高铁二系及车体端部横向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，特别是高铁二系及车体端部横向减振器阻尼系数 的协同优化方法。
【背景技术】
[0002] 二系横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二系及车体端部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，大都是对二系横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SMPACK或ADAMS/Rai 1，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，由于二系横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，难以使高铁二系及车体 端部横向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，人们对二系 及车体端部横向减振器阻尼系数的设计提出了更高的要求，目前高铁二系及车体端部横向 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、可靠的高铁二系及车体端 部横向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、 可靠的高铁二系及车体端部横向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17自由度行驶横向振动模型的左视图如图2,高铁整车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，本发明所提供的高铁二系及车体端部横向减振器阻尼系数 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17自由度行驶横向振动微分方程：
[0006] 根据高铁的单节车体的质量m3、摇头转动惯量為?、侧滚转动惯量J3e;每台转向架 构架的质量m 2、摇头转动惯量Jap·、侧滚转动惯量J2e;每一轮对的质量m i、摇头转动惯量Λ.Ρ_; 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 Klx、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K lz、垂向等效阻尼Cdl;每 台转向架中央弹簧的纵向刚度K2x、横向定位刚度K 2y;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K e;-对抗蛇行减振器的阻尼系数C s; 车体端部纵向减振器的等效阻尼系数C3;每台转向架待设计二系横向减振器的等效阻尼系 数C2，待设计车体端部横向减振器的等效阻尼系数(；;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1^3，车体纵 向减振器横向安装间距的一半b 4，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Ii 1，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h 4，二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O lff、Olft，后转向架轮对的质心 〇lrf、O te，前、后转向架构架的质心O2f、(^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、摇头位移前转向架后轮对的横摆位移ylft、摇头位移？后转向架前轮 对的横摆位移y lrt、摇头位移於时，后转向架后轮对的横摆位移y11T、摇头位移f_w，前转向架构 架的横摆位移y 2f、摇头位移Plf、侧滚位移Θ 2f，后转向架构架的横摆位移、摇头位移、侧 滚位移，及车体的横摆位移y3、摇头位移_、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)、y a2(t)、ya3(t)、ya4(t)和水平不平顺 输入^1(〇、2 02(〇、^3(〇、204(〇为输入激励，其中4为时间变量；建立高铁整车17自 由度行驶横向振动微分方程，BP :
[0007] ①前转向架前轮对的横摆振动方程：
[0008]
[0009] ②前转向架前轮对的摇头振动方程：
[0010]
[0011] ③前转向架后轮对的横摆振动方程：
[0012]
[0013] ④前转向架后轮对的摇头振动方程：
[0014]
[0015] ⑤后转向架前轮对的横摆振动方程：
[0016]
[0017] ⑥后转向架前轮对的摇头振动方程：
[0018]
[0019] ⑦后转向架后轮对的横摆振动方程：
[0020]
[0021] ⑧后转向架后轮对的摇头振动方程：
[0022]
[0023] ⑨前转向架构架的横摆振动方程：
[0024]
[0025] ⑩前转向架构架的侧滚振动方程：
[0026]
[0027] ?前转向架构架的摇头振动方程：
[0028]
[0029] ?,后转向架构架的横摆振动方程：
[0030]
[0031] _后转向架构架的侧滚振动方程：
[0032]
[0033] ?后转向架构架的摇头振动方程：
[0034]
[0035] ?车体的横摆振动方程：
[0036]
[0037] ?车体的侧滚振动方程：
[0038]
[0039] 其中，h = ho+hi+l^+hw
[0040] @车体的摇头振动方程：
[0041]
[0042] (2)构建高铁整车17自由度横向振动协同优化仿真模型：
[0043] 根据步骤（1)中所建立的高铁整车17自由度行驶横向振动微分方程，利用 Matlab/Simulink仿真软件，构建高铁整车17自由度横向振动协同优化仿真模型；
[0044] (3)建立高铁二系及车体端部横向减振器的阻尼协同优化目标函数J :
[0045] 根据步骤（2)中所建立的高铁整车17自由度横向振动协同优化仿真模型，以每台 转向架二系横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、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，建立高铁二 系及车体端部横向减振器的阻尼协同优化目标函数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°> 3、^7?、％的频率加权值，分别为：
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] (4)高铁二系横向减振器最佳阻尼系数(；2及车体端部横向减振器最佳阻尼系数 Cot的优化设