针对高速列车运行速度提高后车辆振动加剧、轮轨磨耗后车辆易发生蛇行失稳、提速过程中车体横向共振等问题,开展基于磁流变(Magneto-rheological,MR)技术的高速列车半主动悬挂系统研究,旨在提高车辆的乘坐舒适性,从悬挂系统角度保证列车的行驶安全性和运行稳定性。磁流变液(Magneto-rheological fluid,MRF)是一种新型智能材料,基于MR技术设计新型半主动减振器结构,可以为高速列车装备具有可控参数性能的半主动悬挂系统,并达到与主动悬挂系统同等的减振效果,且具有结构简单、能耗小、响应快和安全性高等优点。但基于MR技术的高速列车半主动悬挂系统还存在很多亟待解决的科学问题,针对高速列车运行过程中遇到的失稳风险高、平稳性低等工程实际问题也存在很大的研究空白,一些理论和实际应用问题仍需要进一步解决。基于此,本文以降低高速列车振动、提高车辆运行稳定性为研究目的,采用理论分析、仿真计算和试验研究相结合的方法,研究了可控刚度或阻尼MR减振器设计、半主动悬挂系统与控制策略设计、试验测试与评估等内容。具体研究工作包括以下几个方面:1、高速列车可变刚度(Variable stiffness,VS)悬挂系统适应性研究。随着列车运行速度的提高,轨道激励频率逐渐增大,在某一运行速度时轨道激励频率等于车辆横向固有振动频率,导致车体发生横向共振现象,极大地威胁列车的运行安全性、降低车辆的乘坐舒适性。由于主要研究列车的横向动力学性能,为了更好地展现车体横向共振这一现象,故根据某型轨道列车参数、利用数值计算软件Matlab/Simulink有针对性地建立了包含VS-MR二系横向减振器的轨道车辆17自由度横向动力学经典模型,设计了避免车体横向共振的on-off开关控制策略,在车体发生横向共振时切换二系悬挂系统的横向刚度值,通过改变刚度来改变车体横向固有振动频率,从而实现避免车体横向共振的目的。结果表明采用VS二系横向悬挂系统可有效避免列车车体横向共振、大幅降低车辆横向振动传递率和车体振动加速度,与被动悬挂系统相比,车体的横向加速度、摇头加速度和侧滚加速度均方根(Root mean square,RMS)值分别降低40.41%、17.5%和42.75%。2、高速列车可变阻尼(Variable damping,VD)悬挂系统适应性研究。列车在高速运行的过程中,车辆振动幅值大幅增加、安全性和乘坐舒适性降低,且由于我国高速铁路线路具有曲线线路多变、线路跨距大等特点,列车在运行过程中也会遇到平稳性和稳定性降低的问题,基于此,开展了VD二系悬挂系统研究。为更加真实地模拟轨道车辆的运用状态,利用多体动力学软件Simpack建立了高速车辆46自由度动力学模型,并充分考虑车辆系统的多种非线性因素和实测轨道激励。仿真计算结果表明高速列车采用VD抗蛇行减振器和VD二系横向减振器来控制抗蛇行阻尼和二系横向阻尼参数的变化,使它们达到优良的组合阻尼参数,可明显提高车辆动力学性能,使得车体横向加速度、平稳性指标、脱轨系数、轮轨横向力和磨耗功率最值相对于标准阻尼参数分别降低16.4%、14.0%、17.2%、3.9%和85.4%,非线性临界速度达640 km/h。采用VD抗蛇行减振器,可使高速列车更好地适用于不同运用工况,使车辆始终保持较好的运行性能,明显提高车辆乘坐舒适性并保障运行安全性,车体摇头加速度、转向架横摆和摇头位移分别降低40.2%、29.0%和51.3%。针对在直线工况中随着车速增加应适当提高抗蛇行阻尼,而随着通过曲线半径减小应适当降低抗蛇行阻尼这一相互矛盾的问题,通过监控车辆动力学参数判断车辆运行工况,采用VD-MR抗蛇行减振器,并根据不同运行工况控制相应的阻尼力,可为解决该矛盾寻找新途径。3、高速列车可变刚度可变阻尼(Variable stiffness variable damping,VSVD)悬挂系统适应性研究。不同轮轨接触状态时车辆的动力学性能不同,抗蛇行减振器主要影响车辆的横向动力学性能和蛇行运动稳定性。普通油压减振器由于油压液泄漏、橡胶节点老化等因素会导致抗蛇行刚度和阻尼参数发生变化,且随着列车运行速度的大幅提高(尤其超过300 km/h后),外部激扰频率会增加并接近或超过车辆/轨道系统固有频率,从而导致轮轨相互作用增强、列车整体或局部共振以及构架失稳等。因此,开展了VSVD抗蛇行减振器对轮轨磨耗的适应性研究,建立了基于MR技术的VSVD抗蛇行减振器动力学数学模型,通过动力学软件Simpack和Matlab/Simulink联合仿真,设计了可避免轮轨磨耗接触状态不良时构架蛇行失稳的模糊控制算法。结果表明通过控制抗蛇行减振器的刚度和阻尼参数可大幅改善磨耗轮轨接触不良时的车辆运行性能,保证构架不发生蛇行失稳,与安装被动悬挂系统的车辆相比,车体横向加速度和摇头加速度分别降低22.4%和25.5%,构架横向加速度和摇头加速度分别降低16.0%和65.6%,脱轨系数、轮轨横向力和轮对横向位移分别降低53.9%、40.8%和20.6%。4、高速列车可变刚度(VS)悬挂系统有效性试验研究。为验证高速列车安装可控刚度二系横向悬挂系统的有效性,首先,设计加工了一个1/8比例轨道车辆模型、设计加工了两个VS-MR减振器;然后设计了一个可用于该车辆模型的VS半主动悬挂系统并搭建了车辆振动测试平台;随后,基于on-off开关和短时傅里叶变换(Short-time Fourier transform,STFT)算法设计了避免车体横向共振的控制策略;最后,进行了试验研究和评估。试验结果表明,所设计的VS-MR减振器具有优良的刚度可控性,当线圈电流从0增加到0.8 A时,等效刚度系数增大了3.7倍,突破了一般MR减振器仅阻尼参数可控的瓶颈;所设计的VS半主动悬挂系统及其控制算法可有效避免车体横向共振,与被动悬挂系统相比,振动传递率大幅降低,尤其是在共振频率附近,在谐波激励和随机激励下的车体横向加速度RMS值降低幅度均超过了22%。5、高速列车多功能可变刚度可变阻尼(VSVD)半主动悬挂系统设计与试验评估。首先设计了VS-磁流变弹性体(Magneto-rheological elastomer,MRE)隔振器和VD-MR阻尼器;然后设计制造了一个高速列车VSVD半主动悬挂系统,该悬挂系统包括四个VS-MRE隔振器和两个VD-MR阻尼器;随后设计了多功能VSVD半主动悬挂系统的控制算法,包括基于on-off开关及STFT算法的VS控制器和基于天棚阻尼(Sky-hook)的VD控制器。试验测试结果表明,所设计的多功能VSVD半主动悬挂系统不仅可有效避免车体横向共振,而且可大幅降低车体横向振动加速度;在谐波振动激励作用时,与被动(开关关闭)悬挂相比,被动(开关打开)悬挂、VS悬挂、VD悬挂和多功能VSVD半主动悬挂的车体加速度RMS值分别降低了54.7%、41.6%、56.7%和68.8%;在较宽的振动频率范围内,多功能VSVD悬挂具有最佳的振动衰减能力和最小的振动传递率,可有效避免车体横向共振;在随机激励作用时,与被动(开关关闭)悬挂系统相比,VS悬挂、VD悬挂和多功能VSVD悬挂系统的车体加速度RMS值分别降低了31.3%、44.2%和55.7%。多功能VSVD半主动悬挂系统表现出了最佳的减振性能,且具备应用于实际高速列车悬挂系统的可拓展性以及较高的故障失效安全可靠性。