高速轨道车辆二系垂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垂向悬置最优阻尼比的 优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 二系垂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，是设计二系垂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垂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. 45)，然后，借助 计算机技术，利用多体动力学仿真软件SMPACK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，人们对二系垂向悬置阻尼比的设计提出了更高的要 求，目前二系垂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 道车辆二系垂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垂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；1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图如图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垂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1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程：
[0006] 根据轨道车辆的1/4单节车体的满载质量m2，单个转向架构架质量的一半m1;-系 垂向悬架的等效刚度K1、等效阻尼C1;二系垂向悬置的刚度K2;待设计二系垂向悬置的阻尼
度Kdl，二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2;以一系垂向减振器活塞杆的垂向位移zdl， 转向架构架质心的垂向位移Z1，二系垂向减振器活塞杆的垂向位移zd2及车体质心的垂向 位移22为坐标；以轨道高低不平顺随机输入zv为输入激励；建立1/4车体四自由度行驶垂 向振动微分方程，BP:
[0009] (2)构建二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型：
[0010] 根据步骤（1)中所建立的1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，利用Matlab/ Simulink仿真软件，构建二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型；
[0011] (3)建立基于舒适性的二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J。：
[0012] 根据步骤（2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，以二 系垂向悬置阻尼比为设计变量，以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到 的车体垂向运动的振动加速度均方根值建立基于舒适性的二系垂向悬置最佳阻尼比 的优化设计目标函数J。，即：
[0013] Je =CTr：；
[0014] (4)建立基于安全性的二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js:
[0015] 根据步骤（2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，以二 系垂向悬置阻尼比为设计变量，以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到 的转向架构架垂向运动的振动加速度均方根值，建立基于安全性的二系垂向悬置最佳 阻尼比的优化设计目标函数Js，即：
[0016] Js = ；
[0017] (5)二系垂向悬置最优阻尼比I。的优化设计：
[0018] ①根据步骤（2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，以 轨道高低不平顺随机输入Zv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 二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J。的最小值，所对应的设计变量即为基于舒 适性的二系垂向悬置系统的最佳阻尼比I^
[0019] ②根据步骤（2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，以 轨道高低不平顺随机输入Zv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 二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数1的最小值，所对应的设计变量即为基于安 全性的二系垂向悬置系统的最佳阻尼比Icis;
[0020] ③根据①步骤中优化得到的基于舒适性的二系垂向悬置系统的最佳阻尼比I^ 及②步骤中优化得到的基于安全性的二系垂向悬置系统的最佳阻尼比IM，利用黄金分割 原理，计算得到偏舒适性的二系垂向悬置系统的最优阻尼比IM即：
[0021] I。=Ioc+(l_0. 618) (Uoc)。
[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垂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（通常经验阻尼比为〇. 2~0. 45)，然后，借助计算机 技术，利用多体动力学仿真软件SniPACK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，人们对二系垂向悬置阻尼比的设计提出了更高的要求，目前 二系垂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1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，利用MATLAB/ Simulink仿真软件，构建了二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，并以轨道高 低不平顺随机输入为输入激励，以车体垂向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垂向悬置系统的最佳阻尼比，以转向架构架垂向运动的振 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垂向悬置系统的最佳 阻尼比，进而计算得到二系垂向悬置的最优阻尼比。通过设计实例及SMPACK仿真验证可 知，该方法可得到准确可靠的二系垂向悬置系统的最优阻尼比值，为高速轨道车辆二系垂 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垂向悬置最优阻尼比优化设计方法的设计流程图；
[0027] 图2是1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图；
[0028] 图3是实施例的二系垂向悬置系统的垂向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高低不平顺随机输入激励zv。 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1/4单节车体的满载质量m2= 14398kg，单个转向架构架质量 的一半Hi1= 1379kg，一系垂向悬架的等效刚度K1= 2. 74X10 6N/m、等效阻尼C1= 28. 3kN. s/m;二系垂向悬置的刚度K2= 5. 68X10 5N/m;-系垂向减振器的端部连接等效刚度Kdl = 40X106N/m，二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2= 20X10 6N/m;待设计二系垂向悬置
悬置阻尼比设计所要求的车辆行驶速度V= 300km/h，对该高速轨道车辆二系垂向悬置的 最优阻尼比进行设计。
[0032] 本发明实例所提供的高速轨道车辆二系垂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，1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图如图2所示，具体