高速軌道車輛二系垂向懸置最優阻尼比的優化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及高速軌道車輛懸置，特別是高速軌道車輛二系垂向懸置最優阻尼比的 優化設計方法。
【背景技術】
[0002] 二系垂向懸置系統阻尼比對高速軌道車輛的乘坐舒適性和安全性具有重要的影 響，其設計或選取，是設計二系垂向懸置系統減振器閥系參數所依據的重要參數。然而，據 所查閱資料可知，由于軌道車輛屬于多自由度振動系統，對其進行動力學分析計算非常困 難，目前國內外對于高速軌道車輛二系垂向懸置阻尼比的設計，一直沒有給出系統的理論 設計方法，大都是按經驗選取一定的阻尼比值（通常經驗阻尼比為0. 2~0. 45)，然后，借助 計算機技術，利用多體動力學仿真軟件SMPACK或ADAMS/Rail，通過實體建模來優化和確 定其大小，盡管該方法可以得到比較可靠的仿真數值，使車輛具有較好的動力性能，然而， 隨著軌道車輛行駛速度的不斷提高，人們對二系垂向懸置阻尼比的設計提出了更高的要 求，目前二系垂向懸置阻尼比設計的方法不能給出具有指導意義的創新理論，不能滿足軌 道車輛不斷提速情況下對減振器設計要求的發展。因此，必須建立一種準確、可靠的高速軌 道車輛二系垂向懸置最優阻尼比的優化設計方法，滿足軌道車輛不斷提速情況下對減振器 設計的要求，提高高速軌道車輛懸置系統的設計水平及產品質量，提高車輛乘坐舒適性和 安全性；同時，降低產品設計及試驗費用，縮短產品設計周期，增強我國軌道車輛的國際市 場競爭力。
【發明內容】
[0003] 針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種準確、 可靠的高速軌道車輛二系垂向懸置最優阻尼比的優化設計方法，其設計流程圖如圖1所 示；1/4車體四自由度行駛垂向振動模型圖如圖2所示。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明所提供的高速軌道車輛二系垂向懸置最優阻尼比的 優化設計方法，其特征在于采用以下設計步驟：
[0005] (1)建立1/4車體四自由度行駛垂向振動微分方程：
[0006] 根據軌道車輛的1/4單節車體的滿載質量m2，單個轉向架構架質量的一半m1;-系 垂向懸架的等效剛度K1、等效阻尼C1;二系垂向懸置的剛度K2;待設計二系垂向懸置的阻尼
度Kdl，二系垂向減振器的端部連接等效剛度Kd2;以一系垂向減振器活塞桿的垂向位移zdl， 轉向架構架質心的垂向位移Z1，二系垂向減振器活塞桿的垂向位移zd2及車體質心的垂向 位移22為坐標；以軌道高低不平順隨機輸入zv為輸入激勵；建立1/4車體四自由度行駛垂 向振動微分方程，BP:
[0009] (2)構建二系垂向懸置系統的垂向振動優化設計仿真模型：
[0010] 根據步驟（1)中所建立的1/4車體四自由度行駛垂向振動微分方程，利用Matlab/ Simulink仿真軟件，構建二系垂向懸置系統的垂向振動優化設計仿真模型；
[0011] (3)建立基于舒適性的二系垂向懸置最佳阻尼比的優化設計目標函數J。：
[0012] 根據步驟（2)中所建立的二系垂向懸置系統的垂向振動優化設計仿真模型，以二 系垂向懸置阻尼比為設計變量，以軌道高低不平順隨機輸入為輸入激勵，利用仿真所得到 的車體垂向運動的振動加速度均方根值建立基于舒適性的二系垂向懸置最佳阻尼比 的優化設計目標函數J。，即：
[0013] Je =CTr：；
[0014] (4)建立基于安全性的二系垂向懸置最佳阻尼比的優化設計目標函數Js:
[0015] 根據步驟（2)中所建立的二系垂向懸置系統的垂向振動優化設計仿真模型，以二 系垂向懸置阻尼比為設計變量，以軌道高低不平順隨機輸入為輸入激勵，利用仿真所得到 的轉向架構架垂向運動的振動加速度均方根值，建立基于安全性的二系垂向懸置最佳 阻尼比的優化設計目標函數Js，即：
[0016] Js = ；
[0017] (5)二系垂向懸置最優阻尼比I。的優化設計：
[0018] ①根據步驟（2)中所建立的二系垂向懸置系統的垂向振動優化設計仿真模型，以 軌道高低不平順隨機輸入Zv為輸入激勵，利用優化算法求步驟（3)中所建立基于舒適性的 二系垂向懸置最佳阻尼比的優化設計目標函數J。的最小值，所對應的設計變量即為基于舒 適性的二系垂向懸置系統的最佳阻尼比I^
[0019] ②根據步驟（2)中所建立的二系垂向懸置系統的垂向振動優化設計仿真模型，以 軌道高低不平順隨機輸入Zv為輸入激勵，利用優化算法求步驟（4)中所建立基于安全性的 二系垂向懸置最佳阻尼比的優化設計目標函數1的最小值，所對應的設計變量即為基于安 全性的二系垂向懸置系統的最佳阻尼比Icis;
[0020] ③根據①步驟中優化得到的基于舒適性的二系垂向懸置系統的最佳阻尼比I^ 及②步驟中優化得到的基于安全性的二系垂向懸置系統的最佳阻尼比IM，利用黃金分割 原理，計算得到偏舒適性的二系垂向懸置系統的最優阻尼比IM即：
[0021] I。=Ioc+(l_0. 618) (Uoc)。
[0022] 本發明比現有技術具有的優點：
[0023] 由于軌道車輛屬于多自由度振動系統，對其進行動力學分析計算非常困難，目前 國內外對于高速軌道車輛二系垂向懸置阻尼比的設計，一直沒有給出系統的理論設計方 法，大都是按經驗選取一定的阻尼比值（通常經驗阻尼比為〇. 2~0. 45)，然后，借助計算機 技術，利用多體動力學仿真軟件SniPACK或ADAMS/Rail，通過實體建模來優化和確定其大 小，盡管該方法可以得到比較可靠的仿真數值，使車輛具有較好的動力性能，然而，隨著軌 道車輛行駛速度的不斷提高，人們對二系垂向懸置阻尼比的設計提出了更高的要求，目前 二系垂向懸置阻尼比設計的方法不能給出具有指導意義的創新理論，不能滿足軌道車輛不 斷提速情況下對減振器設計要求的發展。
[0024] 本發明通過建立1/4車體四自由度行駛垂向振動微分方程，利用MATLAB/ Simulink仿真軟件，構建了二系垂向懸置系統的垂向振動優化設計仿真模型，并以軌道高 低不平順隨機輸入為輸入激勵，以車體垂向運動的振動加速度均方根值最小為設計目標， 優化設計得到基于舒適性的二系垂向懸置系統的最佳阻尼比，以轉向架構架垂向運動的振 動加速度均方根值最小為設計目標，優化設計得到基于安全性的二系垂向懸置系統的最佳 阻尼比，進而計算得到二系垂向懸置的最優阻尼比。通過設計實例及SMPACK仿真驗證可 知，該方法可得到準確可靠的二系垂向懸置系統的最優阻尼比值，為高速軌道車輛二系垂 向懸置阻尼比的設計提供了可靠的設計方法。利用該方法，不僅可提高高速軌道車輛懸置 系統的設計水平及產品質量，提高車輛乘坐舒適性和安全性；同時，還可降低產品設計及試 驗費用，縮短產品設計周期，增強我國軌道車輛的國際市場競爭力。
【附圖說明】
[0025] 為了更好地理解本發明下面結合附圖做進一步的說明。
[0026] 圖1是高速軌道車輛二系垂向懸置最優阻尼比優化設計方法的設計流程圖；
[0027] 圖2是1/4車體四自由度行駛垂向振動模型圖；
[0028] 圖3是實施例的二系垂向懸置系統的垂向振動優化設計仿真模型；
[0029] 圖4是實施例所施加的德國軌道高低不平順隨機輸入激勵zv。 具體實施方案
[0030] 下面通過一實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0031] 某高速軌道車輛的1/4單節車體的滿載質量m2= 14398kg，單個轉向架構架質量 的一半Hi1= 1379kg，一系垂向懸架的等效剛度K1= 2. 74X10 6N/m、等效阻尼C1= 28. 3kN. s/m;二系垂向懸置的剛度K2= 5. 68X10 5N/m;-系垂向減振器的端部連接等效剛度Kdl = 40X106N/m，二系垂向減振器的端部連接等效剛度Kd2= 20X10 6N/m;待設計二系垂向懸置
懸置阻尼比設計所要求的車輛行駛速度V= 300km/h，對該高速軌道車輛二系垂向懸置的 最優阻尼比進行設計。
[0032] 本發明實例所提供的高速軌道車輛二系垂向懸置最優阻尼比的優化設計方法，其 設計流程圖如圖1所示，1/4車體四自由度行駛垂向振動模型圖如圖2所示，具體