CN113312708A - 用于非线性悬挂系统的车辆限界计算方法、设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于非线性悬挂系统的车辆限界计算方法、设备和介质,包括:确定车辆轮廓所有控制点的初始坐标;建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程;当垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解垂向相对偏移量方程,获得悬挂系统控制点的垂向相对偏移量;计算车辆轮廓其他控制点的相对偏移量;基于悬挂系统控制点的相对偏移量和其他控制点的相对偏移量,绘制车辆轮廓的偏移曲线。本发明能够克服采用线性刚度参数计算弹簧侧滚参数时存在的误差,基于迭代算法求解悬挂系统的相对偏移量,能够获得高精度的悬挂系统的偏移量数据,进而提高了车辆限界校核的计算精度。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域,具体涉及一种用于非线性悬挂系统的车辆限界计算方法、设备和介质。
背景技术
在地铁车辆设计过程中,地铁车辆限界关系着车辆的运行安全。当前,国内的地铁车辆限界大多采用《地铁限界标准》。该标准将影响地铁轨距计算的因素分为车辆和轨道两大类,根据设计、制造和施工中最不利的情况,以及应用和维护的极限,确定了这两种影响因素对应的量具计算参数。然而,该标准固定的计算方法在适用时具有以下缺陷:
该标准的计算方法只能适用于假定弹簧为线性且弹簧刚度为常数的线性悬架系统,但在某些情况下这种假设是不合理的。理由在于:行业周知,止挡阻块被广泛应用于各种轨道车辆,例如,地铁列车的转向架与车体之间一般安装横向挡块和垂向挡块(应急弹簧),横向止挡块用于限制车体的侧向运动,垂向挡块用于限制滚动运动,当车体与转向架之间的相对位移超过限位块的间隙时,车体与限位块之间的接触刚度将远远大于悬架弹簧的接触刚度,在这种情况下,根据该标准计算的偏移量可能与实际情况不一致,导致偏移量的计算结果存在偏差,进而导致车辆限界的计算结果存在误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于非线性悬挂系统的车辆限界计算方法、设备和介质,用以解决现有技术中存在的至少一个问题。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法,包括:
确定车辆轮廓所有控制点的初始坐标;
建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,并基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程;其中,所述相对偏移量方程包括垂向相对偏移量方程;
当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量方程,获得所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量;
计算车辆轮廓其他控制点的相对偏移量;
基于所述悬挂系统控制点的相对偏移量和所述其他控制点的相对偏移量,绘制车辆轮廓的偏移曲线,确定车辆轮廓所有控制点的限界坐标。
在一种可能的设计中,建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,包括:
建立一系悬挂系统控制点和二系悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型;
基于所述非线性弹簧力学模型定义一系悬挂系统的等效刚度kep和二系悬挂系统的等效刚度kes;
基于所述一系悬挂系统的等效刚度kep和所述二系悬挂系统的等效刚度kes计算一系弹簧侧滚刚度kφp和二系弹簧侧滚刚度kφs:
其中,np为车辆一侧一系弹簧并列数,bp为转向架一系弹簧核向间距,ns为辆一侧二系弹簧并列数,bs为转向架二系弹簧核向间距,kφn为抗侧滚扭杆的抗侧滚刚度。
在一种可能的设计中,基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程,包括:
基于所述一系弹簧侧滚刚度kφp,建立一系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量方程:
f(x)=fYBPdtd(ΔYBPdtd,ΔYtwd); (3)
其中,ΔYBPdtd是悬挂系统在车体上控制点相对于轨道坐标系垂向的位移量;ΔYtwd是悬挂系统在转向架上控制点相对于轨道坐标系垂向的位移量;
基于所述二系弹簧侧滚刚度kφs,建立二系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量:
g(y)=gYtwd(ΔYBPdtd,ΔYtwd)。。 (4)
在一种可能的设计中,当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量,包括:
当ΔYBPdtd超出弹簧间隙时,求解一系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量fx的导数;
设置迭代算法的数据误差阈值,基于如下公式计算近似解xk+1:
在一种可能的设计中,当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量,包括:
当ΔYtwd超出弹簧间隙时,求解二系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量gy的导数;
设置迭代算法的数据误差阈值,基于如下公式计算近似解yk+1:
在一种可能的设计中,当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量,包括:
当ΔYBPdtd和ΔYtwd超出弹簧间隙时,定义一系悬挂系统控制点和二系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量方程分别为:
f(x,y)=fYBPdtd(ΔYBPdtd,ΔYtwd); (7)
g(x,y)=gYtwd(ΔYBPdtd,ΔYtwd); (8)
分别计算fx,fy,gx,gy的偏导数;
设置迭代算法的数据误差阈值,基于如下公式计算近似解xk+1和yk+1:
第二方面,本发明提供一种用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算装置,包括:
初始坐标确定模块,用于确定车辆轮廓所有控制点的初始坐标;
方程建立模块,用于建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,并基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程;其中,所述相对偏移量方程包括垂向相对偏移量方程;
第一偏移量计算模块,用于当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量方程,获得所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量;
第二偏移量计算模块,用于计算车辆轮廓其他控制点的相对偏移量;
限界坐标确定模块,用于基于所述悬挂系统控制点的相对偏移量和所述其他控制点的相对偏移量,绘制车辆轮廓的偏移曲线,确定车辆轮廓所有控制点的限界坐标。
第三方面,本发明提供一种计算机设备,包括:依次通信相连的存储器、处理器和收发器,其中,所述存储器用于存储计算机程序,所述收发器用于收发消息,所述处理器用于读取所述计算机程序,执行如第一方面所述的任意一种可能设计中的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法。
第四方面,本发明提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有指令,当所述指令在计算机上运行时,执行如第一方面所述的任意一种可能设计中的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法。
第五方面,本发明提供一种包含指令的计算机程序产品,当所述指令在计算机上运行时,使所述计算机执行如第一方面所述的任意一种可能设计中的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法。
有益效果:
本发明通过在现有车辆限界方式的基础上,建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,并基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程;当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量方程,获得所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量。本发明能够克服采用线性刚度参数计算弹簧侧滚参数时存在的误差,同时定义了相对偏移量方程,基于迭代算法求解悬挂系统的相对偏移量,能够获得高精度的悬挂系统的偏移量数据,进而提高了车辆限界校核的计算精度。
附图说明
图1为本发明中用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法的流程图。
具体实施方式
为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本说明书实施例中的附图,对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本说明书一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例,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。
实施例
为了解决现有技术中的《地铁限界标准》不适用于非线性悬挂系统的相对偏移量的计算,导致得到的车辆限界计算结果误差较大的问题。
如图1所示,第一方面,本发明提供一种用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法,包括但不限于由步骤S1~S5实现:
步骤S1.确定车辆轮廓所有控制点的初始坐标;
其中,需要说明的是,在步骤S1中,在确定初始坐标时,可以在垂直于直线轨道线路中心线的二维平面建立基准坐标系,其中X轴与设计轨顶平面相切,Y轴垂直于轨顶平面,坐标原点为轨距中心电,以车辆在基准坐标系的横断面上最外点的连线为车辆轮廓线,则能够基于上述设置确定车辆轮廓所有控制点的初始坐标。
步骤S2.建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,并基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程;其中,所述相对偏移量方程包括垂向相对偏移量方程;
其中,需要说明的是,所述悬挂系统控制点包括连接转向架构架和车体的二系悬挂系统的两端控制点,其一端固定在车体底部,另一端固定在转向架构架上;还包括连接转向架构架和轮对的一系悬挂系统的两端控制点,其一端固定在轮对上,另一端固定在转向架构架上。
其中,需要说明的是,悬挂系统控制点的相对偏移量是指转向架构架和车体的绝对偏移量的差值以及转向架构架和轮对的绝对偏移量的差值。
其中,需要说明的是,在步骤S2中,建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,包括:
步骤S21.建立一系悬挂系统控制点和二系悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型;
步骤S22.基于所述非线性弹簧力学模型定义一系悬挂系统的等效刚度kep和二系悬挂系统的等效刚度kes;
步骤S23.基于所述一系悬挂系统的等效刚度kep和所述二系悬挂系统的等效刚度kes计算一系弹簧侧滚刚度kφp和二系弹簧侧滚刚度kφs:
其中,np为车辆一侧一系弹簧并列数,bp为转向架一系弹簧核向间距,ns为辆一侧二系弹簧并列数,bs为转向架二系弹簧核向间距,kφn为抗侧滚扭杆的抗侧滚刚度。
因此,在本发明实施例中,基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程,包括:
基于所述一系弹簧侧滚刚度kφp,建立一系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量方程:
f(x)=fYBPdtd(ΔYBPdtd,ΔYtwd); (3)
其中,ΔYBPdtd是悬挂系统在车体上控制点相对于轨道坐标系垂向的位移量;ΔYtwd是悬挂系统在转向架上控制点相对于轨道坐标系垂向的位移量;
基于所述二系弹簧侧滚刚度kφs,建立二系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量:
g(y)=gYtwd(ΔYBPdtd,ΔYtwd); (4)
其中,需要说明的是,所述相对偏移量方程的具体公式如下:
1)基于所述弹簧侧滚刚度建立一系悬挂系统控制点垂向相对偏移量方程:
其中,f01为转向架一系弹簧竖向永久变形量,f1为转向架一系弹簧空重车挠度变化量,Δhc2为两条钢轨的相对高度的弹性变化量,S为重力倾角附加系数,Xt为起算点的横坐标值,mz为载荷不对称的计算载客重量,Xw为直线底端设备限界最大高度点的横坐标值,F1是构架向下竖向误差、一系弹簧竖向动挠度和线路中心线竖向位差值的平方和,Δhc1为两条钢轨的相对高度误差值,Aw为车体受风面积,Pw为风压,hsw为车体受风面积形心距轨面高度,hcp为转向架一系弹簧上支承面距轨面高度,mB为含载客车体重量,aB为横向加速度,hsc为车体重心距轨面高,F2是转向架簧下部分竖向制造误差值与线路中心线竖向位差值的平方和。
2)基于所述弹簧侧滚刚度建立二系悬挂系统控制点横向相对偏移量方程:
其中:ΔYBPdtd=ΔYBPd-ΔYtd,ΔYtwd=ΔYtd-ΔYwd.
其中,C1为钢轨轨距、转向架轴箱轴承游间、车辆横向弹性变形量、一系弹簧横向变形量、转向架中心销磨耗和二系弹簧横向静态变形量之和,C2为轮对横向误差、二系弹簧横向动态变形量、转向架中心销安装误差值、转向架一系弹簧横向定位误差值、车体半宽横向制造误差值、车体表面设备安装误差值、受电弓横向安装误差值、受电弓相对车辆横向晃动量以及线路中心线横向误差值(或者站台区域中心线横位差值)的平方和,C3为轮对横向误差、转向架构架横向制造误差值以及线路中心线横向误差值的平方和,ΔxBq为车体倾斜量,Hcq为车体侧墙高度,hsj为车底架边梁底面距轨面高度,Ch为根据风压因素影响的系数。
3)基于所述弹簧侧滚刚度建立二系悬挂系统控制点垂向相对偏移量方程:
其中,D1为转向架二系弹簧空重车挠度变化、二系弹簧竖向永久变形量、车体销外上翘/下垂量之和,D2为车辆地板未能补偿的高度误差值、车体下部及吊挂无高度尺寸制造误差、一系弹簧垂向动挠度、二系弹簧垂向动挠度、线路中心竖向位差值以及车体侧墙高度的平方和,D3为转向架构架向下竖向制造误差、一系弹簧垂向动挠度和线路中心竖向位差值的平方和。
步骤S3.当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量方程,获得所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量;
在本实施例中,优选的,当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量,包括:
当ΔYBPdtd超出弹簧间隙时,求解一系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量fx的导数;
设置迭代算法的数据误差阈值,基于如下公式计算近似解xk+1:
在本实施例中,优选的,当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量,包括:
当ΔYtwd超出弹簧间隙时,求解二系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量gy的导数;
设置迭代算法的数据误差阈值,基于如下公式计算近似解yk+1:
在本实施例中,优选的,当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量,包括:
当ΔYBPdtd和ΔYtwd超出弹簧间隙时,定义一系悬挂系统控制点和二系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量方程分别为:
f(x,y)=fYBPdtd(ΔYBPdtd,ΔYtwd); (7)
g(x,y)=gYtwd(ΔYBPdtd,ΔYtwd); (8)
分别计算fx,fy,gx,gy的偏导数;
设置迭代算法的数据误差阈值,基于如下公式计算近似解xk+1和yk+1:
步骤S4.计算车辆轮廓其他控制点的相对偏移量;
步骤S5.基于所述悬挂系统控制点的相对偏移量和所述其他控制点的相对偏移量,绘制车辆轮廓的偏移曲线,确定车辆轮廓所有控制点的限界坐标。
基于上述公开的内容,通过在现有车辆限界方式的基础上,建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,并基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程;当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量方程,获得所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量。本发明能够克服采用线性刚度参数计算弹簧侧滚参数时存在的误差,同时定义了相对偏移量方程,基于迭代算法求解悬挂系统的相对偏移量,能够获得高精度的悬挂系统的偏移量数据,进而提高了车辆限界校核的计算精度。
第二方面,本发明提供一种用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算装置,包括:
初始坐标确定模块,用于确定车辆轮廓所有控制点的初始坐标;
方程建立模块,用于建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,并基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程;其中,所述相对偏移量方程包括垂向相对偏移量方程;
第一偏移量计算模块,用于当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量方程,获得所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量;
第二偏移量计算模块,用于计算车辆轮廓其他控制点的相对偏移量;
限界坐标确定模块,用于基于所述悬挂系统控制点的相对偏移量和所述其他控制点的相对偏移量,绘制车辆轮廓的偏移曲线,确定车辆轮廓所有控制点的限界坐标。
本实施例第二方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果,可以参见实施例第一方面,于此不再赘述。
第三方面,本发明提供一种计算机设备,包括:依次通信相连的存储器、处理器和收发器,其中,所述存储器用于存储计算机程序,所述收发器用于收发消息,所述处理器用于读取所述计算机程序,执行如第一方面所述的任意一种可能设计中的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法。
具体举例的,所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器(Random-AccessMemory,RAM)、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、闪存(Flash Memory)、先进先出存储器(First Input First Output,FIFO)和/或先进后出存储器(First Input Last Output,FILO)等等;所述收发器可以但不限于为WiFi(无线保真)无线收发器、蓝牙无线收发器、GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线服务技术)无线收发器和/或ZigBee(紫蜂协议,基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议)无线收发器等;所述处理器可以不限于采用型号为STM32F105系列的微处理器。
本实施例第三方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果,可以参见实施例第一方面,于此不再赘述。
第四方面,本发明提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有指令,当所述指令在计算机上运行时,执行如第一方面所述的任意一种可能设计中的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法。
其中,所述可读存储介质是指存储数据的载体,可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(Memory Stick)等,所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
本实施例第四方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果,可以参见实施例第一方面,于此不再赘述。
第五方面,本发明提供一种包含指令的计算机程序产品,当所述指令在计算机上运行时,使所述计算机执行如第一方面所述的任意一种可能设计中的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法。其中,所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
本实施例第五方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果,可以参见实施例第一方面,于此不再赘述。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法,其特征在于,包括:
确定车辆轮廓所有控制点的初始坐标;
建立悬挂系统控制点的非线性弹簧力学模型以获得弹簧侧滚刚度,并基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程;其中,所述相对偏移量方程包括垂向相对偏移量方程;
当所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量超出线性范围时,利用迭代算法求解所述垂向相对偏移量方程,获得所述悬挂系统控制点的垂向相对偏移量;
计算车辆轮廓其他控制点的相对偏移量;
基于所述悬挂系统控制点的相对偏移量和所述其他控制点的相对偏移量,绘制车辆轮廓的偏移曲线,确定车辆轮廓所有控制点的限界坐标。
3.根据权利要求2所述的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法,其特征在于,基于所述弹簧侧滚刚度建立悬挂系统控制点的相对偏移量方程,包括:
基于所述一系弹簧侧滚刚度kφp,建立一系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量方程:
f(x)=fYBPdtd(ΔYBPdtd,ΔYtwd); (3)
其中,ΔYBPdtd是车体控制点相对于轨道坐标系垂向的位移量;ΔYtwd是转向架控制点相对于轨道坐标系垂向的位移量;
基于所述二系弹簧侧滚刚度kφs,建立二系悬挂系统控制点的垂向相对偏移量:
g(y)=gYtwd(ΔYBPdtd,ΔYtwd)。 (4)
7.一种计算机设备,其特征在于,包括:依次通信相连的存储器、处理器和收发器,其中,所述存储器用于存储计算机程序,所述收发器用于收发消息,所述处理器用于读取所述计算机程序,执行如权利要求1-6任意一项所述的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法。
8.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有指令,当所述指令在计算机上运行时,执行如权利要求1-6任意一项所述的用于非线性悬挂系统的轨道车辆限界计算方法。
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