高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法

摘要

本发明涉及高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法，属于高速轨道车辆悬置技术领域。本发明通过建立1/2车体行驶横摆振动微分方程，利用MATLAB/Simulink仿真软件，构建了二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，并以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，以车体和车轮横摆运动的振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设计得到基于舒适性和基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比，进而计算得到其最优阻尼比。通过设计实例及SIMPACK仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的二系横向悬置系统的最优阻尼比值，为高速轨道车辆二系横向悬置阻尼比的设计提供了可靠的设计方法。利用该方法，可提高轨道车辆悬置系统的设计水平及车辆乘坐舒适性和安全性。

权利要求

1.高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法，其具体设计步骤如下：(1)建立1/2车体行驶横摆振动微分方程：

根据轨道车辆的1/2单节车体的满载质量m3，单个转向架构架的质量m2，轮对的等效质量m1，每一轮轴重W；一系轮对横向定位弹簧的等效刚度K1y，中央簧的等效刚度K2y；待设计二系横向悬置的阻尼比ξ，其中，二系横向减振器的安装支数为n、等效阻尼系数车轮和钢轨接触点横向间距的一半b，车轮踏面等效斜度λ，车轮的横向蠕滑系数f1，车辆行驶速度v；以轮对质心的横摆位移y1，转向架构架质心的横摆位移y2，车体质心的横摆位移y3为坐标；以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励；建立1/2车体行驶横摆振动微分方程，即：其中，

(2)构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型：

根据步骤(1)中所建立的1/2车体行驶横摆振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型；

(3)建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc：

根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以二系横向悬置阻尼比为设计变量，以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车体横摆运动的振动加速度均方根值 建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc，即：(4)建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js：

根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以二系横向悬置阻尼比为设计变量，以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车轮横摆运动的振动加速度均方根值 建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js，即：(5)二系横向悬置最优阻尼比ξo的优化设计：

①根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc的最小值，所对应的设计变量即为基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξoc；

②根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励，利用优化算法求步骤(4)中所建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js的最小值，所对应的设计变量即为基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξos；

③根据①步骤中优化得到的基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξoc，及②步骤中优化得到的基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξos，利用黄金分割原理，计算得到二系横向悬置最优阻尼比ξo，即：ξo＝ξoc+(1-0.618)(ξos-ξoc)。

说明书

高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高速轨道车辆悬置，特别是高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法。

背景技术

[0002] 二系横向悬置系统阻尼比对高速轨道车辆的乘坐舒适性和安全性具有重要的影响，其设计或选取，是设计二系横向悬置系统减振器阀系参数所依据的重要参数。然而，据所查阅资料可知，由于轨道车辆属于多自由度振动系统，对其进行动力学分析计算非常困难，目前国内外对于高速轨道车辆二系横向悬置阻尼比的设计，一直没有给出系统的理论设计方法，大都是按经验选取一定的阻尼比值(通常经验阻尼比为0.2～0.4)，然后，借助计算机技术，利用多体动力学仿真软件SIMPACK或ADAMS/Rail，通过实体建模来优化和确定其大小，尽管该方法可以得到比较可靠的仿真数值，使车辆具有较好的动力性能，然而，随着轨道车辆行驶速度的不断提高，人们对二系横向悬置阻尼比的设计提出了更高的要求，目前二系横向悬置阻尼比设计的方法不能给出具有指导意义的创新理论，不能满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计要求的发展。因此，必须建立一种准确、可靠的高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法，满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计的要求，提高高速轨道车辆悬置系统的设计水平及产品质量，提高车辆乘坐舒适性和安全性；同时，降低产品设计及试验费用，缩短产品设计周期，增强我国轨道车辆的国际市场竞争力。

发明内容

[0003] 针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种准确、可靠的高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法，其设计流程图如图1所示；1/2车体行驶横摆振动模型图如图2所示。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明所提供的高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

[0005] (1)建立1/2车体行驶横摆振动微分方程：

[0006] 根据轨道车辆的1/2单节车体的满载质量m3，单个转向架构架的质量m2，轮对的等效质量m1，每一轮轴重W；一系轮对横向定位弹簧的等效刚度K1y，中央簧的等效刚度K2y；待设计二系横向悬置的阻尼比ξ，其中，二系横向减振器的安装支数为n、等效阻尼系数车轮和钢轨接触点横向间距的一半b，车轮踏面等效斜度λ，车轮的横向蠕滑系数f1，车辆行驶速度v；以轮对质心的横摆位移y1，转向架构架质心的横摆位移y2，车体质心的横摆位移y3为坐标；以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励；建立1/2车体行驶横摆振动微分方程，即：

[0007]

[0008] 其中，

[0009] (2)构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型：

[0010] 根据步骤(1)中所建立的1/2车体行驶横摆振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型；

[0011] (3)建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc：

[0012] 根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以二系横向悬置阻尼比为设计变量，以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车体横摆运动的振动加速度均方根值 建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc，即：

[0013]

[0014] (4)建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js：

[0015] 根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以二系横向悬置阻尼比为设计变量，以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车轮横摆运动的振动加速度均方根值 建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js，即：

[0016]

[0017] (5)二系横向悬置最优阻尼比ξo的优化设计：

[0018] ①根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc的最小值，所对应的设计变量即为基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξoc；

[0019] ②根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励，利用优化算法求步骤(4)中所建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js的最小值，所对应的设计变量即为基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξos；

[0020] ③根据①步骤中优化得到的基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξoc，及②步骤中优化得到的基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξos，利用黄金分割原理，计算得到二系横向悬置最优阻尼比ξo，即：

[0021] ξo＝ξoc+(1-0.618)(ξos-ξoc)。

[0022] 本发明比现有技术具有的优点：

[0023] 由于轨道车辆属于多自由度振动系统，对其进行动力学分析计算非常困难，目前国内外对于高速轨道车辆二系横向悬置阻尼比的设计，一直没有给出系统的理论设计方法，大都是按经验选取一定的阻尼比值(通常经验阻尼比为0.2～0.4)，然后，借助计算机技术，利用多体动力学仿真软件SIMPACK或ADAMS/Rail，通过实体建模来优化和确定其大小，尽管该方法可以得到比较可靠的仿真数值，使车辆具有较好的动力性能，然而，随着轨道车辆行驶速度的不断提高，人们对二系横向悬置阻尼比的设计提出了更高的要求，目前二系横向悬置阻尼比设计的方法不能给出具有指导意义的创新理论，不能满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计要求的发展。

[0024] 本发明通过建立1/2车体行驶横摆振动微分方程，利用MATLAB/Simulink仿真软件，构建了二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，并以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，以车体横摆运动的振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设计得到基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比，以车轮横摆运动的振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设计得到基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比，进而计算得到二系横向悬置的最优阻尼比。通过设计实例及SIMPACK仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的二系横向悬置系统的最优阻尼比值，为高速轨道车辆二系横向悬置阻尼比的设计提供了可靠的设计方法。利用该方法，不仅可提高高速轨道车辆悬置系统的设计水平及产品质量，提高车辆乘坐舒适性和安全性；同时，还可降低产品设计及试验费用，缩短产品设计周期，增强我国轨道车辆的国际市场竞争力。

附图说明

[0025] 为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。

[0026] 图1是高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比优化设计方法的设计流程图；

[0027] 图2是1/2车体行驶横摆振动模型图；

[0028] 图3是实施例的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型；

[0029] 图4是实施例所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励ya。具体实施方案

[0030] 下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。

[0031] 某高速轨道车辆的每台转向架上安装有两支横向减振器，即n＝2；其1/2单节车体的满载质量m3＝31983kg，单个转向架构架的质量m2＝2758kg，轮对的等效质量m1＝3442kg，每一轮轴重W＝150000N；一系轮对横向定位弹簧的等效刚度K1y＝9784000N/m，中央簧的等效刚度K2y＝180000N/m；车轮和钢轨接触点横向间距的一半b＝0.7465m，车轮踏面等效斜度λ＝0.15，车轮的横向蠕滑系数f1＝16990000N；待设计二系横向悬置的阻尼比为ξ，其中，二系横向减振器的等效阻尼系数 该高速轨道车辆二系横向悬置阻尼比设计所要求的车辆行驶速度v＝300km/h，对该高速轨道车辆的二系横向悬置阻尼比进行设计。

[0032] 本发明实例所提供的高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法，其设计流程图如图1所示，1/2车体行驶横摆振动模型图如图2所示，具体步骤如下：

[0033] (1)建立1/2车体行驶横摆振动微分方程：

[0034] 根据轨道车辆的1/2单节车体的满载质量m3＝31983kg，单个转向架构架的质量m2＝2758kg，轮对的等效质量m1＝3442kg，每一轮轴重W＝150000N；一系轮对横向定位弹簧的等效刚度K1y＝9784000N/m，中央簧的等效刚度K2y＝180000N/m；待设计二系横向悬置的阻尼比ξ，其中，二系横向减振器的安装支数为2、等效阻尼系数 车轮和钢轨接触点横向间距的一半b＝0.7465m，车轮踏面等效斜度λ＝0.15，车轮的横向蠕滑系数f1＝16990000N，车辆行驶速度v＝300km/h；以轮对质心的横摆位移y1，转向架构架质心的横摆位移y2，车体质心的横摆位移y3为坐标；以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励；建立
1/2车体行驶横摆振动微分方程，即：

[0035]

[0036] 其中，

[0037] (2)构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型：

[0038] 根据步骤(1)中所建立的1/2车体行驶横摆振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，如图3所示；

[0039] (3)建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc：

[0040] 根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以二系横向悬置阻尼比为设计变量，以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车体横摆运动的振动加速度均方根值 建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc，即：

[0041]

[0042] (4)建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js：

[0043] 根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以二系横向悬置阻尼比为设计变量，以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车轮横摆运动的振动加速度均方根值 建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js，即：

[0044]

[0045] (5)二系横向悬置最优阻尼比ξo的优化设计：

[0046] ①根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Jc的最小值，优化设计得到基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξoc＝0.24769；

[0047] 其中，车辆行驶速度v＝300km/h时，所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励ya，如图4所示；

[0048] ②根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以轨道方向不平顺随机输入ya为输入激励，利用优化算法求步骤(4)中所建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js的最小值，优化设计得到基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξos＝0.4897；

[0049] 其中，车辆行驶速度v＝300km/h时，所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励ya，如图4所示；

[0050] ③根据①步骤中优化得到的基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξoc＝0.24769，及②步骤中优化得到的基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξos＝
0.4897，利用黄金分割原理，计算得到二系横向悬置最优阻尼比ξo，即：

[0051] ξo＝ξoc+(1-0.618)(ξos-ξoc)＝0.3401。

[0052] 根据实施例所提供的车辆参数，利用轨道车辆专用软件SIMPACK，通过实体建模仿真验证可得，该高速轨道车辆二系横向悬置系统的最优阻尼比ξo＝0.3420；可知，利用优化设计方法所得到的二系横向悬置系统的最优阻尼比ξo＝0.3401，与SIMPACK仿真验证所得到的最优阻尼比ξo＝0.3420相吻合，两者偏差仅为0.0019，相对偏差仅为0.56％，表明所建立的高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法是正确的。