高速列车半主动悬挂.doc

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1、高速列车半主动悬挂系统的研究与发展1.车辆悬挂系统概述列车悬挂控制系统的减振效果直接影响列车运行的平稳性和旅客乘坐的舒适度。对高速列车悬挂控制系统进行优化设计,是衰减列车横向振动、提高列车横向平稳性的有效方法,对我国高速列车的发展有着重要的现实意义。高速列车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，因而不能使高速列车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

2、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,半主动悬挂目前已经成为高速列车车辆悬挂控制领域研究的热点之一。2.半主动悬挂控制系统工作原理半主动悬挂是为克服全主动悬挂系统所需较大的控制能量和高成本作动器而提出的。由于改变刚度同样需要较大的能量，而改变阻器的阻尼值相对容易实现。它与全主动悬挂控制系统不同之处在于:半主动悬挂系统用可控阻尼器代替主动悬挂系统中的主动力作动器，它与被动悬挂系统一样都是利用弹性元件与阻尼元件并联来支撑悬挂质量。但二系

3、阻尼器是一个可控阻尼器，控制系统通过实时调节阻尼值来控制阻尼力，从而改善悬挂系统的动力学性能。半主动悬挂系统在工作时，以消耗系统较少内部能量为约束条件，因此，基本不需要系统外部能量的输入，其用于控制阻尼器的能量相对于全主动悬挂所需要的能量是微不足道的，故也称无源主动悬挂控制系统。其原理如图1一8所示，如图1一9所示为半主动悬挂控制系统的方框图。半主动悬挂系统从轨道不平顺输入到车体振动输出的动力学模型与被动悬挂系统的相同。但二系悬挂阻尼器的阻尼值是根据车体振动而时变的参数，即半主动悬挂控制系统，按其可控阻尼器的调节特性又可分为:有级型半主动悬挂系统和无级型(或连续型)半主动

4、悬挂系。有级型半主动悬挂系统所用的可控阻尼器的阻尼系数不能连续变化，它在生产加工时就采用分级阀门开关特性，其结构较简单，既可采用人工调节，也可通过传感器、控制装置构成自动调节系统。连续型半主动悬挂系统的所采用的阻尼器，其阻尼系数是连续可调，即节流孔调节和减振液粘性调节两种类型。由传感器和控制装置构成反馈控制系统，其可采用的控制算法较为丰富，半主动悬挂系统的特点有：（1）半主动悬挂力发生装置为是减振器，因此控制系统有较高的稳定性，在故障等异常动作时，确保行车安全较为容易。（2）与主动悬挂不同，因不需要油压和气压等动力源，控制装置成本低、安装调试方便。（3）与主动悬挂一样，可

5、以根据车体振动实时地控制二系作用力。大量资料表明: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全主动悬挂的性能，不但有良好的性价比，而且能保失效状态下行车的稳定性和安全性。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

6、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。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、

7、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。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