一种机车机械部件状态感知传感器优化布局方法与流程

本发明涉及铁路运输安全监控技术领域，具体涉及一种机车机械部件状态感知传感器优化布局方法。

背景技术：

目前用于机车车辆机械部件仿真计算的模型主要涉及到两大类，一是机械部件有限元分析模型，二是多体系统动力学分析模型，根据模型特征及需求要求，可以选择相应的模型进行分析。一般来说，有限元分析模型通过将整个机械部件划分毫米级的微小单元，设置相应约束并添加相关载荷激励，得到部件各微小单元的响应状态；而多体系统动力学分析模型可以通过建立多个运动体的约束关系，从多个方面施加载荷激励，并在仿真分析后可以提取多点多参数数据，是能够系统地表征机械部件动力学特征的主要手段。

以机车车辆系统为例，电机输出的动力向下经齿轮箱传到车轴，车轴带动车轮转动，车轮与轨道刚性接触，转向架与轨道间连有一系悬挂装置；车轮转动带动整个构架运动，构架与车体间通过中心销等装置相连，带动车体运动，同时在车体和构架间设置二系悬挂装置。这些悬挂装置一方面可以起到定位作用，另一方面也可以起到减振作用。通过这些安装约束及部件本身的刚度特性，使得整列车在运行过程中保持较好的运行状态。

评判列车运行状态是否优良，一般是从多个方面进行综合评价的。目前用于评价机车车辆动力学的指标主要分为运行稳定性、运行平稳性和通过曲线的舒适度标准这三方面。其中，运行稳定性可从防蛇行运动、防脱轨和防倾覆三个方向来分析。

由于现实运行中，车辆运行遇到的具体工况呈现复杂，仅靠仿真计算并不能完全满足机车运行状态监测的需要，所以有必要通过更为精确的计算方法来确定更优选的传感器布局方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机车机械部件状态感知传感器优化布局方法，以解决现有技术中仅靠仿真计算并不能完全满足机车运行状态监测的需要的问题，实现提取同一工况下不同监测点的横向加速度数据，比较不同测点的时域、频域特征，并结合判断构架发生横向失稳的相关数据来选择最优测点的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种机车机械部件状态感知传感器优化布局方法，包括以下步骤：

(a)建立机车多体动力学模型，搭建整车模型；

(b)在模型中建立一系悬挂、二系悬挂，所述一系悬挂、二系悬挂中所有的悬挂元件均采用弹簧阻尼单元模拟，并将所有的非线性特性考虑在内；

(c)在整车模型中的转向架构架上选定n个横向振动监测点，其中n≥2；

(d)在动力学仿真中采用hertz接触理论计算法向接触，再计算切向接触，得到接触压力分布pz；

(e)从pz中提取各测点振动加速度数据，将所得数据经过滤波，得到不同监测点构架横向加速度时域图；

(f)从构架横向加速度时域图中提取各测点横向振动加速度数据，统计构架横向加速度峰值：采用10hz低通滤波，当构架横向加速度峰值有连续六次以上达到或超过极限值8～10m/s²，判定构架横向失稳；

(g)分析构架横向失稳下各监测点的敏感度，敏感度越低，越不适合安装检测构架横向加速度的传感器。

本发明的主要原理在于通过构建机车机械部件的三维模型，在激励作用下模拟部件动力学特征变化情况，明确关键特征的表现形式，根据离散信息还原整体特征的连续性，进而提取机车机械部件安装约束集合，提出规避约束集合的机车动力学监测传感器布局优化方法。通过模型驱动的动力学特征数据的采集策略制定，将安装约束条件参数化后进行融合，形成明显优于单方面考虑结构和安装环境的传感器布局策略，优化凸显关键特征和实现整体连续特征的感知。本方法适用于但不限用于机车车辆机械部件。本方法相较于现有技术，主要取得了以下进步：一、建立机车车辆动力学仿真模型，结合部件动力学特征变化理论，模拟相应机车车辆运行状态；二、根据部件具体安装方式，提取该部件安装约束集合；三、结合动力学特征要求并规避安装约束，选取合理的动力学监测点；四、一并选取其他位置监测点，从数据时频域特性及动力学评价指标的角度进行对比，以突显监测点的合理性；五、经过动力学仿真和理论验证的监测点即可作为机械部件状态感知的传感器布局点，该传感器布局方法明显优于单方面考虑结构和安装环境的传感器布局策略，更易凸显关键特征的感知。本发明可以为机车车辆状态感知的准确性、可靠性提供可靠的技术保障。

进一步的，所述整车模型的搭建包括以下步骤：

(a)在前处理部分选择轮对类型，输入车轮半径、轨距、轮径内测距，生成轮对；

(b)复制轮对，添加构架、轴箱、一系弹簧部件，搭建转向架；

(c)复制转向架，添加车体和空气弹簧部件，搭建整车模型。

进一步的，所述一系悬挂将轮对和构架连接在一起，一系悬挂由钢簧、转臂和垂向减振器组成，一系悬挂的定位刚度由转臂节点提供；所述二系悬挂将构架和车体连接在一起，二系悬挂由两个空气弹簧、两个横向减振器、两根牵引拉杆和横向止挡组成。

进一步的，所述n个横向振动监测点，包括沿转向架的轴线左右对称分布的若干组监测点，以及位于转向架的轴线上的至少一个监测点。为了寻找最适合安装区域，在仿真中是按照左右对称分布的方式布置横向振动监测点，并以轴线上的至少一个监测点作为参考对比，有利于提供更为充分的对比方案供实际布局时选择。

进一步的，接触压力分布pz的计算过程中，向模型中施加美国六级轨道不平顺的功率密度谱。

优选的，所述接触压力分布pz的计算方法为：

(1)设轮轨垂向间隙z(x,y)＝ax²+by²，其中a、b分别为纵向和横向相对曲率，a、b的表达式为：

其中，rwx为车轮沿纵向的曲率半径；rrx为钢轨沿纵向的曲率半径；rwy为车轮接触点处横向曲率半径；rry为钢轨接触点处横向曲率半径；

(2)根据hertz接触理论计算接触斑长半轴a和短半轴b：

其中，m和n为hertz接触参数；p为轮轨法向力；g*为材料参数；

(3)计算中间变量η：

(4)计算轮轨接触时的刚性接近量δ0：

(5)得到接触压力分布pz：

其中，所述材料参数g*的计算方法为：

其中，vw和ew分别为车轮材料的泊松比和弹性模量；vr和er分别为钢轨材料的泊松比和弹性模量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

一、建立机车车辆动力学仿真模型，结合部件动力学特征变化理论，模拟相应机车车辆运行状态；根据部件具体安装方式，提取该部件安装约束集合；提取同一工况下不同监测点的横向加速度数据，比较不同测点的时域、频域特征，并结合判断构架发生横向失稳的相关规定来选择最优测点。

二、结合动力学特征要求并规避安装约束，选取合理的动力学监测点；

三、一并选取其他位置监测点，从数据时频域特性及动力学评价指标的角度进行对比，以突显监测点的合理性；

四、经过动力学仿真和理论验证的监测点即可作为机械部件状态感知的传感器布局点，该传感器布局方法明显优于单方面考虑结构和安装环境的传感器布局策略，更易凸显关键特征的感知。本发明可以为机车车辆状态感知的准确性、可靠性提供可靠的技术保障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是hxd2型机车多体动力学模型；

图2是构架传感器测点布置图；

图3是不同测点构架横向加速度时域图；

图4是不同测点构架加速度峰值对比图；

图5是1、2、3、4、5、11号测点构架横向加速度时域信号对比图；

图6是1、5、11号测点构架横向加速度滤波后时域信号对比图；

图7是1、5、11号测点构架横向加速度滤波后频域信号对比图。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图7所示的一种机车机械部件状态感知传感器优化布局方法，图2中的数字1至11表示各监测点的编号：

首先建立机车多体动力学模型。具体而言，在多体系统动力学软件um中建立了hxd2型机车的动力学模型，如图1所示。具体建立过程包括：

第一步，在um软件前处理部分选择轮对类型，输入车轮半径，轨距，轮径内测距等参数，生成轮对。

第二步，复制轮对，添加构架、轴箱、一系弹簧等部件，搭建转向架。

第三步，复制转向架，添加车体和空气弹簧等部件，搭建整车模型。

之后进行一系悬挂：一系悬挂将轮对和构架连接在一起，由钢簧、转臂和垂向减振器组成。最高运行速度为120km/h，这要求该车辆具有较高的一系纵向定位刚度以保证车辆在直线轨道上高速运行时的稳定性。一系定位刚度主要由转臂节点提供。再进行二系悬挂：二系悬挂将构架和车体连接在一起，由两个空气弹簧、两个横向减振器、两根牵引拉杆和横向止挡组成。一系和二系所有的悬挂元件均采用弹簧阻尼单元模拟，并且考虑了所有的非线性特性。本实施例中轮轨型面分别为jm3和60kg/m。轨距为1435mm，轮对内侧距为1353mm，车轮半径为625mm，轨底坡为1/40。

之后按照图2所示，在转向架构架上选定11个横向振动监测点。在动力学仿真中采用hertz理论计算法向接触，fastsim算法计算切向接触；其中轮轨摩擦系数设为0.3，并且施加美国六级轨道不平顺的功率密度谱。

hertz接触理论是其它非椭圆接触算法的基础。基于hertz接触的假设，对于轮轨接触问题，轮轨垂向间隙可以写为：z(x,y)＝ax²+by²，式中,a和b分别为纵向和横向相对曲率。当轮轨的主曲率面重合时，即轮对没有摇头角，a和b的表达式如下：

式中，rwx为车轮沿纵向的曲率半径，即车轮滚动半径；rrx为钢轨沿纵向的曲率半径，通常为+∞；rwy为车轮接触点处横向曲率半径；rry为钢轨接触点处横向曲率半径。

根据hertz接触理论，接触斑长半轴a和短半轴b的表达式可写为：

式中，m和n为hertz接触参数；p为轮轨法向力；

g^*为材料参数：

式中，vw和ew分别为车轮材料的泊松比和弹性模量；vr和er分别为钢轨材料的泊松比和弹性模量。

期间需要先计算一个中间变量η：

中间变量η用于查表，上述m、n由中间变量η值查表可得。

轮轨接触时的刚性接近量δ0为：

式中，为hertz接触参数。刚性接近量δ0是软件调用的用语计算轮轨接触，是很成熟的接触理论，已经被学术界广为接受。

最后计算得到接触压力分布pz为半椭球形：

将所得数据经过10hz滤波，得到图3所示的不同测点构架横向加速度时域图。再统计各个监测点构架横向加速度峰值，得到图4所示的不同测点构架加速度峰值对比图。从图4中对比分析所有测点数据特征，进过分析可知，1号测点数据与6号一致，2号与7号一致，3号与8号一致，4号与9号一致，5号与10号一致。

根据uic515，采用10hz低通滤波，当构架横向加速度峰值有连续六次以上达到或超过极限值8～10m/s²，判定构架横向失稳。

提取出如图5所示的1、2、3、4、5、11号测点构架横向加速度时域信号对比图，对比分析1、2、3、4、5、11这六个测点数据，可知11号测点传感器最不敏感，1号测点比2号测点更敏感，5号测点比4号测点更敏感。因此11号测点区域为约束集合，不适合安装检测构架横向加速度的传感器。

再提取出如图6所示的1、5、11号测点构架横向加速度滤波后时域信号对比图，并经傅里叶变换后得到如图7所示的1、5、11号测点构架横向加速度滤波后频域信号对比图，对比分析1、5、11这三个测点时域信息和经傅里叶变换后得到的频域信息，可知5号测点和1号测点较11号测点更为敏感，5号测点较1号测点更为敏感。此处引入测点11对比是为了突出对比其他测点结果与最不敏感测点结果差异。

综上所述，结合图4至图7与上述分析可以确定，本实施例中5号和10号测点最为敏感，5号测点和10号测点所处位置合理避开了安装约束，适合在此区域安装振动传感器，以监测构架横向振动信号。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。