高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的解析计算方法
【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 解析计算方法。
【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解析 计算方法，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解析计算方法，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解析计算方法，其计算流程图如图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 解析计算方法，其特征在于采用以下设计步骤：
[0005] (1)确定车体及轮对横摆振动的位移频率响应函数〃(X... ,,、"(M,.:
[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Hi 1，每一轮轴重W ;-系轮对横向定位弹簧的等效刚度Kly，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η、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A，车辆行驶速度V ;利用1/2车体行驶横摆振动模型，以轨道方向不平顺随机 输入ya为输入激励；以轮对质心的横摆位移y 1，转向架构架质心的横摆位移y2,车体质心的 横摆位移73为输出；确定车体横摆振动位移y 3对轨道方向不平顺随机输入y a的位移频率 响应函数"(风;及轮对横摆振动位移轨道方向不平顺随机输入y J勺位移频率响 应函数// (j w) i, .. ·分别为：
[0019] (2)建立基于舒适性和基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的目标函数
[0020] 根据车辆行驶速度V，轨道方向不平顺大小幅值参数G，及步骤（1)中所确定的位 移频率响应函数//(.i~：),；，，、//(Χ? ，建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的 目标函数L( U和基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的目标函数Js( U，分别为：
[0021]
[0022]
[0023] (3)建立基于舒适性和基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比目标函数丄（ξ )、 Js( ξ )的解析表达式：
[0024] 根据步骤（2)中所建立的目标函数^(ξ)、JsU )，通过积分运算，建立基于舒适 性和基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比目标函数丄（ξ )、Js( ξ )的解析表达式，分别 为：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] LlN 丄UOlbU丄/y A yJ^ rVJ ?V /
[0047] (4)基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比ξ ^。的解析计算：
[0048] 根据车辆参数，及步骤（3)中所建立的基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比目 标函数J。（ ξ )的解析表达式，利用MATLAB，求解
的正实数根，便可得到基于舒适 性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξ。。；
[0049] (5)基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比ξ Μ的解析计算：
[0050] 根据车辆参数，及步骤（3)中所建立的基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比目 标函数Js( ξ )的解析表达式，利用MATLAB，求解
的正实数根，便可得到基于安全 性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比Icis;
[0051] (6)二系横向悬置最优阻尼比ξ。的解析计算：
[0052] 根据步骤（4)中所求得的基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比Ici。，及 步骤（5)中求得的基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比，利用黄金分割原理， 计算得到偏舒适性的二系横向悬置系统的最优阻尼比ξ。，即：
[0053]
,
[0054] 本发明比现有技术具有的优点：
[0055] 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解析计算方 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. 4)，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。
[0056] 本发明通过建立1/2车体行驶横摆振动模型，分别以人体乘坐舒适性最佳和轮对 及轮轴受横向力最小为设计目标，计算得到基于舒适性和安全性的二系横向悬置系统的最 佳阻尼比，并利用黄金分割原理，计算得到二系横向悬置系统的最优阻尼比。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】
[0057] 为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。
[0058] 图1是高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比解析计算方法的计算流程图；
[0059] 图2是1/2车体行驶横摆振动模型图；
[0060] 图3是实施例的随二系横向悬置系统阻尼比ξ变化的曲线；
[0061] 图4是实施例的σ;；/G随二系横向悬置系统阻尼比ξ变化的曲线。 具体实施方案
[0062] 下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。
[0063] 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η = 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1112= 2758kg，轮对的等效质量Iii1 = 3442kg，每一轮轴重W = 150000N ;-系轮对横向定位弹簧的等效刚度Kly= 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。
[0064] 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解析计算方法，其 计算流程图如图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：
[0065] (1)确定车体及轮对横摆振动的位移频率响应函数〃(X; :
[0066] 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!!^= 3442kg，每一轮轴重W = 150000N ;-系轮对横向定位弹 簧的等效刚度Kly= 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