CN103991458A - 应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架及其参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架及其参数确定方法，所述二系垂向悬架包括惯容器、阻尼器、主弹簧和副弹簧，主弹簧与阻尼器并联，然后再与副弹簧和惯容器的串联结构并联。所述悬架参数确定方法是以Sperling指数最小为优化目标，在保证二系垂向悬架动挠度均方根值不超过限位行程的1/3的前提下，采用粒子群优化算法优化而得。仿真分析结果表明，运用本发明提出的轨道车辆二系垂向悬架及其参数确定方法，能够有效降低轨道车辆在运行过程中的Sperling指数，提高轨道车辆的运行平稳性。

Description

应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架及其参数确定方法

技术领域

本发明属于车辆领域，尤其是一种应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架及其参数确定方法。

背景技术

作为底盘系统的重要组成部分，悬架性能直接影响轨道车辆在高速运行下的工作品质，因此，改善悬架系统的性能，对我国正在进行的列车提速具有重要意义。传统被动悬架的参数一旦确定后便不能进行调节，因而其性能难以满足人们对轨道车辆运行平稳性提出的更高要求。近年来迅速发展的主动/半主动悬架虽然能够实现悬架性能的有效提升，但成本高、能耗大以及控制时滞等问题限制了其进一步推广和应用。

惯容器是一种物理性质与质量元件相似，但是突破质量元件一端必须接地限制的两端点机械元件，其提出者——英国剑桥大学的Smith教授通过大量研究表明，惯容器能够有效提升隔振系统的隔振性能。目前，基于惯容器的轨道车辆悬架性能提升研究已引起相关领域专家学者的关注。2009年，中国台湾学者王富正首次将惯容器引入到轨道车辆悬架系统中，通过对包含惯容器的2种简单悬架结构形式进行研究，发现惯容器能够提升轨道车辆的乘坐舒适性，但性能提升幅度并不明显，随后其采用电学网络综合的方法得出几种包含惯容器的新型悬架结构形式，虽然悬架性能的提升幅度得到了明显提高，但由于结构过于复杂，并不具备实际工程应用价值。

通过分析相关研究结论可以发现，包含惯容器的悬架结构形式直接影响轨道车辆悬架的实际性能，简单的悬架结构形式虽然利于工程实现，但难以取得令人满意的减振效果，而过于复杂的悬架结构形式在大幅度提升悬架性能的同时，却难以实现工程应用。

发明内容

本发明的目的在于针对当前包含惯容器的轨道车辆悬架存在的性能提升与结构形式复杂度相矛盾的问题，提出一种结构复杂度较低且具有良好隔振性能的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架，并给出其参数确定方法，从而实现悬架性能的最大程度提升。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架，包括惯容器、阻尼器、主弹簧和副弹簧，其特征在于，主弹簧与阻尼器并联，然后再与副弹簧和惯容器的串联结构并联。

所述应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架的参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据牛顿运动力学原理，建立轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型，所述轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型中，二系垂向悬架均为本发明所述的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架；

(2)对粒子群算法进行初始化，确定粒子群算法的种群规模、粒子维数、惯性权重、最大迭代次数以及粒子加速因子和适应度要求；

(3)确定所述二系垂向悬架参数的优化范围，根据所述悬架参数优化范围随机产生所有粒子的初始位置，同时产生所有粒子的初始速度；

(4)将粒子当前位置赋值为所述二系垂向悬架的参数，并代入所述轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型中进行仿真数值计算，得到轨道车辆的Sperling指数以及二系垂向悬架动挠度的均方根值；

(5)判断所述对应粒子位置的二系垂向悬架的参数是否处于优化范围以及二系垂向悬架动挠度的均方根值是否超过限位行程的1/3，若所述二系垂向悬架的参数超出优化范围或者二系悬架动挠度的均方根值大于限位行程的1/3，则将对应该位置的粒子舍弃；

(6)定义粒子的适应度函数为Sperling指数，计算满足步骤(5)约束条件的所有粒子的适应度，确定粒子的自身最优位置以及全局最优位置，并按照下式进行粒子位置和速度的更新：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{t+1}={\mathrm{wv}}_t+r_1\·g_1\·(P_t-x_t)+r_2\·g_2\·(G_t-x_t)\\ x_{t+1}=x_t+v_{t+1}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

式中，v_t为粒子原速度，v_t+1为粒子更新后的速度，w为惯性权重，r₁和r₂为加速因子，g₁和g₂为[0,1]之间的随机数，P_t为粒子自身最优位置，x_t为粒子原位置，G_t为粒子全局最优位置，x_t+1为粒子更新后的位置；

(7)迭代次数加1，若迭代次数达到最大迭代次数或者在迭代过程中粒子适应度满足步骤(2)中所设定的适应度要求，则粒子当前全局最优位置即为所述轨道车辆二系垂向悬架的最优参数；否则，转步骤(4)，直到迭代次数达到最大迭代次数或者在迭代过程中粒子适应度满足设定要求。

优选地，所述步骤(1)中所述的数学模型中，除所述二系垂向悬架的参数以外的参数均为现有轨道车辆的参数，轨道不平度输入采用德国高速轨道垂向位移高干扰功率谱，车速设定为50m/s。

优选地，所述步骤(2)中确定的种群规模为100、粒子维数为4、惯性权重为0.58、最大迭代次数为300、粒子加速因子为1.52、适应度要求设定为粒子适应度小于等于1.5。

优选地，所述步骤(3)中确定的主弹簧和副弹簧的刚度系数优化范围为[30000,900000]N·m^-1，所述阻尼器的阻尼系数优化范围为[8000,80000]N·s·m^-1，所述惯容器的惯容系数优化范围为[300,5000]kg。

优选地，所述步骤(5)中所述的限位行程设定为6cm。

本发明的有益效果是：提出一种结构复杂度较低且具有良好隔振性能的包含惯容器的轨道车辆新型悬架结构形式，该悬架结构形式不仅可以有效降低轨道车辆在运行过程中的Sperling指数，提升轨道车辆的运行平稳性，同时便于工程实现，具有较高的应用价值。所述悬架参数的确定方法是以轨道车辆Sperling指数最小为优化目标，在保证二系垂向悬架动挠度均方根值不超过限位行程的1/3的前提下，采用粒子群优化算法优化获得，从工程应用的角度出发，实现了悬架参数的最优，从而最大幅度提升了悬架系统的隔振性能。

附图说明

图1为本发明所述应用惯容器的悬架结构示意图；

图2为本发明所建轨道车辆垂向6自由度动力学模型图；

图3为悬架参数优化的具体流程图；

图4为本发明与应用传统悬架的某轨道车辆成熟车型的Sperling指数仿真对比图。

图中：

1-主弹簧，2-阻尼器，3-副弹簧，4-惯容器，5-车身，6-二系前悬，7-前转向架，8-一系前悬前轴弹簧，9-一系前悬前轴阻尼器，10-一系前悬后轴弹簧，11-一系前悬后轴阻尼器，12-一系前悬前轮轨道不平度输入，13-一系前悬后轮轨道不平度输入，14-二系后悬，15-后转向架，16-一系后悬前轴弹簧，17-一系后悬前轴阻尼器，18-一系后悬后轴弹簧，19-一系后悬后轴阻尼器，20-一系后悬前轮轨道不平度输入，21-一系后悬后轮轨道不平度输入

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架，包括惯容器、阻尼器、主弹簧和副弹簧，所述主弹簧1与阻尼器2并联，然后再与副弹簧3和惯容器4的串联结构并联。本发明所述的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架，不仅能有效降低轨道车辆在运行过程中的Sperling指数，提升轨道车辆的运行平稳性，同时还便于工程实现，具有较高的应用价值。

为了确定本发明所述应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架的参数，所述参数包括主弹簧1和副弹簧3的刚度系数、阻尼器2的阻尼系数、惯容器4的惯容系数，还提供了一种所述应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架参数的确定方法。

图2为轨道车辆垂向6自由度动力学模型图，包括车身5、二系前悬6、二系后悬14、前转向架7、后转向架15、四个一系悬架。所述一系悬架为传统被动悬架，包括一系前悬前轴弹簧8、一系前悬前轴阻尼器9、一系前悬后轴弹簧10、一系前悬后轴阻尼器11、一系前悬前轮轨道不平度输入12、一系前悬后轮轨道不平度输入13、一系后悬前轴弹簧16、一系后悬前轴阻尼器17、一系后悬后轴弹簧18、一系后悬后轴阻尼器19以及一系后悬前轮轨道不平度输入20和一系后悬后轮轨道不平度输入21。所述二系前悬6、二系后悬14均为本发明所提供的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架。

为确定所述应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架的最优参数，采用粒子群算法对悬架参数进行优化。Sperling指数为轨道车辆运行平稳性的主要评定标准，Sperling指数越小，说明轨道车辆运行平稳性越佳，据此，确定二系垂向悬架参数的主要优化目标为降低Sperling指数。同时，为防止优化结果可能会导致悬架“偏软”，即二系垂向悬架的动挠度过大，从而增加悬架撞击限位的概率，对减振器产生严重的损坏。在优化过程中，设定了约束条件：所述二系垂向悬架的动挠度均方根值不得超过限位行程的1/3。

基于粒子群算法的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架的参数确定具体流程如图3所示，主要包括如下步骤：

(1)基于牛顿运动力学原理，建立轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型，其中，二系前悬6和二系后悬14为本发明所述的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架，一系垂向悬架为阻尼器与弹簧并联的传统悬架，该数学模型中，车身质量为38000kg，车身俯仰转动惯量为2.1×10⁶kg·m²，前后转向架质量均为2600kg，前后转向架俯仰转动惯量均为1800kg·m²，转向架定距之半为9m，轴距之半为1.25m，一系悬架的弹簧刚度系数均为2.4×10⁶N·m^-1，一系悬架的阻尼器阻尼系数均为30000N·s·m^-1，轨道不平度输入采用德国高速轨道垂向位移高干扰功率谱，车速设定为50m/s。

(2)确定粒子群算法的种群规模为100、粒子维数为4、惯性权重为0.58、最大迭代次数为300、粒子加速因子为1.52、适应度要求为适应度小于等于1.5。

(3)为防止优化后得到的悬架参数不符合轨道车辆悬架部件的实际特性，例如优化后得到的参数为负值或过小，设定了所述二系垂向悬架参数的优化范围

$\left\{\begin{array}{c}30000N/m\≤k\≤900000M/m\\ 8000\mathrm{Ns}/m\≤c\≤80000\mathrm{Ns}/m\\ 300\mathrm{kg}\≤b\≤5000\mathrm{kg}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，k表示所述二系垂向悬架的主弹簧和副弹簧的刚度系数，b表示所述二系垂向悬架的惯容器的惯质系数，c表示所述二系垂向悬架的阻尼器的阻尼系数。根据参数优化范围，随机产生所有粒子的初始位置，并随即产生所有粒子的初始速度。

(4)将粒子当前位置赋值为所述二系垂向悬架的参数，并代入步骤(1)中所建轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型中进行仿真数值计算，得到轨道车辆的Sperling指数以及二系垂向悬架动挠度的均方根值；

(5)判断所述对应粒子位置的二系垂向悬架的参数是否处于步骤(3)设定的悬架参数优化范围以及二系悬架动挠度的均方根值是否超过限位行程的1/3，若所述约束条件不满足，则将对应该位置的粒子舍弃，其中限位行程设定为6cm；

(6)定义粒子的适应度函数为Sperling指数，计算满足步骤(5)约束条件的所有粒子的适应度，确定粒子的自身最优位置以及全局最优位置，并按照下式进行粒子位置和速度的更新：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{t+1}={\mathrm{wv}}_t+r_1\·g_1\·(P_t-x_t)+r_2\·g_2\·(G_t-x_t)\\ x_{t+1}=x_t+v_{t+1}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

式中，v_t为粒子原速度，v_t+1为粒子更新后的速度，w为惯性权重，r₁和r₂为加速因子，g₁和g₂为[0,1]之间的随机数，P_t为粒子自身最优位置，x_t为粒子原位置，G_t为粒子全局最优位置，x_t+1为粒子更新后的位置。

(7)迭代次数加1，进行结束条件的判断，所述结束条件为迭代次数达到最大迭代次数或者在迭代过程中粒子适应度满足设定要求；

(8)若满足结束条件，则粒子当前全局最优位置即为所述二系垂向悬架的最优参数，若不满足则转步骤(4)，直到满足结束条件。

通过Matlab进行上述应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架参数优化流程的编程实现，最终得到轨道车辆二系垂向悬架的具体参数分别为：主弹簧的刚度系数为283.12kN·m^-1，阻尼器阻尼系数为25.43kN·s·m^-1；副弹簧的刚度系数为62.21kN·m^-1，惯容器的惯质系数为1358kg。

将上述悬架参数代入轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型中，仿真得到在德国高速轨道垂向位移高干扰功率谱的输入下，车速从20m/s增长的80m/s的Sperling指数计算结果，并将其与相同轨道不平度输入下应用传统二系垂向悬架，即弹簧与阻尼器并联的某轨道车辆成熟车型的Sperling指数进行对比，结果如图4所示。由图4可以看出，本发明提出的轨道车辆新型二系垂向悬架相对于传统二系垂向悬架能够有效降低轨道车辆的Sperling指数，最大降幅可达15％。

以上所述表明，本发明提出的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架及其参数确定方法，可以有效降低轨道车辆在运行过程中的Sperling指数，提升轨道车辆的运行平稳性，同时所提出的包含惯容器的轨道车辆二系垂向悬架结构复杂度较低，便于工程实现，具有较高的应用价值。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架，包括惯容器(4)、阻尼器(2)、主弹簧(1)和副弹簧(3)，其特征在于，主弹簧(1)与阻尼器(2)并联，然后再与副弹簧(3)和惯容器(4)的串联结构并联。

2.权利要求1所述的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架的参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据牛顿运动力学原理，建立轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型，所述轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型中，二系垂向悬架均为本发明所述的应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架；

(2)对粒子群算法进行初始化，确定粒子群算法的种群规模、粒子维数、惯性权重、最大迭代次数以及粒子加速因子和适应度要求；

(3)确定所述二系垂向悬架参数的优化范围，根据所述悬架参数优化范围随机产生所有粒子的初始位置，同时产生所有粒子的初始速度；

(4)将粒子当前位置赋值为所述二系垂向悬架的参数，并代入所述轨道车辆垂向6自由度动力学数学模型中进行仿真数值计算，得到轨道车辆的Sperling指数以及二系垂向悬架动挠度的均方根值；

(5)判断所述对应粒子位置的二系垂向悬架的参数是否处于优化范围以及二系垂向悬架动挠度的均方根值是否超过限位行程的1/3，若所述二系垂向悬架的参数超出优化范围或者二系悬架动挠度的均方根值大于限位行程的1/3，则将对应该位置的粒子舍弃；

(6)定义粒子的适应度函数为Sperling指数，计算满足步骤(5)约束条件的所有粒子的适应度，确定粒子的自身最优位置以及全局最优位置，并按照下式进行粒子位置和速度的更新：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{t+1}={\mathrm{wv}}_t+r_1\·g_1\·(P_t-x_t)+r_2\·g_2\·(G_t-x_t)\\ x_{t+1}=x_t+v_{t+1}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

式中，v_t为粒子原速度，v_t+1为粒子更新后的速度，w为惯性权重，r₁和r₂为加速因子，g₁和g₂为[0,1]之间的随机数，P_t为粒子自身最优位置，x_t为粒子原位置，G_t为粒子全局最优位置，x_t+1为粒子更新后的位置；

(7)迭代次数加1，若迭代次数达到最大迭代次数或者在迭代过程中粒子适应度满足步骤(2)中所设定的适应度要求，则粒子当前全局最优位置即为所述轨道车辆二系垂向悬架的最优参数；否则，转步骤(4)，直到迭代次数达到最大迭代次数或者在迭代过程中粒子适应度满足设定要求。

3.根据权利要求2所述的参数确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述的数学模型中，除所述二系垂向悬架的参数以外的参数均为现有轨道车辆的参数，轨道不平度输入采用德国高速轨道垂向位移高干扰功率谱，车速设定为50m/s。

4.根据权利要求2所述的参数确定方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定的种群规模为100、粒子维数为4、惯性权重为0.58、最大迭代次数为300、粒子加速因子为1.52、适应度要求设定为粒子适应度小于等于1.5。

5.根据权利要求2所述的参数确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定的主弹簧(1)和副弹簧(3)的刚度系数优化范围为[30000,900000]N·m^-1，所述阻尼器(2)的阻尼系数优化范围为[8000,80000]N·s·m^-1，所述惯容器(4)的惯容系数优化范围为[300,5000]kg。

6.根据权利要求2所述的参数确定方法，其特征在于，所述步骤(5)中所述的限位行程设定为6cm。