CN105183984B - 低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法，属于低速轨道车辆悬置技术领域。本发明通过建立低速轨道车辆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，构建了二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，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，优化设计得到低速轨道车辆二系垂向悬置系统的最佳阻尼比。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二系垂向悬置的最佳阻尼比值，为低速轨道车辆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，不仅可提高低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。
Description
技术领域
本发明涉及低速轨道车辆悬置，特别是低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法。
背景技术
二系垂向悬置系统阻尼比对低速轨道车辆的乘坐舒适性和安全性具有重要的影响，其设计或选取，是设计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，大都是按经验选取一定的阻尼比值(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，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，随着轨道车辆行业的不断发展，人们对二系垂向悬置阻尼比的设计提出了更高的要求，目前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，不能满足轨道车辆快速发展情况下对减振器设计要求的发展。因此，必须建立一种准确、可靠的低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法，满足轨道车辆快速发展情况下对减振器设计的要求，提高低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、可靠的低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法，其设计流程图如图1所示；低速轨道车辆1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图2所示。
为解决上述技术问题，本发明所提供的低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：
(1)建立低速轨道车辆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；每轴箱定位装置的垂向等效刚度K1；二系垂向悬置的刚度K2；待设计二系垂向悬置的阻尼比ξ，其中，二系垂向减振器的等效阻尼系数二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2；以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；建立低速轨道车辆1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，即：
其中，
(2)构建二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型：
根据步骤(1)中所建立的低速轨道车辆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，构建二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型；
(3)建立二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J：
根据步骤(2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，以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二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J，即：
(4)低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比ξo的优化设计：
根据步骤(2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，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)中所建立二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J的最小值，所对应的设计变量即为低速轨道车辆二系垂向悬置系统的最佳阻尼比ξo。
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，大都是按经验选取一定的阻尼比值(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，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，随着轨道车辆行业的不断发展，人们对二系垂向悬置阻尼比的设计提出了更高的要求，目前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，不能满足轨道车辆快速发展情况下对减振器设计要求的发展。
本发明通过建立低速轨道车辆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，构建了二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，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，优化设计得到低速轨道车辆二系垂向悬置系统的最佳阻尼比。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二系垂向悬置系统的最佳阻尼比值，为低速轨道车辆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，不仅可提高低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是低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比优化设计方法的设计流程图；
图2是低速轨道车辆1/4车体四自由度行驶垂向振动模型图；
图3是实施例的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型；
图4是实施例所施加的美国轨道高低不平顺随机输入激励zv。
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。
某低速轨道车辆的1/4单节车体的满载质量m2＝14228kg，单个转向架构架质量的一半m1＝1155kg；每轴箱定位装置的垂向等效刚度K1＝1.48×106N/m；二系垂向悬置的刚度K2＝561.68kN/m；二系垂向减振器的端部连接刚度Kd2＝20×106N/m；待设计二系垂向悬置的阻尼比为ξ，其中，二系垂向减振器的等效阻尼系数该低速轨道车辆二系垂向悬置阻尼比设计所要求的车辆行驶速度v＝100km/h，对该低速轨道车辆二系垂向悬置的最佳阻尼比进行设计。
本发明实例所提供的低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法，其设计流程图如图1所示，低速轨道车辆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)建立低速轨道车辆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＝14228kg，单个转向架构架质量的一半m1＝1155kg；每轴箱定位装置的垂向等效刚度K1＝1.48×106N/m；二系垂向悬置的刚度K2＝561.68kN/m；待设计二系垂向悬置的阻尼比ξ，其中，二系垂向减振器的等效阻尼系数二系垂向减振器端部连接的等效刚度Kd2＝20×106N/m；以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；建立低速轨道车辆1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，即：
其中，
(2)构建二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型：
根据步骤(1)中所建立的低速轨道车辆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，构建二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，如图3所示；
(3)建立二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J：
根据步骤(2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，以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二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J，即：
(4)低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比ξo的优化设计：
根据步骤(2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，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)中所建立二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J的最小值，优化设计得到低速轨道车辆二系垂向悬置系统的最佳阻尼比ξo＝0.3121；
其中，车辆行驶速度v＝100km/h时，所施加的美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，该低速轨道车辆二系垂向悬置系统的最佳阻尼比ξo＝0.3101；可知，利用优化设计方法所得到的低速轨道车辆二系垂向悬置系统的最佳阻尼比ξo＝0.3121，与SIMPACK仿真验证所得到的最佳阻尼比ξo＝0.3101相吻合，两者偏差仅为0.002，相对偏差仅为0.64％，表明所建立的低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法是正确的。
Claims (1)
1.低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计方法，其具体设计步骤如下：
(1)建立低速轨道车辆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；每轴箱定位装置的垂向等效刚度K1；二系垂向悬置的刚度K2；待设计二系垂向悬置的阻尼比ξ，其中，二系垂向减振器的等效阻尼系数二系垂向减振器的端部连接等效刚度Kd2；以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；建立低速轨道车辆1/4车体四自由度行驶垂向振动微分方程，即：
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(2)构建二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型：
根据步骤(1)中所建立的低速轨道车辆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，构建二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型；
(3)建立二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J：
根据步骤(2)中所建立的二系垂向悬置系统的垂向振动优化设计仿真模型，以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二系垂向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J，即：
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(4)低速轨道车辆二系垂向悬置最佳阻尼比ξo的优化设计：
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| CN104156547A (zh) * | 2014-09-03 | 2014-11-19 | 山东理工大学 | 车辆钢板弹簧悬架系统减振器最佳阻尼特性的设计方法 |
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