高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法

文档序号:9471706
高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法
【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二系横向悬置最优阻尼比的 优化设计方法。
【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理论 设计方法,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优化设计方法,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优化设计方法,其设计流程图如图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 优化设计方法,其特征在于采用W下设计步骤: 阳0化](1)建立1/2车体行驶横摆振动微分方程:
[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mi,每一轮轴重W;-系轮对横向定位弹黃的等效刚度Kiy,中央黃的等效刚度Kzy; 待设计二系横向悬置的阻尼比C,其中,二系横向减振器的安装支数为n、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A,车轮的横 向蠕滑系数fi,车辆行驶速度V;W轮对质屯、的横摆位移yi,转向架构架质屯、的横摆位移72, 车体质屯、的横摆位移y3为坐标;W轨道方向不平顺随机输入y。为输入激励;建立1/2车体 行驶横摆振动微分方程,即:
[0009] (2)构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型:
[0010] 根据步骤(1)中所建立的1/2车体行驶横摆振动微分方程,利用Matl油/Simulink 仿真软件,构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型;
[0011] (3)建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J。:
[0012] 根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型,W二 系横向悬置阻尼比为设计变量,W轨道方向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加速度均方根值^^,建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比 的优化设计目标函数J。,即: 阳01引疋二^3;
[0014] (4)建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数心
[0015] 根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型,W二 系横向悬置阻尼比为设计变量,W轨道方向不平顺随机输入为输入激励,利用仿真所得到 的车轮横摆运动的振动加速度均方根值"^,建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比 的优化设计目标函数1,即:
[001d 二氏;
[0017] (5)二系横向悬置最优阻尼比C。的优化设计:
[0018] ①根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型,W 轨道方向不平顺随机输入y。为输入激励,利用优化算法求步骤(3)中所建立基于舒适性的 二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J。的最小值,所对应的设计变量即为基于舒 适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比C。。;
[0019] ②根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型,W 轨道方向不平顺随机输入y。为输入激励,利用优化算法求步骤(4)中所建立基于安全性的 二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数Js的最小值,所对应的设计变量即为基于安 全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比Cm;
[0020] ③根据①步骤中优化得到的基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比C。。, 及②步骤中优化得到的基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比CM,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C。,即: 阳02"1] C。= C〇c+(l-〇. 618) ( C OS-C OC)。
[0022] 本发明比现有技术具有的优点:
[0023] 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理论设计方 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。
[0024] 本发明通过建立1/2车体行驶横摆振动微分方程,利用MTLAB/Simulink仿真软 件,构建了二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型,并W轨道方向不平顺随机输 入为输入激励,W车体横摆运动的振动加速度均方根值最小为设计目标,优化设计得到基 于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比,W车轮横摆运动的振动加速度均方根值最小 为设计目标,优化设计得到基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比,进而计算得到 二系横向悬置的最优阻尼比。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】
[00巧]为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。
[00%] 图1是高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比优化设计方法的设计流程图;
[0027] 图2是1/2车体行驶横摆振动模型图;
[0028] 图3是实施例的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型;
[0029] 图4是实施例所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励y。。 具体实施方案
[0030] 下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。
[0031] 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n= 2 ;其1/2单节 车体的满载质量ni3= 31983kg,单个转向架构架的质量m2= 2758kg,轮对的等效质量mi= 344化g,每一轮轴重W= 150000N;-系轮对横向定位弹黃的等效刚度Kiy= 9784000N/m,中 央黃的等效刚度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^ = 0. 15,车轮的横向蠕滑系数fi= 16990000N;待设计二系横向悬置的阻尼 比为C,其中,二系横向减振器的等效阻尼系数Q= 2x(2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。
[0032] 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优化设计方法,其 设计流程图如图1所示,1/2车体行驶
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