CN105823541B - 轨道车辆车体柔性称重方法及一维加垫方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轨道车辆车体柔性称重方法，在称重试验台的4个称重支撑点上方安装工艺簧，车体称重落车时直接与工艺簧接触，车体不发生变形，得到四个称重支撑点的支撑力F1、F2、F3、F4，本发明还提供一种轨道车辆车体的一维加垫方法，包括如下步骤：求解车体一维加垫刚度矩阵；借助刚度矩阵求解出四个位置加垫之间的等效关系，将四个位置加垫等效为一个位置加垫；将车体一维加垫方法汇编为计算机语言，得到车体一维加垫算法；将车体称重的初始载荷等信息输入到轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法中，直接得到加垫位置以及加垫量，本发明消除了车体称重变形对称重结果的影响，实现智能化称重调簧，提高了生产效率。

Description

轨道车辆车体柔性称重方法及一维加垫方法
技术领域
本发明涉及轨道车辆称重调簧技术，尤其涉及城市轨道车辆车体柔性称重以及一维加垫方法。
背景技术
轨道车辆的牵引性能、制动性能以及行车安全等与轮、轴重的分配关系密切，而二系支撑点的载荷不均衡是轮重以及轴重分布不均的主要原因，所以，只要有效的控制好二系支撑力，就可以有效的均衡轮重以及轴重，从而极大改善车辆的牵引性能、制动性能以及行车安全等，同时提高生产效率和经济效益。
目前调整二系支撑力的主要方法是首先对车体进行称重，然后借助在二系加垫片的方式达到调整二系支撑力的目的。由于焊接等生产工艺的缺陷，车体的地板面不是绝对水平。车体刚性称重试验台称重时是由四个刚性支撑台柱支撑车体，而且四个刚性支撑台柱是绝对水平的，当车体落在刚性称重实验台上时，车体称重试验台四个称重支撑点与车体下表面同时接触的理想状态几乎是不存在的，更多的是试验台四个支撑点中的三个首先与车体下表面接触，由“不共线的三点确定一个平面基本原理”知，在车体自身重力以及力偶作用下，第4个点与车体接触过程中，车体将发生变形，此时称重数据必然不能正确反映车体载荷分布情况，也就是称重数据不够准确，对应的加垫量也就很不精确。而且，经验加垫方式的加垫位置是不确定的，有可能是1个位置需要加垫，也可能是2个、3个、4个位置需要加垫，称之为多维加垫，这种加垫方式效率低下，而且对人工经验的依赖非常大。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决车体称重变形导致称重数据不精确的问题，针对原有加垫位置的不确定性提出一种轨道车辆车体柔性称重方法以及一维加垫方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种轨道车辆车体柔性称重方法：
在称重试验台的4个称重支撑点上方安装弹簧(称之为工艺簧)，车体称重落车时直接与工艺簧接触，车体压缩工艺簧使得四个称重支撑点都与车体柔性接触，车体不发生变形，得到四个称重支撑点的支撑力F1、F2、F3、F4。
作为优选方式，所述工艺簧的选取首先要能够满足承载强度要求，设车体支撑点等效垂向刚度为kc，工艺簧垂向刚度为kh，落车后两者串联后的刚度为k，则
为了忽略不同车体因等效垂向刚度不同带来的差异，要求选取的工艺簧的垂向刚度kh远远小于等效垂向刚度kc，则k近似等于工艺簧垂向刚度kc。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种轨道车辆车体的一维加垫方法，用于模拟车体落车在工艺簧上的加垫状态，其利用上述称重方法得到的称重数据计算加垫量以及加垫位置，其特征在于包括如下步骤：
(1)求解车体一维加垫刚度矩阵：借助车体静平衡方程以及变形协调方程求解四个支撑点载荷，然后对载荷求加垫量偏导数，得到某一位置单位加垫量引起四个支撑点的载荷变化量，即是加垫刚度矩阵；
(2)借助加垫刚度矩阵求解出四个位置加垫之间的等效关系，将多位置加垫等效为一个位置加垫，即一维加垫方法，该方法的原理为：一个位置加垫，该位置和对角位置的力都会增加，且增加量相同，其余两个位置的力会减小，减小的量相等且等于另外两个支撑力增加的量；依据此方法将四个位置加垫等效为一个位置加垫；
(3)将车体一维加垫方法汇编为计算机语言，即得到车体一维加垫算法，实现车体的智能化加垫；
(4)车体柔性称重完成之后，将初始载荷等信息输入到轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法中，一维加垫算法就可以直接给出加垫位置以及加垫量。
作为优选方式，所述步骤(1)进一步为：
所述步骤(1)进一步为：根据力学基本原理以及变形协调条件列出四点柔性称重的变形协调方程：
其中，F1、F2、F3、F4为二系支撑点的四个支撑力，b为支撑点纵向跨距的一半，a为支撑点横向跨距的一半，ΔX为车体重心在纵向的偏移量，ΔY为车体重心在横向的偏移量，P为车体总重量，并用c(k为二系工艺簧的刚度)表示工艺簧的柔度；h1、h2、h3、h4分别为4个支撑点的加垫高度；
求解方程可以得到：
对Fi求hi的偏导，写成4×4的矩阵[K]：
其中，Ki,j(i,j＝1,2,3,4位)为Fi对hi的偏导；Ki,j表示i位加垫引起第j点支撑力的变化量；令则可以简化为：
[K]称为加垫刚度矩阵，而且所选取的工艺簧的垂向刚度的四分之一就是刚度矩阵中C的具体数值。
作为优选方式，所述步骤(2)进一步为：由加垫刚度矩阵[K]得知：在某一个位置加垫，该位置和对角位置的力都会增加，且增加量相同；其余两个位置的力会减小，减小的量相等且等于另外两个支撑力增加的量，因此，不同位置加垫量能够等效为同一个位置加垫，假设四个位置的加垫量分别为ni(i＝1,2,3,4)，则等效加垫量为：
n＝n1-n2-n3+n4
当n>0时，将垫片加在1位或者4位；当n<0时，将垫片加在2位或者3位，这就是一维加垫方法。
作为优选方式，所述步骤(3)进一步为：以一维加垫方法为基础，开发轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法，该算法的迭代过程是：
a.输入初始载荷信息、控制偏差以及工艺簧刚度；
b.生成刚度矩阵，计算最大偏差；
c.搜索最小力的位置，在该位置模拟加单位量的垫片，并计算加垫后四个位置载荷值；
d.判断加垫量是否达到工艺要求的上限量，如果达到上限量，程序结束，否则，继续下一步；
e.计算加载后四个位置载荷的最大偏差值，与上一次偏差值比较，如果小于上一次偏差，重复步骤b，否则继续下一步；
f.输出上次加垫后四个位置载荷、加垫量以及载荷最大偏差；
g.判断最大偏差是否小于控制偏差，如果不小于控制偏差，***会给出警告信息，循环结束，如果小于控制偏差，循环直接结束；
h.程序停止后，输出最终加垫量、调整后载荷以及最大偏差。
作为优选方式，所述步骤(4)进一步为：车体柔性称重完成之后，将初始载荷等信息输入到轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法中，一维加垫算法直接计算出加垫位置以及加垫量，高效完成车体载荷调整。
本发明的有益效果如下：
本发明以柔性称重理论为基础，提出在刚性称重试验台支撑车体台柱上安装一个弹簧(称之为工艺簧)，将原来刚性支撑柱支撑车体替换为工艺簧支撑车体，当车体落车在工艺簧上称重时，即便是三个支撑点首先与车体接触，车体依靠压缩工艺簧，使得第四个支撑点也与车体接触，车体称重就不会发生变形，这样的称重数据能够反映车体载荷真实的分布情况，依据此时的称重数据进行加垫计算，就可以真实的模拟车体落车在空气弹簧上的状态。通过这种方法消除了车体称重变形对称重结果的影响，从而保证了车体称重的高效、精确。
本发明根据四点称重的静力学平衡方程以及变形协调方程，求解车体四点称重时支撑点的载荷以及车体加垫调簧的刚度矩阵。借助刚度矩阵分析某一个位置加垫时其余位置支撑力的变化规律，从而将多个位置加垫等效为一个位置加垫，提高加垫的效率，也就是将多维加垫等效为一维加垫。以一维加垫方法为基础，编写一维寻优加垫算法，开发车体柔性称重调簧一维加垫***，实现智能化称重调簧，提高了生产效率。
附图说明
图1是车体四点柔性称重工作示意图。
图2是一维加垫算法流程图。
图中F1，F2，F3，F4表示四个支撑点的支撑力，2a表示支撑点横向跨距，2b表示支撑点纵向跨距。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，一种轨道车辆车体柔性称重方法，在称重试验台的4个称重支撑点上方安装工艺簧，车体称重落车时直接与工艺簧接触，车体落车在工艺簧上而不是直接落车在称重支撑点上，车体压缩工艺簧使得四个称重支撑点都与车体柔性接触，车体不发生变形，得到四个称重支撑点的支撑力F1、F2、F3、F4。
车体柔性称重理论指出柔性称重试验台能真实反映车体载荷分布情况，工艺簧的选取是至关重要的一步。工艺簧的设计和选取首先要能够满足承载强度要求，同时考虑到每个车体的材料和结构存在一定差异，车体支撑点等效垂向刚度也就不同，设车体支撑点等效垂向刚度为kc，工艺簧垂向刚度为kh，落车后两者串联后的刚度为k，则
当工艺簧的垂向刚度远远小于等效垂向刚度时，k近似等于工艺簧垂向刚度kc，这样就可以忽略不同车体因等效垂向刚度不同带来的差异。因此要求选取的工艺簧的垂向刚度kh远远小于等效垂向刚度kc。
本实施例还提供一种轨道车辆车体的一维加垫方法，用于模拟车体落车在工艺簧上的加垫状态，其利用上述称重方法得到的称重数据计算加垫量以及加垫位置，包括如下步骤：
(1)求解车体一维加垫刚度矩阵：借助车体静平衡方程以及变形协调方程求解四个支撑点载荷，然后对载荷求加垫量偏导数，得到某一位置单位加垫量引起四个支撑点的载荷变化量，即是加垫刚度矩阵；具体的，所述步骤(1)进一步为：
根据力学基本原理以及变形协调条件列出四点柔性称重的变形协调方程：
其中，F1、F2、F3、F4为二系支撑点的四个支撑力，b为支撑点纵向跨距的一半，a为支撑点横向跨距的一半，ΔX为车体重心在纵向的偏移量，ΔY为车体重心在横向的偏移量，P为车体总重量，并用c(k为二系工艺簧的刚度)表示工艺簧的柔度；h1、h2、h3、h4分别为4个支撑点的加垫高度；
求解方程可以得到：
对Fi求hi的偏导，写成4×4的矩阵[K]：
其中，Ki,j(i,j＝1,2,3,4位)为Fi对hi的偏导；Ki,j表示i位加垫引起第j点支撑力的变化量；令则可以简化为：
[K]称为加垫刚度矩阵，而且所选取的工艺簧的垂向刚度的四分之一就是刚度矩阵中C的具体数值。
(2)借助加垫刚度矩阵求解出四个位置加垫之间的等效关系，将多位置加垫等效为一个位置加垫，即一维加垫方法，该方法的原理为：一个位置加垫，该位置和对角位置的力都会增加，且增加量相同，其余两个位置的力会减小，减小的量相等且等于另外两个支撑力增加的量；依据此方法将四个位置加垫等效为一个位置加垫；具体的，所述步骤(2)进一步为：
由加垫刚度矩阵[K]得知：在某一个位置加垫，该位置和对角位置的力都会增加，且增加量相同；其余两个位置的力会减小，减小的量相等且等于另外两个支撑力增加的量，因此，不同位置加垫量能够等效为同一个位置加垫，假设四个位置的加垫量分别为ni(i＝1,2,3,4)，则等效加垫量为：
n＝n1-n2-n3+n4
当n>0时，将垫片加在1位或者4位；当n<0时，将垫片加在2位或者3位，这就是一维加垫方法。
比如说，某次加垫调簧时，1位加垫0.8mm，2位加0.3mm，3位加0.4mm，4位加0.2mm，最终加垫量为0.3mm，因为最终加垫量n>0，证明|n1+n4|>|n2+n3|，因此只需选择1位或者4位加0.3mm的垫片就达到了四个位置都加垫的效果，极大的提高了加垫效率。
(3)将车体一维加垫方法汇编为计算机语言，即得到车体一维加垫算法，实现车体的智能化加垫；具体的，以一维加垫方法为基础，开发轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法，该算法的迭代过程是：
a.输入初始载荷信息、控制偏差以及工艺簧刚度；
b.生成刚度矩阵，计算最大偏差；
c.搜索最小力的位置，在该位置模拟加单位量的垫片，并计算加垫后四个位置载荷值；其中的单位量的垫片根据实际情况确定，本实施例中考虑到1mm垫片引起载荷变化量较大，因此将单位量的垫片设定为0.1mm，在该位置每次模拟加垫0.1mm，并计算加垫后四个位置载荷值；
d.判断加垫量是否达到工艺要求的上限量，如果达到上限量，程序结束，否则，继续下一步；例如工艺要求加垫量不能超过10mm，则加垫前需要判断加垫量是否达到10mm，如果达到10mm，程序结束，否则，继续下一步；
e.计算加载后四个位置载荷的最大偏差值，与上一次偏差值比较，如果小于上一次偏差，重复步骤b，否则继续下一步；
f.输出上次加垫后四个位置载荷、加垫量以及载荷最大偏差；
g.判断最大偏差是否小于控制偏差，如果不小于控制偏差，***会给出警告信息，循环结束，如果小于控制偏差，循环直接结束；
h.程序停止后，输出最终加垫量、调整后载荷以及最大偏差。
(4)车体柔性称重完成之后，将初始载荷等信息输入到轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法中，就可以直接得到加垫位置以及加垫量，高效完成车体载荷调节调整。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种轨道车辆车体的一维加垫方法，用于模拟车体落车在工艺簧上的加垫状态，其利用如下称重方法得到的称重数据计算加垫量以及加垫位置：
在称重试验台的4个称重支撑点上方安装工艺簧，车体称重落车时直接与工艺簧接触，车体压缩工艺簧使得四个称重支撑点都与车体柔性接触，车体不发生变形，得到四个称重支撑点的支撑力F1、F2、F3、F4，
所述工艺簧的选取首先要能够满足承载强度要求，设车体支撑点等效垂向刚度为kc，工艺簧垂向刚度为kh，落车后两者串联后的刚度为k，则
为了忽略不同车体因等效垂向刚度不同带来的差异，要求选取的工艺簧的垂向刚度kh远远小于等效垂向刚度kc，则k近似等于工艺簧垂向刚度kc，
所述一维加垫方法其特征在于包括如下步骤：
(1)求解车体一维加垫刚度矩阵：借助车体静平衡方程以及变形协调方程求解四个支撑点载荷，然后对载荷求加垫量偏导数，得到某一位置单位加垫量引起四个支撑点的载荷变化量，即是加垫刚度矩阵；
(2)借助加垫刚度矩阵求解出四个位置加垫之间的等效关系，将多位置加垫等效为一个位置加垫，即一维加垫方法，该方法的原理为：一个位置加垫，该位置和对角位置的力都会增加，且增加量相同，其余两个位置的力会减小，减小的量相等且等于另外两个支撑力增加的量；依据此方法将四个位置加垫等效为一个位置加垫；
(3)将车体一维加垫方法汇编为计算机语言，即得到车体一维加垫算法，实现车体的智能化加垫；
(4)车体柔性称重完成之后，将初始载荷等信息输入到轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法中，一维加垫算法就可以直接给出加垫位置以及加垫量。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆车体的一维加垫方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步为：根据力学基本原理以及变形协调条件列出四点柔性称重的变形协调方程：
其中，F1、F2、F3、F4为二系支撑点的四个支撑力，b为支撑点纵向跨距的一半，a为支撑点横向跨距的一半，ΔX为车体重心在纵向的偏移量，ΔY为车体重心在横向的偏移量，P为车体总重量，并用c表示工艺簧的柔度，k为二系工艺簧的刚度；h1、h2、h3、h4分别为4个支撑点的加垫高度；
求解方程可以得到：
对Fi求hi的偏导，写成4×4的矩阵[K]：
其中，Ki，j为Fi对hi的偏导，其中i，j＝1,2,3,4位；Ki,j表示i位加垫引起第j点支撑力的变化量；令则可以简化为：
[K]称为加垫刚度矩阵，而且所选取的工艺簧的垂向刚度的四分之一就是刚度矩阵中C的具体数值。
3.根据权利要求1所述的轨道车辆车体的一维加垫方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步为：
由加垫刚度矩阵[K]得知：在某一个位置加垫，该位置和对角位置的力都会增加，且增加量相同；其余两个位置的力会减小，减小的量相等且等于另外两个支撑力增加的量，因此，不同位置加垫量能够等效为同一个位置加垫，假设四个位置的加垫量分别为ni，i＝1,2,3,4，则等效加垫量为：
n＝n1-n2-n3+n4
当n>0时，将垫片加在1位或者4位；当n<0时，将垫片加在2位或者3位，这就是一维加垫方法。
4.根据权利要求1所述的轨道车辆车体的一维加垫方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步为：
以一维加垫方法为基础，开发轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法，该算法的迭代过程是：
a.输入初始载荷信息、控制偏差以及工艺簧刚度；
b.生成刚度矩阵，计算最大偏差；
c.搜索最小力的位置，在该位置模拟加单位量的垫片，并计算加垫后四个位置载荷值；
d.判断加垫量是否达到工艺要求的上限量，如果达到上限量，程序结束，否则，继续下一步；
e.计算加载后四个位置载荷的最大偏差值，与上一次偏差值比较，如果小于上一次偏差，重复步骤b，否则继续下一步；
f.输出上次加垫后四个位置载荷、加垫量以及载荷最大偏差；
g.判断最大偏差是否小于控制偏差，如果不小于控制偏差，***会给出警告信息，循环结束，如果小于控制偏差，循环直接结束；
h.程序停止后，输出最终加垫量、调整后载荷以及最大偏差。
5.根据权利要求1所述的轨道车辆车体的一维加垫方法，其特征在于：所述步骤(4)进一步为：
车体柔性称重完成之后，将初始载荷等信息输入到轨道车辆车体柔性称重的一维加垫算法中，一维加垫算法直接计算出加垫位置以及加垫量，高效完成车体载荷调整。
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