CN105160103B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明涉及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，属于高速轨道车辆悬置技术领域。本发明通过构建一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，以车体垂向运动的振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设计得到一系垂向悬架和二系垂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一系垂向悬架和二系垂向悬置系统的最优阻尼比值，为高速轨道车辆一系和二系垂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和车辆乘坐舒适性，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

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
技术领域
本发明涉及高速轨道车辆悬置，特别是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。
背景技术
一系垂向悬置及二系垂向悬置系统的阻尼比对高速轨道车辆的乘坐舒适性具有重要的影响，其设计或选取，是设计一系垂向减振器和二系垂向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一系及二系垂向悬置阻尼比的设计，一直没有给出系统的理论设计方法，大都是对一系垂向悬置和二系垂向悬置系统分别单独进行研究，并按经验选取一定的一系垂向悬置的阻尼比值(通常经验阻尼比为0.2～0.3)和二系垂向悬置的阻尼比值(通常经验阻尼比为0.2～0.45)，然后，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阻尼比的大小。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，由于一系及二系垂向悬置是一个相互耦合的复杂系统，目前这种分别单独建模对其悬置阻尼比进行设计的方法，难以使一系及二系垂向悬置系统的阻尼比达到最佳匹配，且随着轨道车辆行驶速度的不断提高，目前一系及二系垂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一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法，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；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、可靠的高速轨道车辆一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化方法，其设计流程图如图1所示；1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图如图2所示。
为解决上述技术问题，本发明所提供的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，其特征在于采用以下设计步骤：
(1)建立1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程：
根据轨道车辆的1/4单节车体的满载质量m2，单个转向架构架质量的一半m1；一系垂向悬置的等效刚度K1；二系垂向悬置的刚度K2；待设计一系垂向悬置的阻尼比ξ1，其中，一系垂向减振器的等效阻尼系数待设计二系垂向悬置的阻尼比ξ2，其中，二系垂向减振器的阻尼系数一系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd1，二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2；以一系垂向减振器活塞杆的垂向位移zd1，转向架构架质心的垂向位移z1，二系垂向减振器活塞杆的垂向位移zd2及车体垂向振动位移z2为坐标；以轨道高低不平顺随机输入zv为输入激励；建立1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，即：
(2)构建一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型：
根据步骤(1)中所建立的1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型；
(3)建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J：
根据步骤(2)中所建立的一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以一系垂向悬置阻尼比和二系垂向悬置阻尼比为设计变量，以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车体垂向振动加速度的均方根值建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J，即：
(4)一系垂向悬置最优阻尼比ξob及二系垂向悬置最优阻尼比ξoc的优化设计：
根据步骤(2)中所建立的一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以轨道高低不平顺随机输入zv为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J的最小值，所对应的设计变量即为一系垂向悬置系统的最优阻尼比ξob和二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξoc。
本发明比现有技术具有的优点：
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一系及二系垂向悬置阻尼比的设计，一直没有给出系统的理论设计方法，大都是对一系垂向悬置和二系垂向悬置系统分别单独进行研究，并按经验选取一定的一系垂向悬置的阻尼比值(通常经验阻尼比为0.2～0.3)和二系垂向悬置的阻尼比值(通常经验阻尼比为0.2～0.45)，然后，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阻尼比的大小。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，由于一系及二系垂向悬置是一个相互耦合的复杂系统，目前这种分别单独建模对其悬置阻尼比进行设计的方法，难以使一系及二系垂向悬置系统的阻尼比达到最佳匹配，且随着轨道车辆行驶速度的不断提高，目前一系及二系垂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。
本发明通过建立1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，利用MATLAB/Simulink仿真软件，构建了一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，并以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，以车体垂向运动的振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设计得到一系垂向悬置和二系垂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一系垂向悬置和二系垂向悬置系统的最优阻尼比值，为高速轨道车辆一系和二系垂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；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是高速轨道车辆一系及二系垂向悬置阻尼比协同优化方法的设计流程图；
图2是1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图；
图3是实施例的一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型；
图4是实施例所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励zv。
具体实施方式
下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。
某高速轨道车辆的1/4单节车体的满载质量m2＝14398kg，单个转向架构架质量的一半m1＝1379kg，一系垂向悬置的等效刚度K1＝2.74×106N/m；二系垂向悬置的刚度K2＝5.68×105N/m；一系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd1＝40×106N/m，二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2＝20×106N/m；待设计一系垂向悬置的阻尼比为ξ1，其中，一系垂向减振器的等效阻尼系数待设计二系垂向悬置的阻尼比为ξ2，其中，二系垂向减振器的阻尼系数该高速轨道车辆一系及二系垂向悬置阻尼比设计所要求的车辆行驶速度v＝300km/h，对该高速轨道车辆一系及二系垂向悬置的最优阻尼比进行设计。
本发明实例所提供的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，其设计流程图如图1所示，1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图如图2所示，具体步骤如下：
(1)建立1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程：
根据轨道车辆的1/4单节车体的满载质量m2＝14398kg，单个转向架构架质量的一半m1＝1379kg；一系垂向悬置的等效刚度K1＝2.74×106N/m；二系垂向悬置的刚度K2＝5.68×105N/m；待设计一系垂向悬置的阻尼比ξ1，其中，一系垂向减振器的等效阻尼系数待设计二系垂向悬置的阻尼比ξ2，其中，二系垂向减振器的阻尼系数一系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd1＝40×106N/m，二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2＝20×106N/m；以一系垂向减振器活塞杆的垂向位移zd1，转向架构架质心的垂向位移z1，二系垂向减振器活塞杆的垂向位移zd2及车体质心的垂向位移z2为坐标；以轨道高低不平顺随机输入zv为输入激励；建立1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，即：
其中，
(2)构建一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型：
根据步骤(1)中所建立的1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，如图3所示；
(3)建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J：
根据步骤(2)中所建立的一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以一系垂向悬置阻尼比和二系垂向悬置阻尼比为设计变量，以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车体垂向运动的振动加速度均方根值建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J，即：
(4)一系垂向悬置最优阻尼比ξob及二系垂向悬置最优阻尼比ξoc的优化设计：
根据步骤(2)中所建立的一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以轨道高低不平顺随机输入zv为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J的最小值，优化设计得到一系垂向悬置系统的最优阻尼比ξob＝0.3308，二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξoc＝0.2220；
其中，车辆行驶速度v＝300km/h时，所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励zv，如图4所示。
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，该高速轨道车辆一系垂向悬置系统的最优阻尼比ξob＝0.3282，二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξoc＝0.2183；可知，利用协同优化方法所得到的一系垂向悬置系统的最优阻尼比ξob＝0.3308，二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξoc＝0.2220，与SIMPACK仿真验证所得到的一系垂向悬置系统的最优阻尼比ξob＝0.3282，二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξoc＝0.2183相吻合，两者偏差分别为0.0026、0.0037，相对偏差分别为0.79％、1.69％，表明所建立的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是正确的。

Claims (1)

1.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，其具体设计步骤如下：
(1)建立1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程：
根据轨道车辆的1/4单节车体的满载质量m2，单个转向架构架质量的一半m1；一系垂向悬置的等效刚度K1；二系垂向悬置的刚度K2；待设计一系垂向悬架的阻尼比ξ1，其中，一系垂向减振器的等效阻尼系数待设计二系垂向悬置的阻尼比ξ2，其中，二系垂向减振器的阻尼系数一系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd1，二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2；以一系垂向减振器活塞杆的垂向位移zd1，转向架构架质心的垂向位移z1，二系垂向减振器活塞杆的垂向位移zd2及车体垂向振动位移z2为坐标；以轨道高低不平顺随机输入zv为输入激励；建立1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，即：
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(2)构建一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型：
根据步骤(1)中所建立的1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型；
(3)建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J：
根据步骤(2)中所建立的一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以一系垂向悬架阻尼比和二系垂向悬置阻尼比为设计变量，以轨道高低不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车体垂向振动加速度的均方根值建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J，即：
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(4)一系垂向悬架最优阻尼比ξob及二系垂向悬置最优阻尼比ξoc的优化设计：
根据步骤(2)中所建立的一系及二系垂向悬置系统的垂向振动协同优化仿真模型，以轨道高低不平顺随机输入zv为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立一系及二系垂向悬置阻尼比的协同优化目标函数J的最小值，所对应的设计变量即为一系垂向悬架系统的最优阻尼比ξob和二系垂向悬置系统的最优阻尼比ξoc。
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