軌道車輛主動(dòng)懸掛系統(tǒng)及試驗(yàn)方法研究

竇曉亮 李傳迎 張寶安

摘 要：介紹了軌道車輛主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的分類、基本控制策略以及現(xiàn)車應(yīng)用。闡述了懸掛系統(tǒng)半實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證方案及系統(tǒng)組成。

關(guān)鍵詞：懸掛部件;半實(shí)物;振動(dòng)試驗(yàn);軌道車輛;控制策略;舒適度

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.11.079

0 引言

隨著軌道車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能及運(yùn)行舒適性的要求越來越高，主動(dòng)減振控制技術(shù)已成為改善乘坐舒適性的重要技術(shù)途徑。早在上世紀(jì)90年代，主動(dòng)懸掛部件已在日本新干線500系、700系、德國擺式電動(dòng)車組ICT等列車上得以成功應(yīng)用，我國的和諧號(hào)CRH2B、CRH380、CRH380AL等動(dòng)車組車輛也安裝了半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，取得了理想的效果。

主動(dòng)減振系統(tǒng)是一個(gè)涉及車輛動(dòng)力學(xué)、液壓伺服、測試控制、機(jī)械以及故障診斷等多學(xué)科研究課題，為了保證懸掛部件的穩(wěn)定性、可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。由于懸掛部件試驗(yàn)資源欠缺，考核周期長，傳統(tǒng)的線路試驗(yàn)不能滿足測試研發(fā)需求。采用半實(shí)物試驗(yàn)方法驗(yàn)證主動(dòng)控制元件是目前國內(nèi)外常用的解決方案，半實(shí)物試驗(yàn)?zāi)芗薪裹c(diǎn)針對(duì)懸掛部件動(dòng)態(tài)性能及控制策略進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的同步試驗(yàn)驗(yàn)證，大大提高了產(chǎn)品研發(fā)效率，為設(shè)計(jì)人員確認(rèn)設(shè)計(jì)符合性，預(yù)估車輛性能提供了基礎(chǔ)保障。

1 懸掛系統(tǒng)的分類

從振動(dòng)控制的角度來說，懸掛系統(tǒng)可以分為主動(dòng)懸掛與被動(dòng)懸掛，如圖1所示。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛部件主要由彈性元件和阻尼元件構(gòu)成，系統(tǒng)工作時(shí)不需要外界能源，只是耗散或暫時(shí)儲(chǔ)存能量。由于被動(dòng)懸掛往往采用參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，以求盡量兼顧各種性能要求，但是由于最終設(shè)計(jì)的懸掛參數(shù)是不可調(diào)節(jié)的，所以在使用中很難滿足較高的性能要求。

主動(dòng)懸掛按照其是否需要外接能量輸入，又可分為有源主動(dòng)懸掛（全主動(dòng)懸掛）和半主動(dòng)懸掛。全主動(dòng)懸掛通常由動(dòng)力源（液壓泵或空壓機(jī)等）、產(chǎn)生力或扭矩的主作動(dòng)器（伺服電機(jī)或電磁鐵等）、測試和反饋控制系統(tǒng)等部分組成。當(dāng)列車運(yùn)行速度、載荷、路面狀況等條件發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)懸掛剛度、阻尼，從而滿足車輛動(dòng)力學(xué)各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。

半主動(dòng)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(gè)動(dòng)力源為懸掛系統(tǒng)提供持續(xù)的能量輸入，所以半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)改變剛度特性要比改變阻尼狀態(tài)困難得多，因此可變阻尼懸掛系統(tǒng)是最為常用的半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。

2 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的工作原理及控制策略

2.1 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的工作原理

軌道車輛主動(dòng)懸掛系統(tǒng)通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及能源系統(tǒng)四部分組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常為液壓缸、氣缸等部件;測試系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測車輛系統(tǒng)狀態(tài)，為控制系統(tǒng)提供依據(jù)，如各類加速度、角度傳感器;控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略求解控制指令，并發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)還配備能源系統(tǒng)，可以更好地調(diào)節(jié)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(dòng)懸掛系統(tǒng)示意圖，在傳統(tǒng)橫向減振器位置安裝一個(gè)空氣作動(dòng)器，控制器接收車體上加速度傳感器測試信號(hào)，根據(jù)控制算法解算控制指令，控制空氣伺服閥開閉，使空氣作動(dòng)器與傳統(tǒng)被動(dòng)橫向減振器共同控制作用，達(dá)到抑制車體振動(dòng)的效果。

與全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)不同，半主動(dòng)懸掛不需要提供額外的動(dòng)力源，目前其實(shí)際應(yīng)用僅限于對(duì)于懸掛系統(tǒng)阻尼參數(shù)的控制，即改變懸掛系統(tǒng)的阻尼力，主要通過改變節(jié)流面積和改變流體粘度等方法實(shí)現(xiàn)。

2.2 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的控制策略

通過對(duì)文獻(xiàn)的調(diào)研，目前軌道車輛主動(dòng)懸掛系統(tǒng)普遍采用的控制策略主要有天棚（skyhook）阻尼控制、最優(yōu)控制（線性二次型調(diào)節(jié)器控制LQR、線性二次高斯控制LQG和HSymboleB@最優(yōu)控制）、非線性自適應(yīng)控制等。

天棚阻尼控制通過配置在例如車體、構(gòu)架的加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取加速度信號(hào)，通過信號(hào)處理、計(jì)算判斷構(gòu)架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)車身速度與構(gòu)架動(dòng)速度同向時(shí)施加適當(dāng)?shù)淖枘?，異向時(shí)施加小阻尼，經(jīng)控制器判斷后向執(zhí)行器發(fā)送信號(hào)，執(zhí)行器作動(dòng)，實(shí)現(xiàn)阻尼力的調(diào)節(jié)。天棚阻尼控制算法因其結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算工作量少、參數(shù)方便易調(diào)等特點(diǎn)，已成為半主動(dòng)懸掛中最常用的控制策略。

LQG是基于最優(yōu)控制理論的一種狀態(tài)反饋控制器。已知連續(xù)時(shí)間變受控系統(tǒng)（t），給定二次型評(píng)價(jià)函數(shù)J，尋找懸掛系統(tǒng)最優(yōu)反饋控制指標(biāo)，使得評(píng)價(jià)函數(shù)J最小。LQG的基本要求為所有狀態(tài)量可測，因此其不適用于涉及模型攝動(dòng)的技術(shù)問題。HSymboleB@

控制理論的提出能夠有效地解決此項(xiàng)難題，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)存在一定范圍內(nèi)的攝動(dòng)時(shí)，即系統(tǒng)傳遞函數(shù)非固定值，系統(tǒng)可用一組傳遞函數(shù)來描述，通過控制器K，使外輸入W到被控對(duì)象輸入Z的傳遞函數(shù)矩陣的H無窮范數(shù)最小，即抑制噪聲到期望輸出之間的傳遞函數(shù)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(duì)車體不同的振動(dòng)模態(tài)（例如搖頭、橫移和側(cè)滾）分別進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

3 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的應(yīng)用

自上世紀(jì)90年代起，為了提高車輛乘坐舒適度，主動(dòng)懸掛裝置在軌道車輛領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。本節(jié)圍繞軌道車輛主動(dòng)懸掛控制技術(shù)，并結(jié)合資料文獻(xiàn)調(diào)研，介紹了主動(dòng)懸掛裝置的應(yīng)用。

3.1 橫向振動(dòng)控制

早些年的研究認(rèn)為，軌道車輛低頻橫向振動(dòng)帶來的舒適度問題比垂向振動(dòng)舒適度問題更為突出，因此橫向半主動(dòng)橫向減振裝置首先被應(yīng)開發(fā)并用于日本新干線500系動(dòng)車組，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該懸掛系統(tǒng)對(duì)于車體橫向低頻振動(dòng)起到了有效的抑制作用，車輛運(yùn)行平穩(wěn)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(dòng)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(jìn)一步提升了乘坐舒適度。表1為軌道車輛橫向振動(dòng)控制常用的實(shí)現(xiàn)方式及控制目標(biāo)。

類別實(shí)現(xiàn)方式控制目標(biāo)

半主動(dòng)橫向懸掛裝置車體與構(gòu)架間安裝2個(gè)變阻尼橫向減振器，通過伺服閥或電磁閥調(diào)節(jié)減振器阻尼力。1.主要控制對(duì)象為1Hz～3Hz振動(dòng)部分;2.控制車體搖擺、橫移等剛體模態(tài)。

全主動(dòng)橫向懸掛裝置車體與構(gòu)架間安裝一個(gè)變阻尼減振器，一個(gè)作動(dòng)器（氣動(dòng)、電動(dòng)、電磁）。1.進(jìn)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(dá)到減振效果。

3.2 垂向振動(dòng)控制

垂向振動(dòng)控制大多基于半空主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，主要通過在軸箱與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架或者構(gòu)架與車體之間并聯(lián)安裝垂向可變阻尼減振器來實(shí)現(xiàn)。垂向振動(dòng)控制目標(biāo)主要為控制車體的剛體模態(tài)振動(dòng)（浮沉、點(diǎn)頭、側(cè)滾），以及抑制車體由“一階垂彎模態(tài)”引起的彈性振動(dòng)。

3.3 車體傾斜控制

為了避免車輛高速通過曲線時(shí)，由于離心力作用使舒適度惡化，可以通過主動(dòng)控制車體傾斜，補(bǔ)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(shí)現(xiàn)車體的抬升。

4 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證方法

與傳統(tǒng)被動(dòng)懸掛部件不同，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)需要根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，由于懸掛部件及其控制算法開發(fā)驗(yàn)證周期長，傳統(tǒng)的線路試驗(yàn)不能滿足研發(fā)需求。借助硬件在環(huán)技術(shù)的半實(shí)物試驗(yàn)方法能夠有效的解決上述問題。其原理是將結(jié)構(gòu)整體劃分為數(shù)值子結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)，對(duì)需要反復(fù)測試優(yōu)化的主動(dòng)懸掛部件進(jìn)行物理試驗(yàn)，對(duì)車輛其他部分進(jìn)行數(shù)值仿真，將仿真計(jì)算的結(jié)果輸出作為物理試驗(yàn)的條件輸入，將物理試驗(yàn)的狀態(tài)反饋?zhàn)鳛榉抡嬗?jì)算的初始條件，形成半實(shí)物試驗(yàn)閉環(huán)。

圖3為主動(dòng)懸掛系統(tǒng)半實(shí)物試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，其中主動(dòng)減振器和加載作動(dòng)器同軸對(duì)頂安裝，加載作動(dòng)器對(duì)懸掛部件進(jìn)行加載。加載作動(dòng)器采用位移控制，加載過程中的力和位移信號(hào)實(shí)時(shí)反饋至作動(dòng)器控制器，作動(dòng)器控制器將力反饋信號(hào)通過模擬量傳輸至實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)通過車輛仿真模型計(jì)算，向作動(dòng)器控制器輸出位移指令。作動(dòng)器控制器比較位移指令和位移反饋，將偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為伺服閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服閥動(dòng)作，控制加載作動(dòng)器按指令位移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位移閉環(huán)控制。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)將計(jì)算車體、構(gòu)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(yàn)測試現(xiàn)場圖。

5 結(jié)束語

主動(dòng)懸掛系統(tǒng)在軌道車輛領(lǐng)域已有二十多年成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)能夠有效降低車體低頻振動(dòng)，提高車輛舒適性。然而，其在結(jié)構(gòu)、能耗、作動(dòng)精度、控制策略、安全穩(wěn)定性等方面仍有很大的優(yōu)化空間，半實(shí)物試驗(yàn)技術(shù)為快速便捷地實(shí)現(xiàn)懸掛部件優(yōu)化驗(yàn)證提供系統(tǒng)解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1]則直久.500系列動(dòng)車的半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)[J].國外內(nèi)燃機(jī)車，1998，（5）：8-12.

[2]菅原能生.日本振動(dòng)控制技術(shù)的最新開發(fā)動(dòng)向[J].國外鐵道車輛，2010，（9）：6-9.

[3]劉宏友，曾京，李莉，等.國內(nèi)外半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用綜述[J].國外鐵道車輛，2012，（11）：12-17.

[4]MASAYUKI MIYAMOTO.日本高速列車先進(jìn)技術(shù)的近期研究與發(fā)展（續(xù)完）[J].國外鐵道車輛，2004，（5）：5-13.

[5]菅原能生.垂向半主動(dòng)懸掛裝置性能試驗(yàn)[J].國外鐵道車輛，2002：32-36.

[6]Stefano Bruni.Research of Active Yaw Damper System-Control System[R].2018-09-13.