CN105117556A - 高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法 - Google Patents
高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105117556A CN105117556A CN201510560202.6A CN201510560202A CN105117556A CN 105117556 A CN105117556 A CN 105117556A CN 201510560202 A CN201510560202 A CN 201510560202A CN 105117556 A CN105117556 A CN 105117556A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- centerdot
- phi
- car body
- bogie
- rsqb
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Vehicle Body Suspensions (AREA)
Abstract
本发明涉及高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法,属于高速轨道车辆悬置技术领域。本发明通过构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,以轨道高低不平顺随机输入、方向不平顺随机输入和水平不平顺随机输入为输入激励,以车体振动加权加速度均方根值最小为设计目标,优化设计得到高铁一系和二系及端部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一系和二系及端部减振器的阻尼系数值,为高铁一系和二系及端部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,不仅可提高高铁悬置系统的设计水平和车辆行驶安全性及平稳性,还可降低产品设计及试验费用,增强我国轨道车辆的国际市场竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及高速轨道车辆悬置,特别是高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法。
背景技术
一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器及车体端部横向减振器对高铁的乘坐舒适性和安全性具有重要的影响。然而,据所查阅资料可知,由于高铁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,目前国内外对于高铁一系和二系及端部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,大都是对一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器和车体端部横向减振器分别单独进行研究,并借助计算机技术,利用多体动力学仿真软件SIMPACK或ADAMS/Rail,分别通过实体建模来优化和确定其大小,尽管该方法可以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,由于一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器及车体端部横向减振器是一个相互耦合的复杂系统,目前这种分别单独建模对其减振器阻尼系数进行设计的方法,难以使高铁一系和二系及端部减振器的阻尼系数达到最佳匹配,且随着高铁行驶速度的不断提高,人们对一系和二系及端部减振器阻尼系数的设计提出了更高的要求,目前高铁一系和二系及端部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、可靠的高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法,满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计的要求,提高高铁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
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、可靠的高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法,其设计流程图如图1所示;高铁整车23自由度行驶振动模型的主视图如图2所示,高铁整车23自由度行驶振动模型的左视图如图3所示,高铁整车23自由度行驶振动模型的俯视图如图4所示。
为解决上述技术问题,本发明所提供的高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法,其特征在于采用以下设计步骤:
(1)建立高铁整车23自由度行驶振动微分方程:
根据高铁的单节车体的质量m3、点头转动惯量J3φ、摇头转动惯量侧滚转动惯量J3θ;每台转向架构架的质量m2、点头转动惯量J2φ、摇头转动惯量侧滚转动惯量J2θ;每一轮对的质量m1、摇头转动惯量每一轮轴重W;每一轮对的横向蠕滑系数f1、纵向蠕滑系数f2;每一轮对的纵向定位刚度K1x、横向定位刚度K1y;每台转向架单侧一系悬架的垂向等效刚度K1z;每台转向架中央弹簧的纵向刚度K2x、横向定位刚度K2y;每台转向架二系悬置的垂向等效刚度K2z;单个抗侧滚扭杆的扭转刚度Kθ;一对抗蛇行减振器的阻尼系数Cs;待设计每台转向架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数Cd1;待设计每台转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数Cd2;待设计每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数C2;待设计车体端部纵向减振器的等效阻尼系数C3;待设计车体端部横向减振器的等效阻尼系数Cr;车轮滚动半径r、车轮踏面斜度λ;车辆行驶速度v;车轮和钢轨接触点横向间距的一半b,轮轴定位弹簧横向安装间距的一半b1,转向架中央弹簧横向安装间距的一半b2,抗蛇行减振器横向安装间距的一半b3,车体纵向减振器横向安装间距的一半b4,车辆定距的一半a,转向架轴距的一半a0,车体横向减振器纵向安装间距的一半l,车体上端端部纵向减振器到车体质心的高度d1,车体下端端部纵向减振器到车体质心的高度d2,车轴中心线到轨道平面的高度h0,车体质心到中央弹簧上平面的高度h1,车体质心到二系横向减振器的高度h2,中央弹簧上平面到构架质心的高度h3,转向架构架质心到车轴中心线的高度h4,二系横向减振器到构架质心的高度h5,车体端部横向减振器到车体质心的高度h6;分别以前转向架轮对的质心O1ff、O1fr,后转向架轮对的质心O1rf、O1rr,前、后转向架构架的质心O2f、O2r及车体的质心O3为坐标原点;以前转向架前轮对的横摆位移y1ff、摇头位移前转向架后轮对的横摆位移y1fr、摇头位移后转向架前轮对的横摆位移y1rf、摇头位移后转向架后轮对的横摆位移y1rr、摇头位移前转向架构架的浮沉位移z2f、点头位移φ2f、横摆位移y2f、摇头位移侧滚位移θ2f,后转向架构架的浮沉位移z2r、点头位移φ2r、横摆位移y2r、摇头位移侧滚位移θ2r,及车体的浮沉位移z3、点头位移φ3、横摆位移y3、摇头位移侧滚位移θ3为坐标;以前转向架前、后车轮及后转向架前、后车轮处的轨道高低不平顺输入z01(t)、z02(t)、z03(t)、z04(t)和方向不平顺输入ya1(t)、ya2(t)、ya3(t)、ya4(t)及水平不平顺输入zθ1(t)、zθ2(t)、zθ3(t)、zθ4(t)为输入激励,其中,t为时间变量;建立高铁整车23自由度行驶振动微分方程,即:
①前转向架前轮对的横摆振动方程:
②前转向架前轮对的摇头振动方程:
③前转向架后轮对的横摆振动方程:
④前转向架后轮对的摇头振动方程:
⑤后转向架前轮对的横摆振动方程:
⑥后转向架前轮对的摇头振动方程:
⑦后转向架后轮对的横摆振动方程:
⑧后转向架后轮对的摇头振动方程:
⑨前转向架构架的浮沉振动方程:
⑩前转向架构架的点头振动方程:
前转向架构架的横摆振动方程:
前转向架构架的侧滚振动方程:
前转向架构架的摇头振动方程:
后转向架构架的浮沉振动方程:
后转向架构架的点头振动方程:
后转向架构架的横摆振动方程:
后转向架构架的侧滚振动方程:
后转向架构架的摇头振动方程:
车体的浮沉振动方程:
车体的点头振动方程:
车体的横摆振动方程:
车体的侧滚振动方程:
其中,h=h0+h1+h3+h4;
车体的摇头振动方程:
(2)构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型:
根据步骤(1)中所建立的高铁整车23自由度行驶振动微分方程,利用Matlab/Simulink仿真软件,构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型;
(3)建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J:
根据步骤(2)中所建立的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,以每台转向架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数、每台转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数、每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数、车体端部纵向减振器的等效阻尼系数和车体端部横向减振器的等效阻尼系数为设计变量,以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入、方向不平顺随机输入和水平不平顺随机输入为输入激励,利用仿真所得到的车体浮沉运动的振动频率加权加速度均方根值点头运动的振动频率加权加速度均方根值横摆运动的振动频率加权加速度均方根值侧滚运动的振动频率加权加速度均方根值及摇头运动的振动频率加权加速度均方根值建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J,即:
式中,振动频率加权加速度均方根值的系数1、0.4、1、0.63、0.2,分别为车体浮沉运动、点头运动、横摆运动、侧滚运动、摇头运动的轴加权系数;其中,在不同频率下振动频率加权加速度均方根值的频率加权值,分别为:
(4)高铁一系和二系及端部减振器最佳阻尼系数的优化设计:
①根据车辆定距的一半a,转向架轴距的一半a0,车辆行驶速度v,及步骤(2)中所建立的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入z01(t)、z02(t)、z03(t)、z04(t)、方向不平顺随机输入ya1(t)、ya2(t)、ya3(t)、ya4(t)和水平不平顺随机输入zθ1(t)、zθ2(t)、zθ3(t)、zθ4(t)为输入激励,利用优化算法求步骤(3)中所建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J的最小值,所对应的设计变量即为每台转向架单侧一系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd1、每台转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd2、每台转向架二系横向减振器的最佳等效阻尼系数C2、车体端部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C3和车体端部横向减振器的最佳等效阻尼系数Cr;
其中,轨道高低不平顺随机输入之间的关系为: 方向不平顺随机输入之间的关系为: 水平不平顺随机输入之间的关系为:
②根据每台转向架单侧一系垂向减振器的安装支数n1、每台转向架二系垂向减振器的安装支数n2、每台转向架二系横向减振器的安装支数n3,车体端部纵向减振器的安装支数n4,车体端部横向减振器的安装支数n5,及①步骤中优化设计所得到的每台转向架单侧一系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd1、每台转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd2、每台转向架二系横向减振器的最佳等效阻尼系数C2、车体端部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C3和车体端部横向减振器的最佳等效阻尼系数Cr,计算得到单支一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器和车体端部横向减振器的最佳阻尼系数,分别为:Cod1=Cd1/n1,Cod2=Cd2/n2,Co2=C2/n3,Co3=C3/n4,Cor=Cr/n5。
本发明比现有技术具有的优点:
由于高铁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,目前国内外对于高铁一系和二系及端部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,大都是对一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器和车体端部横向减振器分别单独进行研究,并借助计算机技术,利用多体动力学仿真软件SIMPACK或ADAMS/Rail,分别通过实体建模来优化和确定其大小,尽管该方法可以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,由于一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器及车体端部横向减振器是一个相互耦合的复杂系统,目前这种分别单独建模对其减振器阻尼系数进行设计的方法,难以使高铁一系和二系及端部减振器的阻尼系数达到最佳匹配,且随着高铁行驶速度的不断提高,人们对一系和二系及端部减振器阻尼系数的设计提出了更高的要求,目前高铁一系和二系及端部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。
本发明通过建立高铁整车23自由度行驶振动微分方程,利用MATLAB/Simulink仿真软件,构建了高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,并以轨道高低不平顺随机输入、方向不平顺随机输入和水平不平顺随机输入为输入激励,以车体振动加权加速度均方根值最小为设计目标,优化设计得到高铁一系和二系及端部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一系和二系及端部减振器的阻尼系数值,为高铁一系和二系及端部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,不仅可提高高铁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
为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。
图1是高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数协同优化方法的设计流程图;
图2是高铁整车23自由度行驶振动模型的主视图;
图3是高铁整车23自由度行驶振动模型的左视图;
图4是高铁整车23自由度行驶振动模型的俯视图;
图5是实施例的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型图;
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z01(t);
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z02(t);
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z03(t);
图9是实施例所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励z04(t);
图10是实施例所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励ya1(t);
图11是实施例所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励ya2(t);
图12是实施例所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励ya3(t);
图13是实施例所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励ya4(t);
图14是实施例所施加的德国轨道水平不平顺随机输入激励zθ1(t);
图15是实施例所施加的德国轨道水平不平顺随机输入激励zθ2(t);
图16是实施例所施加的德国轨道水平不平顺随机输入激励zθ3(t);
图17是实施例所施加的德国轨道水平不平顺随机输入激励zθ4(t)。
具体实施方案
下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。
某高铁的每台转向架上安装有四支一系垂向减振器、两支二系垂向减振器、两支二系横向减振器的安装支数,两相邻车体间安装有四支车体端部纵向减振器和一支车体端部横向减振器,即n1=2,n2=2,n3=2,n4=4,n5=1;其单节车体的质量m3=63966kg、点头转动惯量J3φ=2887500kg.m2、摇头转动惯量侧滚转动惯量J3θ=77200kg.m2;每台转向架构架的质量m2=2758kg、点头转动惯量J2φ=2222kg.m2、摇头转动惯量侧滚转动惯量J2θ=2212kg.m2;每一轮对的质量m1=1721kg、摇头转动惯量每一轮轴重W=150000N;每一轮对的横向蠕滑系数f1=16990000N、纵向蠕滑系数f2=16990000N;每一轮对的纵向定位刚度K1x=13.739×106N/m、横向定位刚度K1y=4.892×106N/m;每台转向架单侧一系悬架的垂向等效刚度K1z=2.74×106N/m;每台转向架中央弹簧的纵向刚度K2x=0.18×106N/m、横向定位刚度K2y=0.18×106N/m;每台转向架二系悬置的垂向等效刚度K2z=1.1368×106N/m;单个抗侧滚扭杆的扭转刚度Kθ=2.5×106N.m/rad;一对抗蛇行减振器的阻尼系数Cs=1027kN.s/m;车轮滚动半径r=0.445m、车轮踏面斜度λ=0.15;车轮和钢轨接触点横向间距的一半b=0.7465m,轮轴定位弹簧横向安装间距的一半b1=1.15m,转向架中央弹簧横向安装间距的一半b2=1.3m,抗蛇行减振器横向安装间距的一半b3=1.4m,车体纵向减振器横向安装间距的一半b4=1.2m,车辆定距的一半a=9.5m,转向架轴距的一半a0=1.35m,车体横向减振器纵向安装间距的一半l=13.3m,车体上端端部纵向减振器到车体质心的高度d1=0.5m,车体下端端部纵向减振器到车体质心的高度d2=0.5m,车轴中心线到轨道平面的高度h0=0.347m,车体质心到中央弹簧上平面的高度h1=0.8m,车体质心到二系横向减振器的高度h2=0.616m,中央弹簧上平面到构架质心的高度h3=0.416m,转向架构架质心到车轴中心线的高度h4=0.137m,二系横向减振器到构架质心的高度h5=0.6m,车体端部横向减振器到车体质心的高度h6=0.5m;待设计每台转向架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数为Cd1;待设计每台转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数为Cd2;待设计每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数为C2;待设计车体端部纵向减振器的等效阻尼系数为C3;待设计车体端部横向减振器的等效阻尼系数为Cr。该高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数设计所要求的车辆行驶速度v=300km/h,对该高铁一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器和车体端部横向减振器的阻尼系数进行设计。
本发明实例所提供的高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法,其设计流程图如图1所示,高铁整车23自由度行驶振动模型的主视图如图2所示,高铁整车23自由度行驶振动模型的左视图如图3所示,高铁整车23自由度行驶振动模型的俯视图如图4所示,具体步骤如下:
(1)建立高铁整车23自由度行驶振动微分方程:
根据高铁的单节车体的质量m3=63966kg、点头转动惯量J3φ=2887500kg.m2、摇头转动惯量侧滚转动惯量J3θ=77200kg.m2;每台转向架构架的质量m2=2758kg、点头转动惯量J2φ=2222kg.m2、摇头转动惯量侧滚转动惯量J2θ=2212kg.m2;每一轮对的质量m1=1721kg、摇头转动惯量每一轮轴重W=150000N;每一轮对的横向蠕滑系数f1=16990000N、纵向蠕滑系数f2=16990000N;每一轮对的纵向定位刚度K1x=13.739×106N/m、横向定位刚度K1y=4.892×106N/m;每台转向架单侧一系悬架的垂向等效刚度K1z=2.74×106N/m;每台转向架中央弹簧的纵向刚度K2x=0.18×106N/m、横向定位刚度K2y=0.18×106N/m;每台转向架二系悬置的垂向等效刚度K2z=1.1368×106N/m;单个抗侧滚扭杆的扭转刚度Kθ=2.5×106N.m/rad;一对抗蛇行减振器的阻尼系数Cs=1027kN.s/m;待设计每台转向架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数Cd1;待设计每台转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数Cd2;待设计每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数C2;待设计车体端部纵向减振器的等效阻尼系数C3;待设计车体端部横向减振器的等效阻尼系数Cr;车轮滚动半径r=0.445m、车轮踏面斜度λ=0.15;车轮和钢轨接触点横向间距的一半b=0.7465m,轮轴定位弹簧横向安装间距的一半b1=1.15m,转向架中央弹簧横向安装间距的一半b2=1.3m,抗蛇行减振器横向安装间距的一半b3=1.4m,车体纵向减振器横向安装间距的一半b4=1.2m,车辆定距的一半a=9.5m,转向架轴距的一半a0=1.35m,车体横向减振器纵向安装间距的一半l=13.3m,车体上端端部纵向减振器到车体质心的高度d1=0.5m,车体下端端部纵向减振器到车体质心的高度d2=0.5m,车轴中心线到轨道平面的高度h0=0.347m,车体质心到中央弹簧上平面的高度h1=0.8m,车体质心到二系横向减振器的高度h2=0.616m,中央弹簧上平面到构架质心的高度h3=0.416m,转向架构架质心到车轴中心线的高度h4=0.137m,二系横向减振器到构架质心的高度h5=0.6m,车体端部横向减振器到车体质心的高度h6=0.5m;分别以前转向架轮对的质心O1ff、O1fr,后转向架轮对的质心O1rf、O1rr,前、后转向架构架的质心O2f、O2r及车体的质心O3为坐标原点;以前转向架前轮对的横摆位移y1ff、摇头位移前转向架后轮对的横摆位移y1fr、摇头位移后转向架前轮对的横摆位移y1rf、摇头位移后转向架后轮对的横摆位移y1rr、摇头位移前转向架构架的浮沉位移z2f、点头位移φ2f、横摆位移y2f、摇头位移侧滚位移θ2f,后转向架构架的浮沉位移z2r、点头位移φ2r、横摆位移y2r、摇头位移侧滚位移θ2r,及车体的浮沉位移z3、点头位移φ3、横摆位移y3、摇头位移侧滚位移θ3为坐标;以前转向架前、后车轮及后转向架前、后车轮处的轨道高低不平顺输入z01(t)、z02(t)、z03(t)、z04(t)和方向不平顺输入ya1(t)、ya2(t)、ya3(t)、ya4(t)及水平不平顺输入zθ1(t)、zθ2(t)、zθ3(t)、zθ4(t)为输入激励,其中,t为时间变量;建立高铁整车23自由度行驶振动微分方程,即:
①前转向架前轮对的横摆振动方程:
②前转向架前轮对的摇头振动方程:
③前转向架后轮对的横摆振动方程:
④前转向架后轮对的摇头振动方程:
⑤后转向架前轮对的横摆振动方程:
⑥后转向架前轮对的摇头振动方程:
⑦后转向架后轮对的横摆振动方程:
⑧后转向架后轮对的摇头振动方程:
⑨前转向架构架的浮沉振动方程:
⑩前转向架构架的点头振动方程:
前转向架构架的横摆振动方程:
前转向架构架的侧滚振动方程:
前转向架构架的摇头振动方程:
后转向架构架的浮沉振动方程:
后转向架构架的点头振动方程:
后转向架构架的横摆振动方程:
后转向架构架的侧滚振动方程:
后转向架构架的摇头振动方程:
车体的浮沉振动方程:
车体的点头振动方程:
车体的横摆振动方程:
车体的侧滚振动方程:
其中,h=h0+h1+h3+h4;
车体的摇头振动方程:
(2)构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型:
根据步骤(1)中所建立的高铁整车23自由度行驶振动微分方程,利用Matlab/Simulink仿真软件,构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,如图5所示;
(3)建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J:
根据步骤(2)中所建立的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,以每台转向架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数、每台转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数、每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数、车体端部纵向减振器的等效阻尼系数和车体端部横向减振器的等效阻尼系数为设计变量,以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入、方向不平顺随机输入和水平不平顺随机输入为输入激励,利用仿真所得到的车体浮沉运动的振动频率加权加速度均方根值点头运动的振动频率加权加速度均方根值横摆运动的振动频率加权加速度均方根值侧滚运动的振动频率加权加速度均方根值及摇头运动的振动频率加权加速度均方根值建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J,即:
式中,振动频率加权加速度均方根值的系数1、0.4、1、0.63、0.2,分别为车体浮沉运动、点头运动、横摆运动、侧滚运动、摇头运动的轴加权系数;其中,在不同频率下振动频率加权加速度均方根值的频率加权值,分别为:
(4)高铁一系和二系及端部减振器最佳阻尼系数的优化设计:
①根据车辆定距的一半a=9.5m,转向架轴距的一半a0=1.35m,车辆行驶速度v=300km/h,及步骤(2)中所建立的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入z01(t)、z02(t)、z03(t)、z04(t)、方向不平顺随机输入ya1(t)、ya2(t)、ya3(t)、ya4(t)和水平不平顺随机输入zθ1(t)、zθ2(t)、zθ3(t)、zθ4(t)为输入激励,利用优化算法求步骤(3)中所建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J的最小值,优化设计得到每台转向架单侧一系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd1=34.9kN.s/m,每台转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd2=117.3kN.s/m,每台转向架二系横向减振器的最佳等效阻尼系数C2=107.6kN.s/m,车体端部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C3=2895.6kN.s/m,车体端部横向减振器的最佳等效阻尼系数Cr=187.5kN.s/m;
其中,轨道高低不平顺随机输入之间的关系为:z02(t)=z01(t-0.0324s),z03(t)=z01(t-0.228s),z04(t)=z01(t-0.2604s);方向不平顺随机输入之间的关系为:ya2(t)=ya1(t-0.0324s),ya3(t)=ya1(t-0.228s),ya4(t)=ya1(t-0.2604s);水平不平顺随机输入之间的关系为:zθ2(t)=zθ1(t-0.0324s),zθ3(t)=zθ1(t-0.228s),zθ4(t)=zθ1(t-0.2604s);车辆行驶速度v=300km/h时,各轮对处所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励,分别如图6、图7、图8、图9所示;所施加的德国轨道方向不平顺随机输入激励,分别如图10、图11、图12、图13所示;所施加的德国轨道水平不平顺随机输入激励,分别如图14、图15、图16、图17所示;
②根据每台转向架单侧一系垂向减振器的安装支数n1=2、每台转向架二系垂向减振器的安装支数n2=2、每台转向架二系横向减振器的安装支数n3=2,车体端部纵向减振器的安装支数n4=4,车体端部横向减振器的安装支数n5=1,及①步骤中优化设计所得到的每台转向架单侧一系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd1=34.9kN.s/m、每台转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd2=117.3kN.s/m、每台转向架二系横向减振器的最佳等效阻尼系数C2=107.6kN.s/m、车体端部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C3=2895.6kN.s/m和车体端部横向减振器的最佳等效阻尼系数Cr=187.5kN.s/m,计算得到单支一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器和车体端部横向减振器的最佳阻尼系数,分别为:Cod1=Cd1/n1=17.45kN.s/m,Cod2=Cd2/n2=58.65kN.s/m,Co2=C2/n3=53.8kN.s/m,Co3=C3/n4=723.9kN.s/m,Cor=Cr/n5=187.5kN.s/m。
根据实施例所提供的车辆参数,利用轨道车辆专用软件SIMPACK,通过实体建模仿真验证可得,该高铁一系垂向减振器的最佳阻尼系数Cod1=17.37kN.s/m,二系垂向减振器的最佳阻尼系数Cod2=58.45kN.s/m,二系横向减振器的最佳阻尼系数Co2=53.69kN.s/m,车体端部纵向减振器的最佳阻尼系数Co3=723.73kN.s/m,车体端部横向减振器的最佳阻尼系数Cor=187.25kN.s/m;可知,利用协同优化方法所得到的高铁一系垂向减振器的最佳阻尼系数Cod1=17.45kN.s/m,二系垂向减振器的最佳阻尼系数Cod2=58.65kN.s/m,二系横向减振器的最佳阻尼系数Co2=53.8kN.s/m,车体端部纵向减振器的最佳阻尼系数Co3=723.9kN.s/m,车体端部横向减振器的最佳阻尼系数Cor=187.5kN.s/m,与SIMPACK仿真验证所得到的一系垂向减振器的最佳阻尼系数Cod1=17.37kN.s/m,二系垂向减振器的最佳阻尼系数Cod2=58.45kN.s/m,二系横向减振器的最佳阻尼系数Co2=53.69kN.s/m,车体端部纵向减振器的最佳阻尼系数Co3=723.73kN.s/m,车体端部横向减振器的最佳阻尼系数Cor=187.25kN.s/m相吻合,两者偏差分别为0.08kN.s/m、0.2kN.s/m、0.11kN.s/m、0.17kN.s/m、0.25kN.s/m,相对偏差分别为0.46%、0.34%、0.205%、0.023%、0.13%,表明本发明所提供的高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法是正确的。
Claims (1)
1.高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法,其具体设计步骤如下:
(1)建立高铁整车23自由度行驶振动微分方程:
根据高铁的单节车体的质量m3、点头转动惯量J3φ、摇头转动惯量侧滚转动惯量J3θ;每台转向架构架的质量m2、点头转动惯量J2φ、摇头转动惯量侧滚转动惯量J2θ;每一轮对的质量m1、摇头转动惯量每一轮轴重W;每一轮对的横向蠕滑系数f1、纵向蠕滑系数f2;每一轮对的纵向定位刚度K1x、横向定位刚度K1y;每台转向架单侧一系悬架的垂向等效刚度K1z;每台转向架中央弹簧的纵向刚度K2x、横向定位刚度K2y;每台转向架二系悬置的垂向等效刚度K2z;单个抗侧滚扭杆的扭转刚度Kθ;一对抗蛇行减振器的阻尼系数Cs;待设计每台转向架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数Cd1;待设计每台转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数Cd2;待设计每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数C2;待设计车体端部纵向减振器的等效阻尼系数C3;待设计车体端部横向减振器的等效阻尼系数Cr;车轮滚动半径r、车轮踏面斜度λ;车辆行驶速度v;车轮和钢轨接触点横向间距的一半b,轮轴定位弹簧横向安装间距的一半b1,转向架中央弹簧横向安装间距的一半b2,抗蛇行减振器横向安装间距的一半b3,车体纵向减振器横向安装间距的一半b4,车辆定距的一半a,转向架轴距的一半a0,车体横向减振器纵向安装间距的一半l,车体上端端部纵向减振器到车体质心的高度d1,车体下端端部纵向减振器到车体质心的高度d2,车轴中心线到轨道平面的高度h0,车体质心到中央弹簧上平面的高度h1,车体质心到二系横向减振器的高度h2,中央弹簧上平面到构架质心的高度h3,转向架构架质心到车轴中心线的高度h4,二系横向减振器到构架质心的高度h5,车体端部横向减振器到车体质心的高度h6;分别以前转向架轮对的质心O1ff、O1fr,后转向架轮对的质心O1rf、O1rr,前、后转向架构架的质心O2f、O2r及车体的质心O3为坐标原点;以前转向架前轮对的横摆位移y1ff、摇头位移前转向架后轮对的横摆位移y1fr、摇头位移后转向架前轮对的横摆位移y1rf、摇头位移后转向架后轮对的横摆位移y1rr、摇头位移前转向架构架的浮沉位移z2f、点头位移φ2f、横摆位移y2f、摇头位移侧滚位移θ2f,后转向架构架的浮沉位移z2r、点头位移φ2r、横摆位移y2r、摇头位移侧滚位移θ2r,及车体的浮沉位移z3、点头位移φ3、横摆位移y3、摇头位移侧滚位移θ3为坐标;以前转向架前、后车轮及后转向架前、后车轮处的轨道高低不平顺输入z01(t)、z02(t)、z03(t)、z04(t)和方向不平顺输入ya1(t)、ya2(t)、ya3(t)、ya4(t)及水平不平顺输入zθ1(t)、zθ2(t)、zθ3(t)、zθ4(t)为输入激励,其中,t为时间变量;建立高铁整车23自由度行驶振动微分方程,即:
①前转向架前轮对的横摆振动方程:
②前转向架前轮对的摇头振动方程:
③前转向架后轮对的横摆振动方程:
④前转向架后轮对的摇头振动方程:
⑤后转向架前轮对的横摆振动方程:
⑥后转向架前轮对的摇头振动方程:
⑦后转向架后轮对的横摆振动方程:
⑧后转向架后轮对的摇头振动方程:
⑨前转向架构架的浮沉振动方程:
⑩前转向架构架的点头振动方程:
前转向架构架的横摆振动方程:
前转向架构架的侧滚振动方程:
前转向架构架的摇头振动方程:
后转向架构架的浮沉振动方程:
后转向架构架的点头振动方程:
后转向架构架的横摆振动方程:
后转向架构架的侧滚振动方程:
后转向架构架的摇头振动方程:
车体的浮沉振动方程:
车体的点头振动方程:
车体的横摆振动方程:
车体的侧滚振动方程:
其中,h=h0+h1+h3+h4;
车体的摇头振动方程:
(2)构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型:
根据步骤(1)中所建立的高铁整车23自由度行驶振动微分方程,利用Matlab/Simulink仿真软件,构建高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型;
(3)建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J:
根据步骤(2)中所建立的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,以每台转向架单侧一系垂向减振器的等效阻尼系数、每台转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数、每台转向架二系横向减振器的等效阻尼系数、车体端部纵向减振器的等效阻尼系数和车体端部横向减振器的等效阻尼系数为设计变量,以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入、方向不平顺随机输入和水平不平顺随机输入为输入激励,利用仿真所得到的车体浮沉运动的振动频率加权加速度均方根值点头运动的振动频率加权加速度均方根值横摆运动的振动频率加权加速度均方根值侧滚运动的振动频率加权加速度均方根值及摇头运动的振动频率加权加速度均方根值建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J,即:
式中,振动频率加权加速度均方根值的系数1、0.4、1、0.63、0.2,分别为车体浮沉运动、点头运动、横摆运动、侧滚运动、摇头运动的轴加权系数;其中,在不同频率下振动频率加权加速度均方根值的频率加权值,分别为:
(4)高铁一系和二系及端部减振器最佳阻尼系数的优化设计:
①根据车辆定距的一半a,转向架轴距的一半a0,车辆行驶速度v,及步骤(2)中所建立的高铁整车23自由度振动协同优化仿真模型,以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入z01(t)、z02(t)、z03(t)、z04(t)、方向不平顺随机输入ya1(t)、ya2(t)、ya3(t)、ya4(t)和水平不平顺随机输入zθ1(t)、zθ2(t)、zθ3(t)、zθ4(t)为输入激励,利用优化算法求步骤(3)中所建立高铁一系和二系及端部减振器的阻尼协同优化目标函数J的最小值,所对应的设计变量即为每台转向架单侧一系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd1、每台转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd2、每台转向架二系横向减振器的最佳等效阻尼系数C2、车体端部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C3和车体端部横向减振器的最佳等效阻尼系数Cr;
其中,轨道高低不平顺随机输入之间的关系为: 方向不平顺随机输入之间的关系为: 水平不平顺随机输入之间的关系为:
②根据每台转向架单侧一系垂向减振器的安装支数n1、每台转向架二系垂向减振器的安装支数n2、每台转向架二系横向减振器的安装支数n3,车体端部纵向减振器的安装支数n4,车体端部横向减振器的安装支数n5,及①步骤中优化设计所得到的每台转向架单侧一系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd1、每台转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数Cd2、每台转向架二系横向减振器的最佳等效阻尼系数C2、车体端部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C3和车体端部横向减振器的最佳等效阻尼系数Cr,计算得到单支一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、车体端部纵向减振器和车体端部横向减振器的最佳阻尼系数,分别为:Cod1=Cd1/n1,Cod2=Cd2/n2,Co2=C2/n3,Co3=C3/n4,Cor=Cr/n5。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510560202.6A CN105117556B (zh) | 2015-09-06 | 2015-09-06 | 高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510560202.6A CN105117556B (zh) | 2015-09-06 | 2015-09-06 | 高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105117556A true CN105117556A (zh) | 2015-12-02 |
CN105117556B CN105117556B (zh) | 2018-06-29 |
Family
ID=54665544
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510560202.6A Expired - Fee Related CN105117556B (zh) | 2015-09-06 | 2015-09-06 | 高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105117556B (zh) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107330190A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-11-07 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁 |
CN108801823A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-13 | 南京航空航天大学 | 一种多尺度的复合材料结构局部疲劳评估方法及系统 |
CN110502726A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-11-26 | 西南交通大学 | 一种轨道车辆车内噪音预测方法及装置 |
CN110667631A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-01-10 | 西南交通大学 | 一种控制车体异常抖动装置及控制方法 |
CN110949417A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-03 | 中车株洲电力机车有限公司 | 一种轨道车辆车下设备悬挂控制方法、装置及系统 |
CN111222087A (zh) * | 2020-01-15 | 2020-06-02 | 西南交通大学 | 一种铁道客车车体滚摆频率和摆心位置计算方法 |
CN115358012A (zh) * | 2022-10-17 | 2022-11-18 | 西南交通大学 | 一种铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法、设备及介质 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102622519A (zh) * | 2012-03-09 | 2012-08-01 | 北京交通大学 | 一种轨道不平顺幅值安全域估计方法 |
CN103991458A (zh) * | 2014-05-22 | 2014-08-20 | 江苏大学 | 应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架及其参数确定方法 |
CN104156549A (zh) * | 2014-09-03 | 2014-11-19 | 山东理工大学 | 车辆座椅振动模型的座垫等效刚度和等效阻尼的辨识方法 |
-
2015
- 2015-09-06 CN CN201510560202.6A patent/CN105117556B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102622519A (zh) * | 2012-03-09 | 2012-08-01 | 北京交通大学 | 一种轨道不平顺幅值安全域估计方法 |
CN103991458A (zh) * | 2014-05-22 | 2014-08-20 | 江苏大学 | 应用惯容器的轨道车辆二系垂向悬架及其参数确定方法 |
CN104156549A (zh) * | 2014-09-03 | 2014-11-19 | 山东理工大学 | 车辆座椅振动模型的座垫等效刚度和等效阻尼的辨识方法 |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107330190A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-11-07 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁 |
CN107330190B (zh) * | 2017-06-30 | 2019-07-05 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁 |
CN108801823A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-13 | 南京航空航天大学 | 一种多尺度的复合材料结构局部疲劳评估方法及系统 |
CN108801823B (zh) * | 2018-06-25 | 2019-08-23 | 南京航空航天大学 | 一种多尺度的复合材料结构局部疲劳评估方法及系统 |
CN110502726A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-11-26 | 西南交通大学 | 一种轨道车辆车内噪音预测方法及装置 |
CN110667631A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-01-10 | 西南交通大学 | 一种控制车体异常抖动装置及控制方法 |
CN110949417A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-03 | 中车株洲电力机车有限公司 | 一种轨道车辆车下设备悬挂控制方法、装置及系统 |
CN111222087A (zh) * | 2020-01-15 | 2020-06-02 | 西南交通大学 | 一种铁道客车车体滚摆频率和摆心位置计算方法 |
CN111222087B (zh) * | 2020-01-15 | 2021-09-14 | 西南交通大学 | 一种铁道客车车体滚摆频率和摆心位置计算方法 |
CN115358012A (zh) * | 2022-10-17 | 2022-11-18 | 西南交通大学 | 一种铁道车辆转向架疲劳载荷系数评价方法、设备及介质 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105117556B (zh) | 2018-06-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105117556A (zh) | 高铁一系和二系及端部减振器阻尼系数的协同优化方法 | |
CN105069261B (zh) | 低速轨道车辆二系横向减振器最优阻尼系数的设计方法 | |
CN101847270A (zh) | 基于虚拟样机的四轴重型货车悬架系统控制模拟方法 | |
CN105138783A (zh) | 高速轨道车辆车体端部横向减振器阻尼系数的设计方法 | |
CN103630378B (zh) | 高速列车乘客舒适度检测方法 | |
CN105160105A (zh) | 高铁二系垂向及端部纵向减振器阻尼系数的协同优化方法 | |
Gong et al. | Modal vibration decomposition method and its application on multi-mode vibration control of high-speed railway car bodies | |
CN105069260A (zh) | 高速轨道车辆二系垂向悬置最优阻尼比的优化设计方法 | |
CN105160104B (zh) | 高速轨道车辆抗蛇行减振器最优阻尼系数的解析计算方法 | |
CN105138786A (zh) | 高铁二系及车体端部横向减振器阻尼系数的协同优化方法 | |
CN105117554B (zh) | 高速轨道车辆一系垂向悬架最优阻尼比的设计方法 | |
CN105183979A (zh) | 高铁垂向及车体端部纵向减振器阻尼系数的协同优化方法 | |
CN105183982B (zh) | 高速轨道车辆车体端部纵向减振器阻尼系数的设计方法 | |
CN105160179B (zh) | 高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的解析计算方法 | |
CN105224718B (zh) | 高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法 | |
CN105160103A (zh) | 高速轨道车辆一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法 | |
Dumitriu | Numerical analysis of the influence of lateral suspension parameters on the ride quality of railway vehicles | |
CN110949436A (zh) | 一种变轨距动力转向架二系及电机横向减振器最优阻尼调控方法 | |
CN105302944A (zh) | 基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法 | |
Niu et al. | Dynamic stiffness characteristics analysis of bogie suspension for rail vehicle based on big data-driven bench test | |
CN105069259A (zh) | 低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的解析计算方法 | |
CN105138784A (zh) | 高速轨道车辆座椅悬置最佳阻尼比的解析计算方法 | |
CN105160180B (zh) | 高速轨道车辆二系垂向悬置最优阻尼比的解析计算方法 | |
Wang et al. | Study on coupled vibration performance of flexible carbody and under-frame suspended equipment of inter-city EMU | |
CN110990954A (zh) | 一种变轨距非动力转向架二系横向减振器最优阻尼调控方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180629 Termination date: 20200906 |
|
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |