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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页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
2、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
3、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
4、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
5、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 Karnopp DC and Trikha AK. Comparative study
6、 of optimization techniques for shock and vibration isolation. Journal of Engineering for Industry 1969,11281132.2 Karnopp DC and Crosby MJ. The active damper-anew concept for shock and vibration control. The Shock and Vibration Bulletin，1973，43，The Shock and vibration Information Center, Naval Rese
7、arch Laboratory, Washington, D. C.3 Karnopp DC Crosby M J and Harwood RA .Vibration control using semi-active fore generatorrs. Transactions of the ASME Journal of Engineering for Industry, series B，1974，96(2): 619626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
8、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
9、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，
10、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
11、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（
12、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
13、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10000 W，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
14、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0-10Hz0-20Hz3-6Hz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
15、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:43481988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
