高速軌道車輛車體端部橫向減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高速軌道車輛懸置，特別是高速軌道車輛車體端部橫向減振器阻尼系 數(shù)的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 車體端部橫向減振器安裝于鉸接式或轉(zhuǎn)向架式高速軌道車輛的兩相鄰車體之間， 能夠有效控制車體搖擺，顯著增加車輛的整體性和穩(wěn)定性。然而，據(jù)所查閱資料可知，由于 軌道車輛屬于多自由度振動系統(tǒng)，對其進(jìn)行動力學(xué)分析計算非常困難，目前國內(nèi)外對于車 體端部橫向減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計，一直沒有給出系統(tǒng)的理論設(shè)計方法，大都是借助計算 機(jī)技術(shù)，利用多體動力學(xué)仿真軟件SniPACK或ADAMS/Rail，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，隨著 軌道車輛行駛速度的不斷提高，人們對車體端部橫向減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計提出了更高的 要求，目前車體端部橫向減振器阻尼系數(shù)設(shè)計的方法不能給出具有指導(dǎo)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(zhǔn)確、可 靠的高速軌道車輛車體端部橫向減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計方法，滿足軌道車輛不斷提速情況 下對減振器設(shè)計的要求，提高高速軌道車輛懸置系統(tǒng)的設(shè)計水平及產(chǎn)品質(zhì)量，提高車輛行 駛安全性和平穩(wěn)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(qiáng)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(zhǔn)確、 可靠的高速軌道車輛車體端部橫向減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計方法，其設(shè)計流程圖如圖1所 示；高速軌道車輛整車17自由度行駛橫向振動模型的左視圖如圖2,高速軌道車輛整車17 自由度行駛橫向振動模型的俯視圖如圖3所示。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的高速軌道車輛車體端部橫向減振器阻尼系 數(shù)的設(shè)計方法，其特征在于采用以下設(shè)計步驟：
[0005] (1)建立軌道車輛整車17自由度行駛橫向振動微分方程：
[0006] 根據(jù)軌道車輛的單節(jié)車體的質(zhì)量m3、搖頭轉(zhuǎn)動慣量.八，、側(cè)滾轉(zhuǎn)動慣量J3e ;每臺 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的質(zhì)量m2、搖頭轉(zhuǎn)動慣量J2??、側(cè)滾轉(zhuǎn)動慣量J2e;每一輪對的質(zhì)量m i、搖頭轉(zhuǎn)動 慣量每一輪軸重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Klx、橫向定位剛度K ly;每臺轉(zhuǎn)向架單側(cè)一系懸架的垂向等效剛度K lz、垂向等效阻尼 Cdl;每臺轉(zhuǎn)向架中央彈簧的縱向剛度K2x、橫向定位剛度K2y;每臺轉(zhuǎn)向架二系懸置的垂向等 效剛度K 2z、垂向等效阻尼Cd2;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)Cs;-對二系橫向減振器的阻尼系數(shù)C2;車體端部縱向減振器的等效阻尼系數(shù)C 3;待設(shè)計 車體端部橫向減振器的等效阻尼系數(shù)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Id1，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b 4，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I ll，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h 4，二系橫向減振器到構(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O lff、Olft，后轉(zhuǎn)向架輪對的質(zhì)心0lrf、Ote，前、 后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的質(zhì)心〇 2f、Ok及車體的質(zhì)心O3為坐標(biāo)原點；以前轉(zhuǎn)向架前輪對的橫擺位移 ylff、搖頭位移列?/，前轉(zhuǎn)向架后輪對的橫擺位移ylft、搖頭位移P#，后轉(zhuǎn)向架前輪對的橫擺 位移y w、搖頭位移，.后轉(zhuǎn)向架后輪對的橫擺位移yi"、搖頭位移前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺 位移y2f、搖頭位移_^側(cè)滾位移θ 2f，后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺位移、搖頭位移轉(zhuǎn)《側(cè)滾位移 θ &，及車體的橫擺位移y3、搖頭位移科、側(cè)滾位移θ 3為坐標(biāo)；以前轉(zhuǎn)向架前、后車輪及后轉(zhuǎn) 向架前、后車輪處的軌道方向不平順輸入yal(t)、y a2(t)、ya3(t)、ya4(t)和水平不平順輸入 Zei(t)、Ze2(t)、Ze3(t)、Ze4(t)為輸入激勵，其中，t為時間變量；建立軌道車輛整車17自 由度行駛橫向振動微分方程，BP :
[0007] ①前轉(zhuǎn)向架前輪對的橫擺振動方程：
[0008]
[0009] ②前轉(zhuǎn)向架前輪對的搖頭振動方程：
[0010]
[0011] ③前轉(zhuǎn)向架后輪對的橫擺振動方程：
[0012]
[0013] ④前轉(zhuǎn)向架后輪對的搖頭振動方程：
[0014]
[0015] ⑤后轉(zhuǎn)向架前輪對的橫擺振動方程：
[0016]
[0017] ⑥后轉(zhuǎn)向架前輪對的搖頭振動方程：
[0018] CN 105138783 A I兄明書 3/9 頁
[0019] ⑦后轉(zhuǎn)向架后輪對的橫擺振動方程：
[0020]
[0021] ⑧后轉(zhuǎn)向架后輪對的搖頭振動方程：
[0022]
[0023] ⑨前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺振動方程：
[0024]
[0025] ⑩前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的側(cè)滾振動方程：
[0026]
[0027] ?前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的搖頭振動方程：
[0028]
[0029] _后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺振動方程：
[0030]
[0031] 后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的側(cè)滾振動方程：
[0032]
[0033] ?后轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的搖頭振動方程：
[0034]
[0035] _車體的橫擺振動方程：
[0036]
[0037] ?車體的側(cè)滾振動方程：
[0038]
[0039] 其中，h = ho+hi+l^+hy
[0040] ?車體的搖頭振動方程：
[0041]
?
[0042] (2)構(gòu)建軌道車輛整車17自由度橫向振動優(yōu)化設(shè)計仿真模型：
[0043] 根據(jù)步驟（1)中所建立的軌道車輛整車17自由度行駛橫向振動微分方程，利用 Matlab/Simulink仿真軟件，構(gòu)建軌道車輛整車17自由度橫向振動優(yōu)化設(shè)計仿真模型；
[0044] (3)建立車體端部橫向減振器的阻尼優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)J :
[0045] 根據(jù)步驟（2)中所建立的軌道車輛整車17自由度橫向振動優(yōu)化設(shè)計仿真模型，以 車體端部橫向減振器的等效阻尼系數(shù)為設(shè)計變量，以各輪對處的軌道方向不平順隨機(jī)輸入 和水平不平順隨機(jī)輸入為輸入激勵，利用仿真所得到的車體側(cè)滾運動的振動加速度均方根 值Q 3，建立車體端部橫向減振器的阻尼優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)J，即：
[0046] J = ；
[0047] (4)車體端部橫向減振器最佳阻尼系數(shù)C的優(yōu)化設(shè)計：
[0048] 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 建立的軌道車輛整車17自由度橫向振動優(yōu)化設(shè)計仿真模型，以各輪對處的軌道方向不平 順隨機(jī)輸入 yal (t)、ya2 (t)、ya3 (t)、ya4 (t)和水平不平順隨機(jī)輸入 z e i (t)、z e 2 (t)、z e 3 (t)、 ze4(t)為輸入激勵，利用優(yōu)化算法求步驟（3)中所建立車體端部橫向減振器的阻尼優(yōu)化設(shè) 計目標(biāo)函數(shù)J的最小值，所對應(yīng)的設(shè)計變量即為車體端部橫向減振器的最佳等效阻尼系數(shù) Cr;
[0049] 其中，軌道方向不平順隨機(jī)輸入之間的關(guān)系為：

;水平不平順隨機(jī)輸入之間的關(guān)系為：

[0050] ②根據(jù)車體端部橫向減振器的安裝支數(shù)n，及步驟（4)中①步驟優(yōu)化設(shè)計所得到 的車體端部橫向減振器的最佳等效阻尼系數(shù)(；，計算得到單支車體端部橫向減振器的最佳 阻尼系數(shù)C，即：C = (；/n。
[0051] 本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點：
[0052] 由于軌道車輛屬于多自由度振動系統(tǒng)，對其進(jìn)行動力學(xué)分析計算非常困難，目前 國內(nèi)外對于車體端部橫向減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計，一直沒有給出系統(tǒng)的理論設(shè)計方法，大 都是借助計算機(jī)技術(shù)，利用多體動力學(xué)仿真軟件SmPACK或ADAMS/Rail，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，隨著軌道車輛行駛速度的不斷提高，人們對車體端部橫向減振器阻尼系數(shù)的設(shè)計 提出了更高的要求，目前車體端部橫向減振器阻尼系數(shù)設(shè)計的方法不能給出具有指導(dǎo)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。
[0053] 本發(fā)明通過建立軌道車輛整車17自由度行駛橫向振動微分方程，利用MATLAB/ Simulink仿真軟件，構(gòu)建了軌道車輛整車17自由度橫向振動優(yōu)化設(shè)計仿真模型，并以軌道 方向不平順及水平不平順為輸入激勵，以車體側(cè)滾運動的振動加速度均方根值最小為設(shè)計 目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計得到車體端部橫向減振器的最佳阻尼系數(shù)。通過設(shè)計實例及SMPACK仿真 驗證可知，該方法可得到準(zhǔn)確可