高速列车牵引变压器悬挂参数动态优化设计

为了优化牵引变压器悬挂参数, 建立了车辆设备21自由度刚柔耦合系统模型, 并基于新型快速显式数值积分法求解了车辆和牵引变压器的振动响应; 计算了车辆系统在不同速度等级下的舒适度指标和设备振动烈度, 确定了变压器最优悬挂频率; 建立了变压器数学模型与车辆设备刚柔耦合模型, 结合最优悬挂频率、振动烈度、舒适度指标、隔振器动态作用力以及变压器悬挂模态与车辆地板局部模态匹配指标对隔振器参数在动态条件下进行多目标优化, 计算了牵引变压器隔振器最优参数。研究结果表明: 当牵引变压器悬挂频率比为0.82~0.98时, 车辆舒适度低于2, 设备振动烈度低于4.5mm·s-1, 满足相关规范要求; 经过优化最终确定第1组隔振器垂向刚度、三组隔振器刚度比、每组隔振器三向刚度比分别为2 142N·mm-1、1∶1.3∶2.5、1.7∶0.5∶1, 与变压器原始悬挂方案相比优化后变压器振动烈度最大降低42% (在速度高于200km·h-1条件下), 车辆一位端、中部、二位端舒适度指标平均提升3.53%、3.45%、2.01%, 第1、4隔振器垂向作用力平均降低13.3%, 第2、5隔振器垂向作用力平均降低3.8%, 第3、6隔振器垂向作用力平均降低20.9%。可见, 优化后车辆舒适度、设备振动烈度和隔振器垂向动态作用力均有较好改善。     

基于频域平稳性的高速机车悬挂参数优化匹配

为合理优化匹配悬挂参数以提升高速机车动力学性能,针对某高速机车,采用虚拟激励法计算频域横向平稳性指标,提出了考虑频域横向平稳性和稳定性多目标性能的关键悬挂参数多参数协同优化方法;分别以2种抗蛇行减振器布置方式和3种轮轨接触状态运行工况为例,验证了该方法对机车横向动力学性能的提升效果.结果表明：低轮轨接触锥度工况机车一次蛇行稳定性较差,尤其采用抗蛇行减振器斜对称布置方式,机车后司机室横向平稳性显著变差;对于低锥度工况,需以提高机车稳定性为优化目标,而高锥度工况则更需关注其横向平稳性;为兼顾不同轮轨接触条件下机车动力学性能,以提高线路适应性,机车一系纵向刚度、抗蛇行减振器阻尼和二系横向减振器阻尼值在文中给定的优化范围内应尽量选取较小值,建议分别选取12 kN/mm、600 kN·s/m和25 kN·s/m.     

高速列车头型多目标气动优化设计

为提高明线运行的高速列车气动性能,以头车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,对高速列车头型进行了多目标自动优化设计.以某新型高速列车为原型,建立了包含转向架区域的高速列车参数化模型,提取了7个设计变量,分别控制鼻尖高度、端盖开闭机构顶端高度、驾驶室车窗高度、水平最大外轮廓线横向宽度、头型中部辅助控制线凹凸度、转向架区域横向宽度和隔墙倾角,并基于计算流体动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型.应用该模型计算作用在列车上的气动力,通过多目标遗传算法自动更新设计变量,实现了高速列车头型的自动优化设计.对优化目标与设计变量的相关性进行分析,结果表明:驾驶室车窗高度和转向架区域横向宽度对头车阻力影响最大,头型鼻尖高度和中部辅助控制线凹凸度对尾车升力影响最大;优化后得到6个Pareto最优头型,与优化前的头型相比,头车阻力最多减小3.15%,尾车升力最多减小17.05%.      

横风下高速列车动力学参数的多目标优化

为改善高速列车横风下运行的动力学性能, 提高运行平稳性和安全性, 以轮轴横向力和轮重减载率为优化目标, 对高速列车动力学模型的悬挂参数进行多目标优化设计; 建立高速列车多体动力学参数化模型, 依照大风限速标准, 加载列车在横风下以不同速度运行的气动力数据, 选取了止挡间隙、一系悬挂纵向和垂向刚度、二系悬挂纵向和垂向刚度、一系垂向减振器刚度、二系横向和垂向减振器刚度、抗蛇形减振器刚度及阻尼11个变量; 搭建高速列车动力学模型优化平台, 对高速列车多体动力学参数化模型的设计参数与轮轴横向力和轮重减载率的相关性进行分析, 得到列车各悬挂参数对轮轴横向力和轮重减载率的影响趋势; 基于相关性结果, 采用NCGA、AMGA和NSGA-Ⅱ遗传算法对高速列车的动力学参数进行优化设计。分析结果表明: 采用NSGA-Ⅱ算法的优化结果最为理想; 与轮轴横向力和轮重减载率相关性最大的参数为抗蛇形减振器刚度, 为反效应; 优化后列车的动力学性能得到明显的改善, 轮重减载率从原始的0.78整体优化到0.63以下, 且最小可以优化到0.49, 最高可降低37.2%;轮轴横向力从原始的16.8 kN整体优化到9.6 kN以下, 且最小可以优化到5.79 kN, 最高可降低65.5%;得到了优化目标的Pareto前沿最优解, 确定了列车各动力学参数设计变量的最优解集, 并对最优解集在其他列车速度和风速组合下的运行工况进行验证, 适用性较好。     

高速列车抗蛇行减振器参数的多目标优化研究

为了研究抗蛇行减振器参数匹配规律以兼顾不同轮轨接触状态下高速列车横向稳定性,针对国内运行典型结构参数的高速列车,建立车辆横向动力学简化模型,分别考虑到高、低锥度两种轮轨接触状态下车辆的横向稳定性,采用多目标优化方法对抗蛇行减振器刚度和阻尼值进行多参数优化,并分析最优抗蛇行减振器参数的影响因素. 结果表明:优化的抗蛇行减振器阻尼值主要取决于车辆二系横向阻尼,得出了两类阻尼值的抗蛇行减振器选配类型,即当二系横向阻尼较小时,转向架单侧需匹配较小阻尼值600～1000 kN?s?m?1,或当二系横向阻尼较大时,匹配大于4 000 kN?s?m?1的抗蛇行减振器;抗蛇行减振器刚度显著影响不同轮轨接触状态下的车辆稳定性,减小抗蛇行减振器刚度有利于低锥度状态车辆稳定性,反之亦然.      

高速客车转向架悬挂参数分析

为了全面考察转向架悬挂参数对高速客车行车安全性和乘坐舒适性的影响规律,为高速客车转向架悬挂参数的合理选取提供理论依据,首先从时域内分析了一、二系悬挂参数对高速客车动力学性能的影响,然后从频域内分析了二系悬挂参数对车体振动模态的影响.仿真计算与分析结果表明:合理设置一系纵向和横向定位刚度和二系抗蛇行减振器结构阻尼参数即可基本实现转向架较高的临界速度;减小二系横向刚度而适当增大二系横向阻尼可提高高速客车的横向平稳性;为了改善高速客车的垂向平稳性,一、二系垂向减振器阻尼都不宜选取过大.     

高速客车转向架悬挂参数分析

为了全面考察转向架悬挂参数对高速客车行车安全性和乘坐舒适性的影响规律,为高速客车转向架悬挂参数的合理选取提供理论依据,首先从时域内分析了一、二系悬挂参数对高速客车动力学性能的影响,然后从频域内分析了二系悬挂参数对车体振动模态的影响.仿真计算与分析结果表明:合理设置一系纵向和横向定位刚度和二系抗蛇行减振器结构阻尼参数即可基本实现转向架较高的临界速度;减小二系横向刚度而适当增大二系横向阻尼可提高高速客车的横向平稳性;为了改善高速客车的垂向平稳性,一、二系垂向减振器阻尼都不宜选取过大.     

高速列车横向半主动悬挂系统模糊控制

为了抑制由高速车体摇头引起的车体横向振动, 构造了高速列车横向半主动悬挂系统模糊控制结构, 采用模糊控制策略, 以减振器的实际阻尼力和车体、构架的横向振动加速度为反馈输入, 对车体前后横向悬挂系统的可调减振器进行双闭环反馈独立控制。以美国六级轨道谱为输入, 在列车运行速度为270km.h^-1时, 结合表征列车悬挂系统横向振动特征的17自由度动力学模型, 对半主动悬挂机车和被动悬挂机车的横向振动、摇头振动进行计算。计算结果表明: 采用半主动悬挂的高速车体平稳性改善了12.54%, 摇头振动幅值减少了35.00%, 横向振动幅值减少了48.45%, 在车体固有频率(1~6Hz)附近, 车体横向振动、摇头振动抑制达到50%。可见, 该控制结构和控制策略能够明显抑制车体横向振动。     

基于灰色关联分析法的控制臂多工况拓扑优化设计

在考虑实际生产及装配使用的前提下,建立了控制臂拓扑优化空间模型,通过灰色关联分析法确定了各工况权重系数,采用折衷规划法对控制臂进行多工况拓扑优化。将得到的拓扑优化结果与原模型相比,重量减轻了9.78%,且满足强度及刚度性能要求,验证了设计的合理性。     

基于舒适性及道路友好性的拖挂车辆悬架参数优化方法

为了分析悬架系统对车辆舒适性和道路友好性的影响和选择合理的车辆悬架参数, 建立了七自由度的四轴拖挂车辆动力学模型。以拖车车身垂向加速度和各轴轮胎对路面的动作用力为目标函数, 通过统一目标函数法, 对拖挂车辆的各悬架参数进行多目标优化设计。优化后, 拖车车身垂向加速度下降了21.43%, 对路面具有最大作用力的拖车后轮的动载力减小了17.72%。优化结果表明: 合理选择拖挂车辆悬架参数不但可保证车辆行驶的舒适性, 而且还能明显减小重载车辆对路面的动作用力, 减轻对路面的损伤。     

车下弹性吊挂设备悬挂刚度选取方法

以车体低阶弹性振动、刚体振动和设备有源振动为输入, 提出了一种能够快速、简便确定弹性设备悬挂刚度的方法;在充分考虑吊挂设备各个方向上可能出现耦合振动、设备安装间隙、允许最大振动位移等因素的前提下, 推导了任意悬挂方式吊挂设备的刚体振动频率计算公式;给出了车下弹性吊挂设备悬挂刚度的选取方法与分析流程;以某动车组为例, 建立了车体与动力包的耦合振动分析模型, 计算得到了动力包的点头、摇头、浮沉、侧滚等刚体振动频率和三向悬挂刚度的取值范围, 并对比了动力包悬挂刚度理论计算结果与有限元结果。研究结果表明:在已知车体或吊挂设备基本参数的前提下, 采用提出的方法无需通过复杂的动力学建模分析即可计算出其点头、摇头、浮沉、侧滚等刚体振动频率, 与有限元计算结果相比, 刚体振动频率的最大相对误差为6.88%;计算所得动力包刚体振动频率与车体对应振动频率的比值均有效避开了耦合区间[0.750, 1.414], 因此, 采用提出的方法可快速、准确地确定吊挂设备的刚度范围, 从而避免设备与车体之间的共振。     

基于弹复力调整的高速列车群动态运行轨迹优化方法

为提高列车控制过程的自主性和智能性,研究了列车群动态运行过程,采用多智能体和图论方法构建了列车群分布式信息交互模型;以节能和准点为优化目标,以安全和乘客舒适度为约束条件,建立了列车群运行轨迹多目标优化模型,利用基于模拟退火思想改进的差分进化算法获取了列车群静态最优运行轨迹;在此基础上,为避免或消解列车运行过程中随机干扰导致的延误传播问题,针对移动闭塞系统,基于弹复力构建了信息交互支撑的列车群动态间隔调整机制,设计了列车群在线协同优化算法,实现了列车群运行轨迹的动态调整,最后采用武广高速铁路实际数据进行了仿真验证。研究结果表明：提出的在线协同优化算法可以有效提升最优解搜索能力,避免Pareto最优解集的频繁更新,在不同干扰场景下算法触发频率平均降低36.7%;在试验设计的一般干扰场景中,优化后的动态调整策略在保证列车群安全平稳运行的同时,将受扰列车的延误度由6.2%降至0,与立即恢复延误策略相比,节能率达4.8%;在试验设计的较大干扰场景中,受扰列车的延误度由13.1%降至1.4%,全局时间偏差恢复为0,节能率达1.8%。可见,提出的方法能够解决运行轨迹静态规划方式无法完全适应外部动态环境变化的问题,有效保障干扰情况下列车运行复合紊态的及时恢复。