CN116050110A - 一种六轴铰接车辆加垫调簧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种六轴铰接车辆加垫调簧方法，涉及六轴铰接车辆制造技术领域，包括以下步骤：构建六轴铰接车辆力学系统的刚度关联矩阵模型和刚度系数矩阵模型；根据刚度关联矩阵模型和刚度系数矩阵模型构建六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型；根据六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型和加垫向量，建立加垫与弹簧载荷变化的关系模型；获取六轴铰接车辆轮轴的重力分布数据；基于模拟退火算法，根据算法指标值、重力分布数据和加垫与弹簧载荷变化的关系模型，计算得到加垫调簧策略。本发明能快速精准的得到加垫调簧策略，在制造六轴铰接车辆时，便于精确地控制轮轴重偏差并提升作业效率。

Description

一种六轴铰接车辆加垫调簧方法
技术领域
本发明涉及六轴铰接车辆制造技术领域，具体而言，涉及一种六轴铰接车辆加垫调簧方法。
背景技术
六轴铰接车是城轨车辆中的一种重要编组形式，其特殊编组结构使得车辆具有良好的曲线通过性能，同时具有结构小巧、轮轴重轻、编组灵活等特点，能很好适配城轨复杂线路条件。
轨道车辆轴重、轮重和弹簧扰度控制，是六轴铰接车制造过程中的一项关键内容。各轮轴重分配及偏差控制，直接影响车辆黏着牵引力发挥、牵引性能优劣、车辆整体动力学性能。
依据IEC61133-2006《铁路设施铁路车辆车辆组装后和运行前的整车试验》、GB/T-32383-2020《城市轨道交通直线电机车辆通用技术条件》：任一侧各轮重与两侧轮重平均值之差不得大于4％，任一车轴上的任一轮重与该轴平均轮重之差不得大于4％；任一动轴轴重不得超过其动轴平均重量2％，任一拖轴的轴重不得超过其拖轴平均重量1％。
目前对六轴铰接车辆进行加垫调簧作业主要依靠人员经验进行尝试，反复加垫和称重直到达标。如果不满足要求，需重新吊装车体起并拆卸转向架来进行加垫作业，工序复杂并损耗连接螺栓，耗费人力物力，工作效率极低，且作业人员经验具有重要影响。
发明内容
为了能够得到可精确地控制轮轴重偏差并提升作业效率的加垫调簧策略，本发明提供了一种六轴铰接车辆加垫调簧方法。
为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：
本发明提供了一种六轴铰接车辆加垫调簧方法，包括以下步骤：
S1、构建六轴铰接车辆力学系统的刚度关联矩阵模型；
S2、构建六轴铰接车辆力学系统的刚度系数矩阵模型；
S3、根据刚度关联矩阵模型和刚度系数矩阵模型构建六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型；
S4、根据六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型和加垫向量，建立加垫与弹簧载荷变化的关系模型；
S5、获取六轴铰接车辆轮轴的重力分布数据；
S6、基于模拟退火算法，根据算法指标值、重力分布数据和加垫与弹簧载荷变化的关系模型，计算得到加垫调簧策略。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S1中，根据六轴铰接车辆的36个自由度和65个刚度力元，构建得到六轴铰接车辆力学系统的刚度关联矩阵模型T。
在本发明的一较佳实施方式中，
六轴铰接车辆的36个自由度包括车体、枕梁及构架均具有的垂向位移Z自由度、侧滚α自由度和点头β自由度，以及轮对所具有的垂向位移Z自由度和侧滚α自由度；
六轴铰接车辆的65个刚度力元包括动力心盘所等效的4个刚度力元、铰接心盘所等效的9个刚度力元、每个二系弹簧所等效的2个刚度力元、每个一系弹簧所等效的1个刚度力元、每个轮轨接触处所等效的1个刚度力元。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S2中，六轴铰接车辆力学系统的刚度系数矩阵模型为
k＝diag(K1,K2...K64,K65)
其中，系数K1,K2...K17为六轴铰接车辆的心盘等效刚度力元的刚度，K18,K19...K29为六轴铰接车辆的二系弹簧刚度，K30,K31...K53为六轴铰接车辆的一系弹簧刚度，K54,K55...K65为六轴铰接车辆的轮轨接触刚度。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S3中，六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型为
K＝TTkT。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S4中，加垫与弹簧载荷变化的关系模型为
Fs＝k(Tx+δ)
其中，δ为加垫向量，x为因调簧加垫片造成的系统位移变化，Fs为因调簧加垫片引起的弹簧载荷变化。
在本发明的一较佳实施方式中，设在六轴铰接车辆各弹簧加垫的量是δi,(i＝1,…,65)，则加垫向量
δ＝[δ1,δ2,δ3,δ4,δ5,δ6…δ64,δ65]T。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S5中，六轴铰接车辆轮轴的重力分布数据，包括六轴铰接车辆调簧前的轮轴重力分布数据，和调簧后的轮轴重力分布数据；
六轴铰接车辆调簧前的轮轴重力分布数据和调簧后的轮轴重力分布数据，是通过称重试验台对轮轴进行称重得到。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S6中，算法指标值
Figure BDA0004030097960000032
其中，
Figure BDA0004030097960000031
Figure BDA0004030097960000033
为轮重偏差率，
Figure BDA0004030097960000034
为动轴重偏差率，
Figure BDA0004030097960000035
为拖轴重偏差率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过对六轴铰接车辆进行力学建模，建立加垫调簧理论，得到加垫量与弹簧载荷变化的关系，通过加垫调簧理论能够有效的根据不同的车型得到相应的弹簧载荷变化关系，最终得到了精确地控制轮轴重偏差并提升作业效率的加垫调簧策略；
利用模拟退火算法对调簧加垫方案进行了计算，能够在轮轴重超限的情况下，对偏差严重的轮重偏差率有效的降低，同时对弹簧加垫位置和加垫量能有效的表示出来，从而实现了对调簧方案的快速计算，有效提高工人在进行加垫调簧作业的效率；
通过将采用本发明方法对六轴铰接车辆进行加垫调簧，与采用背景技术中的方法对六轴铰接车辆进行加垫调簧的结果进行对比，通过图5发现相对于现有技术，本发明方法调簧后的六轴铰接车实测轮轴重偏差得到明显改善且达规范要求，最大轮重偏差从5.71％降到2.53％，基于本发明方法，只需建立相应的刚度关联矩阵，即可推广应用于各种不同型号的六轴铰接车，这将为轨道车辆的加垫调簧作业提供有力的理论支撑。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明所述六轴铰接车辆加垫调簧方法的流程图；
图2为六轴铰接车辆整体编组结构示意图；
图3为六轴铰接车辆轮轴重力学模型；
图4为模拟退火算法计算流程示意图；
图5为模拟退火算法的计算过程；
图6为模拟退火算法计算的调簧方案。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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、完整地描述，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。
本发明公开了一种六轴铰接车辆加垫调簧方法。
其中，六轴铰接车辆的结构如图2、3所示，具有三个转向架，A车体和B车体外端部分别通过动力心盘连接至非铰接转向架(动力转向架)，而内端部两车体通过铰接心盘连接至铰接转向架。
请参照图1，六轴铰接车辆加垫调簧方法包括以下步骤：
S1、构建六轴铰接车辆力学系统的刚度关联矩阵模型。
根据六轴铰接车辆的36个自由度和65个刚度力元，构建得到六轴铰接车辆力学系统的刚度关联矩阵模型T。
对于65个刚度力元，是将车辆各部件如车体、构架等等效为具有质量的刚体，再将车辆各承载力元等效为刚度力元，即：
每个动力心盘等效为4个刚度力元；铰接心盘等效为9个刚度力元；二系弹簧由于是面承载，除了传递垂向力和侧滚方向力矩外，还要传递点头方向力矩，所以将每个二系弹簧等效为2个刚度力元；每个一系弹簧主要传递垂向力，因此分别等效为1个刚度力元；对于每个轮轨接触处等效为1个刚度力元。
六轴铰接车辆的36个自由度包括车体、枕梁及构架均具有的垂向位移Z自由度、侧滚α自由度和点头β自由度，以及轮对所具有的垂向位移Z自由度和侧滚α自由度。
S2、构建六轴铰接车辆力学系统的刚度系数矩阵模型，具体为：
k＝diag(K1,K2...K64,K65)
其中，系数K1,K2...K17为六轴铰接车辆的心盘等效刚度力元的刚度，K18,K19...K29为六轴铰接车辆的二系弹簧刚度，K30,K31...K53为六轴铰接车辆的一系弹簧刚度，K54,K55...K65为六轴铰接车辆的轮轨接触刚度。
S3、根据刚度关联矩阵模型和刚度系数矩阵模型构建六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型
K＝TTkT。
S4、根据六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型和加垫向量，建立加垫与弹簧载荷变化的关系模型。
假设在各弹簧加垫的量是δi,(i＝1,…,65)，可以得到加垫向量δ：
δ＝[δ1,δ2,δ3,δ4,δ5,δ6…δ64,δ65]T
弹簧加垫的系统方程为：
TTk(Tx+δ)＝0
在无外力作用时，等式的右边为0，将上面的式子进行拆解移项处理，得到：
TTkTx＝-TTkδ
因调簧加垫片得到系统的平衡方程：
Kx＝F0
其中，x为因调簧加垫片造成的系统位移变化，F0为因调簧加垫片导致的外力矢量，得到F0：
F0＝-TTkδ
对Kx＝F0进行移向处理，得到系统位移变化x为：
x＝K-1F0
最终得到加垫与弹簧载荷变化的关系模型为
Fs＝k(Tx+δ)，
其中，δ为加垫向量，x为因调簧加垫片造成的系统位移变化，Fs为因调簧加垫片引起的弹簧载荷变化。
S5、获取六轴铰接车辆轮轴的重力分布数据。
六轴铰接车辆轮轴的重力分布数据，包括六轴铰接车辆调簧前的轮轴重力分布数据，和调簧后的轮轴重力分布数据，且均是通过称重试验台对轮轴进行称重得到。
再对实际称重得到的轮重数据(重力分布数据)进行筛选，选取工况较为恶劣的轮轴重分布情况，得到最终的六轴铰接车辆轮轴的重力分布数据。其中恶劣的工况情况分为：轮重偏差超限；轴重偏差超限；轮重偏差和轴重偏差均超限。
S6、如图4所示，基于模拟退火算法，根据算法指标值、重力分布数据和加垫与弹簧载荷变化的关系模型，计算得到加垫调簧策略。
在得到实际的轮轴重分布情况后，进行算法指标值的设置。调簧的最终目的是让车辆称重时各项参数更够达标，故指标值是基于标准的车辆轮轴重偏差率规定的。由于采用单个指标值的形式，因此需对轮重偏差率和动轴重偏差率、拖轴重偏差率进行综合考虑。但各偏差率百分比均不相同，为了使各项参数同时达标，算法指标值ζ算法设置如下：
Figure BDA0004030097960000062
其中，
Figure BDA0004030097960000061
Figure BDA0004030097960000063
为轮重偏差率，
Figure BDA0004030097960000064
为动轴重偏差率，
Figure BDA0004030097960000065
为拖轴重偏差率，将所有偏差率超限时的情况增补至4％，这样只要指标值ζ算法＜4％时便能满足车辆三项参数均在标准范围内。
模拟退火算法计算过程如图4所示，先生成一个初始解ω，即对应于一种可能的调簧方案，并计算目标函数f(ω)。对初始解施加随机扰动得到新解ω'，每个解代入到加垫与弹簧载荷变化的关系模型中得到调簧加垫片引起的弹簧载荷变化Fs，再根据轮轴重分布数据即可得到调簧后的重力分布数据，从而计算得到相应的目标函数f(ω')即算法指标值。计算新解和初始解目标函数值的差值Δf＝f(ω')-f(ω)，再判断是否满足Δf≤0，若新解较初始解目标函数值减小，则接受新解为当前最优解，即ω＝ω',f(ω)＝f(ω')，若新解较初始目标函数值增大，则按照Metropolis准则进行判断，以概率决定是否接受新解为当前最优解，即比较算法指标值的大小，选取较优的解作为调簧方案。再判断是否达到迭代次数，若没有达到迭代次数，则对当前最优解施加随机扰动产生新解ω'，开始下一次循环。若达到迭代次数，则再判断是否达到终止条件，若没有则依据降温系数降低当前的温度，再对当前最优解施加随机扰动产生新解ω'，开始下一次循环。若达到终止条件则终止运算，输出当前计算的最优解，其最优解就是模拟退火算法计算得到的调簧方案。由于在建立加垫向量时，加垫向量δ中的编号严格按照位置顺序进行排列，因此计算得到的一系列最优解也就已知了加垫位置和加垫量。
通过模拟退火算法进行寻优计算，得到计算过程如图5所示，模拟退火算法计算的调簧方案如图6所示，其中最大轮重偏差从5.71％(采用背景技术中的方法对六轴铰接车辆进行加垫调簧的结果)降到2.53％，得到了相应的弹簧加垫量和相应的加垫位置，从而实现对偏差严重的轮轴重进行调簧方案的求解。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建六轴铰接车辆力学系统的刚度关联矩阵模型；
S2、构建六轴铰接车辆力学系统的刚度系数矩阵模型；
S3、根据刚度关联矩阵模型和刚度系数矩阵模型构建六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型；
S4、根据六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型和加垫向量，建立加垫与弹簧载荷变化的关系模型；
S5、获取六轴铰接车辆轮轴的重力分布数据；
S6、基于模拟退火算法，根据算法指标值、重力分布数据和加垫与弹簧载荷变化的关系模型，计算得到加垫调簧策略。
2.根据权利要求1所述的六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，步骤S1中，根据六轴铰接车辆的36个自由度和65个刚度力元，构建得到六轴铰接车辆力学系统的刚度关联矩阵模型T。
3.根据权利要求2所述的六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，
六轴铰接车辆的36个自由度包括车体、枕梁及构架均具有的垂向位移Z自由度、侧滚α自由度和点头β自由度，以及轮对所具有的垂向位移Z自由度和侧滚α自由度；
六轴铰接车辆的65个刚度力元包括动力心盘所等效的4个刚度力元、铰接心盘所等效的9个刚度力元、每个二系弹簧所等效的2个刚度力元、每个一系弹簧所等效的1个刚度力元、每个轮轨接触处所等效的1个刚度力元。
4.根据权利要求3所述的六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，步骤S2中，六轴铰接车辆力学系统的刚度系数矩阵模型为
k＝diag(K1,K2...K64,K65)
其中，系数K1,K2...K17为六轴铰接车辆的心盘等效刚度力元的刚度，K18,K19...K29为六轴铰接车辆的二系弹簧刚度，K30,K31...K53为六轴铰接车辆的一系弹簧刚度，K54,K55...K65为六轴铰接车辆的轮轨接触刚度。
5.根据权利要求4所述的六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，步骤S3中，六轴铰接车辆力学系统的刚度矩阵模型为
K＝TTkT。
6.根据权利要求5所述的六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，步骤S4中，加垫与弹簧载荷变化的关系模型为
Fs＝k(Tx+δ)
其中，δ为加垫向量，x为因调簧加垫片造成的系统位移变化，Fs为因调簧加垫片引起的弹簧载荷变化。
7.根据权利要求6所述的六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，设在六轴铰接车辆各弹簧加垫的量是δi,(i＝1,…,65)，则加垫向量
δ＝[δ1,δ2,δ3,δ4,δ5,δ6…δ64,δ65]T。
8.根据权利要求7所述的六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，步骤S5中，六轴铰接车辆轮轴的重力分布数据，包括六轴铰接车辆调簧前的轮轴重力分布数据，和调簧后的轮轴重力分布数据；
六轴铰接车辆调簧前的轮轴重力分布数据和调簧后的轮轴重力分布数据，是通过称重试验台对轮轴进行称重得到。
9.根据权利要求8所述的六轴铰接车辆加垫调簧方法，其特征在于，步骤S6中，算法指标值
Figure FDA0004030097950000021
其中，
Figure FDA0004030097950000022
Figure FDA0004030097950000023
为轮重偏差率，
Figure FDA0004030097950000024
为动轴重偏差率，
Figure FDA0004030097950000025
为拖轴重偏差率。
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