高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高速轨道车辆悬置，特别是高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的 协同优化方法。
【背景技术】
[0002] 一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器及车体 端部横向减振器对高铁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，由于高铁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 高铁一系和二系及端部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 是对一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器和车体端部 横向减振器分别单独进行研究，并借助计算机技术，利用多体动力学仿真软件SIMPACK或 ADAMS/Rail，分别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，由于一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横 向减振器、车体端部纵向减振器及车体端部横向减振器是一个相互耦合的复杂系统，目前 这种分别单独建模对其减振器阻尼系数进行设计的方法，难以使高铁一系和二系及端部减 振器的阻尼系数达到最佳匹配，且随着高铁行驶速度的不断提高，人们对一系和二系及端 部减振器阻尼系数的设计提出了更高的要求，目前高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数 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、可靠的高铁一系和二系及端部减振器阻尼 系数的协同优化方法，满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计的要求，提高高铁悬置 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、 可靠的高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法，其设计流程图如图1所 示；高铁整车23自由度行驶振动模型的主视图如图2所示，高铁整车23自由度行驶振动模 型的左视图如图3所示，高铁整车23自由度行驶振动模型的俯视图如图4所示。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所提供的高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的 协同优化方法，其特征在于采用以下设计步骤：
[0005] (1)建立高铁整车23自由度行驶振动微分方程：
[0006] 根据高铁的单节车体的质量m3、点头转动惯量J341、摇头转动惯量侧滚转动惯 量Jse ;每台转向架构架的质量111 2、点头转动惯量J241、摇头转动惯量《/2p、侧滚转动惯量J2 e ; 每一轮对的质量Hl1、摇头转动惯量Ap:;每一轮轴重W ;每一轮对的横向蠕滑系数、纵向蠕 滑系数f2;每一轮对的纵向定位刚度K lx、横向定位刚度Kly;每台转向架单侧一系悬架的垂 向等效刚度Klz;每台转向架中央弹簧的纵向刚度K 2x、横向定位刚度K2y;每台转向架二系悬 置的垂向等效刚度K2z;单个抗侧滚扭杆的扭转刚度K e ;-对抗蛇行减振器的阻尼系数C s;待设计每台转向架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数Cdl;待设计每台转向架二系垂向 减振器的等效阻尼系数Cd2;待设计每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数C 2;待设计 车体端部纵向减振器的等效阻尼系数C3;待设计车体端部横向减振器的等效阻尼系数C」 车轮滚动半径r、车轮踏面斜度λ ;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，抗蛇行减 振器横向安装间距的一半b3,车体纵向减振器横向安装间距的一半b4，车辆定距的一半a， 转向架轴距的一半a。，车体横向减振器纵向安装间距的一半1，车体上端端部纵向减振器到 车体质心的高度Cl1，车体下端端部纵向减振器到车体质心的高度d2，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，车体端部横向减振器到车体质心的高度h6;分别以前转向架 轮对的质心〇lff、〇lft，后转向架轮对的质心O11^Oh，前、后转向架构架的质心0 2f、0&及车体 的质心O3为坐标原点；以前转向架前轮对的横摆位移y lff、摇头位移奶i/，前转向架后轮对的 横摆位移ylft、摇头位移心〃，后转向架前轮对的横摆位移ylrf、摇头位移后转向架后轮 对的横摆位移yh、摇头位移奶〃，前转向架构架的浮沉位移z2f、点头位移Φ2f、横摆位移y 2f、 摇头位移_侧滚位移02f，后转向架构架的浮沉位移z&、点头位移φ&、横摆位移、摇 头位移#&、侧滚位移Θ &，及车体的浮沉位移Z3、点头位移Φ3、横摆位移y3、摇头位移f 3、侧 滚位移Θ 3为坐标；以前转向架前、后车轮及后转向架前、后车轮处的轨道高低不平顺输入 Z01 (t)、Z02 (t)、Z03 (t)、Z04⑴和方向不平顺输入yal (t)、ya2 (t)、ya3 (t)、ya4⑴及水平不平顺 输入^1(〇、202(〇、^3(〇、204(〇为输入激励，其中4为时间变量；建立高铁整车23自 由度行驶振动微分方程，BP :
[0007] ①前转向架前轮对的横摆振动方程：
[0009] ②前转向架前轮对的摇头振动方程：
[0011] ③前转向架后轮对的横摆振动方程：
[0013] ④前转向架后轮对的摇头振动方程：
[0014] CN 105117556 A 说明书 3/13 页
[0015] ⑤后转向架前轮对的横摆振动方程：
[0017] ⑥后转向架前轮对的摇头振动方程：
[0019] ⑦后转向架后轮对的横摆振动方程：
[0021] ⑧后转向架后轮对的摇头振动方程：
[0023] ⑨前转向架构架的浮沉振动方程：
[0025] ⑩前转向架构架的点头振动方程：
[0027] ?前转向架构架的横摆振动方程：
[0029] ?前转向架构架的侧滚振动方程：
[0031] ?前转向架构架的摇头振动方程：
[0033] (|$.后转向架构架的浮沉振动方程：
[0035] _:后转向架构架的点头振动方程：
[0037] _,后转向架构架的横摆振动方程：
[0039] ?,后转向架构架的侧滚振动方程：
[0041] 后转向架构架的摇头振动方程：
[0043] ⑩车体的浮沉振动方程：
[0045] ⑩车体的点头振动方程：
[0047] ?车体的横摆振动方程：
[0049] ?车体的侧滚振动方程：
[0051] 其中，h = ho+hi+l^+hw
[0052] 车体的摇头振动方程：
[0053] CN 105117556 A 说明书 5/13 页
[0054] (2)构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型：
[0055] 根据步骤（1)中所建立的高铁整车23自由度行驶振动微分方程，利用Matlab/ Simulink仿真软件，构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型；
[0056] (3)建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J :
[0057] 根据步骤（2)中所建立的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型，以每台转向 架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数、每台转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数、每 台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数、车体端部纵向减振器的等效阻尼系数和车体端 部横向减振器的等效阻尼系数为设计变量，以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入、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浮沉运动的振 动频率加权加速度均方根值、点头运动的振动频率加权加速度均方根值^^、横摆运 动的振动频率加权加速度均方根值crW、侧滚运动的振动频率加权加速度均方根值^及 摇头运动的振动频率加权加速度均方根值，建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼 协同优化目标函数J，即：
[0059]式中，振动频率加权加速度均方根值^^、的系数1、 0. 4、1、0. 63、0. 2,分别为车体浮沉运动、点头运动、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：
[0065] (4)高铁一系和二系及端部减振器最佳阻尼系数的优化设计：
[0066] 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 建立的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型，以各轮对处的轨道高低不平顺随机输 入 z01(t)、z02(t)、z03(t)、z04(t)、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⑶中 所建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J的最小值，所对应的设计 变量即为每台转向架单侧一系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cdl、每台转向架二系垂向减 振器的最佳等效阻尼系数Cd2、每台转向架二系横向减振器的最佳等效阻尼系数C2、车体端 部纵向减振器的最佳等效阻尼系数CjP车体端部横向减振器的最佳等效阻尼系数C ^
[0067] 其中