高速轨道车辆二系垂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垂向悬置最优阻尼比的 解析计算方法。
【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. 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垂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；1/4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 解析计算方法，其特征在于采用以下设计步骤：
[0005] (1)确定车体及转向架构架垂向振动的位移频率响应函数 /!(}(0)_ _v , //(jw)_,..；
[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m 1; - 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 尼比ξ，其中，二系垂向减振器的阻尼系数C2 =2$/^:;-系垂向减振器的端部连接等效 刚度Kdl，二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2;利用1/4车体四自由度行驶垂向振动模 型，以轨道高低不平顺随机输入ζν为输入激励；以一系垂向减振器活塞杆的垂向位移ζ dl， 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4为输出；确定车体垂向位移ζ 2对轨道高低不平顺随机输入z v的位移频率响应函数 〃(j~)、_,，及转向架构架垂向位移Z1对轨道高低不平顺随机输入Zv的位移频率响应函数 "οι -，分别为：
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[0020] (2)建立基于舒适性和基于安全性的二系垂向悬置最佳阻尼比的目标函数
[0021] 根据车辆行驶速度V，轨道高低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//(少): Ζ?、、，建立基于舒适性的二系垂向悬置最佳阻尼比的目 标函数丄（ξ )和基于安全性的二系垂向悬置最佳阻尼比的目标函数Js( ξ )，分别为：
[0022]
[0023]
[0024] (3)建立基于舒适性和基于安全性的二系垂向悬置最佳阻尼比目标函数丄（ξ )、 Js( ξ )的解析表达式：
[0025] 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垂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：
[0026]
[0027]
[0028] 式中， CN 105160180 A ^ 3/丫贝
[0054] (4)基于舒适性的二系垂向悬置最佳阻尼比ξ ^。的解析计算：
[0055] 根据车辆参数，及步骤（3)中所建立的基于舒适性的二系垂向悬置最佳阻尼比目 标函数丄（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 性的二系垂向悬置系统的最佳阻尼比ξ。。；
[0056] (5)基于安全性的二系垂向悬置最佳阻尼比ξ Μ的解析计算：
[0057] 根据车辆参数，及步骤（3)中所建立的基于安全性的二系垂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 性的二系垂向悬置系统的最佳阻尼比Icis;
[0058] (6)二系垂向悬置最优阻尼比ξ。的解析计算：
[0059] 根据步骤（4)中所求得的基于舒适性的二系垂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垂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垂向悬置系统的最优阻尼比ξ。，即：
[0060]
。
[0061] 本发明比现有技术具有的优点：
[0062] 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. 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。
[0063] 本发明通过建立1/4车体四自由度行驶垂向振动模型，分别以人体乘坐舒适性最 佳和轮对及轮轴受垂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垂向悬置 系统的最佳阻尼比，并利用黄金分割原理，计算得到二系垂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】
[0064] 为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。
[0065] 图1是高速轨道车辆二系垂向悬置最优阻尼比解析计算方法的计算流程图；
[0066] 图2是1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图；
[0067] 图3是实施例的σ^'(ν(7)随二系垂向悬置系统阻尼比ξ变化的曲线；
[0068] 图4是实施例的随二系垂向悬置系统阻尼比ξ变化的曲线。 具体实施方案
[0069] 下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。
[0070] 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. 74X 10 6N/m、等效阻尼C1= 28. 3kN. s/m ;二系垂向悬置的刚度K2= 5. 68X 10 5N/m ;-系垂向减振器的端部连接等效刚度Kdl = 40 X 106N/m，二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2= 20 X 10 6N/m ;待设计二系垂向悬置 的阻尼比为ξ，其中，二系垂向减振器的阻尼系数C 。对该高速轨道车辆二系垂 向悬置的最优阻尼比进行设计。
[0071] 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解析计算方法，其 计算流程图如图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，具体步骤如