高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法

摘要

本发明涉及高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法，属于高速轨道车辆悬置技术领域。本发明通过建立1/2车体行驶横摆振动微分方程，利用MATLAB/Simulink仿真软件，构建了二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，并以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，以车体和车轮横摆运动的振动加速度均方根值最小为设计目标，优化设计得到基于舒适性和基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比，进而计算得到其最优阻尼比。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二系横向悬置系统的最优阻尼比值，为高速轨道车辆二系横向悬置阻尼比的设计提供了可靠的设计方法。利用该方法，可提高轨道车辆悬置系统的设计水平及车辆乘坐舒适性和安全性。

主权项

高速轨道车辆二系横向悬置最优阻尼比的优化设计方法，其具体设计步骤如下：(1)建立1/2车体行驶横摆振动微分方程：根据轨道车辆的1/2单节车体的满载质量m₃，单个转向架构架的质量m₂，轮对的等效质量m₁，每一轮轴重W；一系轮对横向定位弹簧的等效刚度K_1y，中央簧的等效刚度K_2y；待设计二系横向悬置的阻尼比ξ，其中，二系横向减振器的安装支数为n、等效阻尼系数车轮和钢轨接触点横向间距的一半b，车轮踏面等效斜度λ，车轮的横向蠕滑系数f₁，车辆行驶速度v；以轮对质心的横摆位移y₁，转向架构架质心的横摆位移y₂，车体质心的横摆位移y₃为坐标；以轨道方向不平顺随机输入y_a为输入激励；建立1/2车体行驶横摆振动微分方程，即：$\left\{\begin{array}{c}{m}_3{\stackrel{··}{y}}_3+K_{2y}(y_3-y_2)+C_t({\stackrel{·}{y}}_3-{\stackrel{·}{y}}_2)=0\\ m_2{\stackrel{··}{y}}_2+K_{2y}(y_2-y_3)+C_t({\stackrel{·}{y}}_2-{\stackrel{·}{y}}_3)+K_{1y}(y_2-y_1)=0\\ m_1{\stackrel{··}{y}}_1+K_{1y}(y_1-y_2)+2W\lambda (y_1-y_a)/b+4f_1{\stackrel{·}{y}}_1/v=0\end{array}\right.;$其中，$C_t=n\times \left(2\xi \sqrt{K_{2y}{m}_3}\right);$(2)构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型：根据步骤(1)中所建立的1/2车体行驶横摆振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型；(3)建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J_c：根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以二系横向悬置阻尼比为设计变量，以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车体横摆运动的振动加速度均方根值建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J_c，即：$J_c={\sigma }_{{\stackrel{··}{y}}_3};$(4)建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J_s：根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以二系横向悬置阻尼比为设计变量，以轨道方向不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车轮横摆运动的振动加速度均方根值建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J_s，即：$J_s={\sigma }_{{\stackrel{··}{y}}_1};$(5)二系横向悬置最优阻尼比ξ_o的优化设计：①根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以轨道方向不平顺随机输入y_a为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立基于舒适性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J_c的最小值，所对应的设计变量即为基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξ_oc；②根据步骤(2)中所建立的二系横向悬置系统的横摆振动优化设计仿真模型，以轨道方向不平顺随机输入y_a为输入激励，利用优化算法求步骤(4)中所建立基于安全性的二系横向悬置最佳阻尼比的优化设计目标函数J_s的最小值，所对应的设计变量即为基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξ_os；③根据①步骤中优化得到的基于舒适性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξ_oc，及②步骤中优化得到的基于安全性的二系横向悬置系统的最佳阻尼比ξ_os，利用黄金分割原理，计算得到偏舒适性的二系横向悬置系统的最优阻尼比ξ_o，即：ξ_o＝ξ_oc+(1‑0.618)(ξ_os‑ξ_oc)。