高速列车悬挂系统的对比分析及应用

高速列车悬挂系统的对比分析及应用

马顺 李硕 李艳山 陈晓龙 王宇

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266580

摘 要：悬挂系统是高速轨道车辆的核心系统之一，是实现高速列车平稳快速运行的重要影响因素之一。本文介绍了国内国际现有三种高速列车的悬挂系统，并对比分析了各自系统的优缺点以及部分控制策略的介绍，为以后高速列车悬挂控制系统的发展奠定了基础，具有一定的参考价值。

关键词：高速列车；悬挂系统；平稳性；

1 引言

高速列车，是指最高行驶速度在200km/h及以上的列车。高速列车是当代多种尖端科技在交通领域上的充分运用，是第三次工业革命下诞生的新型高科技陆地运输工具，具有速度快、运量大、安全舒适和清洁环保等诸多优点。

高速列车的平稳快速运行，离不开列车的悬挂系统。由于行驶中的列车会受到轨道不平顺的影响以及空气动力的作用、牵引力和制动力等的作用，因此列车将会做多自由度的随机振动，对列车的安全性和舒适性造成不良影响^[1]。因此悬挂系统不仅能够连接车体与转向架，传递车轮和车架之间的力和力扭，还够缓冲路面传给车架或车身的冲击力，减少震动以保证列车平顺地行驶。

目前国内外高速列车发展日新月异，列车悬挂结构越来越多，控制系统越来越复杂。因此本文介绍和对比了国内国际现行且应用范围较广的高速列车的悬挂控制系统情况，对比分析了三种悬挂控制系统的优缺点及应用状况，为后续悬挂控制技术的研究和发展奠定了基础。

2 列车悬挂系统工作原理及应用

目前研究列车悬挂系统主要分为被动悬挂系统、半主动悬挂系统和主动悬挂系统三种类型。三种悬挂系统的区别如下所示：

图1 被动悬挂 图2 半主动悬挂 图3 主动悬挂

上图中， 为车体质量； 为转向架质量； 为悬挂系统刚度， 为悬挂系统阻尼， 为主动悬挂的控制力， 为车轮的刚度系数， 为车轮的阻尼系数，其值一般较小， 为车体的位移； 为转向架的位移； 为轨道激励输入。

（1）目前一系悬挂主要为被动悬挂，其结构如图1所示。该悬挂系统的设计方案是在综合线路质量、列车设计速度、载荷、强度等多方面的因素多目标约束下折衷优化的结果^[2]。悬挂系统中的弹性元件和阻尼元件，在列车行驶过程中是不变的，并且不需要外界提供能源，只是暂时储存振动能和逐渐耗散振动能量，因此被称为被动悬挂。一系被动悬挂的作用主要是体现在连接作用与支撑作用上，对于调整列车的舒适性则略显不足。目前列车都装备有一系被动悬挂。

（2）半主动悬挂如图2所示。半主动悬挂一般存在于二系悬挂中，其核心在于一种可调阻尼减震器，即阻尼力大小可通过调节阻尼孔的大小进行调节^[3]，对比图1的 。它的优点在于不需要较大的控制能量和高成本的作动器，缺点是不能改变系统的刚度，且其阻尼调节也存在一定的限制。应用于半主动的控制算法比较典型的是天棚阻尼控制。目前装备半主动悬挂的列车主要有日本500系的部分车厢以及日本700系新干线上。德国新门子公司开发的SF600型高速转向架也安装有半主动阻尼悬挂。半主动悬挂的研究方向主要分为控制算法的研究以及可调阻尼减震器的研究。

（3）主动悬挂如图3所示。主动悬挂也存在于二系悬挂中，其可以提供一个主动力 来控制系统，使得列车的平顺性和舒适性大大提高。但是主动悬挂的弊端也在于此，需要专门的作动器来提供主动力以及需要额外的控制能量，因而成本较高，对大规模应用还存在一定的障碍。但是主动悬挂的未来前景发展广阔，目前对于主动悬挂的研究也比较多。应用主动悬挂比较广泛的是二系空气悬挂，如瑞典X2000型摆式列车、德国第二代ICE客车、法国第二代TGV—A列车、中国复兴号以及日本的E2新干线等都应用了主动悬挂。

3 列车悬挂系统的控制策略

近年来，高速列车悬挂控制系统的性能提升已经成为高铁技术发展的关键因素之一，针对的问题不同所用的控制策略也有差别。常见的可用于列车悬挂的控制策略如下所示：

（1）最优控制

线性最优控制方法（LQG/LQR）以成本函数在无穷时间内积分，得到在不同权重系数情况下，系统能量和控制耗能最小为目标的悬挂系统主动和半主动控制算法^[4]。

（2）鲁棒控制

鲁棒控制就是试图描述被控对象的模型不确定性，并估计在某些特定界限下达到控制目标所留有的裕度。鲁棒控制在设计中综合考虑系统的建模误差、非线性、抗干扰等因素。

（3）预测控制

预测控制是指利用安装在机车或控制车上的信号收集系统来预估轨道的输入，并把所采集到的状态变量反馈给各车辆控制器以实施最优控制的一种控制策略。其具有模型要求不高，对误差有较强的鲁棒性等优点。

（4）神经网络控制

神经网络控制的基本思想是从仿生学的角度模拟人脑神经系统的运作方式，使机器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。具有并行计算、分布式信息存储、容错能力强以及具备自适应学习功能等一系列优点。

4 总结

高速列车的快速平稳运行离不开列车的悬挂系统。本文通过对悬挂系统的介绍，论述了悬挂系统的重要作用及结构复杂性。然后通过对三种悬挂类型的分析与总结，对比说明了三种悬挂系统的主要异同以及应用的列车，并指出不同悬挂的优点及不足，然后指出列车主动控制为高速列车的发展方向。最后总结分析了悬挂系统中常见控制策略，为后续列车更进一步的控制策略发展奠定理论基础。

参考文献

[1] 邱哲峰. 高速列车-无碴轨道-桥梁系统耦合振动的动力学分析[D]. 江苏，苏州大学, 2012.

[2] 于曰伟, 周长城, 赵雷雷. 高速列车转向架-车体-座椅垂向耦合振动机理及悬挂参数联合优化[J]. 机械工程学报, 2018, 054(008):57-67.

[3] 朱明. 高速列车车辆悬架半主动控制系统研究[D]. 北京，北京交通大学，2016.

[4] 张进秋, 彭虎, 张建,等. 车辆悬挂LQR主动控制权矩阵权重参数优化[J]. 振动与冲击, 2018, 37(22):219-224.