低速轨道车辆二系横向减振器最优阻尼系数的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及低速轨道车辆悬置，特别是低速轨道车辆二系横向减振器最优阻尼系 数的设计方法。
【背景技术】
[0002] 二系横向减振器对低速轨道车辆的乘坐舒适性和安全性具有重要的影响。然而， 据所查阅资料可知，由于低速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，目前国内外对于二系横向减振器阻尼系数的设计，一直没有给出系统的理论设 计方法，大都是借助计算机技术，利用多体动力学仿真软件SMPACK或ADAMS/Rai1，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，随着轨道车辆行业的不断发展，人们对二系横向减振器阻尼系数的设计 提出了更高的要求，目前二系横向减振器阻尼系数设计的方法不能给出具有指导意义的创 新理论，不能满足轨道车辆快速发展情况下对减振器设计要求的发展。因此，必须建立一种 准确、可靠的低速轨道车辆二系横向减振器最优阻尼系数的设计方法，满足轨道车辆快速 发展情况下对减振器设计的要求，提高低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、 可靠的低速轨道车辆二系横向减振器最优阻尼系数的设计方法，其设计流程图如图1所 示；低速轨道车辆整车17自由度行驶横向振动模型的左视图如图2,低速轨道车辆整车17 自由度行驶横向振动模型的俯视图如图3所示。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所提供的低速轨道车辆二系横向减振器最优阻尼系 数的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：
[0005] (1)建立低速轨道车辆整车17自由度行驶横向振动微分方程：
[0006] 根据轨道车辆的单节车体的质量m3、摇头转动惯量為,、侧滚转动惯量J30;每台转 向架构架的质量m2、摇头转动惯量、侧滚转动惯量J20;每一轮对的质量mi、摇头转动惯 量JiW每一轮轴重W;每一轮对的横向蠕滑系数、纵向蠕滑系数f2;每轴箱定位装置的纵 向刚度Klx、横向刚度Kly、垂向刚度Klz;每台转向架中央弹簧的纵向刚度K2x、横向定位刚度 K2y;每台转向架二系悬置的垂向等效刚度K2z、垂向等效阻尼Cd2;单个抗侧滚扭杆的扭转刚 度Ke;每台转向架待设计二系横向减振器的等效阻尼系数C2;车轮滚动半径r、车轮踏面 斜度A;车辆行驶速度V;车轮和钢轨接触点横向间距的一半b，轮轴定位弹簧横向安装间 距的一半h，转向架中央弹簧横向安装间距的一半b2，车辆定距的一半a，转向架轴距的一 半a。，车轴中心线到轨道平面的高度h。，车体质心到中央弹簧上平面的高度Ill，车体质心到 二系横向减振器的高度h2，中央弹簧上平面到构架质心的高度h3，转向架构架质心到车轴 中心线的高度h4，二系横向减振器到构架质心的高度h5;分别以前转向架轮对的质心Olff、Olfl^后转向架轮对的质心〇lrf、O1it，前、后转向架构架的质心〇2f、及车体的质心〇 3为坐 标原点；以前转向架前轮对的横摆位移ylff、摇头位移概前转向架后轮对的横摆位移ylft、 摇头位移的/?，后转向架前轮对的横摆位移ylrt、摇头位移贫时，后转向架后轮对的横摆位移 yi"、摇头位移，前转向架构架的横摆位移y2f、摇头位移W?/、侧滚位移9m，后转向架构架 的横摆位移、摇头位移Ph侧滚位移9 &，及车体的横摆位移y3、摇头位移P、侧滚位移 9 3为坐标；以前转向架前、后车轮及后转向架前、后车轮处的轨道方向不平顺输入yal (t)、 ya2⑴、ya3(t)、ya4(t)和水平不平顺输入zei(t)、ze2(t)、ze3(t)、ze4(t)为输入激励，其中， t为时间变量；建立低速轨道车辆整车17自由度行驶横向振动微分方程，即：
[0042] (2)构建低速轨道车辆整车17自由度横向振动优化设计仿真模型：
[0043] 根据步骤（1)中所建立的低速轨道车辆整车17自由度行驶横向振动微分方程，利 用Matlab/Simulink仿真软件，构建低速轨道车辆整车17自由度横向振动优化设计仿真模 型；
[0044] (3)建立二系横向减振器的阻尼优化设计目标函数J:
[0045] 根据步骤（2)中所建立的低速轨道车辆整车17自由度横向振动优化设计仿真模 型，以每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数为设计变量，以各轮对处的轨道方向不 平顺随机输入和水平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 频率加权加速度均方根值0?、车体侧滚运动的振动频率加权加速度均方根值及车体 摇头运动的振动频率加权加速度均方根值，建立二系横向减振器的阻尼优化设计目标 函数J，即：
[0046]
[0047] 式中，振动频率加权加速度均方根值〃^的系数1、0. 63、0. 2，分别为 车体横摆运动、侧滚运动、摇头运动的轴加权系数；其中，在不同频率下振动频率加权加速 度均方根值的频率加权值，分别为：
[0051] (4)低速轨道车辆二系横向减振器最优阻尼系数C的优化设计：
[0052] ①根据车辆定距的一半a，转向架轴距的一半a。，车辆行驶速度V，及步骤（2)中 所建立的低速轨道车辆整车17自由度横向振动优化设计仿真模型，以各轮对处的轨道方 向不平顺随机输入yal(t)、ya2(t)、ya3(t)、ya4(t)和水平不平顺随机输入zei(t)、ze2(t)、 ze3(t)、ze4(t)为输入激励，利用优化算法求步骤（3)中所建立二系横向减振器的阻尼优化 设计目标函数J的最小值，所对应的设计变量即为每台转向架二系横向减振器的最优等效 阻尼系数C2;
[0055] ②根据每台转向架二系横向减振器的安装支数n，及步骤（4)中①步骤优化设计 所得到的每台转向架二系横向减振器的最优等效阻尼系数C2，计算得到单支二系横向减振 器的最优阻尼系数C，即：C=C2/n。
[0056] 本发明比现有技术具有的优点：
[0057] 由于低速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， 目前国内外对于二系横向减振器阻尼系数的设计，一直没有给出系统的理论设计方法，大 都是借助计算机技术，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，随着轨道车辆行业的不断发展，人们对二系横向减振器阻尼系数的设计提出了更 高的要求，目前二系横向减振器阻尼系数设计的方法不能给出具有指导意义的创新理论， 不能满足轨道车辆快速发展情况下对减振器设计要求的发展。
[0058] 本发明通过建立低速轨道车辆整车17自由度行驶横向振动微分方程，利用 MATLAB/Simulink仿真软件，构建了低速轨道车辆整车17自由度横向振动优化设计仿真模 型，并以轨道方向不平顺和水平不平顺为输入激励，以车体横向运动的振动加权加速度均 方根值最小为设计目标，优化设计得到低速轨道车辆二系横向减振器的最优阻尼系数。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横向减振器的阻尼系 数值，为低速轨道车辆二系横向减振器阻尼系数的设计提供了可靠的设计方法。利用该方 法，不仅可提高低速轨道车辆悬置系统的设计水平及产品质量，提高车辆行驶安全性和平 稳性；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】
[0059] 为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。
[0060] 图1是低速轨道车辆二系横向减振器最优阻尼系数设计