高速軌道車輛一系垂向懸架最優阻尼比的設計方法
【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一系垂向懸架最優阻尼比的 設計方法。
【背景技術】
[0002] -系垂向懸架系統能夠有效緩和輪軌沖擊，隔離高頻沖擊對車輛造成的危害，其 阻尼比的設計或選取，是設計一系垂向懸架系統減振器閥系參數所依據的重要參數。盡管 已有學者對軌道車輛一系垂向懸架系統阻尼比作了大量研究，例如，同濟大學的王福天教 授曾給出了軌道車輛單質量二自由度一系垂向懸架系統的最佳阻尼比值（ξ = 〇. 1925)， 但一直未曾給出具有實際應用價值的一系垂向懸架系統的阻尼比。據所查閱資料可知，目 前國內、外對于高速軌道車輛一系垂向懸架系統阻尼比的設計，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. 3)，然后，借助計算機技術，利用多體動力學軟件 S頂PACK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 們對高速軌道車輛一系垂向懸架系統阻尼比的設計提出了更高的要求，目前一系垂向懸架 系統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一系垂向懸 架最優阻尼比的設計方法，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，提高車輛行駛平穩性和安全性；同時，降低設計 及試驗費用，縮短產品設計周期，增強中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一系垂向懸架最優阻尼比的設計方法，其設計流程圖如圖1所示；高 速軌道車輛1/4車體二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一系垂向懸架最優阻尼比的 設計方法，其特征在于采用以下設計步驟：
[0005] (1)建立高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動微分方程：
[0006] 根據1/4單節車體的滿載質量m，懸架彈簧的等效剛度M寺設計一系垂向懸架的 阻尼比ξ，其中，懸架減振器的等效阻尼系數C; =2&/^，懸架減振器的端部連接等效剛 度Km;以減振器活塞桿的垂向位移ζ ?^及車體質心的垂向位移ζ 坐標；以軌道高低不平 順隨機輸入Zv為輸入激勵，建立高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動微分方程， 即：
[0008] (2)確定車體垂向振動位移頻率響應函數~(.丨0)_,. ?
[0009] 根據步驟（1)中所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動微分方 程，經傅里葉變換，確定車體垂向振動位移頻率響應函數，即：
[0011] (3)建立一系垂向懸架系統阻尼比目標函數Κξ)的解析表達式：
[0012] I步驟：根據軌道高低不平順大小幅值參數G，車輛行駛速度V，及步驟（2)中所確 定的車體垂向振動位移頻率響應函數，建立一系垂向懸架系統阻尼比的目標函 數JU)，即：
[0014] 式中，μ =K1VK1;
[0015] II步驟：根據I步驟所建立的一系垂向懸架系統阻尼比的目標函數J( ξ )，利用 Matlab，求解得到方程= 的正實數根，SP μ = 2; op
[0016] III步驟：根據I步驟所建立的一系垂向懸架系統阻尼比的目標函數J( ξ )，及II 步驟中求得的μ =2,建立一系垂向懸架系統阻尼比目標函數Κξ)的解析表達式，即：
[0018] (4)確定一系垂向懸架系統的最佳阻尼比ξ。。：
[0019] 根據步驟（3)中所建立的一系垂向懸架系統阻尼比目標函數JU)的解析表 達式，利用MATLAB，求解
的正實數根，便可得到一系垂向懸架系統的最佳阻尼比 ^ OC ?
[0020] (5)確定一系垂向懸架系統的最大許用阻尼比ξΜ:
[0021] ①確定軌道高低不平順大小幅值參數G :
[0022] A步驟：根據步驟（1)中所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動 微分方程，及步驟（3)中II步驟計算得到的μ = KqiZK1= 2,利用Matlab/Simulink仿真 軟件，構建高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿真模型；
[0023] B步驟：根據步驟（4)中設計得到的最佳阻尼比
及A步驟中 所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿真模型，以軌道高低不平順隨機 輸入為輸入激勵，仿真得到車體垂向運動的振動加速度均方根值Cl。。
[0024] C步驟：根據步驟（4)中設計得到的最佳阻尼比
及A步驟中 所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿真模型，以利用軌道高低不平順 LlN 丄UO丄丄/004 Λ 1VJ I·* ?/? ^ 隨機輸入簡化函數
所合成的軌道高低不平順隨機信號為輸入激勵，對車體垂 向運動的振動加速度均方根值進行仿真；
[0025] D步驟：利用步驟B中所得到的車體垂向運動的振動加速度均方根值crW及步 驟C中仿真所得到的車體垂向運動的振動加速度均方根值#^*，建立軌道高低不平順大 小幅值參數的優化設計目標函數Jmin，即：
[0027] E步驟：根據A步驟中所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿 真模型，以軌道高低不平順大小幅值參數為設計變量，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D步驟中所建立軌道高低不平順大小幅值參數的優化設計目標函 數J_的最小值，所對應的優化變量即為軌道高低不平順大小幅值參數G ;
[0028] ②一系垂向懸架系統最大許用阻尼比ξ Μ的設計：
[0029] 根據車輛參數，車體垂向振動加速度的最大設計要求值Α，步驟（3)中所建立的一 系垂向懸架系統最大許用阻尼比目標函數J( ξ )的解析表達式，及①步驟中求得的軌道高 低不平順大小幅值參數G，建立一系垂向懸架系統最大許用阻尼比ξ Μ的設計數學模型， 即：
[0031] 利用Matlab計算程序，求解上述關于ξ的方程的正實數根，便可得到一系垂向懸 架系統最大許用阻尼比的設計值；
[0032] (6) -系垂向懸架最優阻尼比ξ。的設計：
[0033] 根據步驟（4)中設計得到的最佳阻尼比Ici。，及步驟（5)中②步驟設計得到的最 大許用阻尼比ξ。3，利用黃金分割原理，計算得到偏舒適性的一系垂向懸架系統的最優阻尼 比ξ。，即：
[0035] 本發明比現有技術具有的優點：
[0036] 目前國內、外對于高速軌道車輛一系垂向懸架系統阻尼比的設計，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. 3)，然后，借助計算機技術，利用多體動 力學軟件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，人們對高速軌道車輛一系垂向懸架系統阻尼比的設計提出了更高的要求，目前一系 垂向懸架系統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。
[0037] 本發明通過建立高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動模型，建立了一系 垂向懸架系統阻尼比的目標函數，進而計算得到一系垂向懸架系統的最佳阻尼比和最大許 用阻尼比，并利用黃金分割原理，計算得到一系垂向懸架系統的最優阻尼比。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一系垂向懸架系統的最優阻尼比值， 為高速軌道車輛一系垂向懸架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】
[0038] 為了更好地理解本發明下面結合附圖做進一步的說明。
[0039] 圖1是高速軌道車輛一系垂向懸架最優阻尼比設計方法的設計流程圖；
[0040] 圖2是高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動模型圖；
[0041] 圖3是實施例的/(Ti2GV)]隨阻尼比ξ變化的曲線；
[0042] 圖4是實施例的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿真模型；
[0043] 圖5是實施例所施加的德國軌道高低不平順隨機輸入激勵；
[0044] 圖6是實施例仿真所得到的車體垂向運動的振動加速度曲線。 具體實施方案
[0045] 下面通過一實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0046] 某高速軌道車輛的1/4單節車體的滿載質量m = 17371kg，懸架彈簧的等效剛度 K1= 6. 86X IO5NAi;待設計一系垂向懸架的阻尼比為ξ，其中，懸架減振器的等效阻尼系數 (T1 =2~^'懸架減振器的端部連接等效剛度K01。該高速軌道車輛車體垂向振動加速度 的最大設計要求值A = 0. 7835m/s2, 一系垂向懸架阻尼比設計所要求的車輛行駛速度V = 300km/h，對該高速軌道車輛一系垂向懸架的最優阻尼比進行設計。
[0047] 本發明實例所提供的高速軌道車輛一系垂向懸架最優阻尼比的設計方法，其設計 流程圖如圖1所示，高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動模型圖如圖2所示，具體 步驟如下：
[0048] (1)建立高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動微分方程：
[0049] 根據1/4單節車體的滿載質量m = 17371kg，懸架彈簧的等效剛度K1 = 6.86X 105N/m;待設計一系垂向懸架的阻尼比ξ，其中，懸架減振器的等效阻尼系數 C二，懸架減振器的端部連接等效剛度Km;以減振器活塞桿的垂向位移ζ Μ及車體 質心的垂向位移21為坐標；以軌道高低