[发明专利]非线性的抗蛇形减振器的结构参数优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及减振装置技术领域，尤其涉及一种非线性的抗蛇形减振器的结构参数优化设计方法。

背景技术

目前，现在的高速铁道车辆的运营速度已经达到350km/h，但这也会使得运行工况比低速时更为恶劣，振动冲击也要更大。在保证车辆动力学性能的条件下为了获得更高的速度，许多新技术应用于高速铁路中，比如车辆轻量化技术，高平顺和高稳定性的无砟轨道。这些技术的应用都会导致车辆悬挂部件工作状况发生改变：一是悬挂部件和车辆之间相对位移振幅的降低；二是悬挂部件和车辆之间相对运动频率的增加。为了保障车辆安全及平稳运行，这就对车辆悬挂性能提出更高要求。铁道车辆的悬挂系统可以吸收和缓和道路不平顺等引起的振动和冲击，其性能的好坏将直接影响车辆的平稳性、舒适性、车辆部件的使用寿命和行车安全性。

悬挂系统各元件的工作特性具有很强的非线性特征，它们对车辆运行的稳定性有着重要作用。车辆悬挂系统的非线性特性是指空气弹簧、液压减振器、抗蛇行减振器、转臂定位刚度等悬挂元件的非线性特性。悬挂系统的非线性特性中抗蛇行减振器特性参数、转臂定位刚度对铁道车辆动力学的影响相对较大。在车辆运行正常的大部分情况下，它们的工作特性可以用线性来近似描述。当然在铁道车辆通过道岔区或其它复杂工况的区间，产生较为剧烈的运动时，悬挂系统的非线性特性会影响到铁道车辆系统的动力学特性。其中非线性的抗蛇行减振器的工作会导致Hopf分叉改变，通过选择合适的抗蛇行减振器后，带有大幅值的振荡会被抑制而达到更高的临界速度。

液压减振器的阻尼特性是用减振力与活塞速度间的关系里描述的，因此建立的液压减振器数值模型应该尽可能准确地表达出这种关系。现在有三种建模方法：

1.基于大量实验数据而建立数值模型，这种方法也称为非参数化模型。它不用考虑减振器内部结构和工作原理，仅采用图描述阻尼力与位移、速度、加速度、频率等状态变量的关系，在实际的计算时，只需查图或简单插值即可，运算速度很快。非参数化模型重点研究减振器在随机、简谐、等速和高频等各种激振方法下，其恢复力曲面使用速度.位移或是使用加速度—速度作为状态变量的准确性，目的是想在有限试验条件下能更精确地描述减振器在宽频带内的阻尼特性。

2.基于减振器物理结构参数建立模型，如压力腔的体积、阀的特性、活塞截面等。这种方法的优点是模型可以应用于不同的减振器，可以修改不同物理结构参数。结果是调节模型所需的试验次数能降到最低。

3.等效参数化建模。它将减振器抽象成一些如阻尼元件、弹性元件、摩擦元件、间隙元件等具有某种力学特性的典型物理元件的组合系统，通常只包括(但不仅限于)1-10个参数，在实际的计算中能保证很高的效率。

为了提高减振器的性能这就需要对减振器动力学特性进行更加深入的研究，减振器结构参数的影响就是一个重要的方向。减振器性能设计的一个重要手段就是通过调整内部结构参数来实现的。液压减振器虽然结构各不相同，但基本结构参数主要是节流阀相关的初始节流孔、可变节流孔、弹簧的刚度和弹簧预压力，活塞杆的直径、减振器的两端刚度等。

在现有技术中，建立非参数化模型需要进行大量的试验以获得一个精确的模型。这些试验必须要能描述减振器有可能工作时的所有操作范围。而这种情况下常常会出现减振器所产生的阻尼力不仅仅与当前的速度和位置有关，还与前面时刻的速度和位置有关。对于一些减振器来说，当不同压力腔内的压力差并没有达到一定的数值的时候油液是不会流动的，而这个时候，减振器产生的力是与零速度和位移时的零状态是不同的。这种现象就无法使用这种模型进行描述了。同时基于试验结果的模型也需要大量的结果分析，而这也是难以重复获得的，因为减振器模型会随着结构参数的变化而产生变化。

建立基于减振器物理结构参数的模型，这种模型太过于复杂，而如果模型过于复杂会使得进行动力学仿真的时候效率下降，甚至会出现结果发散的现象。

建立等效参数化模型，能够将减振器抽象成一些如阻尼元件、弹性元件、摩擦元件、间隙元件等具有某种力学特性的典型物理元件的组合系统，在实际的计算中能保证很高的效率，但是它的缺点在于参数的物理属性难以确定，分析结果不能应用于减振器的优化设计中。

发明内容