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国外铁道车辆第５０卷第５期２０１３年９月
文章编号：１００２—７６ｉ０（２０１３）０５—００３０—０６
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发
Ｙｏｓｈｉｋｉ
ＳＵＧＡＨＡＲＡ，等（日）
摘要：为了抑制车体垂向弯曲振动，提高铁道车辆乘坐舒适度，开发了一系悬挂阻尼控制系统。本文介绍了此系统的构成，并介绍了装有开发的可变一系垂向减振器的车辆在新干线数条线路上的运行试验情
况。试验结果表明，该系统能有效降低车体一阶弯曲模态的垂向振动加速度，并改善乘坐舒适度。
关键词：铁道车辆；悬挂系统；试验；日本中图分类号：Ｕ２７０．３３１＋．５
文献标志码：Ｂ
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ＹｏｓｈｉｋｉＳＵＧＡＨＡＲＡ，ｅｔａ１．（Ｊａｐａｎ）
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１概述
振动控制系统，例如半主动和主动悬挂系统的采用，让最近开发的日本新干线车辆的水平乘坐舒适度有了很大改善［１‘２］。乘客现在更易感觉到的是垂向振动而不是水平振动。因此，要进一步改善乘坐舒适度，就需要安装车体垂向振动抑制系统，以抑制车体垂向弹性振动（特别是一阶弯曲模态振动）［３３。上述振动频率范围为８Ｈｚ～１２Ｈｚ，接近人类比较敏感的垂向振动频率４Ｈｚ～８Ｈｚ。对日本新干线车辆来说，一阶弯曲模态振动常常较为棘手，这是因为新干线车辆必须要尽可能地轻量化，以便达到高的运行速度，同时还要与轨道和环境相匹配ｎ］。到目前为止，出现了很多种抑制车体一阶弯曲模态振动的方法。
以往抑制车体弯曲振动采用的方法主要有以下几
种：
（４）通过在二系悬挂装置基础上增加作动器和可变减振器的方法［１∞１１１；
（５）在车体上安装主动质量阻尼装置以及在二系悬挂装置上安装作动器，也被用来作为同时抑制车体弯曲模态振动和刚体模态振动的方法［１２｜。
尽管上述方法有些正在运行试验中进行评估，但是关于有效抑制车体一阶弯曲模态振动、显著改善乘坐舒适度的报告却寥寥无几。
本文给出了一种新颖的抑制车体振动的方法，此方法是通过控制车体一系悬挂装置阻尼力来实现的。需要特别指出的是，转向架构架的垂向振动是引起车体振动的主要原因，可以通过控制车辆一系悬挂系统得到有效抑制，进而使车体的振动得到抑制。此方法最显著的特征是不需要改动车体和二系悬挂系统，其显著效果已经通过数值仿真和振动激励试验得到印证‘１…。
（１）通过采用阻尼材料［５］或者动态减振器的方法［６］来耗散振动能量；
（２）采用车体与转向架动力相互作用的方法啪；（３）通过在车体上粘贴压电式应变片直接在车体上施加阻尼力的方法［８’９３；
收稿日期：２０１２一１１—０９
本文的一个目的是通过新干线车辆试验来演示振动抑制的效果并开发此系统的样机。本文还论述了为满足实际应用而对所提出系统所做出的诸多改进。本文将从以下几个方面加以详细阐述：
首先，简单介绍所提出系统的整体结构和为新干线车辆运行试验而开发的可变一系垂向减振器。
万方数据
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发
Ｙｏｓｈｉｋｉ
ＳＵＧＡＨＡＲＡ，等（Ｌｔ）
３１
其次，讨论新干线车辆在商业运营线路上实施高速运行试验的试验结果，并证实此方法的有效性。
最后，详细论述了该系统为符合实际应用而进行的改进情况及其运行试验结果。
２系统构成与控制算法
２．１系统构成
图１为所提出系统的总体结构。用于控制车体弯曲振动的可变垂向减振器与一系悬挂装置（轴箱弹簧）并联在转向架上，每辆车安装８个一系可变垂向减振器。整套控制系统由车体内部控制器、装于车体和每台转向架构架上的加速度计、装于车体上的传感器（若采用２．３节的天棚控制原理则不用在车体上安装传感器）等组成。控制器由抗混叠滤波器、计算机（数字信号处理器）和为减振器控制阀提供电流的阀驱动装置构成。
＼吉厂雩兰罴‘速度计∑ｃ主素篓荛ｌ群］’Ⅵ／
车体
ｊ砖：
架构架
／｛
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系悬挂箱
图ｌ一系悬挂减振控制系统
２．２可变一系垂向减振器
图２为所开发的可变垂向减振器（可变轴箱减振器）。为保证安装兼容性，此减振器尺寸与最大阻尼力应当与现在使用的被动一系垂向减振器相同，分别为
３７０ｍｍ、６
ｋＮ～８ｋＮ。因此，新开发的一系垂向减振
器与既有的一系垂向减振器是可以直接互换的，不用对车辆本身做任何改动就可以把阻尼控制系统安装到
车辆上。
可变一系垂向减振器阻尼控制系统中采用了反比
例溢流阀［１４｜。图３（ａ）为活塞在恒速情况下，在拉伸和
压缩方向可变一系垂向减振器的控制电流与阻尼力特性的关系曲线。众所周知，文献［１５］中提及的Ｋａｒｎｏｐｐ近似法在半自动控制中得到广泛应用，此方法为一种控制值的近似方法。根据活塞行程的速度方向，可变一系垂向减振器只在所需要方向产生反向阻尼力。这样就可以尽可能最大程度地抑制阻尼力。带有内置Ｋａｒｎｏｐｐ近似法功能（半主动控制）的控制阀与可变一系垂向减振器制成一体。当其在小电流（大
万方数据
约０．３Ａ）控制下拉伸时，减振器产生阻尼力；在压缩时，阻尼力最小。当控制电流增至大约１．３Ａ时，其阻尼特性相反。当控制电流在中间值（大约为０．９
Ａ）
时，压缩和拉伸过程均无阻尼力产生。因此，仅通过控制电流就可以控制可变一系垂向减振器产生的阻尼力方向。对控制器来说，就省去考虑减振器活塞速度的问题，从而不需要测量减振器位移就可以实现控制。显然，小于０．３Ａ或大于１．３Ａ的控制电流就不需要
了。
阳尼力控制阀
失效安全阀
图２可变一系垂向减振器
６４２０
誓咄『Ｉ匠
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●
控制电流与
蛳龇Ａ灯
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的关系
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０００５０１０１５１１．２
活塞速度／（ｎｌ・ｓ１）
（ｂ）活塞速度与被动／可变一系垂向减振器阻尼力的关系
图３可变一系垂向减振器特性
图３（ｂ）是在一定控制电流下减振器活塞速度与阻尼力之间的特性关系曲线。可见，阻尼力在０．９
Ａ
和０．３Ａ所对应的两条曲线围成的范围内变动，除了
３２
国外铁道车辆第５０卷第５期２０１３年９月
活塞速度很低的区域，可变一系垂向减振器的阻尼力变化范围约为５ｋＮ左右，几乎涵盖了传统被动一系垂向减振器的阻尼力范围。
要在新干线商业线路上高速运营，控制系统需要具有失效保护功能。为此，安装了与系统电源联锁的开关阀（失效安全阀，如图２所示）。这样，在系统电源切断时，可以确保一系垂向减振器的阻尼力特性尽可能接近于现在所使用的被动一系垂向减振器的阻尼力特性。即使控制系统出现故障，也可以通过切断系统电源来保证车辆在接近正常状态下运行。２．３控制算法
关于一系垂向减振器的控制方式，目前有多种控制理论。本文采用的是转向架构架天棚控制法和线性二次高斯控制法（以下简称ＬＱＧ控制法）Ｅｌｏ］。
图４（ａ）是采用天棚控制法时控制器的示意图。转向架构架垂向振动加速度可以分解为浮沉运动模态和点头运动模态，每一分量通过滤波器进行合成，以获得每一振动模态的垂向振动速度。可以通过使减振器在与速度相反方向产生与速度成正比的阻尼力，来降低转向架构架的振动。采用此种控制方法无需考虑车体的振动模态。因此，理论上从控制器的角度来说，没必要考虑车体振动特性的改变（例如，由于乘客乘坐车辆而引起的那些变化）。
图４（ｂ）为一台控制器采用ＬＱＧ控制法时的示意框图。ＬＱＧ控制法是以随机最优控制为基础的众多“现代控制理论”中的一种口６Ｉ。在预先确定的数值模型（也就是名义模型）的基础上，车体模型的状态值可以通过采用卡尔曼滤波器测量转向架构架与车体的垂向振动加速度来进行估算，再通过估算的状态值进行优化控制。此方法可以依照车体的振动模态来对振动实施控制，从而使选择性地抑制车体的一阶弯曲模态振动成为可能。
３实车运行试验
３．１试验条件
与西日本铁路公司合作，用装有可变一系垂向减振器的车辆在山阳新干线上进行运行试验。试验车车体长度２４．５ｍ，质量２７
０００
ｋｇ。运行试验中，车辆数
次在试验区段（大约５０ｋｍ）以恒速运行，以便测量一系垂向减振器在不同控制参数下的车辆振动数值。图５为可变一系垂向减振器在试验车辆上的安装情况。试验区段包括各种轨道状况，如曲线和直线、隧道、桥梁、站点、道碴轨道和水泥无碴轨道。
一
一
控制器中间过存
图５可变一系垂向减振器安装情况
ａ）转向架构架天棚控制法
可变一系垂向减振器
３．２抑制振动的效果
址速度计ｆ转向架构架
雌度计车体
车体地板］
５
图６（ａ）和图６（ｂ）为车辆以３００ｋｍ／ｈ恒速通过约ｋｍ长的区段（耗时约６０ｓ）时，车辆垂向振动加速度功率谱密度（以下简称为加速度ＰＳＤ），在经过此区段时，被动悬挂车辆振动明显。
采用天棚控制法时，当振动频率介于４Ｈｚ～１２Ｈｚ频带范围时，与采用传统的被动一系垂向减振器相比，转向架构架（见图６（ａ））的振动加速度始终有所降低，因此，车体中心的加速度ＰＳＤ（见图６（ｂ））也有所降低，特别是当振动频率为８．６Ｈｚ时，加速度ＰＳＤ的峰值大约降低８０％。
一虱一
．卡尔曼滤波器
【观测器）
土生
—————Ｉ控制器
最优控制器Ｉ图４控制算法
中间过程
万方数据
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发
Ｙｏｓｈｉｋｉ
ＳＵＧＡＨＡＲＡ，等（日）
３３
．——’被动‘
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图６
新干线车辆试验结果
采用ＬＱＧ控制法时，当振动频率约为８Ｈｚ～１１Ｈｚ时，转向架构架的振动加速度分量有时会降低。对应的车体中心位置的加速度ＰＳＤ也有所降低。与采用天棚控制法相似，当振动频率为８．６Ｈｚ时，加速度ＰＳＤ峰值大约降低了８０％。
在两种控制法条件下，均未观测到有振动增加的情况，这证实了可变一系垂向减振器抑制车体振动的有效性。
乘坐舒适度由乘坐质量水平Ｌ，来衡量，这是日本用来评估铁道车辆乘坐舒适度的关键指标［１７Ｉ。Ｌ，数值越小，乘客的乘坐舒适度越高，乘客们可以感受到的ＬＴ变动差值为３ｄＢ～５ｄＢ左右［１８Ｉ。
改善乘坐舒适度的有效性可通过对比不同条件下的Ｌ，来验证。为了检验每一频率带的振动分量对Ｌ，的影响，用计算ＬＴ的乘坐舒适度滤波器对振动加速度ＰＳＤ进行加权¨７Ｉ，对每一倍频程的加权加速度能量进行计算。结果如图７所示。
在装用被动减振器的情况下，振动频率８Ｈｚ这一频率带（５．６Ｈｚ～１１．２Ｈｚ）的振动分量明显比其他频率带的要大一些。通过控制减振器，此振动分量大约能减少近７０％，从而降低了Ｌ，。采用天棚控制法与ＬＱＧ控制法获得的Ｌ，变化值（图７中表示为△Ｌ，）分
万方数据
别为一３．２ｄＢ和一２．６ｄＢ。由此看来，在改善乘坐舒
适度方面，天棚控制法要比ＬＱＧ控制法好得多。原因如下：如图６（ｂ）所示，当振动频率为８．６Ｈｚ时，这两种控制法的加速度ＰＳＤ峰值的降低量是相近的，但
在约８Ｈｚ频率甚至４Ｈｚ～１２Ｈｚ这种宽频率带范围
内，采用天棚控制法时，振动均受到抑制。因此，在８
Ｈｚ和４Ｈｚ频率带范围内，天棚控制法的加权振动加
速度能量要比采用ＬＱＧ控制法降低得更多。
图７
车体中心地板处加权加速度能量（运行试验结果）
在后续的研究中发现口９｜，当车体的一阶弯曲模态的自振频率与转向架的自振频率相近时，天棚控制法在改善乘坐舒适度方面也更为有效。当车体与转向架的两自振频率相差甚远时，ＬＱＧ控制法在改善乘坐舒适度方面也是有效的。为了有效抑制车体的振动并改善乘坐舒适度，选择合适的控制方法并使其参数与具体车体相适应是非常重要的。
因为Ｌ，是用来评估平均乘坐舒适度的参数，所以Ｌ。数值通常是用３
ｍｉｎ４－２
ｍｉｎ时间内所测出的加速
度数值进行计算［】川。而在２０ｓ（短期Ｌ，）时间内获得的Ｌ，则用于评估运行区段内每一点的乘坐舒适度。
图８为计算出来的短期Ｌ，，用以证实可变一系垂向减振器在整个试验区段内（大约５０ｋｉｎ）改善乘坐舒
謇戮１
蓍｛’１．－：‘：‘．－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｊ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ＪＬ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｉ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｊ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｊ
５００［三二二二ｌ
｝…
一
、≯二－｛距离ｋｍ
■誓
蚕要
图８运行试验区间内车体地板中心的短期Ｌ，
３４
国外铁道车辆第５０卷第５期２０１３年９月
适度方面的效果。由图８可知，在一系垂向减振器受控制的条件下（图８中以天棚表示），整个运行区段的Ｌ丁数值均有所降低。运行试验中，当车辆以３００ｋｍ／ｈ速度在试验区段运行时，短期Ｌ丁在此区间的绝大多数路段得到有效降低，至少降低了２．５
ｄＢ。
值和控制振动的５自由度车体模型，此模型可以兼顾车体的浮沉与点头运动、一阶弯曲模态振动以及转向架构架的浮沉运动。
（２）ＬＱＧ控制器仅控制转向架构架的浮沉运动，转向架构架的点头运动则由天棚控制法控制，这样就可以通过缩减ＬＱＧ控制器尺寸的方式来降低控制系统的计算量。
４实际应用方面的改进
为了便于实际应用，对系统做了一些改进。新干线车辆的运行试验证实，这些改进具有良好的抑制振动的效果。
４．１可变一系垂向减振器的改进
如２．２节所述，可变一系垂向减振器由一个阻尼力控制阀和失效安全阀构成。前者用来控制阻尼力，后者用来确保当系统电源被切断时，可变一系垂向减振器的阻尼力特性与现用被动一系垂向减振器尽可能相近。通过将上述控制阀和失效安全阀的功能合二为一，来改进可变一系垂向减振器，此时可以通过采用一个具有失效保护功能的控制阀来成功控制阻尼力（图９）。
控制器中间过程
图１０
改进后的控制算法
４．３抑制振动效果的评估
与东日本铁路公司合作，利用改进后的可变一系垂向减振器，在新干线车辆上进行了运行试验，并改进了控制方法。图１１为可变一系垂向减振器在试验车辆上的安装情况。图１２为车辆在大约５ｋｍ长的试验区段上以３１５ｋｍ／ｈ恒速运行时的垂向振动加速度ＰＳＤ结果。
图９改进后的可变一系垂向减振器
４．２控制方法的改进
在３．２节所示运行试验情况下，天棚控制法在改善乘坐舒适度方面比ＬＱＧ控制法要好得多。然而，其他一些运行试验却导致相反结果。有鉴于此，建议同时采用这两种控制方法。然而，２．３节中采用的Ｉ。ＱＧ控制法与天棚控制法相比，需要更多的加速度传感器（转向架上需要，车体上也需要），同时也需要更大的计算量。
对在２．３节中介绍的ＬＱＧ控制器所做出的改进是：通过减少传感器的数目来降低其成本；通过缩减控制器尺寸来减轻控制系统的负荷。图ｌＯ为改进后的控制系统框图。
（１）仅保留转向架构架上的加速度传感器，其作用是评估车辆模型的状态值并控制振动，因此，车体上安装的加速度传感器可以去掉。建立了用于估测状态
采用改进后的可变一系垂向减振器控制垂向振动时，转向架构架的垂向振动（振动频率约８Ｈｚ～１０Ｈｚ）加速度分量显著降低（见图１２（ａ）），相应地，在车体中心部位的垂向振动加速度ＰＳＤ也有所降低（频率
图１１
改进后的可变一系垂向减振器的安装情况
万方数据
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发ＹｏｓｈｉｋｉＳＵＧＡＨＡＲＡ，等（日）约８Ｈｚ～１０Ｈｚ）（见图１２（ｂ））。特别值得一提的是，
３５
辆车体的垂向弯曲振动的方法，在商业运营线路上进行的高速车辆运行试验结果表明，该减振系统在抑制车体振动、改善乘坐舒适度方面效果显著。此系统通过简单的结构和控制方法抑制车体的一阶弯曲模态振动。不仅如此，此系统只需稍作改进即更换减振器、安装加速度计和控制器，就可以安装于既有的运营车辆上，是非常实用的。随后，针对改进后的系统进行了大约７５
０００
车体一阶弯曲模态振动（振动频率大约９Ｈｚ）的ＰＳＤ峰值降低了近８０％。综上可知，本文所提出的可变一系垂向减振器在采用改进后的减振器和减少测点数目的控制方法时也能有效抑制车辆振动。
５结论
本文提出了通过控制一系悬挂系统以抑制铁道车
ｋｍ的疲劳耐久试验，标志着该系统的开发
已经从原理演示阶段过渡到了实际应用阶段。
参考文献：［１］
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Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ
ｔｈｅＩｎｔｅｒｎａ—
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Ｓｐｅｅｄ—ｕｐＳａｆｅｔｙａｎｄＳｅｒｖｉｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ
ＭａｇｌｅｖＳｙｓｔｅｍｓ２００３（ＳＴＥＣＨ’０３），Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，
Ａｕｇ．Ｉ９－２２，２００３．２２０—２２４．
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●
：
８ｍ
ｕｍ
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Ｓｐｅｅｄ—ｕｐＳａｆｅｔｙａｎｄＳｅｒｖｉｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＲａｉｌｗａｙａｎｄ
岳转句
耕目
，醉黝誉髓良陷
Ｄ
ＭａｇｌｅｖＳｙｓｔｅｍｓ２００３（ＳＴＥＣＨ’０３），Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，Ａｕｇ．１９－２２，
２００３．２２５—２２８．
０
ｏ
Ｉ
［３］
Ｓｕｚｕｋｉ，Ｙ．ａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆ
ｃａｒ
Ａｋｕｔｓｕ，Ｋ．．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆｆｌｅｘｕｒａｌ
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．Ｉ而。肿ｉ』｜Ｉ『黔
被动ＬＯＧ
ｂｏｄｙ［Ｊ］．ＱｕａｒｔｅｒｌｙＲｅｐｏｒｔｏｆＲＴＲＩ，１９９０，３１（１）：
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［４］Ｍｏｒｉｍｕｒａ，Ｔ．ａｎｄＳｅｋｉ，Ｍ．．Ｔｈｅ
ｃｏｕｒｓｅ
ｏｆ
ａｃｈｉｅｖｉｎｇ２７０ｋｍ／ｈ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎｆｏｒＴｏｋａｉｄｏＳｈｉｎｋａｎｓｅｎ．Ｐａｒｔｔｉｏｎｓ
１：ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｏｐｅｒａ—
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４
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（其他参考文献略）
０．５ｌＺ３芍ｌＵ２０
频率／Ｈｚ
（ｂ）车体中心地板处的加速度ＰＳＤ
图１２装有改进型可变一系垂向减振器的
新干线车辆的运行试验结果
王立国译自《ＱＲ
ｏｆ
ＲＴＲＩ｝２０１１，
Ｎ０２，１３～１９
刘宏友校
荷兰铁路改造区域列车用于城际运输业务
荷兰铁路（ＮＳ）展出了首列改为城际运输的ＤＤ－ＡＲ双层区域列车。价值２．３５亿欧元的新型城际双层列车（ＮＩＤ）项目，正由ＮｅｄＴｒａｉｎ公司在其位于哈勒姆的翻新和检修厂实施，涉及到对２０世纪９０年代为荷兰铁路生产的１９０辆ＤＤ－ＡＲ客车和５０辆ｍＤＤＭ动车进行大规模翻新。
列车由４辆编组和６辆编组组成，为了使其适应新角色对其进行了重大改造，全新的内饰提供了更高水平的舒适度。二等车的长椅被独立座椅取代，一等车为皮制座椅，采用２＋１布局。所有座位都提供电源
插座，无线网络覆盖整个列车。列车车窗全部更换，并安装了空调装置。每列车上至少设有一间残障乘客可顺利出入的卫生间。
可持续性和节能是该翻新项目的重要特征，车上所有材料均可回收。选用的新车载设备（如ＬＥＤ照明），可减少能源损耗约９％。
首列新型城际双层列车将用于承担阿姆斯特丹中央车站与海牙间非高峰时段的运输业务。
王林美译自《ＩＲＪ》２０１２，№３，６
阎
锋校
万方数据
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
Yoshiki SUGAHARA， 王立国
国外铁道车辆
Foreign Rolling Stock2013,50(5)
参考文献(4条)
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4. Morimura,T;Seki,M The course of achieving 270 km/h operation for Tokaido Shinkansen.Part 1:technology andoperations overview 2005(01)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gwtdcl201305007.aspx
３０
国外铁道车辆第５０卷第５期２０１３年９月
文章编号：１００２—７６ｉ０（２０１３）０５—００３０—０６
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发
Ｙｏｓｈｉｋｉ
ＳＵＧＡＨＡＲＡ，等（日）
摘要：为了抑制车体垂向弯曲振动，提高铁道车辆乘坐舒适度，开发了一系悬挂阻尼控制系统。本文介绍了此系统的构成，并介绍了装有开发的可变一系垂向减振器的车辆在新干线数条线路上的运行试验情
况。试验结果表明，该系统能有效降低车体一阶弯曲模态的垂向振动加速度，并改善乘坐舒适度。
关键词：铁道车辆；悬挂系统；试验；日本中图分类号：Ｕ２７０．３３１＋．５
文献标志码：Ｂ
ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＶｅｒｔｉｃａｌＶａｒｉａｂｌｅＤａｍｐｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｆ
ＰｒｉｍａｒｙＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎｆｏｒＲｏｌｌｉｎｇＳｔｏｃｋｓ
ＹｏｓｈｉｋｉＳＵＧＡＨＡＲＡ，ｅｔａ１．（Ｊａｐａｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙ
ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ
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１概述
振动控制系统，例如半主动和主动悬挂系统的采用，让最近开发的日本新干线车辆的水平乘坐舒适度有了很大改善［１‘２］。乘客现在更易感觉到的是垂向振动而不是水平振动。因此，要进一步改善乘坐舒适度，就需要安装车体垂向振动抑制系统，以抑制车体垂向弹性振动（特别是一阶弯曲模态振动）［３３。上述振动频率范围为８Ｈｚ～１２Ｈｚ，接近人类比较敏感的垂向振动频率４Ｈｚ～８Ｈｚ。对日本新干线车辆来说，一阶弯曲模态振动常常较为棘手，这是因为新干线车辆必须要尽可能地轻量化，以便达到高的运行速度，同时还要与轨道和环境相匹配ｎ］。到目前为止，出现了很多种抑制车体一阶弯曲模态振动的方法。
以往抑制车体弯曲振动采用的方法主要有以下几
种：
（４）通过在二系悬挂装置基础上增加作动器和可变减振器的方法［１∞１１１；
（５）在车体上安装主动质量阻尼装置以及在二系悬挂装置上安装作动器，也被用来作为同时抑制车体弯曲模态振动和刚体模态振动的方法［１２｜。
尽管上述方法有些正在运行试验中进行评估，但是关于有效抑制车体一阶弯曲模态振动、显著改善乘坐舒适度的报告却寥寥无几。
本文给出了一种新颖的抑制车体振动的方法，此方法是通过控制车体一系悬挂装置阻尼力来实现的。需要特别指出的是，转向架构架的垂向振动是引起车体振动的主要原因，可以通过控制车辆一系悬挂系统得到有效抑制，进而使车体的振动得到抑制。此方法最显著的特征是不需要改动车体和二系悬挂系统，其显著效果已经通过数值仿真和振动激励试验得到印证‘１…。
（１）通过采用阻尼材料［５］或者动态减振器的方法［６］来耗散振动能量；
（２）采用车体与转向架动力相互作用的方法啪；（３）通过在车体上粘贴压电式应变片直接在车体上施加阻尼力的方法［８’９３；
收稿日期：２０１２一１１—０９
本文的一个目的是通过新干线车辆试验来演示振动抑制的效果并开发此系统的样机。本文还论述了为满足实际应用而对所提出系统所做出的诸多改进。本文将从以下几个方面加以详细阐述：
首先，简单介绍所提出系统的整体结构和为新干线车辆运行试验而开发的可变一系垂向减振器。
万方数据
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发
Ｙｏｓｈｉｋｉ
ＳＵＧＡＨＡＲＡ，等（Ｌｔ）
３１
其次，讨论新干线车辆在商业运营线路上实施高速运行试验的试验结果，并证实此方法的有效性。
最后，详细论述了该系统为符合实际应用而进行的改进情况及其运行试验结果。
２系统构成与控制算法
２．１系统构成
图１为所提出系统的总体结构。用于控制车体弯曲振动的可变垂向减振器与一系悬挂装置（轴箱弹簧）并联在转向架上，每辆车安装８个一系可变垂向减振器。整套控制系统由车体内部控制器、装于车体和每台转向架构架上的加速度计、装于车体上的传感器（若采用２．３节的天棚控制原理则不用在车体上安装传感器）等组成。控制器由抗混叠滤波器、计算机（数字信号处理器）和为减振器控制阀提供电流的阀驱动装置构成。
＼吉厂雩兰罴‘速度计∑ｃ主素篓荛ｌ群］’Ⅵ／
车体
ｊ砖：
架构架
／｛
，，，，∥
系悬挂箱
图ｌ一系悬挂减振控制系统
２．２可变一系垂向减振器
图２为所开发的可变垂向减振器（可变轴箱减振器）。为保证安装兼容性，此减振器尺寸与最大阻尼力应当与现在使用的被动一系垂向减振器相同，分别为
３７０ｍｍ、６
ｋＮ～８ｋＮ。因此，新开发的一系垂向减振
器与既有的一系垂向减振器是可以直接互换的，不用对车辆本身做任何改动就可以把阻尼控制系统安装到
车辆上。
可变一系垂向减振器阻尼控制系统中采用了反比
例溢流阀［１４｜。图３（ａ）为活塞在恒速情况下，在拉伸和
压缩方向可变一系垂向减振器的控制电流与阻尼力特性的关系曲线。众所周知，文献［１５］中提及的Ｋａｒｎｏｐｐ近似法在半自动控制中得到广泛应用，此方法为一种控制值的近似方法。根据活塞行程的速度方向，可变一系垂向减振器只在所需要方向产生反向阻尼力。这样就可以尽可能最大程度地抑制阻尼力。带有内置Ｋａｒｎｏｐｐ近似法功能（半主动控制）的控制阀与可变一系垂向减振器制成一体。当其在小电流（大
万方数据
约０．３Ａ）控制下拉伸时，减振器产生阻尼力；在压缩时，阻尼力最小。当控制电流增至大约１．３Ａ时，其阻尼特性相反。当控制电流在中间值（大约为０．９
Ａ）
时，压缩和拉伸过程均无阻尼力产生。因此，仅通过控制电流就可以控制可变一系垂向减振器产生的阻尼力方向。对控制器来说，就省去考虑减振器活塞速度的问题，从而不需要测量减振器位移就可以实现控制。显然，小于０．３Ａ或大于１．３Ａ的控制电流就不需要
了。
阳尼力控制阀
失效安全阀
图２可变一系垂向减振器
６４２０
誓咄『Ｉ匠
之４
石
，
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●
控制电流与
蛳龇Ａ灯
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的关系
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０００５０１０１５１１．２
活塞速度／（ｎｌ・ｓ１）
（ｂ）活塞速度与被动／可变一系垂向减振器阻尼力的关系
图３可变一系垂向减振器特性
图３（ｂ）是在一定控制电流下减振器活塞速度与阻尼力之间的特性关系曲线。可见，阻尼力在０．９
Ａ
和０．３Ａ所对应的两条曲线围成的范围内变动，除了
３２
国外铁道车辆第５０卷第５期２０１３年９月
活塞速度很低的区域，可变一系垂向减振器的阻尼力变化范围约为５ｋＮ左右，几乎涵盖了传统被动一系垂向减振器的阻尼力范围。
要在新干线商业线路上高速运营，控制系统需要具有失效保护功能。为此，安装了与系统电源联锁的开关阀（失效安全阀，如图２所示）。这样，在系统电源切断时，可以确保一系垂向减振器的阻尼力特性尽可能接近于现在所使用的被动一系垂向减振器的阻尼力特性。即使控制系统出现故障，也可以通过切断系统电源来保证车辆在接近正常状态下运行。２．３控制算法
关于一系垂向减振器的控制方式，目前有多种控制理论。本文采用的是转向架构架天棚控制法和线性二次高斯控制法（以下简称ＬＱＧ控制法）Ｅｌｏ］。
图４（ａ）是采用天棚控制法时控制器的示意图。转向架构架垂向振动加速度可以分解为浮沉运动模态和点头运动模态，每一分量通过滤波器进行合成，以获得每一振动模态的垂向振动速度。可以通过使减振器在与速度相反方向产生与速度成正比的阻尼力，来降低转向架构架的振动。采用此种控制方法无需考虑车体的振动模态。因此，理论上从控制器的角度来说，没必要考虑车体振动特性的改变（例如，由于乘客乘坐车辆而引起的那些变化）。
图４（ｂ）为一台控制器采用ＬＱＧ控制法时的示意框图。ＬＱＧ控制法是以随机最优控制为基础的众多“现代控制理论”中的一种口６Ｉ。在预先确定的数值模型（也就是名义模型）的基础上，车体模型的状态值可以通过采用卡尔曼滤波器测量转向架构架与车体的垂向振动加速度来进行估算，再通过估算的状态值进行优化控制。此方法可以依照车体的振动模态来对振动实施控制，从而使选择性地抑制车体的一阶弯曲模态振动成为可能。
３实车运行试验
３．１试验条件
与西日本铁路公司合作，用装有可变一系垂向减振器的车辆在山阳新干线上进行运行试验。试验车车体长度２４．５ｍ，质量２７
０００
ｋｇ。运行试验中，车辆数
次在试验区段（大约５０ｋｍ）以恒速运行，以便测量一系垂向减振器在不同控制参数下的车辆振动数值。图５为可变一系垂向减振器在试验车辆上的安装情况。试验区段包括各种轨道状况，如曲线和直线、隧道、桥梁、站点、道碴轨道和水泥无碴轨道。
一
一
控制器中间过存
图５可变一系垂向减振器安装情况
ａ）转向架构架天棚控制法
可变一系垂向减振器
３．２抑制振动的效果
址速度计ｆ转向架构架
雌度计车体
车体地板］
５
图６（ａ）和图６（ｂ）为车辆以３００ｋｍ／ｈ恒速通过约ｋｍ长的区段（耗时约６０ｓ）时，车辆垂向振动加速度功率谱密度（以下简称为加速度ＰＳＤ），在经过此区段时，被动悬挂车辆振动明显。
采用天棚控制法时，当振动频率介于４Ｈｚ～１２Ｈｚ频带范围时，与采用传统的被动一系垂向减振器相比，转向架构架（见图６（ａ））的振动加速度始终有所降低，因此，车体中心的加速度ＰＳＤ（见图６（ｂ））也有所降低，特别是当振动频率为８．６Ｈｚ时，加速度ＰＳＤ的峰值大约降低８０％。
一虱一
．卡尔曼滤波器
【观测器）
土生
—————Ｉ控制器
最优控制器Ｉ图４控制算法
中间过程
万方数据
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发
Ｙｏｓｈｉｋｉ
ＳＵＧＡＨＡＲＡ，等（日）
３３
．——’被动‘
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图６
新干线车辆试验结果
采用ＬＱＧ控制法时，当振动频率约为８Ｈｚ～１１Ｈｚ时，转向架构架的振动加速度分量有时会降低。对应的车体中心位置的加速度ＰＳＤ也有所降低。与采用天棚控制法相似，当振动频率为８．６Ｈｚ时，加速度ＰＳＤ峰值大约降低了８０％。
在两种控制法条件下，均未观测到有振动增加的情况，这证实了可变一系垂向减振器抑制车体振动的有效性。
乘坐舒适度由乘坐质量水平Ｌ，来衡量，这是日本用来评估铁道车辆乘坐舒适度的关键指标［１７Ｉ。Ｌ，数值越小，乘客的乘坐舒适度越高，乘客们可以感受到的ＬＴ变动差值为３ｄＢ～５ｄＢ左右［１８Ｉ。
改善乘坐舒适度的有效性可通过对比不同条件下的Ｌ，来验证。为了检验每一频率带的振动分量对Ｌ，的影响，用计算ＬＴ的乘坐舒适度滤波器对振动加速度ＰＳＤ进行加权¨７Ｉ，对每一倍频程的加权加速度能量进行计算。结果如图７所示。
在装用被动减振器的情况下，振动频率８Ｈｚ这一频率带（５．６Ｈｚ～１１．２Ｈｚ）的振动分量明显比其他频率带的要大一些。通过控制减振器，此振动分量大约能减少近７０％，从而降低了Ｌ，。采用天棚控制法与ＬＱＧ控制法获得的Ｌ，变化值（图７中表示为△Ｌ，）分
万方数据
别为一３．２ｄＢ和一２．６ｄＢ。由此看来，在改善乘坐舒
适度方面，天棚控制法要比ＬＱＧ控制法好得多。原因如下：如图６（ｂ）所示，当振动频率为８．６Ｈｚ时，这两种控制法的加速度ＰＳＤ峰值的降低量是相近的，但
在约８Ｈｚ频率甚至４Ｈｚ～１２Ｈｚ这种宽频率带范围
内，采用天棚控制法时，振动均受到抑制。因此，在８
Ｈｚ和４Ｈｚ频率带范围内，天棚控制法的加权振动加
速度能量要比采用ＬＱＧ控制法降低得更多。
图７
车体中心地板处加权加速度能量（运行试验结果）
在后续的研究中发现口９｜，当车体的一阶弯曲模态的自振频率与转向架的自振频率相近时，天棚控制法在改善乘坐舒适度方面也更为有效。当车体与转向架的两自振频率相差甚远时，ＬＱＧ控制法在改善乘坐舒适度方面也是有效的。为了有效抑制车体的振动并改善乘坐舒适度，选择合适的控制方法并使其参数与具体车体相适应是非常重要的。
因为Ｌ，是用来评估平均乘坐舒适度的参数，所以Ｌ。数值通常是用３
ｍｉｎ４－２
ｍｉｎ时间内所测出的加速
度数值进行计算［】川。而在２０ｓ（短期Ｌ，）时间内获得的Ｌ，则用于评估运行区段内每一点的乘坐舒适度。
图８为计算出来的短期Ｌ，，用以证实可变一系垂向减振器在整个试验区段内（大约５０ｋｉｎ）改善乘坐舒
謇戮１
蓍｛’１．－：‘：‘．－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｊ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ＪＬ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｉ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｊ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｊ
５００［三二二二ｌ
｝…
一
、≯二－｛距离ｋｍ
■誓
蚕要
图８运行试验区间内车体地板中心的短期Ｌ，
３４
国外铁道车辆第５０卷第５期２０１３年９月
适度方面的效果。由图８可知，在一系垂向减振器受控制的条件下（图８中以天棚表示），整个运行区段的Ｌ丁数值均有所降低。运行试验中，当车辆以３００ｋｍ／ｈ速度在试验区段运行时，短期Ｌ丁在此区间的绝大多数路段得到有效降低，至少降低了２．５
ｄＢ。
值和控制振动的５自由度车体模型，此模型可以兼顾车体的浮沉与点头运动、一阶弯曲模态振动以及转向架构架的浮沉运动。
（２）ＬＱＧ控制器仅控制转向架构架的浮沉运动，转向架构架的点头运动则由天棚控制法控制，这样就可以通过缩减ＬＱＧ控制器尺寸的方式来降低控制系统的计算量。
４实际应用方面的改进
为了便于实际应用，对系统做了一些改进。新干线车辆的运行试验证实，这些改进具有良好的抑制振动的效果。
４．１可变一系垂向减振器的改进
如２．２节所述，可变一系垂向减振器由一个阻尼力控制阀和失效安全阀构成。前者用来控制阻尼力，后者用来确保当系统电源被切断时，可变一系垂向减振器的阻尼力特性与现用被动一系垂向减振器尽可能相近。通过将上述控制阀和失效安全阀的功能合二为一，来改进可变一系垂向减振器，此时可以通过采用一个具有失效保护功能的控制阀来成功控制阻尼力（图９）。
控制器中间过程
图１０
改进后的控制算法
４．３抑制振动效果的评估
与东日本铁路公司合作，利用改进后的可变一系垂向减振器，在新干线车辆上进行了运行试验，并改进了控制方法。图１１为可变一系垂向减振器在试验车辆上的安装情况。图１２为车辆在大约５ｋｍ长的试验区段上以３１５ｋｍ／ｈ恒速运行时的垂向振动加速度ＰＳＤ结果。
图９改进后的可变一系垂向减振器
４．２控制方法的改进
在３．２节所示运行试验情况下，天棚控制法在改善乘坐舒适度方面比ＬＱＧ控制法要好得多。然而，其他一些运行试验却导致相反结果。有鉴于此，建议同时采用这两种控制方法。然而，２．３节中采用的Ｉ。ＱＧ控制法与天棚控制法相比，需要更多的加速度传感器（转向架上需要，车体上也需要），同时也需要更大的计算量。
对在２．３节中介绍的ＬＱＧ控制器所做出的改进是：通过减少传感器的数目来降低其成本；通过缩减控制器尺寸来减轻控制系统的负荷。图ｌＯ为改进后的控制系统框图。
（１）仅保留转向架构架上的加速度传感器，其作用是评估车辆模型的状态值并控制振动，因此，车体上安装的加速度传感器可以去掉。建立了用于估测状态
采用改进后的可变一系垂向减振器控制垂向振动时，转向架构架的垂向振动（振动频率约８Ｈｚ～１０Ｈｚ）加速度分量显著降低（见图１２（ａ）），相应地，在车体中心部位的垂向振动加速度ＰＳＤ也有所降低（频率
图１１
改进后的可变一系垂向减振器的安装情况
万方数据
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发ＹｏｓｈｉｋｉＳＵＧＡＨＡＲＡ，等（日）约８Ｈｚ～１０Ｈｚ）（见图１２（ｂ））。特别值得一提的是，
３５
辆车体的垂向弯曲振动的方法，在商业运营线路上进行的高速车辆运行试验结果表明，该减振系统在抑制车体振动、改善乘坐舒适度方面效果显著。此系统通过简单的结构和控制方法抑制车体的一阶弯曲模态振动。不仅如此，此系统只需稍作改进即更换减振器、安装加速度计和控制器，就可以安装于既有的运营车辆上，是非常实用的。随后，针对改进后的系统进行了大约７５
０００
车体一阶弯曲模态振动（振动频率大约９Ｈｚ）的ＰＳＤ峰值降低了近８０％。综上可知，本文所提出的可变一系垂向减振器在采用改进后的减振器和减少测点数目的控制方法时也能有效抑制车辆振动。
５结论
本文提出了通过控制一系悬挂系统以抑制铁道车
ｋｍ的疲劳耐久试验，标志着该系统的开发
已经从原理演示阶段过渡到了实际应用阶段。
参考文献：［１］
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ｏｎ
Ａｄｖａｎｃｅｄｓｅｍｉ—ａｃｔｉｖｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ
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：
８ｍ
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岳转句
耕目
，醉黝誉髓良陷
Ｄ
ＭａｇｌｅｖＳｙｓｔｅｍｓ２００３（ＳＴＥＣＨ’０３），Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，Ａｕｇ．１９－２２，
２００３．２２５—２２８．
０
ｏ
Ｉ
［３］
Ｓｕｚｕｋｉ，Ｙ．ａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆ
ｃａｒ
Ａｋｕｔｓｕ，Ｋ．．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆｆｌｅｘｕｒａｌ
Ｏ
０
１
．Ｉ而。肿ｉ』｜Ｉ『黔
被动ＬＯＧ
ｂｏｄｙ［Ｊ］．ＱｕａｒｔｅｒｌｙＲｅｐｏｒｔｏｆＲＴＲＩ，１９９０，３１（１）：
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［４］Ｍｏｒｉｍｕｒａ，Ｔ．ａｎｄＳｅｋｉ，Ｍ．．Ｔｈｅ
ｃｏｕｒｓｅ
ｏｆ
ａｃｈｉｅｖｉｎｇ２７０ｋｍ／ｈ
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１：ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｏｐｅｒａ—
、Ｉ∥
Ｌ，』
５
４
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Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
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（１）：２１—２６．
（其他参考文献略）
０．５ｌＺ３芍ｌＵ２０
频率／Ｈｚ
（ｂ）车体中心地板处的加速度ＰＳＤ
图１２装有改进型可变一系垂向减振器的
新干线车辆的运行试验结果
王立国译自《ＱＲ
ｏｆ
ＲＴＲＩ｝２０１１，
Ｎ０２，１３～１９
刘宏友校
荷兰铁路改造区域列车用于城际运输业务
荷兰铁路（ＮＳ）展出了首列改为城际运输的ＤＤ－ＡＲ双层区域列车。价值２．３５亿欧元的新型城际双层列车（ＮＩＤ）项目，正由ＮｅｄＴｒａｉｎ公司在其位于哈勒姆的翻新和检修厂实施，涉及到对２０世纪９０年代为荷兰铁路生产的１９０辆ＤＤ－ＡＲ客车和５０辆ｍＤＤＭ动车进行大规模翻新。
列车由４辆编组和６辆编组组成，为了使其适应新角色对其进行了重大改造，全新的内饰提供了更高水平的舒适度。二等车的长椅被独立座椅取代，一等车为皮制座椅，采用２＋１布局。所有座位都提供电源
插座，无线网络覆盖整个列车。列车车窗全部更换，并安装了空调装置。每列车上至少设有一间残障乘客可顺利出入的卫生间。
可持续性和节能是该翻新项目的重要特征，车上所有材料均可回收。选用的新车载设备（如ＬＥＤ照明），可减少能源损耗约９％。
首列新型城际双层列车将用于承担阿姆斯特丹中央车站与海牙间非高峰时段的运输业务。
王林美译自《ＩＲＪ》２０１２，№３，６
阎
锋校
万方数据
铁道车辆一系悬挂垂向变阻尼系统的开发
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
Yoshiki SUGAHARA， 王立国
国外铁道车辆
Foreign Rolling Stock2013,50(5)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gwtdcl201305007.aspx