别装上不同作动器( 油 缸作用器、气动作动器和机电作动器) 的全主动多种控制算法的试验，以及 采用可调阻尼器的半主动控制试验。在试验过程中，对列车横向全主动、半 主动悬挂预测控制进行实车试验。 文献 1 3 】中王月明研究了阻尼控制策略的两种实现方式：开关型阻尼控 制规律和连续型阻尼控制规律。为配合阻尼控制策略的研究，还设计制作了 磁流变可控阻尼器。通过对采用无摇枕转向架的高速客车悬挂系统横行模型 的仿真实验，研究了半主动阻尼控制方法改善平稳性的有效性。仿真实验数 据表明：与阻尼最优的被动悬挂相比，采用连续型阻尼控制策略，车体横向 加速度响应的均方根值能降低2 0 2 5 ，加速度最大值降低约4 0 5 0 ，横向 平稳性指标降低约1 0 - 1 5 。 文献 1 4 】中杨明辉针对国内某型机车的横向动力学性能较差的状况，研 究了半主动悬挂控制技术。在不改变机车其他参数的情况下，采用半主动悬 挂，改善了横向动力学性能且使原设计最高时速为1 6 0 k m h 的机车速度提高 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 到2 0 0 k m h ，满足不同线路条件的运行和2 0 0 k m h 提速要求。 文献 15 】中陈春俊设计和开发了列车横向主动、半主动悬挂广义预测控 制试验系统软硬件。在牵引国家重点实验室滚动振动实验台上，对试验车进 行了原车被动悬挂试验、无阻尼的被动悬挂试验、全主动预测控制试验和半 主动预测控制试验。试验结果表明：全主动悬挂预测控制系统使平稳性提高 了2 2 ，半主动悬挂预测控制系统使平稳性提供了1 5 。 文献 1 6 】中陈健根据天棚阻尼控制原理，建立了具有二系横向和垂向半 主动悬挂7 4 自由度的摆式客车模型。仿真结果表明采用p i d 、模糊和线性二 次型最优半主动悬挂控制方法可以提高车辆运行的平稳性，降低车体振动加 速度，改善乘坐舒适性，随着铁路运输的迅速发展，将此类半主动控制应用 到铁道车辆上具有广阔的前景。 文献【1 7 中杨建伟和黄强提出了基于阻尼a 的自组织模糊控制方法，开 发了高速电磁开关阀半主动减振器，利用a d a m s + s i m u l i n k 软件进行联合仿 真，仿真结果表明：与被动悬挂相比，自组织模糊半主动控制在各运行速度 上都能有效衰减车体振动，显著提高车辆的乘坐舒适性和平稳性。 文献 1 8 中刘增华等对采用空气弹簧的二自由度悬挂系统的半主动控制 技术进行了初步研究。结果表明：运用最优控制技术对空气弹簧节流孔直径 进行调节的半主动悬挂系统，在不需要外界输入能量的情况下，可以有效地 衰减簧上质量的振动，使整个悬挂系统具有更好的减振性能，提高簧上质量 的运行平稳性。 文献 8 0 中丁问司和卜继玲提出一种基于天棚原理的横向开关半主动悬 挂系统，能方便、简单地运用于现有的高速铁道车辆。仿真计算和实测结果 均表明：与采用被动悬挂相比，铁道车辆采用开关半主动悬架系统时车体横 向加速度和速度值均有下降，横向平稳性能得到改善。 1 4 半主动悬挂的控制策略 在铁道车辆的主动半主动悬挂的研究领域内，对控制方法的研究大部分 都集中在控制策略上，这是因为控制策略在很大程度上决定了控制性能和控 制方法的可实现性【3 】。目前应用在车辆半主动悬挂控制系统上的控制策略主 要有天棚阻尼控制、最优控制、鲁棒控制、预测控制、神经网络控制以及模 糊控制等等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 1控制策略原理简介 ( 1 ) 天棚阻尼控制 1 9 7 3 年，美国加州大学戴维斯分校的k a r n o o p 教授为解决优化后的被动 悬挂参数不能适应外界激扰变化的影响，寻求新的隔振方式，根据被动悬挂 的特点及线性最优控制的思想提出了天棚阻尼控制理论【4 1 。天棚阻尼控制半 主动悬挂控制中最为常见的方法，其简单有效，易于实现，图1 3 为其原理 图。 转 图1 3天棚阻尼控制原理图 假设车辆沿一虚拟的刚性墙移动，虚拟墙和车体之间的虚拟减振器提供 的虚拟阻尼力只与车体的振动状态有关，而实际的阻尼力则是由安装在车体 和转向架构架之间的实际减振器来提供。被动悬挂系统的阻尼力可以衰减车 体振动，但阻尼力的方向有时和车体振动的方向一致，从而导致车体的振动 进一步恶化，这时就需要将阻尼力反向，但阻尼系数不可能为负，因此选择 将阻尼力输出为零，从而不至于恶化车体的振动。天棚阻尼的控制规则如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 e = j 急鼍兰 c ：e c ，：丁告吣叫刈 ( 1 - 3 ) 【oh ( m 一吃) o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 且在参数变化和摄动下仍要保持其稳定性和性能。由于鲁棒控制在设计中强 调不确定性对悬挂系统的影响，需要在稳定鲁棒性和性能鲁棒性之间折衷选 择，因此，控制效果是保守的。 ( 5 ) 预测控制 预测控制是指利用安装在车辆上的信号收集系统来预估轨道的输入，并 将所采集到得状态变量反馈给车辆控制器，从而实现最优控制的一种控制策 略。由于列车大多是在同一轨道上反复行驶，基于以往的、既有的或实测的 运行信息，结合传统的l q g l q r 控制方法可以实现预测控制，并达到较好的 控制效果。但在实施预测控制时，为使执行机构在预测点产生相应的动作， 对系统状态的测量要求很高，很小的误差将会导致系统性能的急剧恶化。这 种控制策略在主动倾摆的摆式列车中应用较多。 ( 6 ) 神经网络控制 神经网络控制的基本思想是从仿生学的角度模拟人脑神经系统的运作方 式，使机器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。人工神经网络是一个由 大量处理到那元( 神经元) 所组成的高度并行的非线性动力系统，能对非线 性和不确定性特性进行学习和记忆，能以任意精度反映被学习对象的特征。 采用神经网络控制无需对实际的悬挂进行线性化处理，所控制的悬挂系统具 有较强的适应能力。由于受到当前神经网络硬件发展的制约，大规模应用的 时代尚待时日，但具备简单功能的神经芯片的成功研制已经使人们受到了很 大的鼓舞。 ( 7 ) 模糊控制 模糊控制是把控制知识表示成语言变量的控制规则，再用这些规则去控 制系统，适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。它避开问题的 数学模型，对人们关于某个控制问题成功或失败的经验进行加工，总结出知 识，从中提炼出控制规则，用一系列的模糊条件语句构造系统的模糊语言变 量模型，应用模糊推理方法，可以得到适合要求的控制量。 模糊控制不需要知道被控对象的精确数学模型，且具有较强的鲁棒性， 适用于常规难以解决的非线性、时变和滞回系统，因此在具有随机激励和复 杂数学模型的车辆悬挂系统的应用中表现出了极强的优势。 1 4 2 控制策略对比 以上几种控制策略的基本思想都是基于天棚控制原理发展起来的。现对 这些半主动控制策略做以下比较： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 最优控制和神经网络控制目前正广泛地被研究，但由于算法过于复杂， 且需要有超强计算能力的控制器来解决实时控制的问题，因此这两种控制方 式暂时难以在工程应用中加以实现。 目前的预测控制算法普遍存在着模型精度不高、对线路信号系统的依 赖性过高、滚动优化策略少、反馈校正方法单调等问题而无法大规模地实施。 鲁棒控制在设计中强调不确定性对悬挂系统的影响，需要在稳定鲁棒 性和性能鲁棒性之间作折中选择，所得的控制效果是保守的；同时，鲁棒控制 系统的设计要由高级专家完成，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计， 给其应用带来不便。在列车的控制系统中，单独使用鲁棒控制的场合很少， 鲁棒控制通过与线性最优控制等控制方法结合在工程实际中才能有所运用。 以经典控制理论为基础的p i d 控制不需要了解被控对象的数学模型， 只要根据经验进行调节器参数在线调整，即可取得较满意的结果。然而，p i d 控制参数整定困难，以及其固有的折中性的原因。在实际半主动控制中，往 往需要把p i d 控制与其他控制结合使用。 模糊逻辑是一种处理不确定性、非线性和其它不适应问题的有力工具。 它比较适合于表达那些模糊或定性的知识，其推理方式比较类似于人的思维 模式。模糊系统善于描述和利用经验知识而神经网络善于直接从数据中进行 学习；模糊系统存储的是结构性知识，而神经网络存储的是非结构性知识； 模糊系统的推理能力强于神经网络，而神经网络的学习能力强于模糊系统； 目前模糊系统大多应用于控制领域，而神经网络则主要应用于模式识别。 列车悬挂系统是一个含有多种不确定因素的非线性动力系统，存在非线 性、时变等因素，因此采用常规控制方法有其局限性。模糊控制特别适用于 系统存在参数时变、非线性、强耦合，建立精确数学模型困难很大，甚至无法 建模的情况。模糊控制的基本思想类似于人的智能决策过程。由经验和理论 分析总结出的控制规则是模糊控制的关键。 基于以上分析，本文采模糊控制方法对铁道车辆的半主动悬挂系统进行 仿真研究。 1 5 本文的主要工作 由国内外主动半主动悬挂的理论研究和实际应用来看，半主动悬挂的理 论和技术越来越成熟、性能也越来越可靠。我国在这一方面的研究起步较晚， 有了一些理论研究成果，但还不够成熟，在实际工程应用中还需要做进一步 的工作，并且工作难度也很大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 由于半主动控制的实际应用所依赖的半主动控制阻尼器件和阻尼控制策 略的研究目前大多还处在理论研究阶段，因此，借助各种仿真软件对各种悬 挂模型和控制算法进行仿真研究受到了重视。本文对模糊控制半主动悬挂系 统进行了系统的仿真研究，为以后半主动悬挂在铁道车辆的试验和应用分析 提供一定的理论指导。本文的主要研究工作有以下几个方面： 综合考虑车辆系统的垂向、横向振动规律，系统介绍车辆横向垂向空 间动力学的物理模型和数学模型。针对车辆动力学研究的难点轮轨空间 耦合机理，详细分析轮轨空间接触几何关系以及轮轨接触力的计算方法，并 且列出车辆动力学性能评价方法。 在车辆系统动力学理论基础上，借助s i m u l i n k ，采用自底向上的建模 方法，分别建立某高速客车被动悬挂的垂向横向耦合的空间动力学仿真模型 以及横向动力学仿真模型和垂向动力学仿真模型，并对比分析三个模型的仿 真结果，提出各个车辆系统动力学仿真模型的适用工况。 结合机车车辆的运行特点，逐步设计半主动悬挂模糊控制器的结构、 模糊控制规则表并选择合适的近似推理算法以及清晰化方法，完成半主动悬 挂控制系统的研究设计。 对车辆半主动悬挂控制系统进行动力学仿真，研究半主动悬挂对车辆 运行平稳性的影响以及对构架、轮对动力学性能的影响情况。 分析二系横向半主动减振器失效工况下以及侧向风作用和会车压力波 作用工况下，车辆半主动悬挂系统的动力学性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第2 章车辆系统动力学理论 车辆动力学理论是研究车辆系统动力学性能的基础。本章将综合考虑车 辆系统的垂向、横向振动规律，分析建立车辆的垂向一横向空间动力学的理 论模型，为后续建立相应的车辆动力学仿真模型以及进行动力学性能分析奠 定基础 1 9 2 1 】。 2 1 物理模型 铁道车辆系统除了车体与转向架以及转向架各组成部件之间有相对运动 和相互作用力之外，还存在车辆系统与线路轨道系统之间即轮轨之间的作用 力。若对其中的所有动力学特性都进行研究，不但增加计算分析的难度，而 且研究的必要性也不高，因此，为了建立客车系统的动力学理论模型，先做 出相应合理的简化和假设 2 1 , 3 3 3 5 】： 车体、转向架构架、轮对视为刚体； 。 车体、转向架结构对称； 前、后转向架结构和各零部件的参数尺寸完全相同； 不考虑轨道的弹性，视其为绝对的刚体。轨道的弹性对于车辆动力学 特性只在高频时影响较大，而在线路主要的低频激扰下影响不大，因此不考 虑钢轨的弹性变形，只考虑其不平顺激扰对车辆系统的影响。 世界各国铁路根据速度等级不同设计出了形式多样的客车车辆转向架结 构，如：低速车辆转向架一般设有摇动台，而快速或高速客车转向架为“三 无结构 ( 无摇枕、无摇动台、无旁承) 。但是，从动力学模型上看，所有客 车转向架模型均大同小异，即均由两个轮对、构架和两系悬挂组成。本文研 究的高速客车转向架就是“三无结构”形式，其空间动力学模型分别如图2 1 一 图2 3 所示。图中，尥、必、坻分别是车体、构架和轮对的质量；k 、 k 分别是轮对侧滚、点头和摇头运动惯量；如、五v 、尼分别是转向架构架侧 滚、点头和摇头运动惯量；厶”厶”厶：分别是车体侧滚、点头和摇头运动惯 量；k s ”墨”愿：分别是转向架一侧二系悬挂纵向、横向和垂向刚度；c s ” g ”c s ：分别是转向架一侧二系悬挂纵向、横向和垂向阻尼；c s d x 是抗蛇行减 振器阻尼；绦是抗侧滚刚度；局x 、k p y 、k p ：分别是一侧一系纵向、横向和 垂向刚度；q x 、c p y 、c p ：分别是一侧一系纵向、横向和垂向阻尼；ky 、z 分别表示纵向、横向、垂向位移。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 1车辆空间动力学模型正视图 图2 - 2 车辆空间动力学模型俯视图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 3车辆空间动力学模型后视图 车辆模型中，转向架二系悬挂模型包括空气弹簧提供的三个方向的阻尼 和刚度，抗蛇行减振器、横向减振器及垂向减振器提供的阻尼；一系悬挂模 型包括轴箱弹簧提供的三个方向的刚度，轴箱定位装置提供的水平刚度，一 系垂向阻尼则由悬挂在轴箱弹簧外侧的一系垂向减振器提供。车体、构架和 轮对均设为刚体，由于本文主要研究车辆在垂向和横向的振动情况，因此不 考虑车辆各部件在纵向的自由度，因此每个刚体有五个方向的自由度，其中 轮对的点头振动非常小，不做考虑，则整个车辆系统共有3 1 个自由度，如表 2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表2 1车辆系统动力学模型的自由度 自由度横移沉浮侧滚摇头点头 车体kz c 优p cc 构架( i = i ，2 ) r t iz , i0 , i伊t i卢t i 轮对( i = 1 4 )k i z w i e 。：缈w i 宰说明：轮对的沉浮和侧滚运动是非独立的，它是轮对横移和摇头运动的函数。 2 2 数学模型 为了建立车辆运动方程，必须对车辆系统各部件进行受力分析。车辆各 部件之间相互作用力有一系悬挂和二系悬挂的弹簧力和阻尼力、轮轨间的法 向接触力和切向蠕滑力等。 图2 4 图2 6 分别给出了第一轮对、前转向架构架和车体受力分析示意 图( 其余轮对以及后转向架构架的受力情况与此类似) 。图2 4 图2 6 中， f l x i 、风x i 分别是第i 轮对左、右轮所受蠕滑力在x 轴上的分量( 卢1 4 ) ；几i 、 局晰分别是第i 轮对左、右轮所受蠕滑力在y 轴上的分量( f - l 4 ) ；凡i 、甩i 分别是第i 轮对左、右轮所受蠕滑力在z 轴上的分量( f _ 1 4 ) ；n l 小地i 分 别是第i 轮对左、右轮所受法向力在x 轴上的分量( f _ 1 4 ) ；l v i 、分别 是第i 轮对左、右轮所受法向力在y 轴上的分量( i = 1 4 ) ；l z i 、地i 分别是 第i 轮对左、右轮所受法向力在z 轴上的分量( 卢1 4 ) ；m e x i 、朋虱i 分别是 第i 轮对左、右轮所受蠕滑力距在x 轴上的分量( f - l 4 ) ；m e x i 、朋k i 分别是 第i 轮对左、右轮所受蠕滑力距在y 轴上的分量( f _ l 一4 ) ；m e z i 、2 惋i 分别是 第i 轮对左、右轮所受蠕滑力距在z 轴上的分量( 卢l 4 ) ；f x 似、f x m i 分别是 一系悬挂左、右纵向力( 卢1 4 ) ；只，f l i 、r 艰i 分别是一系悬挂左、右横向力 ( i = 1 - 4 ) ；f z f l i 、足瓜i 分别是一系悬挂左、右垂向力( i = 1 - 4 ) ；凡t “、足t r i 分别是二系悬挂左、右纵向力( i = 1 - - 2 ) ；氏l i 、f r i 分别是二系悬挂左、右 横向力( i = 1 - 2 ) ；f z t l i 、r 。鼬分别是二系悬挂左、右垂向力( i = 1 - 2 ) ；，x 。l i 、 只。r i 分别是抗蛇行减振器左、右侧纵向力( i = 1 2 ) ；慨是抗侧滚力矩( i = 1 2 ) ； a o 是左右轮轨接触点距离之半。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 4 第一轮对受力示意图 图2 5 前转向架构架受力示意图 图2 - 6 车体受力示意图 x t l l 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 2 1悬挂力表达式 根据各刚体之间的相对位移和相对速度，可以得到各个悬挂力的表达式。 其中有几点需要注意： 当i = 1 ，2 时，n = l ；当i = 3 ，4 时，刀= 2 ； 当符号左边的下标为l 时，右边和千取上面的符号；当等号左边的 下标为r 时，和千取下面的符号。 ( 1 ) 一系悬挂纵向力( i = 1 4 ) 乃c 础，2 k ：巩+ 乩风干丸序c - 1 ) f _ 1 丸c 去) 。2 ， + l 埘。瓯+ 瓦庞列。丸干( 。) f _ 1 丸丢c 去 l 式中 兄一曲线轨道上第n 个构架所对应的曲率半径( 万= l 2 ) ； 乩一构架质心与轮对中心线的垂向距离； 丸一系悬挂横向距离之半； 一转向架轮对定位距离乙半。 ( 2 ) 一系悬挂横向力( 卢l