高速轨道车辆车体端部纵向减振器阻尼系数的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及高速轨道车辆悬置，特别是高速轨道车辆车体端部纵向减振器阻尼系 数的设计方法。
【背景技术】
[0002] 车体端部纵向减振器安装于较接式或转向架式高速轨道车辆的两相邻车端之间， 能够有效衰减车体的纵向振动，显著增加车辆的整体性和稳定性。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、 外对于车体端部纵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SIMPACK或ADAMS/Rail，通过实体建模来优化 和确定其大小，尽管该方法可W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，人们对车体端部纵向减振器阻尼系数的设计提出 了更高的要求，目前车体端部纵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、可靠的高速轨道车辆车体端部纵向减振器阻尼系数的设计方法，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 高车辆行驶安全性和平稳性；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车体端部纵向减振器阻尼系数的设计方法，其设计流程图如图1所 示；高速轨道车辆整车6自由度行驶垂向振动模型的主视图如图2所示，高速轨道车辆整车 6自由度行驶垂向振动模型的左视图如图3所示。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所提供的高速轨道车辆车体端部纵向减振器阻尼系 数的设计方法，其特征在于采用W下设计步骤：
[0005] (1)建立轨道车辆整车6自由度行驶垂向振动微分方程：
[0006] 根据轨道车辆的单节车体的质量m2、点头转动惯量占4>;每台转向架构架的质量 mi、点头转动惯量Ji;前转向架一系前悬架的垂向等效刚度Kwf、垂向等效阻尼Cdiff，前转 向架一系后悬架的垂向等效刚度Kidf、垂向等效阻尼Cdih;后转向架一系前悬架的垂向等 效刚度垂向等效阻尼Cdw，后转向架一系后悬架的垂向等效刚度Ki,"、垂向等效阻尼 Cdiff;前转向架二系悬置的垂向等效刚度Khf、垂向等效阻尼Cd2f;后转向架二系悬置的垂向 等效刚度K2,f、垂向等效阻尼Cd2f;待设计车体端部纵向减振器的等效阻尼C3;车体上端端部 纵向减振器到车体质屯、的高度hi,车体下端端部纵向减振器到车体质屯、的高度h2,车辆定 距的一半曰，转向架轴距的一半a。;分别W前、后转向架构架及车体的质屯、0 1、〇2、〇3为坐标 原点；W前转向架构架的浮沉位移Zif、点头位移4H，后转向架构架的浮沉位移Zif、点头位 移(l)lr及车体的浮沉位移Z2、点头位移4>2为坐标；W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Z"i(t)、Z"2(t)、Z"3(t)、Z"4(t)为输入激励，其中，t为时间变 量；建立轨道车辆整车6自由度行驶垂向振动微分方程，即：
[0007]
[0008] (2)构建轨道车辆整车6自由度垂向振动优化设计仿真模型：
[0009] 根据步骤（1)中所建立的轨道车辆整车6自由度行驶垂向振动微分方程，利用 Matl油/Simulink仿真软件，构建轨道车辆整车6自由度垂向振动优化设计仿真模型；
[0010] (3)建立车体端部纵向减振器的阻尼优化设计目标函数J:
[0011] 根据步骤（2)中所建立的轨道车辆整车6自由度垂向振动优化设计仿真模型，W 车体端部纵向减振器的等效阻尼系数为设计变量，W各轮对处的轨道高低不平顺随机输入 为输入激励，利用仿真所得到的车体点头运动的振动加速度均方根值自'建立车体端部纵 向减振器的阻尼优化设计目标函数J，即：
[001引々皂々
[0013] (4)车体端部纵向减振器最佳阻尼系数C的优化设计：
[0014] ①根据车辆定距的一半曰，转向架轴距的一半a。，车辆行驶速度V，及步骤（2)中所 建立的轨道车辆整车6自由度垂向振动优化设计仿真模型，W各轮对处的轨道高低不平顺 随机输入Z〇i(t)、Z〇2(t)、Z〇3(t)、Z〇4(t)为输入激励，矛U用优化算法求步骤（3)中所建立车体 端部纵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车体端部纵 向减振器的最佳等效阻尼系数C3;
[0015] 其中，轨道高低不平顺随机输入之间的关系为
[0016] ②根据车体端部纵向减振器的安装支数n，及①步骤中优化设计所得到的车体端 部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C3,计算得到单支车体端部纵向减振器的最佳阻尼系数 C，即：C二C3/110
[0017] 本发明比现有技术具有的优点：
[0018] 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 国内外对于车体端部纵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SIMPACK或ADAMS/Rail，通过实体建模来 优化和确定其大小，尽管该方法可W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，人们对车体端部纵向减振器阻尼系数的设计 提出了更高的要求，目前车体端部纵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。
[0019] 本发明通过建立轨道车辆整车6自由度行驶垂向振动微分方程，利用MTLAB/ Simulink仿真软件，构建了轨道车辆整车6自由度垂向振动优化设计仿真模型，并W轨道 高低不平顺为输入激励，W车体点头运动的振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设 计得到车体端部纵向减振器的最佳阻尼系数。通过设计实例及SIMPACK仿真验证可知，该 方法可得到准确可靠的车体端部纵向减振器的阻尼系数值，为高速轨道车辆车体端部纵向 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，不仅可提高高速轨道车辆悬 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】
[0020] 为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。
[0021] 图1是高速轨道车辆车体端部纵向减振器阻尼系数设计方法的设计流程图；
[0022] 图2是高速轨道车辆整车6自由度行驶垂向振动模型的主视图；
[0023] 图3是高速轨道车辆整车6自由度行驶垂向振动模型的左视图；
[0024] 图4是实施例的轨道车辆整车6自由度垂向振动优化设计仿真模型图；
[002引图5是实施例所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励Zei(t);
[002引图6是实施例所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励Ze2(t);
[0027]图7是实施例所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励Zw(t);
[002引图8是实施例所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励ZM(t)。 具体实施方案
[0029] 下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。
[0030] 某高速轨道车辆的两相邻车体间安装有四支车体端部纵向减振器，即n= 4,其单 节车体的质量ni2= 6396化g、点头转动惯量J24>= 2887500kg.m2;每台转向架构架的质量 mi= 2758kg、点头转动惯量J1, = 2222kg.m2;前转向架一系前悬架的垂向等效刚度Kwf= 2. 74X106N/m、垂向等效阻尼C"ff= 28. 3kN.s/m，前转向架一系后悬架的垂向等效刚度Kwf =2. 74X106N/m、垂向等效阻尼Cdih= 28. 3kN.s/m;后转向架一系前悬架的垂向等效刚度 Ki"f= 2. 74X10 6N/m、垂向等效阻尼Cdw= 28. 3kN.s/m，后转向架一系后悬架的垂向等效 刚度2. 74X10 6N/m、垂向等效阻尼C""= 28. 3kN.s/m;前转向架二系悬置的垂向等 效刚度K2,f= 1136. 8kN/m、垂向等效阻尼Cd2f= 118. 7kN.s/m;后转向架二系悬置的垂向等 效刚度K2,f= 1136. 8kN/m、垂向等效阻尼Cd2f= 118. 7kN.s/m;车体上端端部纵向减振器到 车体质屯、的高度hi= 0. 5m，车体下端端部纵向减振器到车体质屯、的高度h2= 0. 5m，车辆 定距的一半a= 9. 5m，转向架轴距的一半曰。=1. 35m;待设计车体端部纵向减振器的等效 阻尼为C3。该高速轨道车辆车体端部纵向减振器阻尼系数设计所要求的车辆行驶速度V=