[发明专利]双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统及方法

说明书

本发明涉及一种双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统及方法，提出三级缓冲减振系统总体布局，规定各级缓冲减振装置的功能。然后是动力学参数设计，将各级缓冲减振装置和悬浮车体结构离散为弹簧‑质量元的动力学参数，建立三自由度的动力学方程，通过优化设计程序平台获得各级缓冲减振装置的刚度和阻尼参数。最后是缓冲减振装置结构设计，选取各级缓冲减振装置的基本形式，提取结构装置的关键几何尺寸，建立有限元参数化结构模型，通过有限元与优化设计程序联合仿真获得各级缓冲减振装置的结构设计结果。本发明考虑了动力学参数优化和结构参数优化，获得性能最优、结构合理的三级缓冲减振系统设计结果，显著缩短缓冲减振系统的研发周期。

技术领域

本发明属于机械动力学与振动领域，涉及多级缓冲减振系统的设计方法，特别是一种双轨悬浮车体适应碰撞振动的三级缓冲减振系统及方法。

背景技术

现代军民用运载工具正朝着高速运动、高载重量的方向发展，可行技术方案是将车体通过磁力或气动力悬浮，减小车辆与路面的摩擦力，可以突破传统地面交通工具的速度限制。这一类型的悬浮车体在理论上可以完全不需要与轨道进行接触，但可能发生悬浮力与重力的不平衡或者突加横向力的突发情况，导致严重的脱轨事故。因此在实际应用中为了保证安全，会在悬浮车体底部设计滑橇与轨道的配合，在出现状况时产生约束，但这种方法同时也引入了新的振动源，需要进行车体缓冲减振设计。

磁悬浮列车是一类典型的悬浮车体系统，通过电磁铁与轨道间的吸引使车辆悬浮，突破了铁路交通系统中使用车轮和轨道的传统技术界限。国内外的分析表明，低俗常导磁吸式磁悬浮列车每个电磁悬浮模块的最大横移量不能超过磁极宽度的一半，因而在运行过程中必须控制悬浮电磁铁与轨道间的横向位移，严格限制车体的横向振动幅值，使列车的横向振动加速度不超出平稳性允许的合格限度([1]董仲美,王自力,蒋海波等.邻车减振器对磁悬浮列车横向振动的影响[J].铁道机车车辆,2006(12):26-6)火箭橇同时也是目前投入工程试验的超高速运动的悬浮车体，通常用于高速航空飞行器的地面模拟飞行试验，具备全尺寸试验能力、试验速度与过载范围大、可重复性高和经济性优等特点。火箭橇结构特征是从橇体向下延伸出滑橇与高精度轨道形成配合，防止由于气动力突变发生不可预料的脱轨现象，同时又要与轨道保持一定间隙，使滑橇顺利通过。目前已经有文献对单轨火箭橇由于轨道不平顺问题带来的振动冲击进行研究：文献([2]余元元,龚明生.用于高速火箭橇试验的减振滑块装置：中国，201410692769.4[P].2015-04-22.)提出了用于高速火箭橇试验的减振滑块装置安装到滑橇上，可以在三个坐标方向上对火箭橇进行减振；文献([3].刘军,顾凯旋,龚明生.新型火箭橇减振装置:中国，201510925792.8[P].2015-12-12)提出了圆环形的火箭橇减振装置，安装到橇体与滑橇的承力框架位置。目前有文献报导双轨火箭橇具备载重量大的优势已经开始投入研发工作，但是其由于轨道不平顺和碰撞导致的振动冲击，车体姿态振动控制问题也要远远复杂于单轨火箭橇([4]顾凯旋,龚明生,王磊等.双轨火箭橇全时程动力学仿真分析研究[J].航空工程进展,2020(4):11-2.)，需要缓冲减振系统开展相应的设计研发工作。

双轨悬浮车体通常需要在底部布置若干对滑靴，在车体偏航时发生碰撞形成滑靴与轨道的接触或配合，约束悬浮车体只能进行航向、垂向运动以及俯仰方向的转动。但滑靴的引入导致增加了新的振动源，滑靴与轨道剧烈碰撞产生振动冲击，会影响车体内灵敏仪器正常工作和乘员的舒适性，甚至可能对车体结构造成损坏。更加严重的状况是，悬浮车体可能会由于突发情况导致悬浮力突然增加或降低，大质量的车体做向上或向下的刚体运动，直到与轨道产生剧烈撞击，在滑靴上产生极大的突加冲击载荷，这种偶然发生的极限载荷工况称为碰撞工况。因此必须在悬浮车体上设计一套适应不同振动冲击载荷工况的缓冲减振系统，即：对于产生小幅振动的碰撞工况，适当增加车体阻尼，耗散振动能量，使强迫振动的振幅迅速衰减；对于产生剧烈冲击的碰撞工况，适当降低车体的支承刚度，快速吸收冲击能量，减小车体的自由振动变形。

然而在仿真和试验中发现，很难采用单级的缓冲减振装置同时解决悬浮车体在不同碰撞情况下的振动冲击问题，主要面临着以下难点：