[发明专利]一种变轨距动力转向架二系及电机横向减振器最优阻尼调控方法

权利要求书

1.一种变轨距动力转向架二系及电机横向减振器最优阻尼调控方法，其具体实现过程如下：

(1)建立包含电机振动的高速列车51自由度横向振动微分方程：

根据高速列车的单节车体的质量M_c、侧滚转动惯量I_cx、摇头转动惯量I_cz，每台转向架构架的质量M_t、侧滚转动惯量I_tx、摇头转动惯量I_tz，每一牵引电机的质量M_m、侧滚转动惯量I_mx、摇头转动惯量I_mz，每一轮对的质量M_w、摇头转动惯量I_wz，每一轮轴重W，每一轮对的纵向定位刚度K_1x、横向定位刚度K_1y，每一轮对的纵向定位等效阻尼C_1x、横向定位等效阻尼C_1y，一系悬挂弹簧的垂向刚度K_p，一系垂向减振器的阻尼系数C_p，二系悬挂弹簧的纵向刚度K_2x、横向刚度K_2y、垂向刚度K_s，二系垂向减振器的阻尼系数C_s，电机架悬部件的垂向刚度K_mz、横向刚度K_my、摇头刚度电机架悬部件的垂向等效阻尼C_mz、摇头等效阻尼抗蛇行减振器的阻尼系数C_sn，二系横向减振器的阻尼系数C_t，电机横向减振器的阻尼系数C_m，一系垂向减振器的端部连接刚度K_pd，二系垂向减振器的端部连接刚度K_sd，二系横向减振器的端部连接刚度K_td，抗蛇行减振器的端部连接刚度K_ds，电机横向减振器的端部连接刚度K_dm，单个抗侧滚扭杆的扭转刚度K_θ，转向架轴距的一半a，车辆定距的一半a₀，电机质心至转向架构架质心的纵向距离a₁，车轮和钢轨接触点横向间距的一半b，二系横向减振器纵向安装间距的一半b₀，轮轴定位弹簧横向安装间距的一半b₁，二系悬挂弹簧横向安装间距的一半b₂，抗蛇行减振器横向安装间距的一半b₃，电机架悬横向安装间距的一半b₄，每一轮对的横向蠕滑系数f₁、纵向蠕滑系数f₂，车轮的滚动半径r，车轮的踏面斜度λ，列车的运行速度v，车轴中心线到轨道平面的高度h₀，车体质心到二系弹簧上平面的高度h₁，车体质心到二系横向减振器的高度h₂，二系弹簧上平面到转向架构架质心的高度h₃，转向架构架质心到车轴中心线的高度h₄，二系横向减振器到转向架构架质心的高度h₅，转向架构架质心到电机横向减振器的高度h₆，电机质心到电机横向减振器的高度h₇；分别以各子系统质心为原点；以第1轮对的横摆位移y_w1、摇头位移第2轮对的横摆位移y_w2、摇头位移第3轮对的横摆位移y_w3、摇头位移第4轮对的横摆位移y_w4、摇头位移前转向架构架的横摆位移y_t1、摇头位移侧滚位移θ_t1，后转向架构架的横摆位移y_t2、摇头位移侧滚位移θ_t2，第1电机的横摆位移y_m1、摇头位移侧滚位移θ_m1，第2电机的横摆位移y_m2、摇头位移侧滚位移θ_m2，第3电机的横摆位移y_m3、摇头位移侧滚位移θ_m3，第4电机的横摆位移y_m4、摇头位移侧滚位移θ_m4，车体的横摆位移y_c、摇头位移侧滚位移θ_c，一系垂向减振器的活塞杆垂向位移z_p1、z_p2、z_p3、z_p4，二系垂向减振器的活塞杆垂向位移z_s1、z_s2、z_s3、z_s4，二系横向减振器的活塞杆横向位移y_d1、y_d2、y_d3、z_d4，抗蛇行减振器的活塞杆纵向位移x_s1、x_s2，及电机横向减振器的活塞杆横向位移y_e1、y_e2、y_e3、y_e4、y_e5、y_e6、y_e7、y_e8为坐标；以第1轮对、第2轮对、第3轮对、第4轮对处的轨道方向不平顺随机输入y_a1(t)、y_a2(t)、y_a3(t)、y_a4(t)和水平不平顺随机输入y_c1(t)、y_c2(t)、y_c3(t)、y_c4(t)为输入激励，其中，t为时间变量；建立包含电机振动的高速列车51自由度横向振动微分方程，即：

①第1轮对的横摆振动微分方程：

②第1轮对的摇头振动微分方程：

③第2轮对的横摆振动微分方程：

④第2轮对的摇头振动微分方程：

⑤第3轮对的横摆振动微分方程：

⑥第3轮对的摇头振动微分方程：

⑦第4轮对的横摆振动微分方程：

⑧第4轮对的摇头振动微分方程：

⑨前转向架构架的横摆振动微分方程：

⑩前转向架构架的侧滚振动微分方程：

前转向架构架的摇头振动微分方程：

后转向架构架的横摆振动微分方程：

后转向架构架的侧滚振动微分方程：

后转向架构架的摇头振动微分方程：

第1电机的横摆振动微分方程：

第1电机的侧滚振动微分方程：

第1电机的摇头振动微分方程：

第2电机的横摆振动微分方程：

第2电机的侧滚振动微分方程：

第2电机的摇头振动微分方程：

第3电机的横摆振动微分方程：

第3电机的侧滚振动微分方程：

第3电机的摇头振动微分方程：

第4电机的横摆振动微分方程：

第4电机的侧滚振动微分方程：

第4电机的摇头振动微分方程：

车体的横摆振动微分方程：

车体的侧滚振动微分方程：

车体的摇头振动微分方程：

一系垂向减振器的端部力平衡方程：

二系垂向减振器的端部力平衡方程：

二系横向减振器的端部力平衡方程：

抗蛇行减振器的端部力平衡方程：

电机横向减振器的端部力平衡方程：

(2)构建计及电机振动效应的高速列车51自由度横向振动仿真分析模型：

根据步骤(1)中所建立的包含电机振动的高速列车51自由度横向振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建计及电机振动效应的高速列车51自由度横向振动仿真分析模型；

(3)确定变轨距后动力转向架二系及电机横向减振器的最优阻尼系数：

I步骤：确定变轨距前车体、转向架构架及牵引电机的振动加速度均方根值

根据车辆定距的一半a₀，转向架轴距的一半a，列车运行速度v，及步骤(2)中所建立的计及电机振动效应的高速列车51自由度横向振动仿真分析模型，以各轮对处的轨道方向不平顺随机输入和水平不平顺随机输入为输入激励，仿真得到当前二系横向减振器及电机横向减振器阻尼系数下该列车的车体横摆振动加速度均方根值前转向架构架横摆振动加速度均方根值后转向架构架横摆振动加速度均方根值第1电机横摆振动加速度均方根值第2电机横摆振动加速度均方根值第3机横摆振动加速度均方根值及第4电机横摆振动加速度均方根值

其中，各轮对处轨道方向不平顺随机输入之间的关系为：y_a2(t)＝y_a1(t-2a/v)，y_a3(t)＝y_a1(t-2a₀/v)，y_a4(t)＝y_a1[t-2(a₀+a)/v]；各轮对处水平不平顺随机输入之间的关系为：y_c2(t)＝y_c1(t-2a/v)，y_c3(t)＝y_c1(t-2a₀/v)，y_c4(t)＝y_c1[t-2(a₀+a)/v]；

II步骤：建立变轨距后动力转向架二系及电机横向减振器的阻尼系数联合优化目标函数

根据步骤(2)中所建立的计及电机振动效应的高速列车51自由度横向振动仿真分析模型，及I步骤中所确定的车体横摆振动加速度均方根值前转向架构架横摆振动加速度均方根值后转向架构架横摆振动加速度均方根值第1电机横摆振动加速度均方根值第2电机横摆振动加速度均方根值第3机横摆振动加速度均方根值第4电机横摆振动加速度均方根值令b＝b_r/2，其中，b_r为新轨距，以二系横向减振器的阻尼系数和电机横向减振器的阻尼系数为待设计变量，以各轮对处的轨道方向不平顺随机输入和水平不平顺随机输入为输入激励，利用仿真得到的车体横摆振动加速度均方根值前转向架构架横摆振动加速度均方根值后转向架构架横摆振动加速度均方根值第1电机横摆振动加速度均方根值第2电机横摆振动加速度均方根值第3机横摆振动加速度均方根值第4电机横摆振动加速度均方根值建立变轨距后动力转向架二系及电机横向减振器的阻尼系数联合优化目标函数I_o(C_t,C_m)，即：

III步骤：确定变轨距后动力转向架二系及电机横向减振器的最优阻尼系数

根据车辆定距的一半a₀，转向架轴距的一半a，列车运行速度v，及步骤(2)中所建立的计及电机振动效应的高速列车51自由度横向振动仿真分析模型，以各轮对处的轨道方向不平顺随机输入y_a1(t)、y_a2(t)、y_a3(t)、y_a4(t)和水平不平顺随机输入y_c1(t)、y_c2(t)、y_c3(t)、y_c4(t)为输入激励，利用优化算法求II步骤中所建立的变轨距后动力转向架二系及电机横向减振器的阻尼系数联合优化目标函数I_o(C_t,C_m)的最小值，所对应的设计变量即为变轨距后动力转向架二系横向减振器的最优阻尼系数C_to和电机横向减振器的最优阻尼系数C_mo；

其中，各轮对处轨道方向不平顺随机输入之间的关系为：y_a2(t)＝y_a1(t-2a/v)，y_a3(t)＝y_a1(t-2a₀/v)，y_a4(t)＝y_a1[t-2(a₀+a)/v]；各轮对处水平不平顺随机输入之间的关系为：y_c2(t)＝y_c1(t-2a/v)，y_c3(t)＝y_c1(t-2a₀/v)，y_c4(t)＝y_c1[t-2(a₀+a)/v]；

(4)确定变轨距前后动力转向架二系及电机横向减振器的步进电机转角控制量：

将原二系横向减振器及电机横向减振器更换为步进电机调控式液压减振器，通过调节可控液压减振器的步进电机转角量使变轨距后二系横向减振器及电机横向减振器的阻尼系数与列车的动力学性能达到最佳的匹配效果，其中，变轨距前后动力转向架二系及电机横向减振器的步进电机转角控制量确定方法如下：

A步骤：确定变轨距前动力转向架二系横向减振器的步进电机转角控制量

根据可控二系横向减振器的活塞缸筒内径D_sH，活塞缸筒与活塞杆间的环形面积S_sr，活塞缝隙长度L_sH，活塞平均间隙δ_sH，偏心率e_s，活塞孔直径d_sh，活塞孔等效长度L_she，常通节流孔面积A_s0，活塞孔个数n_sh，液压减振器名义速度V_sr，常通节流孔口流量系数ε_s0，可调阻尼孔口流量系数ε_sv，油液动力粘度μ_st，油液密度ρ_s，可调节流孔半径r_st，步进电机转动轴外半径R_sa及原列车的二系横向减振器阻尼系数C_t，建立关于二系横向减振器步进电机转角θ_s的变轨距前二系横向减振器的步进电机转角控制量求解数学模型，即

利用Matlab程序，求解上述数学模型关于θ_s在区间[0,2arcsin(r_st/R_sa)]范围内的解，便可得到变轨距前动力转向架二系横向减振器的步进电机转角控制量，即θ_sb；

B步骤：确定变轨距前动力转向架电机横向减振器的步进电机转角控制量

根据可控电机横向减振器的活塞缸筒内径D_mH，活塞缸筒与活塞杆间的环形面积S_mr，活塞缝隙长度L_mH，活塞平均间隙δ_mH，偏心率e_m，活塞孔直径d_mh，活塞孔等效长度L_mhe，常通节流孔面积A_m0，活塞孔个数n_mh，液压减振器名义速度V_mr，常通节流孔口流量系数ε_m0，可调阻尼孔口流量系数ε_mv，油液动力粘度μ_mt，油液密度ρ_m，可调节流孔半径r_mt，步进电机转动轴外半径R_ma及原列车的电机横向减振器阻尼系数C_m，建立关于电机横向减振器步进电机转角θ_m的变轨距前电机横向减振器的步进电机转角控制量求解数学模型，即

利用Matlab程序，求解上述数学模型关于θ_m在区间[0,2arcsin(r_mt/R_ma)]范围内的解，便可得到变轨距前动力转向架电机横向减振器的步进电机转角控制量，即θ_mb；

C步骤：确定变轨距后动力转向架二系横向减振器的步进电机转角控制量

根据可控二系横向减振器的活塞缸筒内径D_sH，活塞缸筒与活塞杆间的环形面积S_sr，活塞缝隙长度L_sH，活塞平均间隙δ_sH，偏心率e_s，活塞孔直径d_sh，活塞孔等效长度L_she，常通节流孔面积A_s0，活塞孔个数n_sh，液压减振器名义速度V_sr，常通节流孔口流量系数ε_s0，可调阻尼孔口流量系数ε_sv，油液动力粘度μ_st，油液密度ρ_s，可调节流孔半径r_st，步进电机转动轴外半径R_sa及步骤(3)中III步骤确定的二系横向减振器阻尼系数C_to，建立关于二系横向减振器步进电机转角θ_s的变轨距后二系横向减振器的步进电机转角控制量求解数学模型，即

利用Matlab程序，求解上述数学模型关于θ_s在区间[0,2arcsin(r_st/R_sa)]范围内的解，便可得到变轨距后动力转向架二系横向减振器的步进电机转角控制量，即θ_sa；

D步骤：确定变轨距后动力转向架电机横向减振器的步进电机转角控制量

根据可控电机横向减振器的活塞缸筒内径D_mH，活塞缸筒与活塞杆间的环形面积S_mr，活塞缝隙长度L_mH，活塞平均间隙δ_mH，偏心率e_m，活塞孔直径d_mh，活塞孔等效长度L_mhe，常通节流孔面积A_m0，活塞孔个数n_mh，液压减振器名义速度V_mr，常通节流孔口流量系数ε_m0，可调阻尼孔口流量系数ε_mv，油液动力粘度μ_mt，油液密度ρ_m，可调节流孔半径r_mt，步进电机转动轴外半径R_ma及步骤(3)中III步骤确定的电机横向减振器阻尼系数C_mo，建立关于电机横向减振器步进电机转角θ_m的变轨距后电机横向减振器的步进电机转角控制量求解数学模型，即

利用Matlab程序，求解上述数学模型关于θ_m在区间[0,2arcsin(r_mt/R_ma)]范围内的解，便可得到变轨距后动力转向架电机横向减振器的步进电机转角控制量，即θ_ma；

(5)变轨距动力转向架二系及电机横向减振器的最优阻尼调控：

当高速列车由原轨道运行至新轨道时，将步骤(4)中A步骤确定的变轨距前可控二系横向减振器的步进电机转角量θ_sb调节为步骤(4)中C步骤确定的变轨距后可控二系横向减振器的步进电机转角量θ_sa，同时，将步骤(4)中B步骤确定的变轨距前可控电机横向减振器的步进电机转角量θ_mb调节为步骤(4)中D步骤确定的变轨距后可控电机横向减振器的步进电机转角量θ_ma，即可使动力转向架二系横向减振器及电机横向减振器的阻尼系数与列车的动力学性能达到最佳的匹配效果。