CN109583042B - 一种变轨距转向架动力学模型的建模方法和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种变轨距转向架动力学模型的建模方法和使用方法。其中，所述方法包括：建立变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮；设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将轮对模型、轴箱体模型和构架模型进行装配，并设置轮对模型和轴箱体模型之间的铰接关系，以及轴箱体模型和构架模型之间的一系悬挂关系，获得变轨距转向架动力学模型。本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模方法和使用方法，提高了变轨距转向架动力学模型建模的准确性。

Description

一种变轨距转向架动力学模型的建模方法和使用方法
技术领域
本发明实施例涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种变轨距转向架动力学模型的建模方法和使用方法。
背景技术
转向架是铁路车辆运行的重要部件，由于列车行驶在不同的区段，部件负荷条件会时常变化，再加上轨道不平顺等因素影响，使得转向架的零部件承受极为复杂的随机载荷，因此转向架的零部件是典型的疲劳件，研究转向架的动力学性能具有重要的实际意义。
由于国家之间铁路轨道的差异，出现了变轨距转向架。现有技术中，在研究变轨距转向架的动力学性能时，根据不同轨距修改轮对的内侧距，将变轨距转向架的车轮、衬套和车轴视为一体，作为传统的轮对进行动力学建模。而变轨距转向架自身变轨距结构特点决定了车轮与衬套之间存在旋转间隙、衬套与车轴之间存在横向间隙和径向间隙，并且在变轨距转向架实际运行过程中由于轨道不平顺等原因会使上述各个间距变大，从而改变轨距转向架的动力学性能，进而影响列车运行的安全性、稳定性和平稳性。
因此，如何提出一种变轨距转向架动力学建模方法，能够提高变轨距转向架动力学模型建模的准确性，成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种变轨距转向架动力学模型的建模方法和使用方法。
第一方面，本发明实施例提出一种变轨距转向架动力学模型的建模方法，包括：
建立变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮；
设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；
建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将所述轮对模型、所述轴箱体模型和所述构架模型进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述构架模型之间的一系悬挂关系，获得所述变轨距转向架动力学模型。
第二方面，本发明实施例提供一种变轨距转向架动力学模型的使用方法，包括：
将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；
在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括第一存储器、第一处理器及存储在所述第一存储器上并可在所述第一处理器上运行的计算机程序，所述第一处理器执行所述程序时实现上述实施例所述的变轨距转向架动力学模型的建模方法。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有第一计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的变轨距转向架动力学模型的建模方法。
第五方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括第二存储器、第二处理器及存储在所述第二存储器上并可在所述第二处理器上运行的计算机程序，所述第二处理器执行所述程序时实现上述实施例所述的变轨距转向架动力学模型的使用方法。
第六方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有第二计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的变轨距转向架动力学模型的使用方法。
本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模方法和使用方法，由于能够建立包括车轴、衬套和车轮变轨距转向架的轮对模型，并设置车轴和衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置车轮和衬套之间的旋转力间隙和作用力矩关系和设置车轴和衬套之间的径向间隙和接触关系，然后建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将轮对模型、轴箱体模型和构架模型进行装配，并设置轮对模型和轴箱体模型之间的铰接关系，以及轴箱体模型和构架模型之间的一系悬挂关系，获得变轨距转向架动力学模型，提高了变轨距转向架动力学模型建模的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模装置的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用装置的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的电子设备的实体结构示意图；
图6为本发明另一实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模方法，包括：
S101、建立变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮；
具体地，变轨距转向架动力学模型的建模可以通过SIMPACK或UM等多刚体动力学软件实现，下面以利用SIMPACK软件建立变轨距转向架动力学模型为例进行说明。基于真实的变轨距转向架的轮对，可以在SIMPACK软件自带的Rail Track模块中建立所述变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，所述车轴、衬套和车轮视为刚体。其中，设置所述车轴具有6个方向的自由度，X方向平动，即纵向平动，+X方向为轨道车辆的前进方向，Y方向平动，即横向平动，+Y为沿前进方向指向右侧，Z方向平动，+Z方向为竖直向下方向；绕X轴旋转α，即侧滚转动，绕Y轴旋转β，即点头转动，绕Z轴旋转γ，即摇头转动。设置所述衬套相对于所述车轴具有3个方向的自由度，即X方向平动、Y方向平动和Z方向平动；所述车轮相对于所述衬套只有一个自由度，即绕Y轴转动。
S102、设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；
具体地，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，即在所述轮对模型的所述车轴和所述衬套相接触的位置的设置标记点，可以将所述车轴上的标记点表示为Ma，将所述衬套上的标记点表示为Mb，然后利用SIMPACK软件的Spring-Damper ParallelCmp模块在Ma和Mb之间建立弹簧-阻尼并联力元，再将所述车轴与所述衬套之间横向间隙的非线性弹簧力元特征曲线作为所述弹簧-阻尼并联力元的弹簧力输入函数。设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系，即在所述轮对模型的所述车轮和所述衬套之间相接触的位置设置标记点，可以将所述车轮上的标记点表示为Mw，将所述衬套上的标记点表示为Mc，然后利用SIMPACK软件的Spring-Damp Rot Meas Inp Cmp模块建立Mw和Mc之间的旋转力元，将所述车轮与所述衬套之间旋转间隙的非线性扭转弹簧力元特征曲线作为所述旋转力元的扭转力矩输入函数。设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系，即利用SIMPACK软件的Hertzian contact模块在Ma和Mb之间建立Hertz接触力元，并设置相关参数，所述相关参数可以包括所述车轴和所述衬套之间的径向间隙，所述车轴和所述衬套的在Y方向上的接触长度，以及所述车轴和所述衬套的材料属性参数。所述径向间隙以表达式表示，所述车轴的半径为Ra，所述衬套的半径为Rb，则所述径向间隙为2*(Rb-Ra)。所述材料属性参数为杨氏模量和泊松比。所述相关参数还可以包括所述车轴和所述衬套之间的阻尼系数和摩擦系数。其中，所述车轴与所述衬套之间横向间隙的非线性弹簧力元特征曲线是预设的，表示所述车轴和所述衬套之间横向作用力和横向相对位移的关系，所述横向相对位移是所述车轴和所述衬套之间的横向间隙，即在Ma和Mb之间在Y方向上的距离；所述车轮与所述衬套之间旋转间隙的非线性扭转弹簧力元特征曲线是预设的，表示所述车轮与所述衬套之间旋转力矩和相对旋转角位移的关系，所述车轮与所述衬套之间的相对旋转角位移为所述车轮与所述衬套之间的旋转间隙，即Mw和Mc之间在绕Y轴转动方向上的角位移；在本发明实施例中设定所述车轴的半径方向为径向。
S103、建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将所述轮对模型、所述轴箱体模型和所述构架模型进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述转向架模型之间的一系悬挂关系，获得所述变轨距转向架动力学模型。
具体地，基于真实的变轨距转向架的轴箱体和构架，可以在SIMPACK软件自带的Rail Track模块中分别建立所述变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，然后将所述轮对模型、所述轴箱体模型导入到所述构架模型中进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述构架模型之间的一系悬挂关系，从而获得所述变轨距转向架动力学模型。其中，上述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系以及上述一系悬挂关系的设置为现有技术，此处不进行赘述。
本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模方法，由于能够建立包括车轴、衬套和车轮变轨距转向架的轮对模型，并设置车轴和衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置车轮和衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置车轴和衬套之间的径向间隙和接触关系，然后建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将轮对模型、轴箱体和构架模型进行装配，并设置轮对模型和轴箱体模型之间的铰接关系，以及轴箱体模型和构架模型之间的一系悬挂关系，获得变轨距转向架动力学模型。，由于在建模的过程中引入了车轴和衬套之间的横向间隙和作用力关系，车轮和衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和车轴和衬套之间的径向间隙和接触关系，使获得的变轨距转向架动力学模型更真实，提高了变轨距转向架动力学模型建模的准确性。
图2为本发明一实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用方法包括：
S201、将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；
具体地，根据本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模方法可以获得变轨距转向架动力学模型，然后基于与真实变轨距转向架相适配的车体，在SIMPACK软件自带的Rail Track模块中建立车体模型，然后将车体模型导入到所述变轨距转向架动力学模型中进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，从而获得变轨距车辆的整车动力学模型。其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；上述二系悬挂关系的设置为现有技术，此处不进行赘述。
S202、在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
具体地，变轨距转向架在实际运行过程中，由于轨道不平顺等原因会导致车轮与衬套之间以及衬套与车轴之间产生磨损，致使其旋转间隙、横向间隙和径向间隙变大，从而改变轨距转向架的动力学性能，进而影响列车运行的安全性、稳定性和平稳性。所以，可以在预设工况下，利用SIMPACK软件的后处理模块通过设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，模拟所述变轨距车辆的实际运行过程，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果，所述仿真结果可以用于判断所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙是否合理，可以作为变轨距转向架的车轮和车轴之间间隙范围设计的参考，有助于制定变轨距转向架运用维护中所述间隙管理限值范围。其中，所述预设工况包括设置所述变轨距车辆的整车动力学模型的运行速度、线路条件和轨道谱，上述运行速度、线路条件和轨道谱根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。
例如，所述仿真结果包括所述变轨距转向架的动力学模型的导向轮对的横向位移曲线，所述变轨距车辆的整车动力学模型的平稳性指标、安全性指标和舒适度指标。其中，所述导向轮对为所述变轨距转向架在前进方向上的第一条轮对，根据横向位移曲线是否收敛可以确定车辆运行稳定性指标。如果所述平稳性指标、安全性指标和舒适度指标都满足要求，那么上述仿真结果对应的所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙是合理的。
本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用方法，将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置变轨距转向架的动力学模型和车体模型之间的二系悬挂力作用关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，轮对模型包括车轴、衬套和车轮，并设置车轴和衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置车轮和衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置车轴和衬套之间的径向间隙和接触关系；然后在预设工况下，基于车轴和衬套之间的横向间隙、车轴和衬套之间的径向间隙以及车轮和衬套之间的旋转间隙对变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果，由于采用更加准确的变轨距转向架动力学模型建立变轨距车辆的整车动力学模型，提高了仿真的准确性。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果包括：
保持所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙不变，获得所述车轴和所述衬套之间的横向间隙在不同取值情况下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
具体地，利用SIMPACK软件的后处理模块，保持所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙不变，改变所述车轴和所述衬套之间的横向间隙，可以获得不同的所述横向间隙下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。各个所述横向间隙对应的仿真结果，可以用于判断所述横向间隙是否合理。
例如，利用SIMPACK软件的后处理模块，设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙为a，所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙为b，保持径向间隙a和旋转间隙b不变，所述车轴和所述衬套之间的横向间隙取10个不同的值，可以获得10个不同的横向间隙各自对应的变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。其中，径向间隙a、旋转间隙b以及横向间隙的取值根据实际经验进行设置，本发明实施例不做限定。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果包括：
保持所述车轴和所述衬套之间的横向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙不变，获得所述车轴和所述衬套之间的径向间隙在不同取值情况下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
具体地，利用SIMPACK软件的后处理模块，保持所述车轴和所述衬套之间的横向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙不变，改变所述车轴和所述衬套之间的径向间隙，可以获得不同的所述径向间隙下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。各个所述径向间隙对应的仿真结果，可以用于判断所述径向间隙是否合理。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果包括：
保持所述车轴和所述衬套之间的横向间隙以及所述车轴和所述衬套之间的径向间隙不变，获得所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙在不同取值情况下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
具体地，利用SIMPACK软件的后处理模块，所述车轴和所述衬套之间的横向间隙以及所述车轴和所述衬套之间的径向间隙不变，改变所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙，可以获得不同的所述旋转间隙下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。各个所述旋转间隙对应的仿真结果，可以用于判断所述旋转间隙是否合理。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述仿真结果包括所述变轨距转向架动力学模型的导向轮对的横向位移曲线及运行稳定性，所述变轨距车辆的整车动力学模型的平稳性指标、安全性指标、和舒适度指标。
具体地，所述仿真结果包括所述变轨距转向架的动力学模型的导向轮对的横向位移曲线及运行稳定性，所述导向轮为所述变轨距转向架在前进方向上的第一个轮对，根据横向位移曲线是否收敛可以确定车辆的运行稳定性指标，如果所述横向位移曲线收敛，那么对应的运行速度合理，如果所述横向位移曲线不收敛，那么对应的运行速度不合理。所述仿真结果包括所述变轨距车辆的整车动力学模型的平稳性指标、安全性指标和舒适度指标，所述安全性指标可以包括脱轨系数、轮轨重载率、轮轴横向力和轮轨垂向力。将所述平稳性指标与预设的平稳性值进行比较，可以判断所述平稳性指标是否满足要求，将所述舒适度指标与预设的舒适度值进行比较，可以判断所述舒适度指标是否满足要求。同理，将所述安全性指标包括的各个值分别与对应的阈值进行比较，可以判断出所述安全性指标是否满足要求。
图3为本发明一实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模装置的结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模装置包括第一建立单元301、设置单元302和第二建立单元303，其中：
第一建立单元301用于建立变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮；设置单元302用于设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；第二建立单元303用于建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将所述轮对模型、所述轴箱体模型和所述构架模型进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述构架模型之间的一系悬挂关系，获得所述变轨距转向架动力学模型。
具体地，变轨距转向架动力学模型的建模可以通过SIMPACK或UM等多刚体动力学软件实现，下面以利用SIMPACK软件建立变轨距转向架动力学模型为例进行说明。第一建立单元301基于真实的变轨距转向架的轮对，可以在SIMPACK软件自带的Rail Track模块中建立所述变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，所述车轴、衬套和车轮视为刚体。其中，设置所述车轴具有6个方向的自由度，X方向平动，即纵向平动，+X方向为轨道车辆的前进方向，Y方向平动，即横向平动，+Y为沿前进方向指向右侧，Z方向平动，+Z方向为竖直向下方向；绕X轴旋转α，即侧滚转动，绕Y轴旋转β，即点头转动，绕Z轴旋转γ，即摇头转动。设置所述衬套相对于所述车轴具有3个方向的自由度，即X方向平动、Y方向平动和Z方向平动；所述车轮相对于所述衬套只有一个自由度，即绕Y轴转动。
设置单元302设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力，即在所述轮对模型的所述车轴和所述衬套相接触的位置的设置标记点，可以将所述车轴上的标记点表示为Ma，将所述衬套上的标记点表示为Mb，然后利用SIMPACK软件的Spring-Damper ParallelCmp模块在Ma和Mb之间建立弹簧-阻尼并联力元，再将所述车轴与所述衬套之间横向间隙的非线性弹簧力元特征曲线作为所述弹簧-阻尼并联力元的弹簧力输入函数。设置单元302设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系，即在所述轮对模型的所述车轮和所述衬套之间相接触的位置设置标记点，可以将所述车轮上的标记点表示为Mw，将所述衬套上的标记点表示为Mc，然后利用SIMPACK软件的Spring-Damp Rot Meas Inp Cmp模块建立Mw和Mc之间的旋转力元，将所述车轮与所述衬套之间旋转间隙的非线性扭转弹簧力元特征曲线作为所述旋转力元的扭转力矩输入函数。设置单元302设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系，即利用SIMPACK软件的Hertzian contact模块在Ma和Mb之间建立Hertz接触力元，并设置相关参数，所述相关参数可以包括所述车轴和所述衬套之间的径向间隙，所述车轴和所述衬套的在Y方向上的接触长度，以及所述车轴和所述衬套的材料属性参数。所述径向间隙以表达式表示，所述车轴的半径为Ra，所述衬套的半径为Rb，则所述径向间隙为2*(Rb-Ra)。所述材料属性参数为杨氏模量和泊松比。所述相关参数还可以包括所述车轴和所述衬套之间的阻尼系数和摩擦系数。其中，所述车轴与所述衬套之间横向间隙的非线性弹簧力元特征曲线预设的，表示所述车轴和所述衬套之间横向作用力和横向相对位移的关系，所述横向相对位移是所述车轴和所述衬套之间的横向间隙，即在Ma和Mb之间在Y方向上的距离；所述车轮与所述衬套之间旋转间隙的非线性扭转弹簧力元特征曲线是预设的，表示所述车轮与所述衬套之间旋转力矩和相对旋转角位移的关系，所述车轮与所述衬套之间的相对旋转角位移为所述车轮与所述衬套之间的旋转间隙，即Mw和Mc之间在绕Y轴转动方向上的角位移；在本发明实施例中设定所述车轴的半径方向为径向。
第二建立单元303基于真实的变轨距转向架的轴箱体和构架，可以在SIMPACK软件自带的Rail Track模块中分别建立所述变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，然后将所述轮对模型、所述轴箱体模型导入到所述构架模型中进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述构架模型之间的一系悬挂关系，从而获得所述变轨距转向架动力学模型。其中，上述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系以及上述一系悬挂关系的设置为现有技术，此处不进行赘述。
本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模装置，由于能够建立包括车轴、衬套和车轮变轨距转向架的轮对模型，并设置车轴和衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置车轮和衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置车轴和衬套之间的径向间隙和接触关系，然后建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将轮对模型、轴箱体和构架模型进行装配，并设置轮对模型和轴箱体模型之间的铰接关系，以及轴箱体模型和构架模型之间的一系悬挂关系，获得变轨距转向架动力学模型。，由于在建模的过程中引入了车轴和衬套之间的横向间隙和作用力关系，车轮和衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和车轴和衬套之间的径向间隙和接触关系，使获得的变轨距转向架动力学模型更真实，提高了变轨距转向架动力学模型建模的准确性。
本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模装置的实施例具体可以用于执行上述相应方法实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述相应方法实施例的详细描述。
图4为本发明一实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用装置的结构示意图，如图4所示，本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用装置包括获得单元401和仿真单元402，其中：
获得单元401用于将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，并设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；仿真单元402用于在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
具体地，根据本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的建模方法可以获得变轨距转向架动力学模型，获得单元401基于与真实变轨距转向架相适配的车体，在SIMPACK软件自带的Rail Track模块中建立车体模型，然后将车体模型导入到所述变轨距转向架动力学模型中进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，从而获得变轨距车辆的整车动力学模型。其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；上述二系悬挂关系的设置为现有技术，此处不进行赘述。
变轨距转向架在实际运行过程中，由于轨道不平顺等原因会导致车轮与衬套之间以及衬套与车轴之间产生磨损，致使其旋转间隙、横向间隙和径向间隙变大，从而改变轨距转向架的动力学性能，进而影响列车运行的安全性、稳定性和平稳性。所以，仿真单元402可以在预设工况下，利用SIMPACK软件的后处理模块通过设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，模拟所述变轨距车辆的实际运行过程，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果，所述仿真结果可以用于判断所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙是否合理，可以作为变轨距转向架的车轮和车轴之间间隙范围设计的参考，有助于制定变轨距转向架运用维护中所述间隙管理限值范围。其中，所述预设工况包括设置所述变轨距车辆的整车动力学模型的运行速度、线路条件和轨道谱，上述运行速度、线路条件和轨道谱根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。
本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用装置，将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置变轨距转向架的动力学模型和车体模型之间的二系悬挂力作用关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，轮对模型包括车轴、衬套和车轮，并设置车轴和衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置车轮和衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置车轴和衬套之间的径向间隙和接触关系；然后在预设工况下，基于车轴和衬套之间的横向间隙、车轴和衬套之间的径向间隙以及车轮和衬套之间的旋转间隙对变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果，由于采用更加准确的变轨距转向架动力学模型建立变轨距车辆的整车动力学模型，提高了仿真的准确性。
本发明实施例提供的变轨距转向架动力学模型的使用装置的实施例具体可以用于执行上述相应方法实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述相应方法实施例的详细描述。
图5为本发明一实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：第一处理器(Processor)510、第一通信接口(Communications Interface)520、第一存储器(Memory)530和第一通信总线540，其中，第一处理器510，第一通信接口520，第一存储器530通过第一通信总线540完成相互间的通信。第一处理器510可以调用第一存储器530中的逻辑指令，以执行如下方法，例如包括：建立变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮；设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将所述轮对模型、所述轴箱体模型和所述构架模型进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述构架模型之间的一系悬挂关系，获得所述变轨距转向架动力学模型。
本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行如下方法，例如包括：建立变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮；设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将所述轮对模型、所述轴箱体模型和所述构架模型进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述构架模型之间的一系悬挂关系，获得所述变轨距转向架动力学模型。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储第一计算机指令，所述第一计算机指令使所述计算机执行如下方法，例如包括：建立变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮；设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将所述轮对模型、所述轴箱体模型和所述构架模型进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述构架模型之间的一系悬挂关系，获得所述变轨距转向架动力学模型。
图6为本发明另一实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：第二处理器(Processor)610、第二通信接口(Communications Interface)620、第二存储器(Memory)630和第二通信总线640，其中，第二处理器610，第二通信接口620，第二存储器630通过第二通信总线640完成相互间的通信。第二处理器610可以调用第二存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法，例如包括：将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
本实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行如下方法，例如包括：将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储第二计算机指令，所述第二计算机指令使所述计算机执行如下方法，例如包括：将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
此外，上述的第一存储器530和第二存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，装置，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种变轨距转向架动力学模型的建模方法，其特征在于，包括：
建立变轨距转向架的轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮；
设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；
设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系为：在所述车轴和所述衬套相接触的位置分别设置标记点Ma和标记点Mb，在标记点Ma和标记点Mb之间建立弹簧-阻尼并联力元；
将所述横向间隙的非线性弹簧力元特征曲线作为所述弹簧-阻尼并联力元的弹簧力输入函数；
设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系为:在所述车轮和所述衬套之间相接触的位置分别设置标记点Mw和标记点Mc，建立Mw和Mc之间的旋转力元，将所述旋转间隙的非线性扭转弹簧力元特征曲线作为所述旋转力元的扭转力矩输入函数；设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系为：在Ma和Mb之间建立Hertz接触力元，并设置参数；
建立变轨距转向架的轴箱体模型和构架模型，将所述轮对模型、所述轴箱体模型和所述构架模型进行装配，并设置所述轮对模型和所述轴箱体模型之间的铰接关系，以及所述轴箱体模型和所述构架模型之间的一系悬挂关系，获得所述变轨距转向架动力学模型。
2.一种变轨距转向架动力学模型的使用方法，其特征在于，包括：
将变轨距转向架动力学模型和车体模型进行装配，并设置所述变轨距转向架动力学模型和所述车体模型之间的二系悬挂关系，获得变轨距车辆的整车动力学模型；其中，所述变轨距转向架动力学模型包括轮对模型，所述轮对模型包括车轴、衬套和车轮，设置所述车轴和所述衬套之间的横向间隙和作用力关系，设置所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙和作用力矩关系和设置所述车轴和所述衬套之间的径向间隙和接触关系；
在所述车轴和所述衬套相接触的位置分别设置标记点Ma和标记点Mb，在标记点Ma和标记点Mb之间建立弹簧-阻尼并联力元；
将所述横向间隙的非线性弹簧力元特征曲线作为所述弹簧-阻尼并联力元的弹簧力输入函数；
在所述车轮和所述衬套之间相接触的位置分别设置标记点Mw和标记点Mc，建立Mw和Mc之间的旋转力元，将所述旋转间隙的非线性扭转弹簧力元特征曲线作为所述旋转力元的扭转力矩输入函数；在Ma和Mb之间建立Hertz接触力元，并设置相关参数；
在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果包括：
保持所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙不变，获得所述车轴和所述衬套之间的横向间隙在不同取值情况下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果包括：
保持所述车轴和所述衬套之间的横向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙不变，获得所述车轴和所述衬套之间的径向间隙在不同取值情况下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在预设工况下，基于所述车轴和所述衬套之间的横向间隙、所述车轴和所述衬套之间的径向间隙以及所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙对所述变轨距车辆的整车动力学模型进行运行仿真，获得所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果包括：
保持所述车轴和所述衬套之间的横向间隙以及所述车轴和所述衬套之间的径向间隙不变，获得所述车轮和所述衬套之间的旋转间隙在不同取值情况下，所述变轨距车辆的整车动力学模型的仿真结果。
6.根据权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，所述仿真结果包括所述变轨距转向架动力学模型的导向轮对的横向位移曲线及运行稳定性，所述变轨距车辆的整车动力学模型的平稳性指标、安全性指标和舒适度指标。
7.一种电子设备，包括第一存储器、第一处理器及存储在所述第一存储器上并可在所述第一处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述第一处理器执行所述程序时实现如权利要求1所述的变轨距转向架动力学模型的建模方法的步骤。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有第一计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的变轨距转向架动力学模型的建模方法的步骤。
9.一种电子设备，包括第二存储器、第二处理器及存储在所述第二存储器上并可在所述第二处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述第二处理器执行所述程序时实现如权利要求2至6任一项所述的变轨距转向架动力学模型的使用方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有第二计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求2至6任一项所述的变轨距转向架动力学模型的使用方法的步骤。
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