1、鐵道車輛半主動懸掛可行性分析報告1. 車輛懸掛系統概述十年來，中國鐵路連續實施六次大提速，旅客列車的運行速度不斷提高，對車輛運行平穩性的要求也越來越高。鐵道車輛速度的提高，使其在鐵路運行時的振動隨之增加，車輛劇烈振動也會損傷車輛結構，輪軌之間的作用力和車輛振動達到一定程度后還會影響行車安全。控制車輛振動是鐵道車輛提速并改善其平穩性的關鍵技術。為了改善鐵道車輛的乘坐舒適性和運行平穩性，一方面可以提高線路的質量狀況，另一方面則可以提高懸掛系統的性能。要提高線路的質量狀況，需要投入巨額的費用。此外，線路的改造也很復雜，而目前我國一些線路受條件限制難以改造。因此，車輛的乘坐舒適性和運行平穩性只能依靠懸

2、掛系統的減振性能來提高。設計合適的懸掛系統改善車輛的性能，是一種經濟、有效的途徑，對于正在進行的鐵道車輛研究具有重要意義。鐵道車輛的懸掛系統與兩個主要性能即平穩性和穩定性密切相關。目前應用的懸掛系統主要有三種：被動懸掛，全主動懸掛和半主動懸掛。傳統的被動懸掛系統由于其彈性元件和阻尼元件的參數不能實時調節，因而不能使鐵道車輛的乘坐平穩性和操作舒適性同時達到最優。全主動懸掛系統結構復雜，成本高，因而難以得到應用。阻尼可調的半主動懸掛系統與全主動懸掛系統相比，雖然對振動控制的性能略差，但其結構相對簡單，價格低廉，同時，在控制品質上又能接近于主動懸掛，因而有著廣闊的應用前景。特別是磁流變減振器的出現，

3、加快了半主動懸掛產業化的進程。在目前鐵道車輛營運速度迅速提高的情況下，采用阻尼調節的半主動懸掛系統應用前景廣闊。2. 列車的三種懸掛方式以及他們之間的分析比較（1）.列車的三種懸掛方式1）.被動懸掛傳統的鐵路鐵道車輛懸掛系統由彈性元件和阻尼元件組成，它們在工作時不消耗外界能源，故稱為被動懸掛。這種懸掛系統簡單可靠，易于實現，可以在一定程度上滿足鐵道車輛對動力學性能的要求，但由于被動懸掛的參數在車輛運行的過程中無法實時調節，難以解決運行線路斷面的多樣性和懸掛參數單一性、列車運行速度的不定性與傳統懸掛參數的一定性之間的矛盾，被動懸掛系統的適應性比較差，因而無法適應列車高速運行時對動力學性能的更高要

4、求。被動懸掛系統只能根據車體與轉向架間的相對速度產生阻尼力，而實際所需阻力應由速度、位移及加速度多種因素決定:，而且被動懸掛系統只能在一定條件下對鐵道車輛作衰減振動，難以適應在復雜多變的線路上高速運行的列車對動力學性能的要求。針對被動懸掛存在的缺陷，60年代提出了鐵道車輛的主動懸掛。2）.主動懸掛在懸掛系統中加入力發生器（作動器）的裝置稱為主動懸掛。主動懸掛系統由于需安裝測量傳感裝置、作動器及控制裝置，會不可避免地提高列車成本，同時由于列車結構空間的限制，若在極有限的空間中安裝作動器，勢必導致列車結構更加復雜，復雜的主動作動器和車輛結構可能影響可靠性并帶來高昂的維護費用。不僅如此，主動懸掛系統

5、無論采用何種形式的作動器，都將大量消耗外界附加能量。雖然設備及結構的復雜性可通過技術的日益成熟來解決，成本高昂也可通過大批量生產來解決，但能量消耗過大是主動懸掛固有的缺陷，唯有通過原理的改進來解決，因而在普及上尚有困難。目前，主動懸掛主要用于高速列車。3）.半主動懸掛在懸掛系統中需要輸入少量能量的，具有可調阻尼的裝置稱為半主動懸掛。它是美國加州大學戴維斯分校機械工程系D.E.Kamopp教授等人于1974年提出來的1,2,3。1 Karnopp DC and Trikha AK. Comparative study of optimization techniques for shock an

6、d 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 Research Laboratory, Washington, D. C.3 Karn

7、opp 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半主動懸掛利用可以控制的調節阻尼器，根據預定的阻尼控制規律，實時調節阻尼力。半主動懸掛的提出晚于主動懸掛，比主動懸掛結構簡單、成本低，而且性能接近于主動懸掛，另外由于不需要專用大功率能源裝置，這對各種載運工具來說是一個突出的優點，因而受到重視，具

8、有較好的發展前景。（2）.懸掛系統的分析比較1）.改善系統性能原理 從系統動力學的觀點來看，系統在輸入的作用下存在輸出。通過調整輸入和（或）系統的結構參數來使系統的輸出符合我們的要求，就是對系統實施控制。系統的輸入是外界干擾（包括軌道不平順、空氣動力等）和控制力；研究的系統是車輛系統，包括車輛懸掛系統和車體本身；輸出是表征系統振動性能的參數（如車體加速度的統計值或車輛的平穩性指標）。我們希望輸出能夠控制在一個合理的范圍內以改善系統的振動性能，因此只能通過調整輸入和（或）懸掛系統本身結構來實現。對于被動懸掛系統，當輸入改變時，由于其結構本身不能改變，因此其輸出必然隨輸入而發生變化，有時會超出合理

9、的范圍，導致車體振動加劇；對于主動控制當系統的激擾改變時，可借助于外部能量產生控制力來改善系統的性能，通過調整控制力以保證輸出符合要求，從而提高車輛自身的減振性能；對于半主動控制系統，通過改變減振器的阻尼系數或彈簧剛度適應不同的道路和行駛狀況的需要，即當輸入改變時，通過系統自身（懸掛元件的參數）調整來改善系統的性能。也就是說，半主動懸掛是通過系統結構的自身調整來改進系統性能的，即當系統的輸入改變時，通過調整懸掛參數來改善系統的輸出。2）.系統組成 被動懸掛系統：即傳統的懸掛系統，由彈簧和減振器組成。被動懸掛的設計，主要是確定彈簧和減振器的參數，使懸掛系統滿足平穩性、輪軌動作用力等指標，得到一組

10、最優或次優懸掛參數，能在特定的線路激擾、車輛結構參數和運行速度下達到性能最優。 主動懸掛系統：即在懸掛系統中加入力發生器（作動器），根據傳感器從車體和轉向架所獲取的信息，按給定的控制規律產生連續可控的懸掛力，使車體加速度減小。這種裝置需要一套能量供給設備。半主動懸掛系統：針對主動懸掛需要較大控制能量和成本較高的作動器，人們想起在懸掛元件彈簧和減振器上做文章（有人認為若采用改變剛度：如采用空氣彈簧和油氣彈簧的方法來減振，因剛度的改變需要大量氣壓，同樣需要較大能量，而改變阻尼是容易實現的）。半主動懸掛系統根據傳感器從車體和轉向架所獲取的信息，通過半主動懸掛系統的控制器調節減振器阻尼狀態，從而達到改

11、善車輛運行平穩性和安全性的目的。車輛主動、半主動懸掛系統由傳感器測量車輛系統的輸出信號，如車體絕對速度、或車體對轉向架的相對速度、車體的加速度等信號，經微處理器發出指令執行實時控制，由執行機構調節阻尼力（半主動）或控制力（主動）。對于主動懸掛控制系統來說，采用的執行機構有液壓伺服作動器、機電作動器、伺服氣缸等幾種方案。對于半主動控制系統來說，由于減振器較易被控制，采用的執行機構一般是可變阻尼減振器。3）.系統復雜度半主動懸掛系統因為需要傳感器、控制器等，顯然比被動懸掛系統要復雜，但與主動懸掛相比，因為其不需要油泵（或空氣壓縮機）、過濾器、儲油室、冷卻器及輸油管（輸氣管）等提供大能量的輔助器件，

12、因而結構簡單、價格相對便宜得多。4）.控制效果主動懸掛系統和半主動懸掛系統都可以利用天棚控制來計算控制力，二者都是通過產生減少車體絕對速度所需的控制力而達到減振目的的，故減振效果相近，其中，主動懸掛系統的控制力是根據傳感器提供的信息由外部能量直接產生的，半主動懸掛系統的控制力是通過調整系統本身結構而近似得到的。而被動懸掛無法調整系統結構，也沒有外力來控制車體輸出，故而其減振效果不如主動和半主動懸掛系統。5）.能量級別與主動懸掛系統相比，半主動懸掛系統通過改進系統的結構來衰減振動，所以，除了驅動電磁閥或施加電（磁）場需要耗能外，并不需要向懸掛系統提供額外的能量，因此所需的能耗與主動懸掛系統相比很

13、小，而且遠不止一個數量級。Spencer采用半主動控制方案，設計了能產生200000N力(20T力)的磁流變減振器，其行程為士8cm所需提供電量小于50瓦特，試驗中測得5cm/s的速度時，磁流變減振器產生201000N力的控制力，如果該控制力直接由主動控制方式產生，則功率為10000 W，由此可見，主動控制能耗至少是半主動控制的2000倍以上。車輛懸掛系統的特性比較：懸掛名稱被動懸掛半主動懸掛主動懸掛開關型連續型慢主動全主動執行元件普通液壓減振器分級可控減振器連續可控減振器液壓系統液壓系統作用原理阻尼力不可控阻尼力分級可調阻尼力連續可調調節作動力調節作動力控制方式無手動調節自動調節電液調節自動

14、調節電液調節自動調節電液調節自動調節頻率范圍無0-10Hz0-20Hz3-6Hz大于15Hz改善橫向動力特性無小中大大改善垂向動力特性無小中大大傳感器數量無少較少多多能量消耗無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橫向、垂向控制主動傾擺、橫向控制（3）.鐵道車輛懸掛系統發展趨勢鐵道車輛主動、半主動懸掛系統主要是自動控制技術與現代鐵道車輛技術成功結合的產物，這體現了主、被動一體化振動控制的思想，同時也是結構和控制一體化設計思想的延伸與發展。根據對鐵道車輛懸掛功能原理及特點的分析，可以看出，半主動懸掛旨在以接近被動懸掛的造價和復雜程度來提供接近主動懸掛的性能，而且半主動懸掛系統是通過

15、調整系統的結構來適應外界輸入，從而改善系統的性能。因此，它是車輛懸掛的主要發展方向之一。結合半主動懸掛系統的特點及我國鐵路發展的現狀，采用半主動懸掛系統對鐵道車輛進行振動控制是一種較好的選擇。3. 國內外主動/半主動懸掛研究和應用狀況（1）.國外主動/半主動懸掛系統的應用狀況在20世紀80年代中、后期，日本的三菱汽車公司和Nissan汽車公司分別在本公司生產的某些車型的轎車上采用了電子控制半主動懸架系統。LEXUSL5400型轎車的電子控制懸架系統是一種較典型的半主動懸架系統。該系統采用了充有壓縮空氣的空氣彈簧，彈簧的彈性可在“軟”與“硬”之間切換，減振器則有三種不同的阻尼特性可供選擇。轎車行

16、駛過程中，電子控制單元能夠根據各種傳感器的輸入信號，選擇最佳的空氣彈簧的彈性與減振器阻尼特性的組合，從而獲得良好的乘坐舒適性和操縱性能4。4 梁杰.豐田LEXUSLS40O型轎車的電子控制懸架.汽車技術.1997，第9期:43481988年，Nissan公司研制開發了一種所謂聲納半主動懸架裝置，并首先選裝在Maxima型轎車上。其原理就是通過發出的聲納信號進行路面搜索，同時將來自路面的反射波信號進行接收識別5。5 孫求理，張洪欣.主動懸架的發展和技術現狀.世界汽車.1996，第5期:462002年德國采埃孚一薩克斯公司宣布，該公司最近與另一家名為蘭齊亞的汽車公司合作，開發出了一種能自動識別道路

17、狀況的半主動懸架系統一自動連續調節阻尼控制系統(CDC)。據稱，這一系統不僅可以裝配在諸如法拉利等賽車上，還可以安裝在其他高級轎車上6。6 http:/ www.sachs.de/日本500系為了以提高舒適性為目標，在兩頭車廂（1，16號車廂）安裝主動懸掛系統，而在安裝受電弓的車廂上（5，13號車廂）和綠色車廂（8，9，10號車廂）上安裝半主動懸掛系統。裝用半主動懸掛裝置后，列車的乘坐舒適性從“普通”區域提高到“良好”一“普通”區域。裝用半主動懸掛系統的500系列新干線動車無論運行在明線或隧道內，都有改善乘坐舒適性的效果。可以確認，這種列車在300km/h速度運行時的乘坐舒適性與以往270km

18、/h速度運行時的一樣或者更好。今后將以進一步改善乘坐舒適性為標，繼續研究改進半主動懸掛系統的結構和性能7。7 則直久，張耀宏.500系列動車的半主動懸掛系統.國外內燃機車.1998，第5期:812日本700系新干線采用了半有源懸掛系統。不僅在車體發生搖動時需要使減振器向抑制振動的方向動作，且在由于軌道的影響使轉向架發生振動時，為使振動不向車體傳遞，也要求橫向減振器具有相應的動力衰減能力。為此，需要測出車輛的橫向運動加速度，控制衰減系數可變的橫向減振器的動作，從而提高乘坐舒適性。與500系客車一樣，本系統安裝于兩個頭車（1號、16號車）、裝有受電弓的車廂（5號、12號車）以及頭等車廂，這對于實現

19、“提供舒適性更好的客車”這一目標，具有明顯的效果8。8 劉克鮮.日本新干線700系客車.國外鐵道車輛.1998，35(6):14172002年，東日本旅客鐵道株式會社在其E2系新干線車輛上安裝了有源懸掛系統，利用氣壓作動器和H控制的主動懸掛裝置，日本E2新干線列車部分車輛上安裝的橫向全主動懸掛系統由以下幾個部分組成：安裝在車體和轉向架之間傳統二系橫向減振器的位置上的空氣壓力式作動器及其配套部件、車體上的加速度傳感器、根據加速度信號處理風壓伺服閥控制信號的控制元件、減振器和其它被動懸掛部件。這套系統考慮了車體的橫移、搖頭和測滾運動，采用H控制。由于起初確定的加權函數側重于改善車輛在線路敞開地段運

20、行工況下的舒適度，在運行試驗中發現安裝該橫向主動懸掛系統的車輛在線路敞開地段的乘坐舒適度比普通車輛的乘坐舒適度高59dB，但在隧道內只能提高2dB左右。在重新確定加權函數后，發現在隧道內該系統也能夠將車輛的乘坐舒適度提高5dB左右。這充分說明在鐵道車輛懸掛的H控制器設計過程中，合理地選取加權函數是很重要的9。9 董錫明 高速動車組工作原理與結構特點 中國鐵道出版社德國ICE2動車組的拖車上采用SGP400轉向架，SGP400具有獨特的橫向主動控制系統”AQS”，在構架上安裝2個水平的“空氣彈簧風缸”，相當于一個在水平方向起作用的橫向位置調整器，使車體在曲線上行駛時，能主動回到中心位置附近，從而

21、大大改善橫向舒適性。并且在彎道行駛時，具有與直道運行系統一樣的舒適性9。董錫明 高速動車組工作原理與結構特點 中國鐵道出版社Siemens公司開發的SF600型高速轉向架（最高運行速度250km/h），主要運用在ICE-T動車組上。SF600轉向架二系橫向采用了主動彈簧加半主動阻尼器的懸掛系統，這個系統安裝在已有車體傾擺系統和橫向定位氣動系統的轉向架上。車體安裝在由傾擺系統支承的上搖枕上，二系空氣彈簧用以支承下枕梁，扭桿用作抗側滾裝置，一系懸掛裝有圓彈簧和液壓無源減振器，以半主動控制減振器代替傳統的吹響和橫向減振器，。每兩節車的四臺轉向架上，與空氣彈簧并聯裝有一套垂向和一套橫向半主動減振系統。

22、每節車上裝有一套SIBA32診斷、控制系統和一套慣性傳感系統。每臺轉向架上的垂向半主動減振系統裝有：2個具有連續調節阻尼控制閥的垂向液壓減振器、2個測量垂向減振器行程的非接觸式旋轉電位器、2個安裝在轉向架下枕梁上的垂向加速度計。每臺轉向架上的橫向半主動減振系統裝有2個具有連續調節阻尼控制閥的橫向液壓減振器、2個裝在液壓缸上的橫向行程傳感器、1個裝在轉向架下枕梁的橫向加速度計9。董錫明 高速動車組工作原理與結構特點 中國鐵道出版社（2）.國內外主動/半主動懸掛系統的研究狀況對鐵道車輛主動懸掛的研究很早以前就已經開始。1984年，日本對采用PID控制的氣壓式主動懸掛裝置進行了裝車運行試驗。據報告，

23、共振區內的車體振動加速度減小了約二分之一。英國國鐵也對電磁方式等主動懸掛進行了研究。法國也進行了相關研究，擬將主動懸掛裝置應用到TGV列車上，使車輛在運行速度為350km/h時的乘坐舒適度能夠控制在運行速度為300km/h時的水平。然而由于成本問題和無法保證安全性等因素，這些研究未能實現在運營車輛上裝車10。10 Roger Goodall Active Railway Suspensions:Implementation Status and TechnologicalTrends Vehicle System Dynamics Vol. 28 (1997) 87-117DaimlerChr

24、yslerAG公司和Bombardier Transportation公司研制了一套橫向主動懸掛系統，該系統已經在慕尼黑通過了滾動試驗臺樣車試驗，試驗結果證明該系統滿足作動器能耗低、行程小、減振效果明顯等要求。系統采用液氣壓聯動式（hydro-pneumatic）作動器，這種作動器的一端是一個氣壓腔，能夠起到類似于空氣彈簧的作用，使作動器兼有被動彈簧的剛度和阻尼特性，作動器輸出力由油壓伺服閥控制11。11 Dr. Ralph Streiter Active Lateral Suspension for High Speed Trains, 2001控制器的設計采用傳統的傳遞函數綜合法。需要對車

25、輛系統動力學方程進行簡化，以得到適合于控制器設計的簡化模型，將得到的簡化模型和原模型進行仿真比較，確定了簡化模型的有效性。利用簡化模型和相關控制理論確定了控制器的階數，然后根據減少車體橫向振動和相關性能的要求（作動器沖程、限界等）確定控制器傳遞函數的各個系數。控制器需要測量到下面的信息：車體重心處的橫向慣性加速度和搖頭加速度，車體相對于兩個轉向架的橫向位移以及兩個轉向架的相對搖頭角和側滾角。其中有些量（如車體重心處的橫向加速度）并不能直接測量到，需要通過測量其它量間接得到。此外，還需要在作動器上安裝液壓傳感器，以增強對作動器的控制，避免控制失效。值得關注的是以上所介紹的橫向主動懸掛系統是作為“

26、主動轉向架”項目的一部分研究開發的，“主動轉向架”研究項目由Daimler Chsler AG公司和Bombardier Transportation公司合作完成，旨在研制出代表轉向架發展趨勢的機械電子式（Mechatronic）轉向架，這種新型轉向架具有一系、二系主動懸掛系統和傾擺系統，并具有故障檢測和診斷功能。機械電子式轉向架包括機械、電子、控制三個部分，這三個部分的設計并不是逐一獨立進行的，而是在設計開發初期就充分考慮到三者之間的相互作用和影響，從整體上同步研究開發，這種設計理念能夠最大限度地發揮各個部件的作用。德國的西門子公司研制了一套用于擺式列車上的半主動懸掛系統，該系統采用天鉤阻尼

27、控制，包含橫向半主動懸掛系統和垂向半主動懸掛系統。每個可控減振器上都安裝了位移傳感器，控制器對位移傳感器測出的位移信號進行微分運算，得到相對速度信號。在車體上靠近每個可控減振器的地方安裝了加速度傳感器，車體相應的絕對速度信號由對各加速度傳感器測得的加速度信號進行積分獲得。實車試驗表明在運行速度為1 SOkm/h時，和垂向被動懸掛系統相比，該系統中的垂向半主動懸掛能夠將車體共振點處的幅值降低85%12。12 ANTON STRIBERSKY, ANDREAS KIENBERGER, GUNTHER WAGNER Design and Evaluation of a Semi-Active Dam

28、ping System for Rail Vehicles Vehicle System Dynamics supplement 28 (1998)669-681日本基于一種內置可變阻尼油壓減振器空氣彈簧研制出了一套列車垂向半主動懸掛系統，該系統采用天鉤阻尼控制，現已完成實車運行試驗。內置可變阻尼油壓減振器空氣彈簧內部裝有一個節流孔可調的油壓減振器，主要面向于列車垂向半主動懸掛方面的應用，目前已申請專利13。13 原能生舊等“垂向半主動懸掛裝置性能試驗”國外鐵道車輛 2002年5月第39卷第3期3236日本國內有人目前在研制一種能源再生半主動懸掛系統，該系統能夠將可控減振器吸收的能量轉化為電能

29、儲存起來，然后反過來再利用這些電能實現對可控減振器的控制14。14 Yoshihiro Suda, Shigeyuki Nakadal, Kimihiko Nakano Hybrid Suspension System with Skyhook Control and Energy Regeneration Vehicle System Dynamics supplement 28 (1998),619-634針對天鉤阻尼控制不能有效地衰減車體振動加速度的缺點，西南交大研制了基于加速度反饋的自校正橫向半主動懸掛系統。控制器中包含一個參數估計環節，對車體質量進行在線辨識，根據車體質量的變化確定出

30、最優的加速度反饋系數，確定出理想的目標力值。減振器分別采用了可調節節流孔大小的快速調節減振器和磁流變減振器，近似實現目標力值。減振器活塞相對于缸體的運動速度由加速度信號積分得到。在機車車輛振動試驗臺上的試驗結果表明，采用這套橫向半主動懸掛系統，能夠將車輛的橫向乘坐舒適度指標改善10%18%15。15 吳學杰，王月明，張立民，戴煥云，陳春俊.高速成列車橫向懸掛主動、半主動控制技術的研究，鐵道學報J，2006, 28(1): 50-54.中南大學的熊勇剛等人對采用天鉤阻尼控制的機車車輛橫向半主動懸掛系統進行了研究，開發出了一套電子控制系統，該系統的處理器選用89C52單片機，整個系統由采樣濾波、運

31、算處理、功率放大、可調節流孔減振器等幾個部分組成。初步的試驗結果表明該系統能夠提高車輛的平穩性指標，可靠性較高16。16 熊勇剛，謝勇，丁問司等.機車車輛半主動懸掛控制系統的研究J.中南大學學報.2005，36(4),678682西南交大的張開林等對采用LQG控制的鐵道車輛橫向主動懸掛系統進行了試驗研究。試驗采用1：8的半車模型，線路激擾為簡單的正弦激擾，試驗結果表明車體的橫向共振振幅相對于被動懸掛能夠減少80%。控制器假設車體的狀態信號均可以測量，對轉向架的狀態則采用卡爾曼濾波進行估計獲得。由于試驗采用正弦激振，沒有對被動懸掛的阻尼進行優化匹配，因此試驗結果并不能如實反映主動懸掛的減振效果1

32、7,18。17 張開林.機車車輛橫向平穩性主動控制的研究.西南交通大學博士研究生學位論文，1997 18 張開林，米彩盈.鐵道車輛主動減振控制系統的開發.鐵道車輛.1998.36(9):2830西南交通大學的戴煥云教授對鐵道車輛橫向主動懸掛采用隨機最優控制進行了仿真研究，采用簡單的兩自由度車輛模型。控制器設計的目標是盡可能地同時減小車體最大橫向加速度、二系懸掛的最大靜撓度和主動懸掛力，為此，選用車體最大橫向加速度、二系懸掛的最大靜撓度、主動懸掛力三個量的加權平方和作為目標優化函數。仿真計算的結果表明，通過調整優化目標函數中各個項的加權系數，可以側重于提高車輛的某項性能。其中減小車體最大橫向振動

33、加速度和減小二系懸掛的最大靜撓度是相互矛盾的19,20,21,22。19 戴煥云.車輛主動懸掛的魯棒控制研究.西南交通大學博士研究生學位論文.1998 20 戴煥云.鐵道車輛主動懸掛隨機最優控制研究.鐵道機車車輛.1997，第1期:1425 21 戴煥云，張漢全.車輛主動懸掛的魯棒穩定性及魯棒性能研究.鐵道車輛，1998,20(4): 5055.22張漢全，戴煥云，周斌，楊名利. H與u魯棒控制方法在車輛主動懸掛中的應用 鐵道學報，1997,15(S),121128.中南大學的朱浩等研究了采用預見控制的鐵道車輛垂向主動懸掛，計算機仿真結果表明垂向主動懸掛采用預見控制能夠分別將車體垂向振動加速度

34、和轉向架垂向振動加速度的幅值減少30%23,24。23 朱浩，劉少軍，黃中華，蔡月一。鐵道車輛垂向主動懸掛的預見控制.中國鐵道科學，vol.26(2)2005:9095.24 朱浩，劉少軍，邱顯眾。車輛主動懸掛最優預見控制模型.交通運輸工程學報，vol.5(3)2005: 813.西南交通大學的王月明博士研究了阻尼控制策略的兩種實現方式：一是開關型阻尼控制規律，二是連續型阻尼控制規律。通過對采用無搖枕轉向架的高速客車懸掛系統橫向模型的仿真實驗，研究了半主動阻尼控制改善車輛運行平穩性的有效性。結果數據表明，與阻尼最優的被動懸掛相比，采用連續型阻尼控制策略，車體橫向加速度響應的均方根值能降低20-

35、25%，加速度最大值能降低40-50%，橫向平穩性指標降低約10-15%25。25王月明. 高速客車半主動懸掛控制技術研究. 西南交通大學博士研究生學位論文.2002，4鐵道科學研究院的姚建偉等對鐵道機車車輛半主動控制減振器進行了模糊控制理論研究和產品研制，完成了半主動控制減振器的理論分析、仿真計算、作動器研制、示意圖和阻尼特性試驗、控制策略的研究、控制器軟硬件的研制等工作26,27。26 姚建偉，孫瓊，章潤鴻，葉柏洪等.鐵路機車車輛半主動控制減振器的理論研究和產品研制.鐵道機車車輛.2004，24(增刊):6927 姚建偉，孫瓊，李國順，金煒，舒興高.提速機車動力學性能測試及安全性和平穩性評

36、估指標的探討.鐵道機車車輛.2002，增刊:164,165172清華大學丁問司博士后針對國內的實際情況，研究了我國高速列車橫向半主動懸掛系統控制策略、高速開關閥控制的橫向半主動減振器28,29,30。28 丁問司，卜繼玲，劉友梅.我國高速列車橫向半主動懸掛系統控制策略及控制方式. 中國鐵道科學.2002，23(4):1729 丁問司，劉少軍，卜繼玲.高速列車橫向懸掛控制方式及半主動減振器.中國機械工程.2003，14(12):99599830 丁問司.高速列車橫向半主動油壓減振器研究.液壓與氣動，2003，第8期:45西南交通大學的曾京、戴煥云教授等對開關阻尼控制的鐵道客車系統的動力學性能進行

37、了研究，主要包括半主動減振器的阻尼參數和半主動懸掛系統的時滯對客車系統臨界速度和隨機響應的影響。計算表明，盡管半主動懸掛使客車系統的臨界速度低于被動懸掛，構架的橫向加速度和輪軌橫向力也要大于被動懸掛，但它能夠大大減小車體的橫向振動加速度，改善旅客的乘坐舒適性31。31 曾京，戴煥云，鄔平波.基于開關阻尼控制的鐵道客車系統的動力學性能研究J.中國鐵道科學.2004.25(6):2731總體上說，國內對于鐵道車輛主動/半主動懸掛的研究大都限于理論研究和計算機仿真研究，所采用的車輛模型一般為較為簡單的線性模型。4. 半主動懸掛的關鍵技術決定半主動懸掛能否應用于實際的主要因素有兩個：一是控制策略的研究

38、，一個是可控阻尼器的研制。（1）.半主動懸掛的控制策略半主動懸掛實際就是在被動懸掛的基礎上，增加阻尼力自動調節裝置。因此半主動懸掛的設計任務最終歸結為：尋求合適的控制算法，使之能夠根據鐵道車輛的運行工況，自動地跟蹤調節懸掛系統的阻尼力使懸掛系統隔振緩沖性能達到最佳狀態，以保證鐵道車輛在任意工況下都具有最佳的動力學勝能。鐵道車輛橫向振動系統是十分復雜的非線性動力系統，根據國內外已開展的技術研究和工程應用現狀，半主動懸掛控制主要采用的方法可以歸納如下：1）.最優控制線性最優控制方法（LQG/LQR）以成本函數在無窮時間內積分，得到在不同權重系數情況下，系統能量和控制耗能最小為目標的懸掛系統主動和半

39、主動控制算法。線性最優控制方法是半主動懸掛設計者使用最多的設計方法。它以被研究的車輛系統較為理想的模型作基礎，采用受控對象的狀態響應于控制輸入的加權二次型為性能指標，同時在保證受控結構動態穩定的條件下實現最優控制。此控制方法中一般應用LQ（Liner Quadratic線性二次型）調節器控制理論或LQG（Liner Quadratic Gaussian 線性二次高斯型）控制理論對懸掛系統實行最優控制。采用LQR控制方法實施控制時，需將列車系統視為確定系統，而忽略其固有的不確定性,即忽略隨機激擾，因此這種控制方法無需用計算機進行在線計算。采用LQG控制策略實施控制比LQR控制更為完善，這種控制策

40、略充分考慮了在確定的系統模型的條件下的環境不確定性，這種不確定性包括軌道隨機激擾和測量噪聲。2）.魯棒控制魯棒控制就是試圖描述被控對象的模型不確定性，并估計在某些特定界限下達到控制目標所留有的裕度。由于車輛半主動懸掛裝置所處的環境以及自身的特點，在系統建模時總會引入建模誤差,在設計控制器時必須考慮到各種不確定因素。不確定性會破壞系統的穩定性及性能，而不確定性又是不可避免的。因此,設計控制器時必須考慮不確定性對系統穩定性的影響，必須使設計的系統具有魯棒性，即不僅對名義對象能具有要求的穩定性和性能，而且在參數變化和攝動下仍要保持其穩定性和性能。魯棒控制是在保證閉環系統各回路穩定的條件下，利用所設計

41、的控制器使干擾噪聲對系統輸出影響最小的一種控制方法。魯棒控制在設計中綜合考慮系統的建模誤差、非線性、抗干擾等因素，魯棒控制方法適用于穩定性和可靠性作為首要目標的應用，同時過程的動態特性已知且不確定因素的變化范圍可以預估。利用魯棒控制方法設計的控制器可保證列車懸掛控制系統有較強的穩定魯棒性和性能魯棒性。由于魯棒控制在設計中強調不確定性對懸掛系統的影響，需要在穩定魯棒性和性能魯棒性之間作折中選擇，所得的控制效果是保守的。在建立懸掛魯棒控制模型時，應充分估計模型誤差范圍，從而使控制性能的保守性最小，以保證懸掛系統的設計指標。3）.H控制方法H控制理論是80年代出現的新理論。它是在多變量系統頻域法與魯

42、棒穩定性奇異值分析法基礎上建立的最優控制理論。其研究對象主要是多變量線性定常系統。它給出了控制系統的一種嶄新的綜合方法基于H最優指標的系統化設計方法。H方法的主要優點是：.它可以將各種典型控制問題（如干擾抑制、魯棒鎮定、跟蹤和模型匹配等問題）都歸結為標準H問題，從而給出一種系統化設計方法。.H方法利用了輸入輸出模型，又利用了狀態空間法的計算機輔助設計手段。而且，象經典方法那樣，設計者可對所得頻率響應形狀尋求理想控制。.更重要的是，它既便于處理對象具有不確定性時的魯棒控制問題，又能在干擾頻率譜不確定情況下得到滿意的控制性能。目前，H控制策略在車輛的懸掛控制方面己經有了應用，然而基于H理論的魯棒控

43、制等在理論上尚未成熟。H能反映哪些指標，其實質內容如何，實際問題怎樣轉化成H優化問題等一些關鍵問題到目前為止還沒有統一的說明；另外H控制的算法復雜，計算量大，必須在簡化算法上作大量工作，才能在懸掛系統控制上應用。4）.預測控制預測控制是指利用安裝在機車或控制車上的信號收集系統來預估軌道的輸入，并把所采集到的狀態變量反饋給各車輛控制器以實施最優控制的一種控制策略。由于預測控制是一類基于模型的計算機控制算法，因此它是基于離散控制系統的。預測控制不但利用當前的和過去的偏差值，而且用預測模型來預估過程未來的偏差值,以滾動確定當前的最優輸入策略。預測控制具有以下特點：.對數學模型要求不高；.能直接處理具

44、有純滯后的過程；.具有良好的跟蹤性能和較強的抗干擾能力；.對模型誤差具有較強的魯棒性。因此，更加符合工業過程的實際要求。由于列車大多是在同一軌道上反復行駛，基于以往的、既有的或實測的運行信息，結合傳統的LQG/LQR控制方法可以實現預測控制，并達到較好的控制效果。施行預測控制時,為使執行機構能在預測點產生相應的動作，對行車速度的測量要求很高，很小的誤差將會導致系統性能的急劇惡化。目前，預測控制正受到更多的關注，發表的研究報告較多，但預測控制方法的關鍵技術是信號精度不受干擾，并能精確反映軌道不平順的真實信5）.決策控制這種控制方法是預先測量對不同的軌道和行駛條件下車輛的振動響應，并通過優化計算得

45、到所需的最佳懸掛剛度和阻尼，存入主動懸掛控制系統ECU的ROM中，在進行實時控制懸掛系統時，ECU不斷檢測車輛行駛過程中的振動響應，通過決策判斷查出對應工況下應選的最優或次優懸掛的K和C，控制執行機構做出響應。6）.自適應控制自適應控制方法是一種擁有實時調節控制器的控制算法。列車懸掛振動系統是含有許多不確定因素的非線性動力系統，總是存在非線性、時變等因素，難以用線性時不變的定常反饋控制器達到預定的性能要求。由于自適應控制能夠處理小范圍緩變系統問題，因此，對于懸掛系統表現出來的非線性和老化問題，采用自適應控制十分合適。目前的自適應控制是在假定缺乏完整的系統動態信息和工作環境未知的條件下進行控制的

46、。應用于列車懸掛系統振動控制的自適應控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應控制兩種。自校正控制是一種將受控對象參數在線識別與控制器參數實時整定相結合的控制方法。采用自校正控制方法能適應懸掛載荷及元件特性的變化，并自動調整懸掛系統的控制器來降低車輛的振動。模型參考自適應控制是當外界激勵條件和車輛自身參數變化時，被控車輛的振動輸出仍能跟蹤理想的參考模型，從而獲得預期性能的控制方法。有關資料表明，采用自適應控制的懸掛阻尼減振系統,能較好地改善車輛行駛性能。在自適應控制方面研究不少，但自校正控制需要在線辨識大量的結構參數，因而計算量大，實時性不好；模型參考控制同樣涉及軌道不平順信息的精度問題。另外，

47、當懸掛系統參數由于突然的沖擊而在較大的范圍變化，自適應控制的魯棒性將降低。7）.神經網絡控制人工神經網絡是一個由大量處理單元(神經元)所組成的高度并行的非線性動力系統。它能對非線性特性進行學習和記憶，能以任意精度反映被學習對象的特征。采用神經網絡控制無需對實際的懸掛作線性化處理，所控制的懸掛系統具有較強的適應能力，與用傳統的LQ 控制器控制的懸掛相比性能更加優越。神經網絡控制的基本思想是從仿生學的角度模擬人腦神經系統的運作方式，使機器具有人腦那樣的感知、學習和推理能力。對控制科學而言，神經網絡的巨大吸引力在于以下幾點：.神經網絡本質上是非線性系統，能夠充分逼近任意復雜的非線性關系；.具有高度的

48、自適應性和自組織性，能夠學習和適應嚴重不確定性系統的動態特性；.系統信息等勢分布存貯在網絡的各神經元及其連接權中，故有很強的魯捧性和容錯能力；.信息的并行處理方式使得快速進行大量運算成為可能。這些特點說明，神經網絡在解決高度非線性和嚴重不確定性系統的控制方面有巨大潛力。可以說，采用傳統控制理論解決的各種實際問題，幾乎都可以用神經網絡控制技術來解決，而許多傳統控制技術不能解決的問題也可以用神經網絡方法來解決。目前，神經網絡控制領域許多成功的應用實例使人們看到了智能控制時代的到來。車輛半主動懸掛系統是一非線性系統，采用常規的控制方式有一定的局限性。為了更好地逼近實際，獲得更佳控制效果，近年來神經網

49、絡的控制方法越來越受到重視，由于神經網絡可以逼近任意非線性函數，具有較強的學習功能，用做控制器和辨識器具有自適應能力，因此適用于車輛懸掛系統的建模和控制。由于受到當前神經網絡硬件發展的制約，大規模應用的時代尚待時日；但具備簡單功能的神經芯片的成功研制已經使人們受到了很大的鼓舞。由此可見，神經網絡具有并行計算、分布式信息存儲、容錯能力強以及具備自適應學習功能等一系列優點。但神經網絡不適于表達基于規則的知識，因此在對神經網絡進行訓練時，由于不能很好地利用已有的經驗知識，只能將初始權值取為0或隨機數,從而增加了網絡的訓練時間或者陷入非要求的局部限值，這是神經網絡的一個不足。同時，神經網絡控制只能描述

50、大量數據之間的復雜函數關系，難于理解，而且不能直接處理結構化的知識，它需要大量的訓練數據，通過自學習的過程，并以并行分布結構來估計輸入輸出的映射關系。8）.模糊控制模糊控制(Fuzzy Control)是把控制知識表示成語言變量的控制規則，再用這些規則去控制系統，適用于數學模型未知的、復雜的非線性系統的控制。它避開問題的數學模型，對人們關于某個控制問題成功或失敗的經驗進行加工，總結出知識，從中提煉出控制規則，用一系列的模糊條件語句構造系統的模糊語言變量模型，應用模糊推理方法，可以得到適合要求的控制量。因此，模糊控制器是一種語言變量的控制器。模糊控制主要是依據人工操作員的經驗，應用Fuzzy 集

51、合理論進行控制。它具有以下特點：.不需已知被控對象的精確數學模型，一般只需提供現場操作人員的經驗知識及操作數據。這樣對一些復雜系統，如電液伺服系統，因難以建立精確數學模型，故不宜用經典或現代控制方法，更適用于采用模糊控制。.控制規則用語言變量表達，代替常規的數學變量，用簡單的軟硬件即可實現，較易建立語言變量規則，同時易于實現實時控制，控制方法簡單。.控制系統的魯棒性強，對過程參數的變化很不敏感，尤其適于時變的、非線性及滯后系統。另外,對于滯后系統能對純滯后給予補償。.模糊控制推理采用不精確推理，推理過程模仿人的思維過程，由于介入了人類的經驗,因而能夠處理復雜甚至“病態”的系統。由上述可以看出，

52、模糊控制不需要系統的精確數學模型，且具有較強的魯棒性，有資料表明采用模糊控制的懸掛阻尼減振系統能較好地改善車輛運行性能，它在具有隨機激勵和復雜數學模型的車輛懸掛系統的應用中表現出了極強的優勢。但是，模糊控制的精度低，算法過于復雜，使模糊控制方式暫時難以在工程應用中實現。要把它引入高速可靠的車輛懸掛控制中，需要對常規模糊控制器進行改進，或將其與現代控制理論的某些長處結合起來，構成復合控制策略。9）.小結半主動控制技術是近年來鐵道車輛研究領域發展的新興學科，其為解決鐵道車輛動力學性能的互不相容特性開辟了新的途徑。半主動懸掛控制系統已經實現了商品化，因其結構、傳感器、電子控制單元、執行機構和控制方法

53、都比較簡單目前具有廣泛的應用前景。自適應控制、神經網絡控制和模糊控制目前正廣泛地被研究，但由于算法過于復雜，且需有超強計算能力的控制器來解決實時控制的問題，使其控制方式暫時難以在工程應用中實現。基于H理論的魯棒控制等在理論上尚未成熟，H控制的算法復雜，計算量大，必須在簡化算法上作大量工作。預見控制、決策控制由于對線路信號系統的依賴性過高而無法大規模地實施。最優控制由于其簡單實用性，可獲得好的系統性能指標，系統抗干擾能力強，在現有的半主動懸掛系統的工程應用設計中已被采用，在工程實際中也有所運用。國內鐵道車輛半主動懸掛系統的研究工作剛剛起步，從實用性和可靠性考慮，而根據最優控制的優點，可以選擇最優

54、控制作為懸掛系統控制策略的首選方案。（2）.半主動懸掛可控阻尼器的研究可控阻尼器是指減振器的阻尼系數可通過外加控制信號進行調節，可分為有級型和無級型減振器。有級可調減振器阻尼可在2到3檔之間切換，切換時間通常為10至20ms。其減振器結構采用較為簡單的控制閥，使通流面積在最大、中等或最小之間進行有級調節。有級可調減振器的結構及其控制系統相對簡單，但在適應車輛行駛工況和道路條件的變化方面有一定的局限性。無級可調減振器的阻尼調節通常又分兩種。一種是節流孔徑調節，通過電機驅動減振器閥桿，連續調節減振器節流閥的通流面積來改變阻尼，節流閥可采用電磁閥或其它形式的驅動閥來實現。節流口可調式減振器，結構相對

55、簡單、性能穩定可靠、成本低廉、應用前景廣闊。另一種為電流變阻尼器或者磁流變阻尼器。電流變阻尼器采用電流變液作為阻尼器工作液體，通過施加外電場改變電流變液的抗剪應力和粘度，實現阻尼可調，其特點是阻尼力由電場快速無級調節，功耗很小。在國內己有電流變液汽車減振器的專利，北京理工大學魏窿官等對電流變液減振器的結構、性能進行了研究，但還處于實驗階段。電流變液阻尼器的問題在于，需要較高的控制電壓(2-3kV)，流變效應低于磁流變液，阻尼變化范圍小。磁流體是一種非牛頓流體，其剪切應力由液體的粘性和屈服應力兩部分組成。通常流變特性的改變表現為剪切應力隨外加磁場的增加而增大。磁流變液體的屈服應力比電流變液體大一

56、個數量級，且與數千伏電壓用以改變電流變體的粘度相比較，磁流變液體粘度的變化由交變電流產生交變磁場而引起，具有良好的動力學特性和安全性。因此，由磁流變液體制成的阻尼器，比電流變阻尼器在實際進行減振控制中具有更大的優勢。Lord公司生產的磁流變阻尼器，在半主動車輛懸掛振動控制的應用中，可用來實現可控阻尼力，它主要由活塞上具有節流小孔的單筒阻尼器構成。節流孔兩側裝有線圈，通過電流以控制磁場強弱。缸體底部為一橡膠密封的氮氣蓄壓器，主要用來緩沖活塞運動時，活塞兩端液體的體積差造成的沖擊，同時作為一個氣囊，還能起到減振作用。可見磁流變阻尼器的主要部分是一個具有節流孔的活塞。節流孔的兩側裝有線圈，當場強變化

57、時，磁流變體的粘性發生變化、阻尼器的剪切應力相應變化，從而調節阻尼器的阻尼值。在鐵道部科技發展基金項目資助下，張利民教授設計出了步進電機調節流孔的液壓減振器，王月明教授設計出了磁流變液減振器，并在牽引國家重點實驗室的實驗臺上，對試驗車分別進行試驗32。32 王月明.車輛半主動懸掛開關控制特性的研究.機械工程學報，2002, 38 (6): 4851（3）.磁流變阻尼器的應用前景磁流變液具有優良的可控性、很寬的動態范圍、較高的響應速度，很低的功耗，相對簡單的控制方式，因此它在結構振動控制、車輛工程中具有廣闊的應用前景，尤其是在汽車半主動懸架領域，它已經成為競相研究的熱點，世界發達國家的研究機構和

58、企業投入大量人力物力利用磁流變液開發阻尼器件及相關技術。美國Lord公司是世界上最大的磁流變液供應商，也是磁流變技術商業開發的先驅，擁有磁流變阻尼器、制動器、離合器及其控制系統的多項專利，其中Pinkos等設計了轉盤式磁流變主動懸架系統，并完成了汽車半主動懸架的控制實驗，這種懸架系統大大地提高了汽車的安全性和舒適性33。33 Lou,Z.Ervin, R.D., Filisko,AE., A Preliminary Parametric Study of Electrorheological Damper, Trans .ASME, Journal of Fluid Engineering(J

59、，Vo1.116,1994,570577世界最大汽車零部件制造和系統集成商美國德爾夫(Delphi)公司與Lord公司合作開發了汽車磁流變半主動懸架系統陣，并獲得了1999年度世界一百大科技成果獎，該項目的研制成功對汽車減振系統而言是革命性的進步34。34 美國維吉尼業工學院車輛動力學高級實驗室(AVDL)也在汽車磁流變半主動懸架研究中做了大量工作哪。他們利用Lord公司提供的磁流變阻尼器設計了半主動懸架控制系統，并在VolvoVN重型卡車和Futureca轎車的懸架上進行道路試驗，試驗結果說明該系統對汽車俯仰和側傾運動有明顯抑制，而對車身振動沒有明顯效果，因此阻尼器和控制算法有待進一步提高3

60、5。35 http: /www. Avdl.me.vt.edu/在國內，磁流變半主動懸架的研究已經起步，其中香港中文大學、西安交通大學和重慶大學等高校的工作比較有代表性。香港中文大學智能材料與結構實驗室的C.Y.Lai和W.H.Laio利用Lord公司開發的磁流變阻尼器研究了單自由度懸架系統的振動控制，其控制算法為滑模控制，與傳統的被動懸架相比，采用磁流變阻尼器可控懸架的簧載質量的垂直加速度得到大幅度降低36。36 C.Y Lai and W.H.Laio, Vibration Control of A Suspension System via AMagnetorheological Flu

61、id DamperJ, SPIE, Vol. 4073, 2000, 240-251西安交通大學在磁流變阻尼器和通用振動控制器設計、磁流變阻尼器控制方法等方面取得了一些成果。重慶大學對磁流變阻尼器的流變理論和設計方法進行了深入的研究，解決了磁流變阻尼器磁路設計和結構設計中的相關技術問題，研制出了微型汽車磁流變阻尼器，并在國家客車質量監測中心進行了測試，為汽車磁流變阻尼器的開發和應用奠定了理論和技術基礎37。37 廖昌榮、陳偉民、余森、黃尚廉，基于混合工作模式的汽車磁流變減振器阻尼特性研究，機械工程學報J 2001.37 511盡管磁流變液用于振動控制領域取得一定的成績，但目前仍沒有達到商業實用

62、化程度。磁流變液的流變特性較復雜，應深人研究磁流變液減振器的非線性行為，為磁流變液減振器工程應用提供可靠的理論基礎，為此還需進行以下研究。對已有的磁流變減振器可以利用穩健設計結合優化設計方法，在保證性能或提高性能的前提下降低其成本，才能在商業應用方面趕上美日英等的步伐。在現有的應用領域中要有突破，須立足創新思想，根據基本功能原理設計出結構新穎，性能卓越的減振設備，這也正是日本學者的做法。從一些成功的研究結果可以看出磁流變液在減振控制領域有廣闊的應用前景，應積極進行可能應用領域的理論研究，并開發新的工程應用領域。因為現有的建模過程都需進行參數識別，所以設計合理有效的實驗，并利用數學工具充分挖掘實

63、驗數據中所隱含的各種有用信息，確定出精確的數學模型，才能為后續控制器設計的魯棒性提供保證。從對減振器參數化模型和非參數化模型的優劣分析可發現，應綜合發揮兩種模型各自的優勢，進而深人研究總結精確實用的數學模型，以利于減振器設計與控制器設計。可以結合材料特性的研究成果通過優化減振設備的性能來反求所需材料的特性，進而向材料研究者提出可以滿足的要求，比如根據顆粒尺寸、微粒占總體積比等與磁場強度的關系來反求磁流變液應有的組份特征。美、日等工業發達國家磁流變液的實驗研究與工程應用都取得了一定的成績，而我國對磁流變液的研究才剛剛開始，與發達國家相比還有很大差距，應在實驗研究的同時就有針對性地著眼于工程應用，

64、盡可能縮短研究周期，實現這自適應系統所必須依賴的三大智能材料之一的磁流變流體早日在我國減振控制設備中實用化，爭取在這國際前沿領域占有一席之地。（4）.半主動懸掛目前存在的問題總體來說，對半主動懸掛及其阻尼控制的研究存在以下問題：在理論研究方面，對線性系統控制理論研究較多，對非線性系統的控制理論研究的相對較少。阻尼器研究從設計、加工、試驗，到結構改進、實車試驗，需要較長的周期，因此實用的可控阻尼器不多。新型可控阻尼器及控制系統大多存在成本較高的問題，在公路車輛上應用需要進一步降低成本，在鐵道車輛上雖不突出，但影響試驗研究。阻尼器的可靠性對應用是至關重要的，一般要完成近百萬次的耐久試驗，才能發現結

65、構在性能以外的其它方面存在的問題，如磨損、密封、散熱等，更加長了實用化的進程。各種因素引起的時滯需要在阻尼器試驗研究中才能確定，在此之前，只能通過仿真實驗進行研究，與實際系統存在一定差距。若能在仿真實驗中，結合阻尼器的實際特性建模，則能在很大程度上接近半實物仿真。5. 鐵道車輛懸掛技術的發展方向主動懸掛技術在鐵道車輛上的應用落后于汽車。這是因為，首先鐵道車輛具有與公路車輛不同的特殊的輪/軌關系以及運動特點，在常速情況下，經過優化設計的被動懸掛基本能夠滿足運行的需要；再者，鐵道車輛體積、重量大，相應的主動懸掛所需的動力就很大，這不僅增加了結構的復雜性，而且要消耗可觀的能量，使成本提高。因此，早期

66、的研究內容除技術問題外，還包括主動懸掛的可行性研究或成本效益分析。鐵道車輛采用不同懸掛裝置的比較構成優點缺點被動懸掛 各種彈簧、被動液壓減振器 無能量輸入、無控制，結構簡單、成本低，最重要的是其運行可靠性較高。 車輛高速運行時，難以獲得最優的減振性能。主動懸掛彈簧、動力源、傳感器、控制器、伺服閥、執行器、電源等。懸掛的減振性能可以適應運行條件的變化，并始終處于最優的調節狀態，最高響應頻寬可達100Hz需要額外動力源、成本高、結構復雜、難維護，最不理想的是其運行可靠性差。半主動懸掛彈簧、傳感器、控制器、可控液壓減振器、電源等。可以取得介于被動懸掛和主動懸掛之間的調節性能。不需要額外動力源、成本較

67、高、結構較復雜、難維護，運行可靠性差。主動、半主動懸掛殘酷的缺點限制了其工程應用，使得它仍然大部分停留在實驗室里。但關于這方面的研究卻促進了其它懸掛形式的發展。由于鐵道車輛速度高、運量大，安全和可靠性是絕對第一位的，所以包括目前世界上最快的TGV、歐洲之星等在內的鐵道列車，均使用被動懸掛。這就是鐵道車輛懸掛的工程應用現狀。鐵道車輛懸掛技術的發展方向是：絕大多數車種仍然使用可靠性高、運行動力學性能也比較好的被動懸掛；主動、半主動懸掛的研究將繼續開展，但其研究成果主要不在于應用，而在于它可以推動其它新型結構的、具有優良懸掛性能的被動懸掛元件的誕生和發展，如油氣懸架、近年德國contiTech公司的

68、液壓彈簧專利技術等等。被動懸掛從某種意義上來說，是其他懸掛所不能替代的，從目前對懸掛系統的研究來看，被動懸掛的研究和改進仍然占重要的地位，從被動懸掛理論、零部件的研制、傳統被動懸掛的改進、新型被動懸掛的研究等，都正為車輛的進步和發展做出貢獻。被動懸掛系統中的核心部分：液壓（油壓）減振器的研究也將是研究者們要繼續進行的重要的研究工作。油壓減振器是一種液壓阻尼元件，它通過對液壓油的節流作用產生阻尼力、并以此吸收、轉化與之相連的機械系統的振動能量，從而減少振動對車輛和旅客造成的不良影響。因為油液的可壓縮性小、粘度較高，所以油壓減振器產生的阻尼作用主要是粘性阻尼力，它可以將車體的振動沖擊動能，大部分轉

69、化為油的熱能，并迅速通過循環在環境中耗散。油壓減振器的阻尼力大，散熱性能好，不僅能用于小功率的場合，而且也能用于大功率的場合。它一般與彈簧配合使用，廣泛應用于公路、鐵路車輛的減振系統中，起保護車輛設備、提高旅客乘坐舒適性的作用。它是車輛懸掛裝置中的重要元件。油壓減振器的分類：如果按拉、壓行程中的阻尼特點區分，可將油壓減振器分為單向和雙向兩大類；如果按安裝方式區分可將油壓減振器分為橫向和垂向兩大類它們分別被用來減緩車輛的橫向和垂向振動。橫向和垂向油壓減振器雖然在阻尼性能上沒有區別，但由于橫向油壓減振器被橫向安裝，其結構特點在設計上一般與垂向減振器有所不同；如果按阻尼可控與否來區分，可將油壓減振器

70、分為被動式和可控阻尼式。我們通常所說的油壓減振器均是指被動式的。被動式油壓減振器出廠或者被調節好后，其阻尼性能就是固定的，在車輛運行中，其阻尼性能不能改變。可控阻尼式油壓減振器，則可以在車輛運行中接受控制器的指令，連續或者分級式地改變其阻尼性能，這種油壓減振器是半主動懸掛系統中的主要部件，結構上比被動式油壓減振器復雜，難維護。由于我國對線性油壓減振器的基礎模型、設計理論等研究很少，雖然有一定的制造、維護經驗，但沒有完全自主的設計能力。因此這一現狀導致了：現在我國絕大多數提速、準高速客車上大量使用進口油壓減振器，主要有荷蘭Koni，法國阿爾斯通的Dispen，德國的Sachs減振器。我國的減振器

71、技術與國外減振器技術的差距：.自廣深準高速第一次開通，國產減振器產生漏油多年來，方方面面的努力與實踐已證明：在對減振器工作機理建立了深刻的理解后，解決漏油的工藝方案是豐富多彩的，并不非得采用某一工藝方案才解決問題，它是幾個機理的協調、調整的結果。從部質檢中心抽查信息看，我國鐵道車輛減振器漏油問題正在成為過去，但這僅是防漏油技術攻關正在成為過去，從質量保證體系來講不會有“過去”的。.Alstom、Koni、Sachs公司的產品大批進入中國前，本來是用多點測試作出廠檢驗的。現在為了適應我國鐵路現狀，有的公司也“客隨主便”“入鄉隨俗”地開始產生提供單點測試結果適應中國用戶了。現在，為提升我國鐵道車輛

72、減振器行業水平與門坎，推行減振器多點測試是勢在必行的。目前國內還沒有一個鐵路減振器廠家做得到生產的減振器性能可應對多點測試考核，主要原因受制于J95及其派生試驗臺性能的約束。因此，開發并設計出新的實驗臺架，以滿足減振器多點測試的要求是很有必要的。.三大跨國減振器專業公司的驕人業績是在與他們本國整車設計結合（相互調整）研制出高速列車，而成為高級減振器廠商的。我們國內生產減振器也要做到減振器的性能要與車輛整車設計相匹配，同時，整車設計的理論，方法也需要突破。車與減振器兩者在新的高度上相互調整、協調而達到相配，以實現車速進一步提高。而對油壓減振器功能的理解上要從以對運動提供阻尼為主，進一步過渡到以耗

73、散動能為主上來；同時對減振器的考核指標從阻力達標過渡到耗散功率達標上來。6. 半主動懸掛的產業前景主動懸掛的研究受到了人們的極大觀注，由于其結構復雜、成本高、耗費能量、安全可靠性低，使其在實用方面受到限制。為了解決這些問題，主動懸掛的研究主要朝著結構簡單、成本低、耗能小、重量輕、安全可靠的方向發展，為此寧可犧牲一些性能方面的要求，由此可見，半主動懸掛具有巨大的發展潛力，甚至有可能替代現有的被動懸掛系統，國內外學者一直在致力于研究出結構簡單、安全可靠、實用性強的半主動懸掛系統。在我國，隨著鐵道車輛運行速度的提高，傳統的被動懸掛將會滿足不了車輛高速運行時的平穩性要求，在國外已經有半主動懸掛系統應用

74、的先例，半主動懸掛系統必將也會應用到我國鐵道車輛。西南交通大學王月明博士對半主動懸掛系統的成本做出了初步的估計：半主動懸掛的成本在很大程度上決定于可控阻尼器的成本，以磁流變阻尼器為例，單個阻尼器的成本控制在萬元以下的水平是可以實現的，每套（可控阻尼器、傳感器、控制器）的總成本控制在二四萬元是可能的，相當于國外每車兩套半主動懸掛可控阻尼器及控制系統總價格的五十分之一，這大致相當于主動控制系統進口作動器的價格水平。這樣，就橫向半主動懸掛系統而言，每輛客車需要二套傳感器、二個可控阻尼器及其控制計算機，若總成本在8萬元以下，則只占車輛造價的4%以下（每輛客車按230萬元估算），總耗能只有100一200

75、瓦，而控制效果能接近主動懸掛的效果，優勢是明顯的。若與提高線路等級或改造線路等工程投資比，效益是巨大的。可以說，半主動懸掛系統在鐵道鐵道車輛方面有較大的發展潛力，值得進行深入的研究，把具有國內自主知識產權的半主動懸掛系統的產品盡早推向實用。7. 機遇和挑戰（1）.研究方向鐵路大發展的形勢，將給我們帶來機遇。就鐵道車輛懸掛系統來說，鑒于我國鐵路車輛是中速、準高速和高速車一起運行的現狀，我們時代新材可以朝以下幾個方向做研究：.針對我國現在鐵路車輛懸掛系統的現狀，開展對油壓減振器的開發和設計工作。對此，我們可以通過總結國內外生產油壓減振器的經驗，自主創新，并借鑒國外先進的油壓減振器技術，最后制造出具

76、有自主知識產權的適用于我國鐵道車輛的油壓減振器。.開展主動、半主動懸掛系統研究，對主動/半主動懸掛系統中的執行器機構進行研究設計，重點是對基于節流閥技術的連續可控阻尼油壓減振器和基于磁流變技術的磁流變液減振器展開研究工作。（2）.研究方法車輛懸掛系統的主要研究方法是：.控制理論和執行機構；.虛擬仿真；.實驗室臺架試驗；.試驗車道路試驗。（3）.優勢鐵路高速化的發展，主動、半主動懸掛系統必然會從實驗室走向實踐中高速運行的列車。對于鐵道車輛懸掛系統的研究，時代新材具有一定的優勢：.時代新材經過多年的發展，公司逐漸形成了擁有自主知識產權、居國內領先水平的核心技術優勢（高分子材料-金屬復合彈性元件的結

77、構分析和設計技術、高分子材料多元復合成型工藝及裝備技術、適用不同性能需求的高分子材料配方技術、減振性能檢測和可靠性研究技術），公司彈性元件以及空氣彈簧的開發能力在國內處于一流的水平。鐵道車輛懸掛系統主要由彈性元件和阻尼元件構成，公司在彈性元件方面的技術優勢是十分突出的。.公司技術中心系統結構室配備了全套的ANSYS、ABAQUS、I-DEAS等大型有限元分析軟件、BUD專業空簧分析軟件及動力學仿真分析軟件，配備了高性能的計算機圖形工作站關于車輛懸掛系統的研究，在國內企業中率先進行彈性元件結構的有限元分析，能進行機車車輛懸掛系統的動力學分析及相關彈性元件的性能仿真分析；具有懸掛系統及相關彈性元件

78、的原創設計能力，通過虛擬產品開發指導實物產品的研發，縮短開發周期和降低開發成本，為新產品開發和產品可靠性預測提供了有力的技術手段；公司通過加強與各主機廠及高校的交流與合作，正逐步提高系統分析能力。通過機車車輛整體動力學分析，進行整車懸掛參數的合理匹配及優化設計。在車輛動力學仿真方面，我們可以借助動力學軟件（如ADAMS/Rail，MATLAB/Simulink等）模擬車輛動力學行為，并作出車輛運行平穩性和穩定性的分析。在振動噪聲分析技術方面，TMT具備了對軌道車輛、工程機械、汽車等領域的振動噪聲測試分析和對減振降噪產品性能評估的能力。在環境噪聲控制方面，TMT具備了根據環境條件和噪聲特性進行降

79、噪材料的研究開發及其結構的一體化設計，從而形成個性化的振動噪聲控制技術。.人力資源方面，時代新材有一大批高學歷的知識分子，還有一些曾經從事過減振器的研究的領導和同事，他們是時代新材的寶貴的人力資源，是時代新材在減振器研究上的一個突出的優勢。.時代新材和時代集團內兄弟公司的協作在推動主動/半主動懸掛的研究上也有很大的優勢，南車時代電氣具有先進的傳感器技術、控制技術等。現代控制理論和計算機技術的發展，配合試驗以及計算機虛擬仿真以及實車試驗，對鐵道車輛主動/半主動懸掛系統的控制理論將會越來越趨于成熟，一旦我們確定主動/半主動懸掛系統的控制策略，便可以通過和時代電氣的合作，制造出相對應的控制器；時代裝

80、備是鐵道部定點的油壓減振器生產廠家，具有多年的減振器研究、生產經驗。在車輛懸掛系統執行元件的研究中，我們可以和時代裝備一起合作，借鑒他們的經驗，學習他們的技術，同時在吸收國外先進的減振器設計技術和經驗，最后開發并制造出具有自主知識產權的油壓減振器，并在此基礎上，逐步完成可控阻尼液壓減振器的開發設計和試制。（4）.難點挑戰總是機遇與并存，對鐵道車輛半主動懸掛的研究以及以后的實用化及產業化過程中，我們將會面臨一些難題：.不論是油壓減振器還是可控阻尼液壓減振器的研究，國內的研究起步都比國外晚，技術相對也不夠成熟，對液壓減振器基礎模型、設計理論等研究很少。我國絕大多數提速、準高速客車上大量使用進口油壓

81、減振器，國內的油壓減振器與國外的油壓減振器差距很大，要趕上國外先進水平需要我們在油壓減振器的研究和設計上做大量的工作。.安全可靠性低是制約主動/半主動懸掛系統在實際應用的一個重要因素，鐵道車輛主動/半主動懸掛系統在控制器失效時的安全可靠性還值得進一步的研究，國內有一些關于可控阻尼液壓減振器在控制系統失效后的減震性能的研究論文，大多局限在理論上，缺乏實驗驗證。開發設計實用的可控阻尼液壓減振器，并且要滿足在控制系統失效后還具有優秀的被動減振性能，這將是今后對于主動/半主動懸掛系統執行元件研究工作的重中之重，也是技術難題。.半主動懸掛系統是一個結合了機-電-液技術的復合的系統，控制策略和可控阻尼減振

82、器的研究還主要通過虛擬仿真來完成，各種因素引起的時滯需要在阻尼器試驗研究中才能確定。實驗室臺架試驗是主動/半主動懸掛系統研究工作的一個重要的組成部分，一旦減振器試制出來之后，首先面臨的問題就是對減振器的性能進行試驗，時代新材沒有相對應的實驗設備，國內擁有的鐵道車輛主動/半主動懸掛系統的試驗臺架的單位也不多，而且國內現有的減振器試驗臺在性能上與國外先進的試驗臺相比，存在很大的差距，不能適應減振器的實驗要求，在以后的研究工作中，如何進行實驗室臺架試驗以及進行什么樣的實驗室臺架試驗將是我們面臨的一個難題。.試制的減振器通過實驗之后，將要進行的是試驗車道路試驗來驗證減振器在實車運行中的性能，時代新材同

83、樣不具備實車道路試驗的條件，必須與各大主機廠合作來完成減振器的實車道路試驗。8. 總結在我國，鐵路運輸事業飛速發展，鐵道車輛運行速度越來越快，半主動懸掛通過調整系統的結構來適應外界輸入，從而改善系統的性能，以接近被動懸掛的造價和復雜程度來提供接近主動懸掛的性能，它是車輛懸掛的主要發展方向。主動/半主動減振器產業化的時代也將會到來，在當今國際和國內競爭日益激烈的情況下，誰掌握了技術、誰的技術最全面最實用，就能控制市場，獲取豐厚的利潤。時代新材在鐵道車輛主動/半主動懸掛的研究上有自己獨特的優勢，同時也面臨一些困難。我們要樹立信心，抓住機遇，充分發揮自己的優勢，克服一切困難，為時代新材在國內外減振器市場占有一席之地做出最大的努力。 25