軌道車輛主動懸掛系統及試驗方法研究

竇曉亮 李傳迎 張寶安

摘 要：介紹了軌道車輛主動懸掛系統的分類、基本控制策略以及現車應用。闡述了懸掛系統半實物試驗驗證方案及系統組成。

關鍵詞：懸掛部件;半實物;振動試驗;軌道車輛;控制策略;舒適度

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.11.079

0 引言

隨著軌道車輛技術的不斷發展，對車輛動力學性能及運行舒適性的要求越來越高，主動減振控制技術已成為改善乘坐舒適性的重要技術途徑。早在上世紀90年代，主動懸掛部件已在日本新干線500系、700系、德國擺式電動車組ICT等列車上得以成功應用，我國的和諧號CRH2B、CRH380、CRH380AL等動車組車輛也安裝了半主動懸掛系統，取得了理想的效果。

主動減振系統是一個涉及車輛動力學、液壓伺服、測試控制、機械以及故障診斷等多學科研究課題，為了保證懸掛部件的穩定性、可靠性，需要對其進行充分的試驗驗證。由于懸掛部件試驗資源欠缺，考核周期長，傳統的線路試驗不能滿足測試研發需求。采用半實物試驗方法驗證主動控制元件是目前國內外常用的解決方案，半實物試驗能集中焦點針對懸掛部件動態性能及控制策略進行研究，實現在產品設計階段的同步試驗驗證，大大提高了產品研發效率，為設計人員確認設計符合性，預估車輛性能提供了基礎保障。

1 懸掛系統的分類

從振動控制的角度來說，懸掛系統可以分為主動懸掛與被動懸掛，如圖1所示。傳統的被動懸掛部件主要由彈性元件和阻尼元件構成，系統工作時不需要外界能源，只是耗散或暫時儲存能量。由于被動懸掛往往采用參數優化的設計方法，以求盡量兼顧各種性能要求，但是由于最終設計的懸掛參數是不可調節的，所以在使用中很難滿足較高的性能要求。

主動懸掛按照其是否需要外接能量輸入，又可分為有源主動懸掛（全主動懸掛）和半主動懸掛。全主動懸掛通常由動力源（液壓泵或空壓機等）、產生力或扭矩的主作動器（伺服電機或電磁鐵等）、測試和反饋控制系統等部分組成。當列車運行速度、載荷、路面狀況等條件發生變化時，主動懸掛系統能自動調節懸掛剛度、阻尼，從而滿足車輛動力學各項性能指標要求。

半主動懸掛由可變特性的彈簧元件和阻尼元件組成，由于它沒有一個動力源為懸掛系統提供持續的能量輸入，所以半主動懸掛系統改變剛度特性要比改變阻尼狀態困難得多，因此可變阻尼懸掛系統是最為常用的半主動懸掛系統。

2 主動懸掛系統的工作原理及控制策略

2.1 主動懸掛系統的工作原理

軌道車輛主動懸掛系統通常由執行機構、測試系統、控制系統以及能源系統四部分組成，執行機構通常為液壓缸、氣缸等部件;測試系統負責監測車輛系統狀態，為控制系統提供依據，如各類加速度、角度傳感器;控制系統進行數據處理，并根據預設的控制策略求解控制指令，并發送給執行機構。全主動懸掛系統還配備能源系統，可以更好地調節懸掛部件的剛度和阻尼特性。

圖2為日本新干線E2系列車全主動懸掛系統示意圖，在傳統橫向減振器位置安裝一個空氣作動器，控制器接收車體上加速度傳感器測試信號，根據控制算法解算控制指令，控制空氣伺服閥開閉，使空氣作動器與傳統被動橫向減振器共同控制作用，達到抑制車體振動的效果。

與全主動懸掛系統不同，半主動懸掛不需要提供額外的動力源，目前其實際應用僅限于對于懸掛系統阻尼參數的控制，即改變懸掛系統的阻尼力，主要通過改變節流面積和改變流體粘度等方法實現。

2.2 主動懸掛系統的控制策略

通過對文獻的調研，目前軌道車輛主動懸掛系統普遍采用的控制策略主要有天棚（skyhook）阻尼控制、最優控制（線性二次型調節器控制LQR、線性二次高斯控制LQG和HSymboleB@最優控制）、非線性自適應控制等。

天棚阻尼控制通過配置在例如車體、構架的加速度傳感器實時獲取加速度信號，通過信號處理、計算判斷構架運動狀態，當車身速度與構架動速度同向時施加適當的阻尼，異向時施加小阻尼，經控制器判斷后向執行器發送信號，執行器作動，實現阻尼力的調節。天棚阻尼控制算法因其結構簡單、計算工作量少、參數方便易調等特點，已成為半主動懸掛中最常用的控制策略。

LQG是基于最優控制理論的一種狀態反饋控制器。已知連續時間變受控系統（t），給定二次型評價函數J，尋找懸掛系統最優反饋控制指標，使得評價函數J最小。LQG的基本要求為所有狀態量可測，因此其不適用于涉及模型攝動的技術問題。HSymboleB@

控制理論的提出能夠有效地解決此項難題，當系統參數存在一定范圍內的攝動時，即系統傳遞函數非固定值，系統可用一組傳遞函數來描述，通過控制器K，使外輸入W到被控對象輸入Z的傳遞函數矩陣的H無窮范數最小，即抑制噪聲到期望輸出之間的傳遞函數集的最大增益。由于該理論是基于頻域的控制理論，因此，可針對車體不同的振動模態（例如搖頭、橫移和側滾）分別進行加權計算。

3 主動懸掛系統的應用

自上世紀90年代起，為了提高車輛乘坐舒適度，主動懸掛裝置在軌道車輛領域有了廣泛的應用。本節圍繞軌道車輛主動懸掛控制技術，并結合資料文獻調研，介紹了主動懸掛裝置的應用。

3.1 橫向振動控制

早些年的研究認為，軌道車輛低頻橫向振動帶來的舒適度問題比垂向振動舒適度問題更為突出，因此橫向半主動橫向減振裝置首先被應開發并用于日本新干線500系動車組，試驗數據表明，該懸掛系統對于車體橫向低頻振動起到了有效的抑制作用，車輛運行平穩性及舒適性改善明顯。為了獲得更好的減振效果，日本新干線部分車輛又裝備了全主動減振器，例如日本觀光列車采用中央橫向電磁作用器，使車體加速度大幅度降低，進一步提升了乘坐舒適度。表1為軌道車輛橫向振動控制常用的實現方式及控制目標。

類別實現方式控制目標

半主動橫向懸掛裝置車體與構架間安裝2個變阻尼橫向減振器，通過伺服閥或電磁閥調節減振器阻尼力。1.主要控制對象為1Hz～3Hz振動部分;2.控制車體搖擺、橫移等剛體模態。

全主動橫向懸掛裝置車體與構架間安裝一個變阻尼減振器，一個作動器（氣動、電動、電磁）。1.進一步提高減振控制效果;2.有效避免中心銷與橫向止擋碰撞，從而達到減振效果。

3.2 垂向振動控制

垂向振動控制大多基于半空主動懸掛系統，主要通過在軸箱與轉向架構架或者構架與車體之間并聯安裝垂向可變阻尼減振器來實現。垂向振動控制目標主要為控制車體的剛體模態振動（浮沉、點頭、側滾），以及抑制車體由“一階垂彎模態”引起的彈性振動。

3.3 車體傾斜控制

為了避免車輛高速通過曲線時，由于離心力作用使舒適度惡化，可以通過主動控制車體傾斜，補償超高不足，在保證舒適度的情況下，提高車輛過曲線速度。常用的車體傾斜控制裝置主要有油缸式和空氣彈簧式兩種，即通過氣壓或油壓實現車體的抬升。

4 主動懸掛系統的試驗驗證方法

與傳統被動懸掛部件不同，主動懸掛系統需要根據車輛實際運行狀態進行實時反饋，由于懸掛部件及其控制算法開發驗證周期長，傳統的線路試驗不能滿足研發需求。借助硬件在環技術的半實物試驗方法能夠有效的解決上述問題。其原理是將結構整體劃分為數值子結構和試驗子結構，對需要反復測試優化的主動懸掛部件進行物理試驗，對車輛其他部分進行數值仿真，將仿真計算的結果輸出作為物理試驗的條件輸入，將物理試驗的狀態反饋作為仿真計算的初始條件，形成半實物試驗閉環。

圖3為主動懸掛系統半實物試驗系統原理圖，其中主動減振器和加載作動器同軸對頂安裝，加載作動器對懸掛部件進行加載。加載作動器采用位移控制，加載過程中的力和位移信號實時反饋至作動器控制器，作動器控制器將力反饋信號通過模擬量傳輸至實時仿真系統，實時仿真系統通過車輛仿真模型計算，向作動器控制器輸出位移指令。作動器控制器比較位移指令和位移反饋，將偏差信號轉化為伺服閥驅動信號，驅動伺服閥動作，控制加載作動器按指令位移運動，實現位移閉環控制。實時仿真系統將計算車體、構架加速度傳輸至懸掛部件控制器，控制器通過特定算法，向懸掛部件輸出阻尼力指令，控制懸掛部件阻尼力的大小和方向，圖4減振器試驗測試現場圖。

5 結束語

主動懸掛系統在軌道車輛領域已有二十多年成功應用經驗，大量的實踐數據表明，主動懸掛系統能夠有效降低車體低頻振動，提高車輛舒適性。然而，其在結構、能耗、作動精度、控制策略、安全穩定性等方面仍有很大的優化空間，半實物試驗技術為快速便捷地實現懸掛部件優化驗證提供系統解決方案。

參考文獻

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