基于Magic Formula的新减振器数值模型及其在铁道车辆动力学中的应用

摘要

在过去十年，铁道车辆运行速度越来越快，舒适性也越来越提高。这是由于人类对运输需求的增加，铁路公司努力提高中程距离(500公里到1000公里)范围的市场竞争力。中国铁路既有的车辆急需改善现有车辆动力学性能，提高运行速度。本论文的研究目标是在中国铁道科学研究院(CARS)和ZFSachsAG公司合作进行这方面的研究基础上，发展一个新的可以用于工程实际的铁道车辆减振器设计理论。目前，大多数减振器设计者仍然不能将车辆动力学和减振器的力-速度特性曲线，以及减振器的几何结构参数联系在一起。减振器设计者完全是基于自己的工作经验，根据特定的车辆种类，选择不同的减振器关键参数，制造减振器并进行现车安装试验以确定是否适用。 本项目的主要目标是在铁道车辆动力学范畴下，结合铁道车辆动力学性能研究的需要，建立一种全新的与减振器主要设计参数密切相关的减振器数值模型-MagicFormula减振器模型。这个模型还结合目前中国铁路自行生产的最大运行速度为200km/h的CW200型转向架为研究实例开展研究。 本文对已发表的减振器模型文献进行了详细研究分析。结论是大部分模型是基于文献[61]Lang(1977)描述的数学模型。因为它的参数具有明确的物理意义，仿真分析的频率范围在30Hz以内，这对于车辆的舒适性分析是足够的。基于MagicFormula公式，即减振器力-速度特性曲线与阀结构参数的关系，建立了一种新的减振器数值模型。应用等价线性化方法研究减振器的动态特性，提出应用比阻尼SDR这一参数来描述减振器的能量耗散，比较分析MagicFormula公式中的各项参数，认识到孔径因子eps对比阻尼率的影响最大。 以WX998799综合检测车为实例，在ADAMS/Rail中实现了MagicFormula动态减振器模型的连接，以及另外五种Maxwell减振器模型。在铁科院北京环形试验线以及北京-长春铁路干线上对WX998799综合检测车进行实际测试，验证本文的减振器模型。在六种模型中，MagicFormula动态减振器模型的仿真结果最接近实际测试。通过相关试验和研究分析表明，MagicFormula动态减振器模型是唯一能仿真高频，小的减振器压缩幅值u(＜5mm)和小的压缩速率幅值w(＜0.05m/s)时动力学性能的模型。模型参数孔径因子eps在提速客车的动态性能中起了主要作用。 基于简化的单质量弹簧阻尼系统对WX998799综合检测车模型的横向动力学性能进行仿真研究。以第一阻尼系数B、泄载点D和孔径因子eps作为变量，设计二系横向减振器的优化策略。得出最优的减振器特性曲线，在0～2Hz范围内平均SDR的标准偏差最小，并且在不同车体运行速度下，最优力-速度特性曲线的变化最小。这可以理解为最优力-速度特性曲线对车体运行速度的依赖最小。理想上，最优力-速度特性曲线应该独立于车体运行速度，这样在每个运行速度下，能达到最优的Sperling舒适度指标。这样的特性曲线应该是“上凸”形，并且泄载点D相对于所有在eps≥0.0情形下计算得出的最优力-速度特性曲线中的数值应该最小。 本文提出的减振器优化设计方案，综合考虑了车辆动力学性能，以及减振器设计的结构尺寸和工艺要求，将两者用数值模型联系在一起，提供了最大阻尼力值达到最小值的良好的工作性能和使用寿命。这种先进的设计方案，将会给减振器设计制造技术带来重大变化，有力地推动全球铁路市场的发展。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：术语符号表

独创性声明

1.绪论

2.减振器的各种功能及既有的减振器模型

3.Magic Formula减振器数值模型的研究

3.1.根据设计需要建立减振器模型

3.2.减振器的物理模型

3.3.模型的实验验证

3.4.阀装置的结构设计与特性曲线间关系的研究

4.液压减振器模型的动力学性能分析

5.减振器数值模型在铁道车辆动力学研究中的应用

6.减振器的特性优化

7.结论

Acknowledgements

参考文献

已发表论文