铁道车辆半主动悬挂可行性分析报告

1、铁道车辆辆半主动悬悬挂可行行性分析析报告1. 车车辆悬挂挂系统概述述十年来，中国铁铁路连续续实施六六次大提提速，旅旅客列车车的运行行速度不不断提高高，对车车辆运行行平稳性性的要求求也越来来越高。铁道车车辆速度度的提高高，使其其在铁路路运行时时的振动动随之增增加，车车辆剧烈烈振动也也会损伤伤车辆结结构，轮轮轨之间间的作用用力和车车辆振动动达到一一定程度度后还会会影响行行车安全全。控制制车辆振振动是铁铁道车辆辆提速并并改善其其平稳性性的关键键技术。为了改改善铁道道车辆的的乘坐舒舒适性和和运行平平稳性，一方面面可以提提高线路路的质量量状况，另一方方面则可可以提高高悬挂系系统的性性能。要要提高线线路的

2、质质量状况况，需要要投入巨巨额的费费用。此此外，线线路的改改造也很很复杂，而目前前我国一一些线路路受条件件限制难难以改造造。因此此，车辆辆的乘坐坐舒适性性和运行行平稳性性只能依依靠悬挂挂系统的的减振性性能来提提高。设设计合适适的悬挂挂系统改改善车辆辆的性能能，是一一种经济济、有效效的途径径，对于于正在进进行的铁铁道车辆辆研究具具有重要要意义。铁道车辆辆的悬挂挂系统与与两个主主要性能能即平稳稳性和稳稳定性密密切相关关。目前应应用的悬悬挂系统统主要有有三种：被动悬悬挂，全全主动悬悬挂和半半主动悬悬挂。传传统的被被动悬挂挂系统由由于其弹弹性元件件和阻尼尼元件的的参数不不能实时时调节，因而不不能使铁铁

3、道车辆辆的乘坐坐平稳性性和操作作舒适性性同时达达到最优优。全主主动悬挂挂系统结结构复杂杂，成本本高，因因而难以以得到应用用。阻尼可可调的半半主动悬悬挂系统统与全主主动悬挂挂系统相相比，虽虽然对振振动控制制的性能能略差，但其结结构相对对简单，价格低低廉，同时，在控制制品质上上又能接接近于主主动悬挂挂，因而有有着广阔阔的应用用前景。特别是是磁流变变减振器器的出现现，加快快了半主主动悬挂挂产业化化的进程程。在目目前铁道道车辆营营运速度度迅速提提高的情情况下，采用阻阻尼调节节的半主主动悬挂挂系统应应用前景景广阔。2. 列列车的三三种悬挂挂方式以以及他们们之间的的分析比比较（1）.列车的的三种悬悬挂方式

4、式1）.被被动悬挂挂传统的铁铁路铁道道车辆悬悬挂系统统由弹性性元件和和阻尼元元件组成成，它们们在工作作时不消消耗外界界能源，故称为为被动悬悬挂。这这种悬挂挂系统简简单可靠靠，易于于实现，可以在在一定程程度上满满足铁道道车辆对对动力学学性能的的要求，但由于于被动悬悬挂的参参数在车车辆运行行的过程程中无法法实时调调节，难难以解决决运行线线路断面面的多样样性和悬悬挂参数数单一性性、列车车运行速速度的不不定性与与传统悬悬挂参数数的一定定性之间间的矛盾盾，被动动悬挂系系统的适适应性比比较差，因而无无法适应应列车高高速运行行时对动动力学性性能的更更高要求求。被动动悬挂系系统只能能根据车车体与转转向架间间的

5、相对对速度产产生阻尼尼力，而而实际所所需阻力力应由速速度、位位移及加加速度多多种因素素决定:，而且且被动悬悬挂系统统只能在在一定条条件下对对铁道车车辆作衰衰减振动动，难以以适应在在复杂多多变的线线路上高高速运行行的列车车对动力力学性能能的要求求。针对对被动悬悬挂存在在的缺陷陷，600年代提提出了铁铁道车辆辆的主动动悬挂。2）.主主动悬挂挂在悬挂系系统中加加入力发发生器（作动器器）的装置置称为主主动悬挂挂。主动动悬挂系系统由于于需安装装测量传传感装置置、作动动器及控控制装置置，会不不可避免免地提高高列车成成本，同同时由于于列车结结构空间间的限制制，若在在极有限限的空间间中安装装作动器器，势必必导

6、致列列车结构构更加复复杂，复复杂的主主动作动动器和车车辆结构构可能影影响可靠靠性并带带来高昂昂的维护护费用。不仅如如此，主主动悬挂挂系统无无论采用用何种形形式的作作动器，都将大大量消耗耗外界附附加能量量。虽然然设备及及结构的的复杂性性可通过过技术的的日益成成熟来解解决，成成本高昂昂也可通通过大批批量生产产来解决决，但能能量消耗耗过大是是主动悬悬挂固有有的缺陷陷，唯有有通过原原理的改改进来解解决，因因而在普普及上尚尚有困难难。目前前，主动动悬挂主主要用于于高速列列车。3）.半半主动悬悬挂在悬挂系系统中需需要输入入少量能能量的，具有可可调阻尼尼的装置置称为半半主动悬悬挂。它它是美国国加州大大学戴维

7、维斯分校校机械工工程系DD.E.Kammoppp教授等等人于119744年提出出来的1,22,3。1 Karrnoppp DDC aand Triikhaa AKK. CCompparaativve sstuddy oof ooptiimizzatiion tecchniiquees ffor shoock anddvibbrattionn issolaatioon. Jouurnaal oof EEngiineeerinng ffor Inddusttry 19969,1122811332.2 Karrnoppp DDC aand Croosbyy MJJ. TThe acttivee da

8、ampeer-aaneww coonceept forr shhockk annd vvibrratiioncconttroll. TThe Shoock andd VVibrratiion Bulllettin，19773，443，TThe Shoock andd viibraatioonInnforrmattionn Ceenteer, Navval Ressearrch Labboraatorry, Wasshinngtoon, D. C.3 Karrnoppp DDC CCrossby M JJ annd HHarwwoodd RAA .VVibrratiion conntrool u

9、usinng ssemii-acctivve fforeegenneraatorrrs. Trranssacttionns oof tthe ASMME JJourrnall off Ennginneerringg foor IInduustrry, serriess B，19774，996(22): 61196266半主动悬悬挂利用用可以控控制的调调节阻尼尼器，根根据预定定的阻尼尼控制规规律，实实时调节节阻尼力力。半主主动悬挂挂的提出出晚于主主动悬挂挂，比主主动悬挂挂结构简简单、成成本低，而且性性能接近近于主动动悬挂，另外由由于不需需要专用用大功率率能源装装置，这这对各种种载运工工具来说说是

10、一个个突出的的优点，因而受受到重视视，具有有较好的的发展前前景。（2）.悬挂系系统的分分析比较较1）.改改善系统统性能原原理 从系统统动力学学的观点点来看，系统在在输入的的作用下下存在输输出。通通过调整整输入和和（或）系统的的结构参参数来使使系统的的输出符符合我们们的要求求，就是对对系统实实施控制制。系统的的输入是是外界干干扰（包括轨轨道不平平顺、空空气动力力等）和控制制力；研究的的系统是是车辆系系统，包包括车辆辆悬挂系系统和车车体本身身；输出是是表征系系统振动动性能的的参数（如车体体加速度度的统计计值或车车辆的平平稳性指指标）。我们们希望输输出能够够控制在在一个合合理的范范围内以以改善系系统

11、的振振动性能能，因此只只能通过过调整输输入和（或）悬挂系系统本身身结构来来实现。对于被动动悬挂系系统，当当输入改改变时，由于其其结构本本身不能能改变，因此其其输出必必然随输输入而发发生变化化，有时会会超出合合理的范范围，导致车车体振动动加剧；对于主主动控制制当系统统的激扰扰改变时时，可借助助于外部部能量产产生控制制力来改改善系统统的性能能，通过调调整控制制力以保保证输出出符合要要求，从而提提高车辆辆自身的的减振性性能；对于半半主动控控制系统统，通过过改变减减振器的的阻尼系系数或弹弹簧刚度度适应不不同的道道路和行行驶状况况的需要要，即当当输入改改变时，通过系系统自身身（悬挂元元件的参参数）调整来

12、来改善系系统的性性能。也就是是说，半主动动悬挂是是通过系系统结构构的自身身调整来来改进系系统性能能的，即当系系统的输输入改变变时，通通过调整整悬挂参参数来改改善系统统的输出出。2）.系系统组成成 被动悬悬挂系统统：即传统统的悬挂挂系统，由弹簧簧和减振振器组成成。被动动悬挂的的设计，主要是是确定弹弹簧和减减振器的的参数，使悬挂挂系统满满足平稳稳性、轮轮轨动作作用力等等指标，得到一一组最优优或次优优悬挂参参数，能能在特定定的线路路激扰、车辆结结构参数数和运行行速度下下达到性性能最优优。 主动悬悬挂系统统：即在悬悬挂系统统中加入入力发生生器（作动器器），根据据传感器器从车体体和转向向架所获获取的信信

13、息，按按给定的的控制规规律产生生连续可可控的悬悬挂力，使车体体加速度度减小。这种装装置需要要一套能能量供给给设备。半主动悬悬挂系统统：针对主主动悬挂挂需要较较大控制制能量和和成本较较高的作作动器，人们想想起在悬悬挂元件件弹簧簧和减振振器上做做文章（有人认认为若采采用改变变刚度：如采用用空气弹弹簧和油油气弹簧簧的方法法来减振振，因刚刚度的改改变需要要大量气气压，同同样需要要较大能能量，而而改变阻阻尼是容容易实现现的）。半主主动悬挂挂系统根根据传感感器从车车体和转转向架所所获取的的信息，通过半半主动悬悬挂系统统的控制制器调节节减振器器阻尼状状态，从从而达到到改善车车辆运行行平稳性性和安全全性的目目

14、的。车辆主动动、半主主动悬挂挂系统由由传感器器测量车车辆系统统的输出出信号，如车体体绝对速速度、或或车体对对转向架架的相对对速度、车体的的加速度度等信号号，经微微处理器器发出指指令执行行实时控控制，由由执行机机构调节节阻尼力力（半主动动）或控制制力（主动）。对于于主动悬悬挂控制制系统来来说，采采用的执执行机构构有液压压伺服作作动器、机电作作动器、伺服气气缸等几几种方案案。对于于半主动动控制系系统来说说，由于于减振器器较易被被控制，采用的的执行机机构一般般是可变变阻尼减减振器。3）.系系统复杂杂度半主动悬悬挂系统统因为需需要传感感器、控控制器等等，显然然比被动动悬挂系系统要复复杂，但但与主动动悬

15、挂相相比，因因为其不不需要油油泵（或空气气压缩机机）、过滤滤器、储储油室、冷却器器及输油油管（输气管管）等提供供大能量量的辅助助器件，因而结结构简单单、价格格相对便便宜得多多。4）.控控制效果果主动悬挂挂系统和和半主动动悬挂系系统都可可以利用用天棚控控制来计计算控制制力，二二者都是是通过产产生减少少车体绝绝对速度度所需的的控制力力而达到到减振目目的的，故减振振效果相相近，其其中，主主动悬挂挂系统的的控制力力是根据据传感器器提供的的信息由由外部能能量直接接产生的的，半主主动悬挂挂系统的的控制力力是通过过调整系系统本身身结构而而近似得得到的。而被动动悬挂无无法调整整系统结结构，也也没有外外力来控控

16、制车体体输出，故而其其减振效效果不如如主动和和半主动动悬挂系系统。5）.能能量级别别与主动悬悬挂系统统相比，半主动动悬挂系系统通过过改进系系统的结结构来衰衰减振动动，所以以，除了了驱动电电磁阀或或施加电电（磁）场需要要耗能外外，并不不需要向向悬挂系系统提供供额外的的能量，因此所所需的能能耗与主主动悬挂挂系统相相比很小小，而且且远不止止一个数数量级。Speenceer采用用半主动动控制方方案，设设计了能能产生22000000NN力(220T力力)的磁磁流变减减振器，其行程程为士88cm所所需提供供电量小小于500瓦特，试验中中测得55cm/s的速速度时，磁流变变减振器器产生22010000NN力

17、的控控制力，如果该该控制力力直接由由主动控控制方式式产生，则功率率为1000000 W，由此可可见，主主动控制制能耗至至少是半半主动控控制的220000倍以上上。车辆悬挂挂系统的的特性比比较：悬挂名称称被动悬挂挂半主动悬悬挂主动悬挂挂开关型连续型慢主动全主动执行元件件普通液压压减振器分级可控控减振器连续可控控减振器液压系统统液压系统统作用原理理阻尼力不不可控阻尼力分分级可调阻尼力连连续可调调节作动动力调节作动动力控制方式式无手动调节节自动调调节电液调节节自动调调节电液调节节自动调调节电液调节节自动调调节频率范围围无0-100Hz0-200Hz3-6HHz大于155Hz改善横向向动力特性性无小中

18、大大改善垂向向动力特性性无小中大大传感器数数量无少较少多多能量消耗耗无小小大大制造成本本最小小中大大使用程度度大量采用用小量小量横向、垂垂向控制制主动倾摆摆、横向向控制（3）.铁道车车辆悬挂挂系统发发展趋势势铁道车辆辆主动、半主动动悬挂系系统主要要是自动动控制技技术与现现代铁道道车辆技技术成功功结合的的产物，这体现现了主、被动一一体化振振动控制制的思想想，同时时也是结结构和控控制一体体化设计计思想的的延伸与与发展。根据对对铁道车车辆悬挂挂功能原原理及特特点的分分析，可可以看出出，半主主动悬挂挂旨在以以接近被被动悬挂挂的造价价和复杂杂程度来来提供接接近主动动悬挂的的性能，而且半半主动悬悬挂系统统

19、是通过过调整系系统的结结构来适适应外界界输入，从而改改善系统统的性能能。因此此，它是是车辆悬悬挂的主主要发展展方向之之一。结结合半主主动悬挂挂系统的的特点及及我国铁铁路发展展的现状状，采用用半主动动悬挂系系统对铁铁道车辆辆进行振动动控制是是一种较较好的选选择。3. 国国内外主主动/半半主动悬悬挂研究究和应用用状况（1）.国外主动动/半主主动悬挂挂系统的应应用状况况在20世世纪800年代中中、后期期，日本本的三菱菱汽车公公司和NNisssan汽汽车公司司分别在在本公司司生产的的某些车车型的轿轿车上采采用了电电子控制制半主动动悬架系系统。LLEXUUSL554000型轿车车的电子子控制悬悬架系统统

20、是一种种较典型型的半主主动悬架架系统。该系统统采用了了充有压压缩空气气的空气气弹簧，弹簧的的弹性可可在“软”与“硬”之间切切换，减减振器则则有三种种不同的的阻尼特特性可供供选择。轿车行行驶过程程中，电电子控制制单元能能够根据据各种传传感器的的输入信信号，选选择最佳佳的空气气弹簧的的弹性与与减振器器阻尼特特性的组组合，从从而获得得良好的的乘坐舒舒适性和和操纵性性能44。4 梁杰.丰田LLEXUUSLSS40OO型轿车车的电子子控制悬悬架.汽汽车技术术.19997，第9期期:43348819888年，NNisssan公公司研制制开发了了一种所所谓声纳纳半主动动悬架装装置，并并首先选选装在MMaxi

21、ima型型轿车上上。其原原理就是是通过发发出的声声纳信号号进行路路面搜索索，同时时将来自自路面的的反射波波信号进进行接收收识别5。5 孙求理理，张洪洪欣.主主动悬架架的发展展和技术术现状.世界汽汽车.119966，第55期:44620022年德国国采埃孚孚一萨克克斯公司司宣布，该公司司最近与与另一家家名为兰兰齐亚的的汽车公公司合作作，开发发出了一一种能自自动识别别道路状状况的半半主动悬悬架系统统一自动动连续调调节阻尼尼控制系系统(CCDC)。据称，这一系系统不仅仅可以装装配在诸诸如法拉拉利等赛赛车上，还可以以安装在在其他高高级轿车车上66。6 htttp:/ 日本5000系为为了以提提高舒适适

22、性为目目标，在在两头车车厢（1，116号车车厢）安装主主动悬挂挂系统，而在安安装受电电弓的车车厢上（5，113号车车厢）和绿色色车厢（8，99，100号车厢厢）上安装装半主动动悬挂系系统。装装用半主主动悬挂挂装置后后，列车车的乘坐坐舒适性性从“普通”区域提提高到“良好”一“普通”区域。装用半半主动悬悬挂系统统的5000系列列新干线线动车无无论运行行在明线线或隧道道内，都都有改善善乘坐舒舒适性的的效果。可以确确认，这这种列车车在3000kmm/h速速度运行行时的乘乘坐舒适适性与以以往2770km/h速度度运行时时的一样样或者更更好。今今后将以以进一步步改善乘乘坐舒适适性为标标，继续续研究改改进半

23、主主动悬挂挂系统的的结构和和性能7。7 则直久久，张耀耀宏.5500系系列动车车的半主主动悬挂挂系统.国外内内燃机车车.19998，第5期期:812日本7000系新新干线采采用了半半有源悬悬挂系统统。不仅仅在车体体发生摇摇动时需需要使减减振器向向抑制振振动的方方向动作作，且在在由于轨轨道的影影响使转转向架发发生振动动时，为为使振动动不向车车体传递递，也要要求横向向减振器器具有相相应的动动力衰减减能力。为此，需要测测出车辆辆的横向向运动加加速度，控制衰衰减系数数可变的的横向减减振器的的动作，从而提提高乘坐坐舒适性性。与5500系系客车一一样，本本系统安安装于两两个头车车（1号、16号号车）、装有

24、有受电弓弓的车厢厢（5号、12号号车）以及头头等车厢厢，这对对于实现现“提供舒舒适性更更好的客客车”这一目目标，具具有明显显的效果果8。8 刘克鲜鲜.日本本新干线线7000系客车车.国外外铁道车车辆.119988，355(6)，东东日本旅旅客铁道道株式会会社在其其E2系系新干线线车辆上上安装了了有源悬悬挂系统统，利用用气压作作动器和和H控制的的主动悬悬挂装置置，日本E22新干线线列车部部分车辆辆上安装装的横向向全主动动悬挂系系统由以以下几个个部分组组成：安装在在车体和和转向架架之间传传统二系系横向减减振器的的位置上上的空气气压力式式作动器器及其配配套部件件、车体上上的

25、加速速度传感感器、根据加加速度信信号处理理风压伺伺服阀控控制信号号的控制制元件、减振器器和其它它被动悬悬挂部件件。这套套系统考考虑了车车体的横横移、摇摇头和测测滚运动动，采用用H控制。由于起起初确定定的加权权函数侧侧重于改改善车辆辆在线路路敞开地地段运行行工况下下的舒适适度，在在运行试试验中发发现安装装该横向向主动悬悬挂系统统的车辆辆在线路路敞开地地段的乘乘坐舒适适度比普普通车辆辆的乘坐坐舒适度度高59dBB，但在在隧道内内只能提提高2ddB左右右。在重重新确定定加权函函数后，发现在在隧道内内该系统统也能够够将车辆辆的乘坐坐舒适度度提高55dB左左右。这这充分说说明在铁铁道车辆辆悬挂的的H控制

26、器器设计过过程中，合理地地选取加加权函数数是很重重要的9。9 董锡明明 高速速动车组组工作原原理与结结构特点点 中国国铁道出出版社德国ICCE2动动车组的的拖车上上采用SSGP4400转转向架，SGPP4000具有独独特的横横向主动动控制系系统”AQSS”，在构构架上安安装2个个水平的的“空气弹弹簧风缸缸”，相当当于一个个在水平平方向起起作用的的横向位位置调整整器，使使车体在在曲线上上行驶时时，能主主动回到到中心位位置附近近，从而而大大改改善横向向舒适性性。并且且在弯道道行驶时时，具有有与直道道运行系系统一样样的舒适适性99。董锡明明 高速速动车组组工作原原理与结结构特点点 中国国铁道出出版社

27、Siemmenss公司开开发的SSF6000型高高速转向向架（最最高运行行速度2250kkm/hh），主要要运用在在ICEE-T动动车组上上。SFF6000转向架架二系横横向采用用了主动动弹簧加加半主动动阻尼器器的悬挂挂系统，这个系系统安装装在已有有车体倾倾摆系统统和横向向定位气气动系统统的转向向架上。车体安安装在由由倾摆系系统支承承的上摇摇枕上，二系空空气弹簧簧用以支支承下枕枕梁，扭扭杆用作作抗侧滚滚装置，一系悬悬挂装有有圆弹簧簧和液压压无源减减振器，以半主主动控制制减振器器代替传传统的吹吹响和横横向减振振器，。每两节节车的四四台转向向架上，与空气气弹簧并并联装有有一套垂垂向和一一套横向向半

28、主动动减振系系统。每每节车上上装有一一套SIIBA332诊断断、控制制系统和和一套惯惯性传感感系统。每台转转向架上上的垂向向半主动动减振系系统装有有：2个个具有连连续调节节阻尼控控制阀的的垂向液液压减振振器、22个测量量垂向减减振器行行程的非非接触式式旋转电电位器、2个安安装在转转向架下下枕梁上上的垂向向加速度度计。每每台转向向架上的的横向半半主动减减振系统统装有22个具有有连续调调节阻尼尼控制阀阀的横向向液压减减振器、2个装装在液压压缸上的的横向行行程传感感器、11个装在在转向架架下枕梁梁的横向向加速度度计99。董锡明明 高速速动车组组工作原原理与结结构特点点 中国国铁道出出版社（2）.国内

29、外外主动/半半主动悬悬挂系统统的研究究状况对铁道车车辆主动动悬挂的的研究很很早以前前就已经经开始。19884年，日本对对采用PPID控控制的气气压式主主动悬挂挂装置进进行了装装车运行行试验。据报告告，共振振区内的的车体振振动加速速度减小小了约二二分之一一。英国国国铁也也对电磁磁方式等等主动悬悬挂进行行了研究究。法国国也进行行了相关关研究，拟将主主动悬挂挂装置应应用到TTGV列列车上，使车辆辆在运行行速度为为3500km/h时的的乘坐舒舒适度能能够控制制在运行行速度为为3000km/h时的水水平。然然而由于于成本问问题和无无法保证证安全性性等因素素，这些些研究未未能实现现在运营营车辆上上装车10

30、。10 Roogerr Gooodaall Acctivve RRaillwayy Suuspeensiionss:Immpleemenntattionn Sttatuus aand TecchnoologgicaalTrennds Vehhiclle SSysttem Dynnamiics Vool. 28 (19997) 877-1117DaimmlerrChrrysllerAAG公司司和Boombaardiier Traanspporttatiion公公司研制制了一套套横向主主动悬挂挂系统，该系统统已经在在慕尼黑黑通过了了滚动试试验台样样车试验验，试验验结果证证明该系系统满足足作动器器能

31、耗低低、行程程小、减减振效果果明显等等要求。系统采采用液气气压联动动式（hyddro-pneeumaaticc）作动器器，这种种作动器器的一端端是一个个气压腔腔，能够够起到类类似于空空气弹簧簧的作用用，使作作动器兼兼有被动动弹簧的的刚度和和阻尼特特性，作作动器输输出力由由油压伺伺服阀控控制111。11 Drr. RRalpph SStreeiteer Acctivve LLateerall Suuspeensiion forr Hiigh Speeed Traainss,20001控制器的的设计采采用传统统的传递递函数综综合法。需要对对车辆系系统动力力学方程程进行简简化，以以得到适适合于控控制

32、器设设计的简简化模型型，将得得到的简简化模型型和原模模型进行行仿真比比较，确确定了简简化模型型的有效效性。利利用简化化模型和和相关控控制理论论确定了了控制器器的阶数数，然后后根据减减少车体体横向振振动和相相关性能能的要求求（作动器器冲程、限界等等）确定控控制器传传递函数数的各个个系数。控制器器需要测测量到下下面的信信息：车体重重心处的的横向惯惯性加速速度和摇摇头加速速度，车车体相对对于两个个转向架架的横向向位移以以及两个个转向架架的相对对摇头角角和侧滚滚角。其其中有些些量（如车体体重心处处的横向向加速度度）并不能能直接测测量到，需要通通过测量量其它量量间接得得到。此此外，还还需要在在作动器器上

33、安装装液压传传感器，以增强强对作动动器的控控制，避避免控制制失效。值得关注注的是以以上所介介绍的横横向主动动悬挂系系统是作作为“主动转转向架”项目的的一部分分研究开开发的，“主动转转向架”研究项项目由DDaimmlerrChsleer AAG公司司和BoombaardiierTTrannspoortaatioon公司司合作完完成，旨旨在研制制出代表表转向架架发展趋趋势的机机械电子子式（Mecchattronnic）转向架架，这种种新型转转向架具具有一系系、二系系主动悬悬挂系统统和倾摆摆系统，并具有有故障检检测和诊诊断功能能。机械械电子式式转向架架包括机机械、电电子、控控制三个个部分，这三个个部

34、分的的设计并并不是逐逐一独立立进行的的，而是是在设计计开发初初期就充充分考虑虑到三者者之间的的相互作作用和影影响，从从整体上上同步研研究开发发，这种种设计理理念能够够最大限限度地发发挥各个个部件的的作用。德国的西西门子公公司研制制了一套套用于摆摆式列车车上的半半主动悬悬挂系统统，该系系统采用用天钩阻阻尼控制制，包含含横向半半主动悬悬挂系统统和垂向向半主动动悬挂系系统。每每个可控控减振器器上都安安装了位位移传感感器，控控制器对对位移传传感器测测出的位位移信号号进行微微分运算算，得到到相对速速度信号号。在车车体上靠靠近每个个可控减减振器的的地方安安装了加加速度传传感器，车体相相应的绝绝对速度度信号

35、由由对各加加速度传传感器测测得的加加速度信信号进行行积分获获得。实实车试验验表明在在运行速速度为11 SOOkm/h时，和垂向向被动悬悬挂系统统相比，该系统统中的垂垂向半主主动悬挂挂能够将将车体共共振点处处的幅值值降低885%12。12 ANNTONN STTRIBBERSSKY, ANNDREEAS KIEENBEERGEER, GUNNTHEER WWAGNNER Deesiggn aand Evaaluaatioon oof aaSemmi-AActiive Dammpinng SSysttem forr Raail Vehhiclles VVehiiclee Syysteem DDyn

36、aamiccs ssuppplemmentt 288 (119988)6669-6681日本基于于一种内内置可变变阻尼油油压减振振器空气气弹簧研研制出了了一套列列车垂向向半主动动悬挂系系统，该该系统采采用天钩钩阻尼控控制，现现已完成成实车运运行试验验。内置置可变阻阻尼油压压减振器器空气弹弹簧内部部装有一一个节流流孔可调调的油压压减振器器，主要要面向于于列车垂垂向半主主动悬挂挂方面的的应用，目前已已申请专专利113。13 原能能生旧等等“垂向半半主动悬悬挂装置置性能试试验”国外铁铁道车辆辆 20002年年5月第第39卷卷第3期期3236日本国内内有人目目前在研研制一种种能源再再生半主主动悬挂挂系

37、统，该系统统能够将将可控减减振器吸吸收的能能量转化化为电能能储存起起来，然然后反过过来再利利用这些些电能实实现对可可控减振振器的控控制114。14 Yooshiihirro SSudaa, SShiggeyuuki Nakkadaal, Kimmihiiko Nakkanoo HHybrrid Susspennsioon SSysttem witthSkkyhoook Conntrool aand Eneergyy Reegenneraatioon VVehiiclee Syysteem DDynaamiccs ssuppplemmentt 288 (119988),6199-6334针对天钩

38、钩阻尼控控制不能能有效地地衰减车车体振动动加速度度的缺点点，西南南交大研研制了基基于加速速度反馈馈的自校校正横向向半主动动悬挂系系统。控控制器中中包含一一个参数数估计环环节，对对车体质质量进行行在线辨辨识，根根据车体体质量的的变化确确定出最最优的加加速度反反馈系数数，确定定出理想想的目标标力值。减振器器分别采采用了可可调节节节流孔大大小的快快速调节节减振器器和磁流流变减振振器，近近似实现现目标力力值。减减振器活活塞相对对于缸体体的运动动速度由由加速度度信号积积分得到到。在机机车车辆辆振动试试验台上上的试验验结果表表明，采采用这套套横向半半主动悬悬挂系统统，能够够将车辆辆的横向向乘坐舒舒适度指指

39、标改善善10%18%15。155 吴学学杰，王王月明，张立民民，戴焕焕云，陈陈春俊.高速成成列车横横向悬挂挂主动、半主动动控制技技术的研研究，铁铁道学报报J，20006, 288(1): 550-554.中南大学学的熊勇勇刚等人人对采用用天钩阻阻尼控制制的机车车车辆横横向半主主动悬挂挂系统进进行了研研究，开开发出了了一套电电子控制制系统，该系统统的处理理器选用用89CC52单单片机，整个系系统由采采样滤波波、运算算处理、功率放放大、可可调节流流孔减振振器等几几个部分分组成。初步的的试验结结果表明明该系统统能够提提高车辆辆的平稳稳性指标标，可靠靠性较高高166。16 熊勇勇刚，谢谢勇，丁丁问司等

40、等.机车车车辆半半主动悬悬挂控制制系统的的研究J.中南大大学学报报.20005，36(4),67886822西南交大大的张开开林等对对采用LLQG控控制的铁铁道车辆辆横向主主动悬挂挂系统进进行了试试验研究究。试验验采用11：8的半半车模型型，线路路激扰为为简单的的正弦激激扰，试试验结果果表明车车体的横横向共振振振幅相相对于被被动悬挂挂能够减减少800%。控控制器假假设车体体的状态态信号均均可以测测量，对对转向架架的状态态则采用用卡尔曼曼滤波进进行估计计获得。由于试试验采用用正弦激激振，没没有对被被动悬挂挂的阻尼尼进行优优化匹配配，因此此试验结结果并不不能如实实反映主主动悬挂挂的减振振效果17,

41、18。17 张开开林.机机车车辆辆横向平平稳性主主动控制制的研究究.西南南交通大大学博士士研究生生学位论论文，119977 18 张开开林，米米彩盈.铁道车车辆主动动减振控控制系统统的开发发.铁道道车辆.19998.336(99):228330西南交通通大学的的戴焕云云教授对铁铁道车辆辆横向主主动悬挂挂采用随随机最优优控制进进行了仿仿真研究究，采用用简单的的两自由由度车辆辆模型。控制器器设计的的目标是是尽可能能地同时时减小车车体最大大横向加加速度、二系悬悬挂的最最大静挠挠度和主主动悬挂挂力，为为此，选选用车体体最大横横向加速速度、二二系悬挂挂的最大大静挠度度、主动动悬挂力力三个量量的加权权平方

42、和和作为目目标优化化函数。仿真计计算的结结果表明明，通过过调整优优化目标标函数中中各个项项的加权权系数，可以侧侧重于提提高车辆辆的某项项性能。其中减减小车体体最大横横向振动动加速度度和减小小二系悬悬挂的最最大静挠挠度是相相互矛盾盾的19,20,21,22。19 戴焕焕云.车车辆主动动悬挂的的鲁棒控控制研究究.西南南交通大大学博士士研究生生学位论论文.11998820 戴焕焕云.铁铁道车辆辆主动悬悬挂随机机最优控控制研究究.铁道道机车车车辆.119977，第11期:11422521戴焕云云，张汉汉全.车车辆主动动悬挂的的鲁棒稳稳定性及及鲁棒性性能研究究.铁道道车辆，19998,20(4): 50

43、055.22张汉全全，戴焕焕云，周周斌，杨杨名利.H与u鲁棒控控制方法法在车辆辆主动悬悬挂中的的应用 铁道学学报，119977,155(S),12111288.中南大学学的朱浩浩等研究究了采用用预见控控制的铁铁道车辆辆垂向主主动悬挂挂，计算算机仿真真结果表表明垂向向主动悬悬挂采用用预见控控制能够够分别将将车体垂垂向振动动加速度度和转向向架垂向向振动加加速度的的幅值减减少300%23,24。23 朱浩浩，刘少少军，黄黄中华，蔡月一一。铁道道车辆垂垂向主动动悬挂的的预见控控制.中中国铁道道科学，voll.266(2)20005:99095.24朱浩，刘少军军，邱显显众。车车辆主动动悬挂最最优预见见

44、控制模模型.交交通运输输工程学学报，vvol.5(33)20005: 813.西南交通通大学的的王月明明博士研研究了阻阻尼控制制策略的的两种实实现方式式：一是开开关型阻阻尼控制制规律，二是连连续型阻阻尼控制制规律。通过对对采用无无摇枕转转向架的的高速客客车悬挂挂系统横横向模型型的仿真真实验，研究了了半主动动阻尼控控制改善善车辆运运行平稳稳性的有有效性。结果数数据表明明，与阻阻尼最优优的被动动悬挂相相比，采采用连续续型阻尼尼控制策策略，车车体横向向加速度度响应的的均方根根值能降降低200-25%，加速速度最大大值能降降低400-50%，横向向平稳性性指标降降低约110-15%255。25王月明明

45、.高速速客车半半主动悬悬挂控制制技术研研究. 西南交交通大学学博士研研究生学学位论文文.20002，4铁道科学学研究院院的姚建建伟等对对铁道机机车车辆辆半主动动控制减减振器进进行了模模糊控制制理论研研究和产产品研制制，完成成了半主主动控制制减振器器的理论论分析、仿真计计算、作作动器研研制、示示意图和和阻尼特特性试验验、控制制策略的的研究、控制器器软硬件件的研制制等工作作26,27。26 姚建建伟，孙孙琼，章章润鸿，叶柏洪洪等.铁铁路机车车车辆半半主动控控制减振振器的理理论研究究和产品品研制.铁道机机车车辆辆.20004，24(增刊):6927 姚建建伟，孙孙琼，李李国顺，金炜，舒兴高高.提速速

46、机车动动力学性性能测试试及安全全性和平平稳性评评估指标标的探讨讨.铁道道机车车车辆.220022，增刊刊:1664,16551722清华大学学丁问司司博士后后针对国国内的实实际情况况，研究究了我国国高速列列车横向向半主动动悬挂系系统控制制策略、高速开开关阀控控制的横横向半主主动减振振器28,29,30。28 丁问问司，卜卜继玲，刘友梅梅.我国国高速列列车横向向半主动动悬挂系系统控制制策略及及控制方方式.中中国铁道道科学.20002，223(44):11729 丁问问司，刘刘少军，卜继玲玲.高速速列车横横向悬挂挂控制方方式及半半主动减减振器.中国机机械工程程.20003，14(12):99959

47、99830 丁问问司.高高速列车车横向半半主动油油压减振振器研究究.液压压与气动动，20003，第8期期:45西南交通通大学的的曾京、戴焕云云教授等等对开关关阻尼控控制的铁铁道客车车系统的的动力学学性能进进行了研研究，主主要包括括半主动动减振器器的阻尼尼参数和和半主动动悬挂系系统的时时滞对客客车系统统临界速速度和随随机响应应的影响响。计算算表明，尽管半半主动悬悬挂使客客车系统统的临界界速度低低于被动动悬挂，构架的的横向加加速度和和轮轨横横向力也也要大于于被动悬悬挂，但但它能够够大大减减小车体体的横向向振动加加速度，改善旅旅客的乘乘坐舒适适性331。31 曾京京，戴焕焕云，邬邬平波.基于开开关阻

48、尼尼控制的的铁道客客车系统统的动力力学性能能研究J.中国铁铁道科学学.20004.25(6):2731总体上说说，国内内对于铁铁道车辆辆主动/半主动动悬挂的的研究大大都限于于理论研研究和计计算机仿仿真研究究，所采采用的车车辆模型型一般为为较为简简单的线线性模型型。4. 半半主动悬悬挂的关关键技术术决定半主主动悬挂挂能否应应用于实实际的主主要因素素有两个个：一是是控制策策略的研研究，一一个是可可控阻尼尼器的研研制。（1）.半主动动悬挂的的控制策策略半主动悬悬挂实际际就是在在被动悬悬挂的基基础上，增加阻阻尼力自自动调节节装置。因此半半主动悬悬挂的设设计任务务最终归归结为：寻求合合适的控控制算法法，

49、使之之能够根根据铁道道车辆的的运行工工况，自自动地跟跟踪调节节悬挂系系统的阻阻尼力使使悬挂系系统隔振振缓冲性性能达到到最佳状状态，以以保证铁铁道车辆辆在任意意工况下下都具有有最佳的的动力学学胜能。铁道车辆辆横向振振动系统统是十分分复杂的的非线性性动力系系统，根据国国内外已已开展的的技术研研究和工工程应用用现状，半主动动悬挂控控制主要要采用的的方法可可以归纳纳如下：1）.最最优控制制线性最优优控制方方法（LQGG/LQQR）以成本本函数在在无穷时时间内积积分，得得到在不不同权重重系数情情况下，系统能能量和控控制耗能能最小为为目标的的悬挂系系统主动动和半主主动控制制算法。线性最最优控制制方法是是半

50、主动动悬挂设设计者使使用最多多的设计计方法。它以被被研究的的车辆系系统较为为理想的的模型作作基础，采用受受控对象象的状态态响应于于控制输输入的加加权二次次型为性性能指标标，同时在在保证受受控结构构动态稳稳定的条条件下实实现最优优控制。此控制制方法中中一般应应用LQQ（Linner Quaadraaticc线性二二次型）调节器器控制理理论或LLQG（Linner Quaadraaticc Gaausssiann 线性性二次高高斯型）控制理理论对悬悬挂系统统实行最最优控制制。采用LQQR控制制方法实实施控制制时，需将列列车系统统视为确确定系统统，而忽略略其固有有的不确确定性,即忽略略随机激激扰，因

51、此这这种控制制方法无无需用计计算机进进行在线线计算。采用LLQG控控制策略略实施控控制比LLQR控控制更为为完善，这种控控制策略略充分考考虑了在在确定的的系统模模型的条条件下的的环境不不确定性性，这种不不确定性性包括轨轨道随机机激扰和和测量噪噪声。2）.鲁鲁棒控制制鲁棒控制制就是试试图描述述被控对对象的模模型不确确定性，并估计计在某些些特定界界限下达达到控制制目标所所留有的的裕度。由于车车辆半主主动悬挂挂装置所所处的环环境以及及自身的的特点，在系统统建模时时总会引引入建模模误差,在设计计控制器器时必须须考虑到到各种不不确定因因素。不不确定性性会破坏坏系统的的稳定性性及性能能，而不确确定性又又是

52、不可可避免的的。因此此,设计控控制器时时必须考考虑不确确定性对对系统稳稳定性的的影响，必须使使设计的的系统具具有鲁棒棒性，即不仅仅对名义义对象能能具有要要求的稳稳定性和和性能，而且在在参数变变化和摄摄动下仍仍要保持持其稳定定性和性性能。鲁棒控制制是在保保证闭环环系统各各回路稳稳定的条条件下，利用所所设计的的控制器器使干扰扰噪声对对系统输输出影响响最小的的一种控控制方法法。鲁棒棒控制在在设计中中综合考考虑系统统的建模模误差、非线性性、抗干干扰等因因素，鲁棒控控制方法法适用于于稳定性性和可靠靠性作为为首要目目标的应应用，同时过过程的动动态特性性已知且且不确定定因素的的变化范范围可以以预估。利用鲁鲁

53、棒控制制方法设设计的控控制器可可保证列列车悬挂挂控制系系统有较较强的稳稳定鲁棒棒性和性性能鲁棒棒性。由于鲁鲁棒控制制在设计计中强调调不确定定性对悬悬挂系统统的影响响，需要在在稳定鲁鲁棒性和和性能鲁鲁棒性之之间作折折中选择择，所得的的控制效效果是保保守的。在建立立悬挂鲁鲁棒控制制模型时时，应充分分估计模模型误差差范围，从而使使控制性性能的保保守性最最小，以保证证悬挂系系统的设设计指标标。3）.HH控制方方法H控制制理论是是80年代代出现的的新理论论。它是是在多变变量系统统频域法法与鲁棒棒稳定性性奇异值值分析法法基础上上建立的的最优控控制理论论。其研研究对象象主要是是多变量量线性定定常系统统。它给

54、给出了控控制系统统的一种种崭新的的综合方方法基于H最优指指标的系系统化设设计方法法。H方法法的主要要优点是是：= 1 * GB3.它可以将将各种典典型控制制问题（如干扰扰抑制、鲁棒镇镇定、跟跟踪和模模型匹配配等问题题）都归结结为标准准H问题，从而给给出一种种系统化化设计方方法。= 2 * GB3.H方法利利用了输输入输出模模型，又利用用了状态态空间法法的计算算机辅助助设计手手段。而而且，象经典典方法那那样，设计者者可对所所得频率率响应形形状寻求求理想控控制。= 3 * GB3.更重要要的是，它既便便于处理理对象具具有不确确定性时时的鲁棒棒控制问问题，又能在在干扰频频率谱不不确定情情况下得得到满

55、意意的控制制性能。目前，HH控制策策略在车车辆的悬悬挂控制制方面己己经有了了应用，然而基基于H理论的的鲁棒控控制等在在理论上上尚未成成熟。HH能反映映哪些指指标，其其实质内内容如何何，实际际问题怎怎样转化化成H优化问问题等一一些关键键问题到到目前为为止还没没有统一一的说明明；另外H控制的的算法复复杂，计计算量大大，必须须在简化化算法上上作大量量工作，才能在在悬挂系系统控制制上应用用。4）.预预测控制制预测控制制是指利利用安装装在机车车或控制制车上的的信号收收集系统统来预估估轨道的的输入，并把所所采集到到的状态态变量反反馈给各各车辆控控制器以以实施最最优控制制的一种种控制策策略。由由于预测测控制

56、是是一类基基于模型型的计算算机控制制算法，因此它它是基于于离散控控制系统统的。预测控控制不但但利用当当前的和和过去的的偏差值值，而且用用预测模模型来预预估过程程未来的的偏差值值,以滚动动确定当当前的最最优输入入策略。预测控控制具有有以下特特点：= 1 * GB3.对数学学模型要要求不高高；= 2 * GB3.能直接接处理具具有纯滞滞后的过过程；= 3 * GB3.具有良良好的跟跟踪性能能和较强强的抗干干扰能力力；= 4 * GB3.对模型型误差具具有较强强的鲁棒棒性。因此，更加符符合工业业过程的的实际要要求。由于列车车大多是是在同一一轨道上上反复行行驶，基于以以往的、既有的的或实测测的运行行信

57、息，结合传传统的LLQG/LQRR控制方方法可以以实现预预测控制制，并达到到较好的的控制效效果。施施行预测测控制时时,为使执执行机构构能在预预测点产产生相应应的动作作，对行车车速度的的测量要要求很高高，很小的的误差将将会导致致系统性性能的急急剧恶化化。目前，预预测控制制正受到到更多的的关注，发表的的研究报报告较多多，但预预测控制制方法的的关键技技术是信信号精度度不受干干扰，并并能精确确反映轨轨道不平平顺的真真实信5）.决决策控制制这种控制制方法是是预先测测量对不不同的轨轨道和行行驶条件件下车辆辆的振动动响应，并通过过优化计计算得到到所需的的最佳悬悬挂刚度度和阻尼尼，存入入主动悬悬挂控制制系统E

58、ECU的的ROMM中，在在进行实实时控制制悬挂系系统时，ECUU不断检检测车辆辆行驶过过程中的的振动响响应，通通过决策策判断查查出对应应工况下下应选的的最优或或次优悬悬挂的KK和C，控制执执行机构构做出响响应。6）.自自适应控控制自适应控控制方法法是一种种拥有实实时调节节控制器器的控制制算法。列车悬悬挂振动动系统是是含有许许多不确确定因素素的非线线性动力力系统，总是存存在非线线性、时时变等因因素，难以用用线性时时不变的的定常反反馈控制制器达到到预定的的性能要要求。由由于自适适应控制制能够处处理小范范围缓变变系统问问题，因此，对于悬悬挂系统统表现出出来的非非线性和和老化问问题，采用自自适应控控制

59、十分分合适。目前的的自适应应控制是是在假定定缺乏完完整的系系统动态态信息和和工作环环境未知知的条件件下进行行控制的的。应用于列列车悬挂挂系统振振动控制制的自适适应控制制方法主主要有自自校正控控制和模模型参考考自适应应控制两两种。自自校正控控制是一一种将受受控对象象参数在在线识别别与控制制器参数数实时整整定相结结合的控控制方法法。采用用自校正正控制方方法能适适应悬挂挂载荷及及元件特特性的变变化，并自动动调整悬悬挂系统统的控制制器来降降低车辆辆的振动动。模型型参考自自适应控控制是当当外界激激励条件件和车辆辆自身参参数变化化时，被控车车辆的振振动输出出仍能跟跟踪理想想的参考考模型，从而获获得预期期性

60、能的的控制方方法。有关资资料表明明，采用自自适应控控制的悬悬挂阻尼尼减振系系统,能较好好地改善善车辆行行驶性能能。在自适应应控制方方面研究究不少，但自校校正控制制需要在在线辨识识大量的的结构参参数，因因而计算算量大，实时性性不好；模型参参考控制制同样涉涉及轨道道不平顺顺信息的的精度问问题。另另外，当当悬挂系系统参数数由于突突然的冲冲击而在在较大的的范围变变化，自自适应控控制的鲁鲁棒性将将降低。7）.神神经网络络控制人工神经经网络是是一个由由大量处处理单元元(神经元元)所组成成的高度度并行的的非线性性动力系系统。它它能对非非线性特特性进行行学习和和记忆，能以任任意精度度反映被被学习对对象的特特征