（车辆工程专业论文）铁路车辆可调式线性油压减振器的优化设计.pdf

摘要 本课题以可调式线性油压减振器为研究对象，在跟踪油压减振器国际研究前沿的基 础之上，对其基础模型、优化设计理论、敏度性与参数设计等进行了一系列从理论到实 践的深入研究。主要涉及以下几个方面的内容： 首先，介绍了可调式线性油压减振器阻尼系统的设计理论，即采用动态数学模型和 动态参数补偿的方法对可调式线性油压减振器的阻尼系统进行了广义优化设计建模；运 用机械广义优化设计理论和平台对可调式线性油压减振器的阻尼系统进行了多目标、全 性能的优化，实现了其技术性能和经济性能的综合优化设计；通过对整个油压减振器进 行建模与数值分析，解决了工程上对多级拟合线性油压减振器的阻尼性能进行求解、对 其动态特性进行分析的难点。 采用建模与敏度分析的方法，研究了对可调式线性油压减振器有关参数进行计算和 设计的理论、途径。主要是油温敏度与散热参数的设计研究。 然后，测绘两种线性油压减振器并进行数值分析，为了向高速列车线性油压减振器 的参数优选提供方法，为其安装与维护等问题提供要求与准则，本课题通过对提速机车 上用的一系垂向减振器、二系横向减振器进行测绘并对数值进行分析，得出结论。 最后，运用广义优化设计理论对设计实例油压减振器阻尼系统进行计算，从多个角 度进行参数优选，并且在计算中引入动态补偿参数，不仅使设计实例油压减振器获得了 较高的设计精度和良好的阻尼性能，还使设计实例油压减振器具有良好的经济性能，实 现了其技术性能和经济性能的综合优化设计。 关键词：油压减振器；阻尼；广义优化 大连交通大学丁程硕士学位论文 a b s t r a c t f r o mt h e o r yt op r a c t i c e s ，t l l i st h e s i sh a sd o n ee x t e n s i v er e s e a r c ho nt h ef u n d a m e n t a l m o d e l s 、o p t i m a ld e s i g nt h e o r y 、s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dp a r a m e t e rd e s i g n f r a g m e n tt h i sk i n d o fa d j u s t a b l el i n e a ro i ld a m p e ro nt h eb a s i so ff o l l o w i n gt h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t e p so fo i l d a m p e r s t h er e s e a r c hw o r k f o c u s e so nt h ef o l l o w i n gf o u rm a i ni n v e s t i g a t i o n s ： a tf i r s t ，g i v e nt h e o r yo fd a m p i n gs y s t e md e s i g nf o ra d j u s t a b l el i n e a ro i ld a m p e r ，b y u s eo fd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dd y n a m i c - p a r a m e t e r c o m p e n s a t i n gm e t h o d ，t h ef i r s t r e s e a r c ho ft h ef l u i ds y s t e mo fa na d j u s t a b l el i n e a ro i ld a m p e r ；b yu s eo ft h em a t h e m a t i c a l g e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o nt h e o r y a n d p l a t f o r m ，t h e f i r s tr e s e a r c hh a sa l s om a d ea m u l t i - o b j e c t i v ea n do v e r a l l p e r f o r m a n c eo p t i m a ld e s i g nt o t h ed a m p i n gs y s t e mw h i c hg i v e s t h ed a m p e rb o t l lt h eb e s td a m p i n gp e r f o r m a n c e sa n dt h eb e s te c o n o m i cc a p a c i t i e s ；b y m o d e l i n gt h ew h o l ed a m p e ra n da n a l y z i n gi tb yn u m e r i c a lm e t h o d ，t h es e c o n dr e s e a r c ho f t h i s i t e mh a ss o l v e dt h ep r o b l e mo f t h ed a m p e r sd y n a m i c a ld a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c sc a l c u l a t i o n 、 s i m u l a t i o n a n a l y s i s t h e o r yo fp a r a m e t e rd e s i g n b ym e a n so fs e n s i t i v i t ya n a l y s i sf o ra d j u s t a b l el i n e a ro i l d a m p e r t h i si t e mh a sd o n er e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dm e t h o d st od e s i g np a r a m e t e r so f l i n e a r o i ld a m p e rb ym o d e l i n ga n ds e n s i t i v i t ya n a l y z i n g t h i si t e mf o c u s e so nt w oa s p e c t s ：r e s e a r c h o nt h ew e a ra l l o w a n c e 、r e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya n dt h e r m a ld i s p e r s i o n p a r a m e t e r sd e s i g n s e c o n d l y ，m a p p i n g t w ol i n e a ro i ld a m p e r sa n dn u m e r i c a la n a l y s i s b yd e v e l o p i n g s o f t w a r ef o rs i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h i si t e mh a sd o n er e s e a r c hw o r ko nt h ep a r a m e t e r i n f l u e n c eb e t w e e nl i n e a ro i ld a m p e ra n dt h ev e r t i c a ld y n a m i c so fr a i l w a yv e h i c l e s o nt h e s u b j e c to fs p e e dl o c o m o t i v e 、i t ha s e r i e so fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a la d j u s t a b l el i n e a ro i l d a m p e r sm a p p i n gc o n c l u d e d t h u s ，t ot h ee x i s t i n ga d j u s t a b l e l i n e a ro i ld a m p e r sd e s i g n o p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n t f i n a l l y ，g e n e r a l i z e d u s eo f o p t i m a ld e s i g nt h e o r y a n d d e s i g np a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n u s eo fg e n e r a l i z e dt h e o r yo fo p t i m a ld e s i g nc a l c u l a t e sf o re x a m p l el i n e a ro i l d a m p e r sd a m p i n gs y s t e m ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fa n u m b e ro fp a r a m e t e r so p t i m i z e d ，a n dt h e i n t r o d u c t i o no fd y n a m i ci nt h ec a l c u l a t i o no fc o m p e n s a t i o np a m m e t e r s ，n o to n l ye x a m p l eo f l i n e a ro i ld a m p e r sa c c e s st ot h ed e s i g no fh i g hp r e c i s i o na n dg o o dd a m p i n gp r o p e r t i e s ，a l s o t h ee x a m p l eo fl i n e a ro i ld a m p e r sh a sa g o o de c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，a c h i e v e di t st e c h n i c a l p e r f o r m a n c ea n de c o n o m i cp e r f o r m a n c eo f t h ei n t e g r a t e do p t i m a ld e s i g n k 呵w o r d s ：o i ld a m p e r ；d a m p i n g ；g e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o n 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：高鑫 日期：2 0 0 8 年1 1 月 2 1日 导师签名：谭晓东诈酶 日期：2 0 0 8 年1 1 月2 1 日 学位论文作者毕业后去向：继续在原单位工作 工作单位：齐车集团职业技术学校 通讯地址：齐齐哈尔铁锋区中华东路 电子信箱：g a o x i n _ 7 2 1 2 6 c o m 电话：0 4 5 2 2 9 3 9 7 3 2 邮编：1 6 1 0 0 2 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂一或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：高鑫 日期： 20 0 8年1 1 月20日 绪论 绪论 l 、油压减振器的概述 油压减振器是一种液压阻尼元件。它通过对液压油的节流作用产生阻尼力、并以此 吸收、转化与之相连的机械系统的振动能量，从而减少振动对车辆造成的不良影响。 因为油液的可压缩性小、粘度较高，所以油压减振器产生的阻尼作用主要是粘性阻 尼力，它可以将车体的振动冲击动能，大部分转化为油的热能，并迅速通过循环在环境 中耗散。油压减振器的阻尼力大，散热性能好，不仅能用于小功率的场合，而且也能用 于大功率的场合。它一般与弹簧配合使用，广泛应用于公路、铁路车辆的减振系统中， 保护车辆设备、提高车辆的安全性和平稳性。它是车辆悬挂装置中的重要元件1 1 j 。 铁路车辆用的油压减振器，除具有能适应轨道车辆运行的特点外，最显著的特点就 是其阻尼系数大、外形大、质量大，因此一般采用小孔阻尼的节流方式，一般包括垂向、 横向和抗蛇行三种类型1 2 j 。垂向油压减振器一般用于一、二系悬挂的垂向减振，如果二 系悬挂使用空气弹簧，则可以省去二系垂向油压减振器；横向油压减振器主要用于二系 悬挂的横向减振，它一般被水平或与水平面成一定角度地安装于摇枕与构架之间；抗蛇 行油压减振器也是一种横向减振器，被纵向、水平地安装于摇枕与构架之间，用来抑制 转向架的蛇行( 摇头) 运动，保证车辆在高速下的稳定运行，减少轮轨因侧向力而造成 的磨耗。 现在高速铁道车辆一般使用线性油压减振器，而不使用非线性油压减振器，其主要 原因是： ( 1 ) 在相同振动条件下，非线性油压减振器的等效阻尼系数只为线性油压减振器 阻尼系数的o 8 5 ，也就是说，在相同条件下，线性油压减振器的做功能力比非线性油压 减振器强。 ( 2 ) 线性油压减振器在其工作区间内，阻尼系数为常数，非线性油压减振器则不 同，其阻尼系数会随工作点的振动频率、振幅的变化而变化。因此，悬挂非线性油压减 振器的车辆，其振动系统的传递特性( 传递函数) 是随着来自轨道方面激扰的频率、幅 度的大小而变化的，也就是说车辆系统本身的特性受线路状态的影响较大，这就使提高 车辆振动系统的设计精度受到了较大的限制，因此，为使车辆在各种线路状态下均具有 良好的振动特性，有必要使用线性油压减振器。 为了提高线性油压减振器的使用寿命、增强其应用的灵活性，现在高速铁路车辆上 广泛使用可调式线性油压减振器。可调式线性油压减振器的阻尼性能，可以通过调节其 阻尼阀而在一定范围内变化。这使得当油压减振器磨损导致阻尼力下降时，可以通过调 大连交通大学工程硕士学位论文 节使之恢复到额定工作状态；还可以根据列车的实际运行状况，对油压减振器的阻尼性 能做适当的调整，以获得更好的动力学性能。可调线性油压减振器有多种形式，其中节 流口可调式减振器，结构相对简单、性能稳定可靠、成本低廉、应用前景广阔。 2 、油压减振器的研究概况 虽然油压减振器有许多不同的种类和应用场合，但从原理上讲，它们均是一个复杂 的流体系统。多种因素影响油压减振器的性能，如其本身的结构参数、流体参数、环境 因素、激励大小等等，其阻尼性能具有强非线性和时变的特征。 由于油压减振器是车辆悬挂系统中的重要元件，国内外学者对油压减振器进行不少 的研究，主题是围绕油压减振器的建模、仿真、参数识别、试验修正以及参数敏度性分 析展开的。我国在油压减振器的研究方面起步较晚，因此导致了：现在我国绝大多数提 速、准高速机车上大量使用进口油压减振器。 3 、油压减振器国内外研究发展现状 国内、外的学者研究的主题大部分是围绕油压减振器的建模、仿真、参数识别、实 验修正以及参数敏度性分析展开的。 国内：1 9 9 3 年，谢仕良建立了双筒充气式液压减振器阻尼力的参数模型，并对油压 减振器阻尼力受温度影响的程度进行仿真和分析，结果表明：所建油压减振器阻尼力模 型是正确的，阻尼力受油温的影响比较显著。 1 9 9 5 年，陈耀军以夏利轿车后减振器为研究对象，以实测的阻尼性能曲线为目标， 利用数值模拟的方法向目标逼近，得到了油压减振器内部参数变化的曲线族，从而定量 的揭示了各节流阻尼阀在形成阻力特性中所起的作用。 1 9 9 7 年，蔡家明建立了油压减振器的物理模型，在用数值模拟方法建立线性数学模 型的过程中，考虑了多种因素的影响，从理论上揭示了油压减振器的减振机理。最后分 析讨论了油温、激励变化对油压减振器减振特性的影响。 1 9 9 8 年，檀润化建立了夏利轿车后油压减振器的复杂线性的数学模型，分析了造成 速度特性中包含滞环的原因，仿真结果与试验数据较吻合，同时对油压减振器的参数敏 度性进行分析，运用稳健设计原理，提出油压减振器三个阶段参数设计的定量方法。 2 0 0 0 年，金小菱运用液压流体力学的基础原理，以柯尼抗蛇行油压减振器为研究对 象，分析其阻尼力的形成机理，并推导出了计算阻尼力的基本公式，但由于他对该线性 油压减振器的阻尼原理没有完全的理解，导致其大部分数学模型和推导均是错误的。 2 0 0 2 年，王文开对准高速柯尼抗蛇行油压减振器的阻尼特点进行初探，对该型油压 减振器的阻尼性能与机车动力学性能之间的关系进行了研究。 2 绪论 国外：1 9 9 0 年，r a k h j e j a 等人建立了p s h d 的依赖于流体节流参数、空气压缩性阀 开启特性的线性数学模型，并将之应用于1 4 模型的车辆动力学仿真。仿真结果表明： 可变阻尼被动式油压减振器，获得了与半主动油压减振器相同的调节性能，可以显著提 高车辆的乘坐动力学品质。 1 9 9 4 年，俄国科学院理论力学研究所的n n b o l o t n i k 从理论性的角度出发，综合 了通用性较强的关于油压减振器和工业缓冲器的参数优化问题。 1 9 9 5 年，b e s i n g e r 等人建立了可以通过简单动力学台架试验修正的油压减振器的 参数非线性数学模型，并通过仿真手段研究了其各种特征参数对车辆动力学性能的影响 及程度。 1 9 9 7 年，s t e f a a n 等人通过对实验数据的拟合，建立了油压减振器的非参数数学模 型，并消除了滞环的影响。s t e f a a n 非参数数学模型将阻尼力描述为振动速度和加速度 的函数，虽然没有实际的物理模型背景，但却取得了与基本元件模型在理论上的一致性。 1 9 9 8 年，b a s s o 等人在优化装有可变阻尼被动式油压减振器摩托车的阻尼参数时， 考虑了油压减振器的非线性和不对称性，并以试验得到的数据作为修正参考，运用简化 的两自由度车辆模型进行计算，取得了较好的结果。 2 0 0 0 年，s t e f a a n 等人运用准静态和测力计测试修正的方法，建立了汽车油压减振 器的标准模型。标准模型的参数分为四大类：几何参数、阻尼阀参数、吸油阀参数和准 静态参数。s t e f a a n 的标准油压减振器模型已被多个著名动力学软件如：a d a m s c a r 、d a d s 等应用。 4 、课题研究的意义和内容 近年来随着经济的高速发展，我国铁路进入一个飞速发展时期，当机车速度达到 2 0 0 k m h 以上时，机车车辆运行的安全性、平稳性将成为机车所面临的最大问题。这就 对机车车辆的走行机构提出更高的要求。油压减振器作为机车车辆走行机构的关键悬挂 元件，其基础理论的研究，提高自主设计的能力，是十分有意义和必要的。 本文以可调式线性油压减振器为研究对象，在跟踪油压减振器国际研究前沿的基础 之上，对其基础模型、优化设计理论、敏度性与参数设计等进行了一系列从理论到实践 的深入研究。主要涉及以下四个方面的内容： ( 1 ) 可调式线性油压减振器阻尼系统的设计理论 采用动态数学模型和动态参数补偿的方法对可调式线性油压减振器的阻尼系统进 行了广义优化设计建模；运用机械广义优化设计理论和平台对可调式线性油压减振器的 阻尼系统进行了多目标、全性能的优化，实现了其技术性能和经济性能的综合优化设计： 大连交通大学r t 程硕士学位论文 通过对整个油压减振器进行建模与数值分析，解决了工程上对多级拟合线性油压减振器 的阻尼性能进行求解、对其动态特性进行分析的难点。 ( 2 ) 基于敏度分析的可调式线性油压减振器参数设计理论 研究了采用建模与敏度分析的方法，对可调式线性油压减振器有关参数进行计算和 设计的理论、途径。涉及两个方面的内容：可调式线性减振器的许用磨损量研究、油温 敏度与散热参数设计研究。 ( 3 ) 测绘两种线性油压减振器并进行数值分析 为了向高速列车线性油压减振器的参数优选提供方法，为其安装与维护等问题提供 了要求与准则，本课题通过对提速机车上用的一系垂向减振器、二系横向减振器进行测 绘并对数值进行分析，得出结论。 ( 4 ) 运用广义优化设计理论进行设计并进行参数优选 运用广义优化设计理论对算例油压减振器阻尼系统进行计算，从多个角度进行参数 优选，并且在计算中引入动态补偿参数，不仅使算例油压减振器获得了较高的设计精度 和良好的阻尼性能，还使实例油压减振器具有良好的经济性能，实现了其技术性能和经 济性能的综合优化设计。 4 第一章铁路列车高速化发展 第一章铁路车辆高速化发展 在保证运行安全性、平稳性和提高舒适性的前提下，不断实现高速、大运量是各国 铁路的不懈追求和发展趋势。目前，高速客运在国外发展很快，客运1 6 0 k m h 在国外已 经很普遍，不少国家已经实现了大范围2 0 0 - - , 2 5 0 k m h 的高速，有的最高运行速度达到 了3 0 0 k m h 、最高试验速度达到了5 0 0 k m h 以上，如法国的t g v 系列列车 3 1 。 我国近几年在高速方面也有较大的进展。通过改造现有车辆和线路、设计新型车辆、 建筑高等级铁路等措施初步实现了全国较大范围的提速，不少客运列车已实现了 1 6 0 k m h 的准高速、少数实现了2 0 0 k m h 的试运高速，但与国外相比，仍存在较大的差 距。 要实现高速行车，必须有高等级的铁路、高性能的车辆和设施，这涉及到多方面的 技术和经济实力问题。因此，目前各国铁路高速化工作的重点，仍是要在大范围的干线 上实现高速化。而要在既有的线路上实现高速化，关键又在于能研制出高性能的车辆， 就是能研制出动力学性能优良、能适应高速运行的转向架。 1 1 高速转向架 如同汽车的底架和悬挂装置，转向架是支承铁路客、货车车体并使之在轨道上运行 的装置，是铁路车辆的行走部件，它被配置在车体的下方，在结构上是一个独立的部件。 1 1 1 转向架的振动 转向架的复杂振动来源于多种激励，主要有以下方面： 一、轨道不平顺 实际的轨道不可能上完全平直的，钢轨在运动中的磨耗不均也不断加剧了轨道不平 顺的发展。 轨道不平顺是指在设计时使轨道产生不直( 如圆曲线、缓和曲线、道连接等) 和不平 ( 如坡道、曲线超高、顺坡等) 之外，轨道相对于理想平直轨道产生的偏差。 轨道不平顺主要有以下几种形式： 方向不平顺：由于左、右钢轨横向偏移引起的线路中心线相对于轨道方向的横向偏 移。主要与钢轨的侧面磨损，钢轨横向刚度不一致、扣件松弛、轨排横移等因素有关。 轨距不平顺：由于左、右钢轨横向偏移引起的轨距的变化。 高低不平顺：由于左、右钢轨轨顶垂向偏移引起的线路中心线相对于水平线的垂向 偏移。主要与钢轨的顶面磨损、钢轨垂向刚度不一致、轨缝、三角坑等因素有关。 水平不平顺：由于左、右钢轨轨顶垂向偏移引起的轨道面的高度差。 大连交通大学工程硕十学位论文 轨道不平顺因时、因地而不同。它是一个随机过程。各种轨道不平顺对车轮进行强 迫激振。使转向架、车体在三维空间产生复杂的强迫振动。 二、轮对的运动特点 与公路车辆不同，铁路车辆运行在固定的刚性轨道上面，其轮对在运动过程中首先 具有自导向和自激蛇行运动的特点。 由于通常的车轴是与左右车轮刚性连接的，所以为了使两个车轮在回转速度相等的 情况下也能沿着曲线线路运行，一般将车轮踏面设计成锥形。也就是说，由于车轮踏面 存在锥度，使得轮对在曲线上运行时，左、右轮轨接触点的半径自然产生不同，因此， 不需要司机的操纵，轮对就能自动转向，即具有自导向的功能。 但与此同时，由于车轮踏面的锥度，使得轮对在直线上运行，由于轨道方向不平顺 的激扰作用，使得左右车轮仍会以不同的滚动直径与轨面接触，于是，运动中的轮对与 左右钢轨必然会形成冲角，在钢轨约束反力的作用下，轮对就要不断向相反的一侧运动。 即轮对在前进的同时，还要作左右方向周期性的摇头运动，这种反复运动称为轮对的自 激蛇行运动。 另外，轮对在轨道其它各种不平顺的激励下，还作着其它形式的复杂振动，并将这 些振动向转向架、车体传播。 1 1 2 改进现有的转向架、开发新型高速转向架 一、改进现有的转向架的工作 要开发全新的高速转向架并非易事。各国铁道工作者首先想到就是改进与优化现有 的、经过长期稳定运行过的转向架。改进现有转向架的工作，主要集中在优化悬挂参数 方面，方法则主要是运用车辆动力学理论。以计算机为工具，进行动力学优化分析与参 数优选。车辆悬挂参数的优选，涉及车辆动力学基础理论、动力学系统建模、仿真软件 等多方面的研究内容，国内、外学者在这些方面均做出了大量的研究工作。 l 、车辆动力学基础理论 早期的经典动力学：将各种轨道不平顺假设为确定的周期性的简谐波，以此作为动 力系统的输入并进行分析。这种方法推导繁琐，分析结果可信度不高。 现代随机振动与谱分析理论：将各种轨道不平顺视为随机过程，以此作为系统输入 并将谱分析理论应用于车辆随机响应的求解。由于这个理论更接近于现实，所以在科学 和工程领域获得了广泛的应用，成为车辆动力学理论发展的一个里程碑。 现在多体动力学：动力学是随着现在计算机仿真技术的发展而发展起来的门方兴 未艾的学科。它研究由多个物体( 刚性或弹性体) 组成的力学模型，并力争开发能由计 6 第一章铁路列车高速化发展 算机实现自动建模和计算的软件系统，以此实现对列车系统进行更为真实仿真和分析。 目前，国外已相继开发出了一些卓有成效的多体软件，如德国的m e d y n a 、美国的 n u c a r s 、法国的v o c o 等，我国学者现有主要是消化和吸收国外软件，并开展一些 研究和开发工作。 2 、动力学系统建模 动力学系统建模，是一切工作的重点和关键。涉及元件、整车、轮轨关系的研究和 建模，其中关于轮轨关系的研究，最具有代表现在车辆动力学系统发展的意义。以前的 动力学建模，将轨道视为刚体或者只考虑轨道接触刚度，这种假设，在分析处理一般动 力学问题时是有效的，涉及的频率在1 2 0 h z 以下，但由于车辆、线路是一个不可分割、 相互作用的大系统，车辆的设计应考虑对线路的冲击和破坏作用，此时就需要建立线路 的模型，研究复杂多变的轮轨关系，这些问题所研究的频率高达1 5 0 0h z 。轮轨关系 的研究促进了动力学的发展。 我国学者在轮轨关系方面也取得了较好的研究成果。 3 、仿真软件 车辆动力学仿真与优化涉及求解大量的线性或非线性微分方程( 组) ，这些大量繁 琐的工作只有计算机才能胜任，仿真算法、软件的研究与能力代表着车辆动力学发展的 水平。 国外在车辆动力学研究与仿真软件开发方面，发展较为领先。目前，已经有不少商 品化的动力学仿真软件，如：a d a m s 瓜a i l 、n u c a r s 、g e n s y s 、v a m p i r e 、s i m p a c k 等。原来在控制系统建模、仿真设计领域独树一帜的m a t l a b ，由于其强大的数值分 析与建模功能，使得它在车辆动力学仿真和悬挂设计领域也有较佳的表现，并且愈来愈 和动力学软件结合，促进了机电一体化联合仿真软件的发展。 我国学者在动力学软件开发方面起步较晚，有一些研究成果。 在高速化进程中，我国铁路工作者运用现代车辆动力学理论，进行了卓有成效的研 究和改进既有转向架工作，于9 0 年代中期实现了全国范围的提速，不少铁路列车实现 了16 0 k m h 的准高速安全营运。 二、研究开发新型高速转向架、新型高速车辆 除了改进现有的转向架、使之适应准高速或高速运行外，许多国家均采用了全新的 设计方法，如日本新干线列车用的d r 2 0 0 型、法国t g v 列车用的y 2 3 0 型、意大利 的f l a t 型、英国的b t l 0 型转向架等。开发全新转向架耗资巨大、周期较长。 国外高速转向架的结构形式多种多样，就车体悬挂来说，有带摇动台的和无摇动台 的；有摇枕的和无摇枕的。车体的支承方式有心盘支重的和旁承支重的；中央弹簧有采 7 大连交通大学工程硕士学位论文 用螺旋弹簧的和采用空气弹簧的。轴箱定位方式更是形式不一。这说明，高速转向架的 结构形式不是绝对的，只要经过认真设计和充分实验研究，各种结构形式都是能够实现 高速运行的。 我国在消化吸收国外技术的基础上，研制开发了能适应1 6 0 k m h 运行的新型准高速 转向架，如2 0 6 k p 、2 0 9 h s 、c w 2 转向架等。 1 2 铁道车辆悬挂技术 提高列车的平稳性是发展高速铁路运输所追求的主要目标之一。本节介绍铁道车辆 的振动、振动评价以及悬挂技术发展状况等方面的内容。 1 2 1 铁道车辆的振动与振动评价 高速运行中铁道车辆，在各种轨道不平顺的激励作用下，在三维空间产生复杂的、 高频低幅的随机振动。一般可以分为垂向和横向两个类别。 垂向振动主要包括上、下沉浮和点头振动，以影响列车运行平稳性为主，属于垂向 动力学的研究范畴；横向振动则主要包括横摆、侧滚和摇头振动，其中横摆、侧滚通常 又是以合成运动的形式存在的，称为列车的滚摆。列车的滚摆和摇头振动，极大地影响 着车辆运行的稳定性( 安全性) 和平稳性。属于横向动力学的研究范畴。 列车的振动大小、性能通常用运行平稳性指标来评价，它是衡量列车运行性能的一 项重要指标。目前世界各国评定列车运行平稳性的方法主要有平稳性指标法( 斯佩林 法) 、疲劳时间法、等舒适度曲线法和i s 0 2 6 3 1 法等。 1 2 2 铁道车辆的悬挂装置与油压减振器的广泛应用 一、被动悬挂 由弹簧和阻尼组成的减振装置，是车辆悬挂系统的主要部件，通常就称它们为车辆 的悬挂，弹簧是储能元件，起缓冲作用；阻尼是耗能元件，起减振作用，它们相辅相成 的减少了车辆的颠簸与振动，对改善车辆运行的动力品质、保护车辆设备以及提高车辆 的平稳性均起着重要作用。 车辆悬挂中的弹簧和阻尼在实际中以多种形式存在。例如弹簧有圆簧、板簧、橡胶 弹簧、空气弹簧等形式，阻尼有油压减振器、摩擦减振器、橡胶阻尼、以及空气弹簧中 的空气节流等形式，虽然它们在形式上不同，但本质上却是相同的。 在铁道车辆转向架上，一般均设有两系悬挂装置：中央悬挂( 又称二系悬挂) 和轴 箱悬挂( 又称一系悬挂) 。一系悬挂配置在每个轮对与构架之间，用来减缓构架的振动、 保护悬架设备，它是车辆振动系统的第一次减振装置，一般每个轮子的轴箱上方均有一 8 第一章铁路列车高速化发展 套。一系悬挂分为垂向和横向悬挂，其中横向悬挂就是轮对的轴箱定位装置。二系悬挂 配置在构架和车体之间，用来减缓车体的振动，是车辆振动系统的第二次减振装置，一 般每台转向架两套，被对称安装在车体两侧。二系悬挂又分为垂向、横向和纵向悬挂， 分别用来减缓车体的垂向、横向和摇头( 蛇行) 振动，对应的油压减振器分别为垂向、 横向和抗蛇行油压减振器。 车辆一、二系垂向悬挂一般由钢圆簧和油压减振器组成。一系垂向油压减振器主要 起减缓构架的沉浮和点头振动，消减构架的垂向振幅，以及减缓轮轨之间动态冲力的作 用；二系油压减振器则主要起减缓车体的沉浮和点头振动、消减车体垂向振幅的作用。 现在高速转向架中，大部分采用空气弹簧作为垂向悬挂，用以取代二系钢弹簧和垂向油 压减振器。 空气弹簧具有优良的弹性和阻尼特性，可以简化、减轻转向架的结构、重量；可以 通过高度控制阀的作用使车体高度在任何载荷下保持不变，这对于发展轻型结构的高速 列车是十分有力的。我国现有的几种准高速转向架均使用空气弹簧作为二系悬挂，并由 此获得了良好的运行动力学性能。 车辆的运行性能主要取决于悬挂装置的结构是否合理、元件参数是否选用恰当，对 转向架悬挂装置设计的基本要求是：减少振动，抑制蛇行运动，保证运行安全和有利于 通过曲线等，此外，悬挂装置的结构形式还应尽可能满足检修、制造，使用耐久可靠， 成本低和通用性好等方面的要求。 以上介绍的悬挂装置，其元件参数在运行中是固定不变的，运行中也不消耗外界能 源，称为被动悬挂。 二、主动、半主动悬挂 随着铁路运输能力和对车辆运行品质要求的提高，采用优化、调整系统本身固定参 数或利用元件本身性能的办法使车辆适应多变的运行环境，往往达不到理想的效果，这 促进了主动、半主动悬挂的研究和发展。 主动、半主动悬挂分别采用有源元件、无源可控元件组成一个闭环控制系统，它们 可以根据车辆的运动状态和当前的激励大小做出主动反应，使悬挂始终处于最佳工作状 态。主动悬挂需要消耗动力，半主动悬挂是在克服主动悬挂耗能大的缺点上进行研究和 发展的，它只需要消耗作为作为调节控制装置用的较小的能源。主动、半主动悬挂在铁 道车辆上，除了应用于摆式列车车体的倾斜控制外，很大一部分研究是致力于提高车辆 稳定性和平稳性的减振控制。 主动悬挂技术在铁道车辆上的应用落后于汽车，这是因为，首先铁道车辆具有与公路 车辆不同的特殊的轮轨关系以及运动特点，在常速情况下，经过优化设计的被动悬挂基 9 大连交通大学工程硕士学位论文 本能够满足运行的需要；再者，铁道车辆体积、重量大，相应的主动悬挂所需的动力就 很大，这不仅增加了结构的复杂性，而且要消耗可观的能量，使成本提高。因此早期的 研究除了技术的问题外，还包括主动悬挂的可行性研究或成本效益分析。 综上所述，铁道车辆悬挂技术的发展方向是：绝大多数车种仍然使用可靠性高、运 行动力学性能比较好的被动悬架；主动、半主动悬架的研究将继续展开，但其研究成果 主要不在于应用，而在于它可以推动其它新型结构的、具有优良悬挂性能的被动悬挂元 件的诞生和发展，如油气悬架、近年德国c o n t i t e c h 公司的液压弹簧专利技术等。 本章小结 本章论述了铁路车辆高速化发展的知识，阐述了高速转向架的振动、性能及开发高 型高速转向架的迫切性，并介绍了当前铁道车辆悬挂技术研究发展情况，从而提出了研究 高性能油压减振器的必要性。 1 0 第二章可调式线性油压减振器阻尼系统的广义优化设计 第二章可调式线性油压减振器阻尼系统的广义优化设计 建立了可调式线性油压减振器的物理模型，对其线性多级拟合原理进行了阐述。 建立了可调式线性油压减振器阻尼系统的广义优化设计【4 - 6j 数学模型，将其阻尼系统的 优化归结为一个必须满足约束的数学优化问题。 2 1 可调式线性油压减振器的物理模型 高速铁道车辆对其悬挂系统中广泛采用的可调式线性油压减振器的主要要求是：工 作区具有良好的线性阻尼、高速区具有快速的卸荷功能、整个阻尼特性在一定范围内可 以调节。 由于油液通过节流口或小孔的流量一压力特性是非线性的，因此要得到线性阻尼， 必须采用一定的办法。传统反抛物线型芯轴的节流阀虽然可以实现线性阻尼，但不仅加 工和维修困难，而且难以同时满足双向减振和卸荷的要求，它一般应用于工业缓冲器中。 铁道车辆用线性油压减振器一般通过合理设计一个按顺序条件开启的多阻尼孔流体调 节系统来拟合线性并卸荷，通过对各阻尼孔进行有一定调节余量的设计、同时配合各阻 尼阀的调节作用来实现其阻尼特性在一定范围内可以调节。 为了对可调线性油压减振器的阻尼系统进行建模与设计，下面从讨论其物理模型开 始。 2 1 1 油压减振器的工作原理 油压减振器的一般工作原理如图2 1 所示。活塞单向阀、( 吸油) 底阀是两个单 向阀，油压减振器拉伸时，活塞单向阀关闭，压力缸筒有杆腔的油液通过阻尼阀系统的 阻尼作用，产生压力p ，p 作用在活塞有效面积彳上，产生拉伸阻尼力r ，同时，底 阀开启并从储油空间吸油，向压力缸筒无杆腔补入低油压；油压减振器压缩时则动作相 反，活塞单向阀开启，底阀关闭，此时压力缸筒的两腔相通且均为高压腔，油压减振器 产生的压缩阻尼力为凡。无论是处于拉伸还是压缩状态，油压减振器压力缸筒的有杆 腔始终处于高压状态，即压力油总是从同一个方向进入阻尼阀调节系统，产生阻尼力， 然后向储油空间回油。 储油空间是由储油缸筒和压力缸筒围成的容积，阻尼阀系统也集成在封闭油压减振 器的导座上。因此，整个油压减振器自身就是一个完整的液压系统，油液在储油空间和 压力缸筒之间循环流动。 大连交通大学工程硕士学位论文 图2 1 油压减振器的工作原理 f i g 2 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fo i ld a m p e r 对于双向油压减振器来说，为了使其在同一振动速度1 ，下，尽量能提供相同大小的 拉伸和压缩阻尼力，即有_ f i x = f c ，容易推得其活塞与活塞杆截面积之比必须为2 ；此 外，活塞单向阀、底阀的设计均必须满足大振动速度下的流量通过要求。 2 1 2 线性阻尼系统的物理模型与多级拟合原理 虽然液压阻尼的本质是非线性的，但工程上的线性阻尼，是可以通过合理设计一个 阻尼调节系统、由多段非线性曲线拟合来实现的。阻尼调节系统一般由多只调压阀、多 个固定阻尼、可变阻尼组成，这些组件、结构在工作中可以适应工况变化作不同的组合， 使得油压减振器的阻尼性能在大的区间沿着近似的线性规律变化【7 j 。 图2 2 所示是可调式线性油压减振器阻尼系统的一般物理模型。油压减振器因振动 产生的总流量为q ，各种因素造成的动态流量损失为q 1 ，有效工作流量为纱，9 进入 阻尼系统工作。1 、2 为1 号阻尼阀芯、阀座，3 、4 为2 号阻尼阀芯、阀座，5 、6 为节 流阀、卸荷阀集成阀芯、阀座。 阻尼系统由多个固定阻尼孔和多只阻尼调节阀构成。其中彳，、4 ，：、彳订、彳，。为 四个固定阻尼孔，它们被集成在各阻尼调节阀的阀座或阀芯上，彳订是一个通常的节流阻 尼孔，油压减振器在工作过程一直参与工作，彳。则是一个较大的阻尼孔，用于油压减振 器在高速时快速卸荷；各阻尼调节阀为平板阀结构，其阀芯和阀座之间为高精度的帖合 表面，并有调压弹簧坞、砭、蚝提供恰当的预紧力压紧，它们的开启压力分别为r 、 只，、只，；随着振动加剧，流量增大，阻尼系统的压力p 快速上升，先达到开启压力的 阻尼调节阀将开启，阀芯开启高度用啊、h ，、h 3 表示，并在其阀芯和阀座之间形成一 层挤压油膜液压阻尼。 1 2 第二章可调式线性油压减振器阻尼系统的广义优化设计 图2 2 线性阻尼系统的物理模型 f i g 2 2t h ep h y s i c a lm o d e lo f l i n e a rd a m p i n gs y s t e m 当振动速度v 较低时，油压减振器因振动产生的流量较小，此时只有常开的彳，、彳，。 起节流作用，见图2 3 油压减振器工作在曲线段1 ：当振动加剧，流量上升，引起缸内 压力p 上升，当p e ，时，调压阀疋，开启，a ，、参与工作，油压减振器工作在 曲线段2 ：同理，当p 最，时，调压阀开启，a ，：、h ：参与工作，油压减振器工 作在曲线段3 ： 当p 只，时，卸荷阀开启，卸荷阻尼h ，参与工作，油压减振器工 作在卸荷曲线段4 。 由图2 3 可见，通过1 、2 、3 、4 的拟合，阻尼力f 与振动速度v 在额定工作范围内 呈一种近似的线性关系，在高速区则斜率显著下降，呈卸荷状态。这就是线性油压减振 器的多级拟合原理。 罨 童1 o - 0 5 惦吨2 吨1 5 - 0 艄o嘣叫n 侣0 2n 墨 酗叠黼| 讯营 图2 3 线性阻尼系统的f 1 ，特性曲线一多级拟合原理 f i g 2 3l i n e a rd a m p i n gs y s t e m - c h a r a c t e r i s t i c so ff - v - - m u l t i - f i t t i n gp r i n c i p l e 1 3 大连交通大学工程硕士学位论文 采用多级顺序动作、组合的方式来拟合线性阻尼，从理论上讲，级数越多，线性越 好，但受结构设计和系统动态特性的限制，一般工程上最多能实现四五级的拟合。本 文研究和讨论的是一种如上所述的四级拟合方式，虽然研究对象只是其中的一种，但研 究的方法和相关理论具有普遍性。 2 2 线性阻尼系统的广义优化设计要求 阻尼系统是油压减振器的流体动力和调节系统，阻尼系统的设计是油压减振器设计 计算的关键，包括阻尼孔和调压阀的设计。阻尼孔和调压阀在结构上是集成在一起的， 统称为阻尼调节阀。阻尼调节阀的广义优化设计就是要对各阻尼调节阀的阻尼孔、油膜 半径、调压弹簧刚度等参数进行优化设计，在满足各种约束的条件下，使得各阻尼调节 阀在技术性能、成本、互换性和易装配性能等方面达到一种综合最优。 阻尼调节阀广义设计分为两个方面：技术性能要求和经济性能要求。 2 2 1 技术性能要求 一、阻尼性能要求 对于一只新的油压减振器，人们不仅是希望它在开始运行时能工作在额定曲线上， 还希望它能在运行一段时间后，可以通过调节阻尼阀来补偿磨损引起的阻尼力下降，使 其恢复到额定的工作状态，或者希望油压减振器的阻尼性能在一定的范围内可以作适当 调节，以适应车辆动力学的要求，也就是要求油压减振器必须是被设计成有调节余量的， 这种油压减振器就是可调式油压减振器。 要保证可调式油压减振器在开始时具有最大的可调阻尼和阻尼性能磨损补偿能力， 设计中就必须以最大可调阻尼力及工作曲线为目标进行计算。因此，可调式油压减振器 的设计实质上是一种带有余量的设计。图2 4 表达了可调式油压减振器的设计思想和要 求，其中曲线l