高鐵一系和二系及端部減振器阻尼系數(shù)的協(xié)同優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高速軌道車輛懸置，特別是高鐵一系和二系及端部減振器阻尼系數(shù)的 協(xié)同優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 一系垂向減振器、二系垂向減振器、二系橫向減振器、車體端部縱向減振器及車體 端部橫向減振器對高鐵的乘坐舒適性和安全性具有重要的影響。然而，據(jù)所查閱資料可 知，由于高鐵屬于多自由度振動系統(tǒng)，對其進行動力學分析計算非常困難，目前國內(nèi)外對于 高鐵一系和二系及端部減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計，一直沒有給出系統(tǒng)的理論設(shè)計方法，大都 是對一系垂向減振器、二系垂向減振器、二系橫向減振器、車體端部縱向減振器和車體端部 橫向減振器分別單獨進行研究，并借助計算機技術(shù)，利用多體動力學仿真軟件SIMPACK或 ADAMS/Rail，分別通過實體建模來優(yōu)化和確定其大小，盡管該方法可以得到比較可靠的仿 真數(shù)值，使車輛具有較好的動力性能，然而，由于一系垂向減振器、二系垂向減振器、二系橫 向減振器、車體端部縱向減振器及車體端部橫向減振器是一個相互耦合的復雜系統(tǒng)，目前 這種分別單獨建模對其減振器阻尼系數(shù)進行設(shè)計的方法，難以使高鐵一系和二系及端部減 振器的阻尼系數(shù)達到最佳匹配，且隨著高鐵行駛速度的不斷提高，人們對一系和二系及端 部減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計提出了更高的要求，目前高鐵一系和二系及端部減振器阻尼系數(shù) 設(shè)計的方法不能給出具有指導意義的創(chuàng)新理論，不能滿足軌道車輛不斷提速情況下對減振 器設(shè)計要求的發(fā)展。因此，必須建立一種準確、可靠的高鐵一系和二系及端部減振器阻尼 系數(shù)的協(xié)同優(yōu)化方法，滿足軌道車輛不斷提速情況下對減振器設(shè)計的要求，提高高鐵懸置 系統(tǒng)的設(shè)計水平及產(chǎn)品質(zhì)量，提高車輛乘坐舒適性和安全性；同時，降低產(chǎn)品設(shè)計及試驗費 用，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，增強我國軌道車輛的國際市場競爭力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種準確、 可靠的高鐵一系和二系及端部減振器阻尼系數(shù)的協(xié)同優(yōu)化方法，其設(shè)計流程圖如圖1所 示；高鐵整車23自由度行駛振動模型的主視圖如圖2所示，高鐵整車23自由度行駛振動模 型的左視圖如圖3所示，高鐵整車23自由度行駛振動模型的俯視圖如圖4所示。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的高鐵一系和二系及端部減振器阻尼系數(shù)的 協(xié)同優(yōu)化方法，其特征在于采用以下設(shè)計步驟：
[0005] (1)建立高鐵整車23自由度行駛振動微分方程：
[0006] 根據(jù)高鐵的單節(jié)車體的質(zhì)量m3、點頭轉(zhuǎn)動慣量J341、搖頭轉(zhuǎn)動慣量側(cè)滾轉(zhuǎn)動慣 量Jse ;每臺轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的質(zhì)量111 2、點頭轉(zhuǎn)動慣量J241、搖頭轉(zhuǎn)動慣量《/2p、側(cè)滾轉(zhuǎn)動慣量J2 e ; 每一輪對的質(zhì)量Hl1、搖頭轉(zhuǎn)動慣量Ap:;每一輪軸重W ;每一輪對的橫向蠕滑系數(shù)、縱向蠕 滑系數(shù)f2;每一輪對的縱向定位剛度K lx、橫向定位剛度Kly;每臺轉(zhuǎn)向架單側(cè)一系懸架的垂 向等效剛度Klz;每臺轉(zhuǎn)向架中央彈簧的縱向剛度K 2x、橫向定位剛度K2y;每臺轉(zhuǎn)向架二系懸 置的垂向等效剛度K2z;單個抗側(cè)滾扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度K e ;-對抗蛇行減振器的阻尼系數(shù)C s;待設(shè)計每臺轉(zhuǎn)向架單側(cè)一系垂向減振器的等效阻尼系數(shù)Cdl;待設(shè)計每臺轉(zhuǎn)向架二系垂向 減振器的等效阻尼系數(shù)Cd2;待設(shè)計每臺轉(zhuǎn)向架二系橫向減振器的等效阻尼系數(shù)C 2;待設(shè)計 車體端部縱向減振器的等效阻尼系數(shù)C3;待設(shè)計車體端部橫向減振器的等效阻尼系數(shù)C」 車輪滾動半徑r、車輪踏面斜度λ ;車輛行駛速度V;車輪和鋼軌接觸點橫向間距的一半b， 輪軸定位彈簧橫向安裝間距的一半h，轉(zhuǎn)向架中央彈簧橫向安裝間距的一半b2，抗蛇行減 振器橫向安裝間距的一半b3,車體縱向減振器橫向安裝間距的一半b4，車輛定距的一半a， 轉(zhuǎn)向架軸距的一半a。，車體橫向減振器縱向安裝間距的一半1，車體上端端部縱向減振器到 車體質(zhì)心的高度Cl1，車體下端端部縱向減振器到車體質(zhì)心的高度d2，車軸中心線到軌道平 面的高度h。，車體質(zhì)心到中央彈簧上平面的高度Ill，車體質(zhì)心到二系橫向減振器的高度h2， 中央彈簧上平面到構(gòu)架質(zhì)心的高度h3，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)心到車軸中心線的高度h4，二系橫向 減振器到構(gòu)架質(zhì)心的高度h5，車體端部橫向減振器到車體質(zhì)心的高度h6;分別以前轉(zhuǎn)向架 輪對的質(zhì)心〇lff、〇lft，后轉(zhuǎn)向架輪對的質(zhì)心O11^Oh，前、后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的質(zhì)心0 2f、0&及車體 的質(zhì)心O3為坐標原點；以前轉(zhuǎn)向架前輪對的橫擺位移y lff、搖頭位移奶i/，前轉(zhuǎn)向架后輪對的 橫擺位移ylft、搖頭位移心〃，后轉(zhuǎn)向架前輪對的橫擺位移ylrf、搖頭位移后轉(zhuǎn)向架后輪 對的橫擺位移yh、搖頭位移奶〃，前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的浮沉位移z2f、點頭位移Φ2f、橫擺位移y 2f、 搖頭位移_側(cè)滾位移02f，后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的浮沉位移z&、點頭位移φ&、橫擺位移、搖 頭位移#&、側(cè)滾位移Θ &，及車體的浮沉位移Z3、點頭位移Φ3、橫擺位移y3、搖頭位移f 3、側(cè) 滾位移Θ 3為坐標；以前轉(zhuǎn)向架前、后車輪及后轉(zhuǎn)向架前、后車輪處的軌道高低不平順輸入 Z01 (t)、Z02 (t)、Z03 (t)、Z04⑴和方向不平順輸入yal (t)、ya2 (t)、ya3 (t)、ya4⑴及水平不平順 輸入^1(〇、202(〇、^3(〇、204(〇為輸入激勵，其中4為時間變量；建立高鐵整車23自 由度行駛振動微分方程，BP :
[0007] ①前轉(zhuǎn)向架前輪對的橫擺振動方程：
[0009] ②前轉(zhuǎn)向架前輪對的搖頭振動方程：
[0011] ③前轉(zhuǎn)向架后輪對的橫擺振動方程：
[0013] ④前轉(zhuǎn)向架后輪對的搖頭振動方程：
[0014] CN 105117556 A 說明書 3/13 頁
[0015] ⑤后轉(zhuǎn)向架前輪對的橫擺振動方程：
[0017] ⑥后轉(zhuǎn)向架前輪對的搖頭振動方程：
[0019] ⑦后轉(zhuǎn)向架后輪對的橫擺振動方程：
[0021] ⑧后轉(zhuǎn)向架后輪對的搖頭振動方程：
[0023] ⑨前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的浮沉振動方程：
[0025] ⑩前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的點頭振動方程：
[0027] ?前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺振動方程：
[0029] ?前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的側(cè)滾振動方程：
[0031] ?前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的搖頭振動方程：
[0033] (|$.后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的浮沉振動方程：
[0035] _:后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的點頭振動方程：
[0037] _,后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺振動方程：
[0039] ?,后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的側(cè)滾振動方程：
[0041] 后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的搖頭振動方程：
[0043] ⑩車體的浮沉振動方程：
[0045] ⑩車體的點頭振動方程：
[0047] ?車體的橫擺振動方程：
[0049] ?車體的側(cè)滾振動方程：
[0051] 其中，h = ho+hi+l^+hw
[0052] 車體的搖頭振動方程：
[0053] CN 105117556 A 說明書 5/13 頁
[0054] (2)構(gòu)建高鐵整車23自由度振動協(xié)同優(yōu)化仿真模型：
[0055] 根據(jù)步驟（1)中所建立的高鐵整車23自由度行駛振動微分方程，利用Matlab/ Simulink仿真軟件，構(gòu)建高鐵整車23自由度振動協(xié)同優(yōu)化仿真模型；
[0056] (3)建立高鐵一系和二系及端部減振器的阻尼協(xié)同優(yōu)化目標函數(shù)J :
[0057] 根據(jù)步驟（2)中所建立的高鐵整車23自由度振動協(xié)同優(yōu)化仿真模型，以每臺轉(zhuǎn)向 架單側(cè)一系垂向減振器的等效阻尼系數(shù)、每臺轉(zhuǎn)向架二系垂向減振器的等效阻尼系數(shù)、每 臺轉(zhuǎn)向架二系橫向減振器的等效阻尼系數(shù)、車體端部縱向減振器的等效阻尼系數(shù)和車體端 部橫向減振器的等效阻尼系數(shù)為設(shè)計變量，以各輪對處的軌道高低不平順隨機輸入、方向 不平順隨機輸入和水平不平順隨機輸入為輸入激勵，利用仿真所得到的車體浮沉運動的振 動頻率加權(quán)加速度均方根值、點頭運動的振動頻率加權(quán)加速度均方根值^^、橫擺運 動的振動頻率加權(quán)加速度均方根值crW、側(cè)滾運動的振動頻率加權(quán)加速度均方根值^及 搖頭運動的振動頻率加權(quán)加速度均方根值，建立高鐵一系和二系及端部減振器的阻尼 協(xié)同優(yōu)化目標函數(shù)J，即：
[0059]式中，振動頻率加權(quán)加速度均方根值^^、的系數(shù)1、 0. 4、1、0. 63、0. 2,分別為車體浮沉運動、點頭運動、橫擺運動、側(cè)滾運動、搖頭運動的軸加權(quán) 系數(shù)；其中，在不同頻率下振動頻率加權(quán)加速度均方根值的 頻率加權(quán)值，分別為：
[0065] (4)高鐵一系和二系及端部減振器最佳阻尼系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計：
[0066] ①根據(jù)車輛定距的一半a，轉(zhuǎn)向架軸距的一半a。，車輛行駛速度V，及步驟（2)中所 建立的高鐵整車23自由度振動協(xié)同優(yōu)化仿真模型，以各輪對處的軌道高低不平順隨機輸 入 z01(t)、z02(t)、z03(t)、z04(t)、方向不平順隨機輸入 yal(t)、ya2(t)、ya3(t)、ya4(t)和水平 不平順隨機輸入zei(t)、ze2(t)、ze3(t)、ze4(t)為輸入激勵，利用優(yōu)化算法求步驟⑶中 所建立高鐵一系和二系及端部減振器的阻尼協(xié)同優(yōu)化目標函數(shù)J的最小值，所對應的設(shè)計 變量即為每臺轉(zhuǎn)向架單側(cè)一系垂向減振器的最佳等效阻尼系數(shù)Cdl、每臺轉(zhuǎn)向架二系垂向減 振器的最佳等效阻尼系數(shù)Cd2、每臺轉(zhuǎn)向架二系橫向減振器的最佳等效阻尼系數(shù)C2、車體端 部縱向減振器的最佳等效阻尼系數(shù)CjP車體端部橫向減振器的最佳等效阻尼系數(shù)C ^
[0067] 其中