Towards optimization of a high speed train bogie primary suspension

This work is focused on the optimization of the primary passive suspension of a high speed train with the aim of improving the dynamics behaviour in terms of ride comfort and wheel-rail wear objective functions, while safety is considered as a threshold. Multi-Body Simulation software SIMPACK rail is employed to create a 50 DOFs one car railway vehicle model with two bogies. To verify the simulation results, the SIMPACK model is run on five operational scenarios (with measured data as the track irregularities) and ride comfort, safety and wear objective functions are evaluated and compared with the admissible values from different railway standards. MATLAB SIMULINK-SIMPACK connection is put into practice with the purpose of running the Genetic Algorithm based optimization routines. The first set of optimization problems are focused on the optimization of the bogie primary suspension springs and dampers components with respect to the wheel-rail wear objective function while ride comfort and safety are taken as thresholds. The results obtained show a significant reduction in the wear rate while keeping the remaining objective functions within the admissible limits. In addition and using the results from the first set of optimization problems, a pair of bi-objective optimization problems with wheel-rail wear and ride comfort as objective functions are considered through the variation of the bogie primary suspension springs and dampers characteristics as design parameters. The optimized values of design parameters (bogie primary suspension stiffness and damping) are found for each operational scenario. The optimization results achieved can be used as a guideline to improve the performance of existing bogie primary suspensions and give some hints for design and implementation of semi-active or fully active suspensions.

Questo lavoro è focalizzato sulla ottimizzazione della sospensione primaria passiva di un treno ad alta velocità allo scopo di migliorare il comportamento dinamico in termini di comfort di marcia e usura ruota – rotaia funzioni oggettivi, mentre la sicurezza è considerato come soglia. Il software di simulazione multi-corpo ferroviario SIMPACK è impiegato per creare un modello di veicolo ferroviario con due carrelli e 50 DOF. Per verificare i risultati della simulazione, il modello ferroviario creato viene eseguito su cinque scenari di funzionamento (con i dati misurati come le irregolarità del binario) dove il comfort di guida, la sicurezza e l'usura sono valutati e confrontati con i valori ammissibili di diversi norme ferroviari. La connessione MATLAB SIMULINK - SIMPACK viene messa in pratica con la fine di eseguire con le routine di ottimizzazione basati in i Algoritmi Genetici. La prima serie di problemi di ottimizzazione sono focalizzati sulla ottimizzazione delle molle e componenti ammortizzatori della sospenzione primaria con rispetto all’usura della ruota–rotaia mentre comfort e sicurezza sono presi come soglie. I risultati ottenuti mostrano una riduzione significativa del tasso di usura mantenendo le funzioni obiettivo rimanenti entro i limiti ammissibili. Inoltre, e utilizzando i risultati della prima serie di problemi di ottimizzazione, un paio di problemi di ottimizzazione bi-obiettivo con l'usura della ruota-rotaia e il comfort di guida come funzioni obiettivo sono considerate tramite la variazione dei valori delle molle e ammortizzatori della sospensione primaria come parametri del design. I valori ottimizzati dei parametri del design (rigidità e smorzamento della sospensione primaria) si trovano per ogni scenario operativo. I risultati di ottimizzazione conseguiti possono essere utilizzati come linea guida per migliorare le prestazioni delle attuali sospensioni primarie dei carrelli e dare alcune suggerimenti per la progettazione e la realizzazione di sospensioni semi- attive o pienamente attivi.