本发明涉及货车制动领域，尤其涉及一种基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法。
背景技术：
：转向架基础制动装置是列车实施减速与停车的执行机构，是保证车辆安全运行的必备装置。随着车辆载重以及牵引吨位的增加，对基础制动装置的性能有了更高的要求，制动时要求稳定可靠，缓解时要做到安全与高效；制动系统性能的可靠性直接影响着列车运行的安全性。因此，对基础制动装置性能的分析尤为必要，改善制动装置性能的措施，一是采取新的制动技术，二是对现有制动装置的结构进行改进优化。目前，运用现场出现的诸如车轮踏面磨耗不均、制动杆件磨损、制动梁缓解不良等问题较为严重，并且采用较为成熟的制动技术后，问题并未得以解决。通过调研与分析得出，运用现场出现的这些问题与基础制动装置的构件受力情况有关，在制动传动过程中，构件间易发生別劲与卡滞，致使运动不灵活。基于此分析思路，需对转向架基础制动装置性能的改善优化做出切实可行的工程解决方案。技术实现要素：根据上述提出的技术问题，而提供一种基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，用于解决现有的基础制动装置的构件受力情况有关，在制动传动过程中，构件间易发生別劲与卡滞，致使运动不灵活的缺点。本发明采用的技术手段如下：一种基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，包括以下步骤：s1、性能优化doe试验可控因素的确定：销轴轴径、游动杠杆厚度、中拉杆夹板宽度以及制动梁立柱槽宽度作为doe试验的可控因素。s2、性能优化doe试验方案设计。s3、性能优化doe试验方案的mbd实现。s4、性能优化doe试验响应分析。s5、性能优化doe试验最优方案选择。得到方案中缓解力最小、信噪比最大的最优组合方案。作为优选步骤s1中，性能优化doe试验可控因素的具体确定步骤如下：s11、制动装置各连接处的间隙组合结果对缓解性能有很大影响，因此，各制动连接件的尺寸即为影响缓解性能的因素。s12、连接销轴的受力情况，反映机构是否存在卡滞及其严重程度，受力异常的销轴尺寸即为影响缓解性能的关键因素。s13、确定销轴轴径，游动杠杆厚度、中拉杆夹板宽度以及制动梁立柱槽宽度作为doe试验的可控因素。作为优选步骤s12中，受力异常的销轴的具体判定步骤如下：s121、确定关键影响因素的识别指标：对于基础制动装置，将各连接销轴依次编号以便分析，销轴连接处的受力模型简化为杠杆、夹板以及销轴这三个构件的组合形式。以销轴为研究对象单独进行受力的统计分析，ⅰ段、ⅲ段为夹板两侧柱面对销轴的作用区域，ⅱ段为中间杠杆对销轴的作用区域，则识别关键影响因素的指标为。a、销轴三段受力不平衡：判据a：|fx(i)+fx(ii)+fx(iii)|≥εp判据b：|fy(i)+fy(ii)+fy(iii)|≥εf其中:fx(i)、fx(ii)、fx(iii)为i、ii、iii段销轴受力，单位为n；εf为受力最大容许误差，单位为n，当已知实验数据满足判据a或判据b时，判定销轴发生三段力受力不平衡现象。b.受力平衡但分布不合理：判据c：或判据d：或其中：k为受力倍差系数，单位为1，当已知实验数据满足判据c或判据d时，判定销轴发生三段力受力平衡但分布不合理现象。s122、结合已知实验数据识别关键影响因素：根据确定关键影响因素的识别指标，通过测得的实验数据，判定销轴受力是否平衡，若受力平衡，判定销轴受力是否合理。确定出对机构卡滞有影响的销轴轴径、游动杠杆厚度、中拉杆夹板宽度以及制动梁立柱槽宽度。作为优选步骤s2中，性能优化doe试验的具体方案设计如下：s21、doe试验可控因素的编码：设定游动杠杆的厚度可控因素编码为α；中拉杆端头夹板的宽度可控因素编码为β；制动梁支柱槽的宽度可控因素编码为γ；游动杠杆与中拉杆铰链销轴轴径可控因素编码为θ；游动杠杆与制动梁立柱铰链销轴轴径可控因素编码为μ；固定杠杆与制动梁立柱铰链销轴轴径可控因素编码为ρ；固定杠杆与中拉杆铰链销轴轴径可控因素编码为τ。s22、doe试验可控因素的水平设置：将步骤s21中的编码选择两个水平设置。s23、doe正交试验方案表的选取：选表时需根据各因素水平数决定从两水平、三水平或者四水平的l表中选取，然后根据因素和实验要求来定l表。s24、doe试验的响应：试验响应即为优化对象的评价指标，优化对象为基础制动装置的缓解性能，故doe试验的响应即为缓解力大小。s25、doe试验的质量特性：质量特性为望小特性信噪比。作为优选步骤s3中，性能优化doe试验方案的mbd实现，具体步骤如下：s31、建立基础制动装置的几何模型：在cad软件中基础制动装置建模，保证装配正确，将cad软件中的车钩基础制动装置模型保存为step格式的文件。s32、几何模型导入mbd仿真软件：将步骤s31中的step格式的文件导入mbd仿真软件中，进行适当简化与合并。s33、建立基础制动装置的物理模型：物理模型的建立包括刚体建模、约束建模、接触建模、外载荷建模以及参数化建模，参数化建模伴随各建模过程。s34、doe试验方案的mbd实现：在游动杠杆上端施加反向的缓解作用力，驱动函数表达式为：step(time，0，0，1，-158)，提取闸瓦与车轮踏面之间的f—t曲线；当4块闸瓦完全脱离车轮即闸瓦与车轮间的接触力均为0时，对应输出各方案所需施加的最小缓解力fk，此缓解力即为本试验的响应输出。作为优选步骤s4中，性能优化doe试验响应分析，具体分析过程如下：分析基础制动装置的缓解不良问题，用一个等效的缓解作用力来克服机构的各种摩擦阻力，希望缓解力越小越好，其试验指标的质量特性属于望小特性；其信噪比计算公式如下：式中η为信噪比，yi为试验结果，n为试验次数；望小特性的信噪比值越大表示抗扰能力越强，稳定性越好。与现有技术相比较，本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，具有以下优点：1、本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，投入成本低、仿真精度高、实用价值较强。2、本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，模拟基础制动装置制动、缓解的工况。3、本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，够通过观看仿真文件，了解基础制动装置工作原理。4、本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，通过优化杆件尺寸，减小了缓解力。5、本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，为现行转向架制动装置的改造升级提供一定的指导意义。本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，该方法考虑物体间的接触碰撞，准确描述间隙因素对转向架基础制动装置的影响，通过该方法提供的最优解杆件尺寸，为设计人员提供重要参考，是一种研究货车缓解性能的有效方法，它以缓解力最小作为试验指标，将基础制动装置连接副配置间隙转化为构件的设计参数作为影响因子，根据试验结果分析各个可控因素的信噪比及贡献度，得出铰链、杆件最佳间隙配置方案，从而达到优化基础制动装置缓解性能的目的。本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，在多体动力学软件平台中，模拟货车基础制动装置的实际运行状态，求解不同工况下基础制动装置的动力学参数。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明基础制动装置各连接销轴编号示意图。图2是本发明销轴三段接触区域示意图。图3是本发明cad软件中基础制动装置装配体模型示意图。图4是本发明均值主效果图。图5是本发明信噪比主效果图。其中：a、游动杠杆组成，b、高摩擦合成闸瓦，c、固定杠杆支点座，d、中拉杆，e、后制动梁，f、前制动梁，g、柔性支点及链蹄环，h、固定杠杆组成。具体实施方式如图1到图5所示，一种基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，包括以下步骤：s1、性能优化doe试验可控因素的确定：销轴轴径、游动杠杆厚度、中拉杆夹板宽度以及制动梁立柱槽宽度作为doe试验的可控因素；步骤s1中，性能优化doe试验可控因素的具体确定步骤如下：s11、制动装置各连接处的间隙组合结果对缓解性能有很大影响，因此，各制动连接件的尺寸即为影响缓解性能的因素。s12、连接销轴的受力情况，反映机构是否存在卡滞及其严重程度，受力异常的销轴尺寸即为影响缓解性能的关键因素；步骤s12中，受力异常的销轴的具体判定步骤如下：s121、确定关键影响因素的识别指标：对于基础制动装置，将各连接销轴依次编号以便分析，编号情况如图1所示。销轴连接处的受力模型简化为杠杆、夹板以及销轴这三个构件的组合形式；以销轴为研究对象单独进行受力的统计分析，ⅰ段、ⅲ段为夹板两侧柱面对销轴的作用区域，ⅱ段为中间杠杆对销轴的作用区域，如图2所示。则识别关键影响因素的指标为：a、销轴三段受力不平衡：判据a：|fx(i)+fx(ii)+fx(iii)|≥εf判据b：|fy(i)+fy(ii)+fy(iii)|≥εf其中：fx(i)、fx(ii)、fx(iii)为i、ii、iii段销轴受力，单位为n；εf为受力最大容许误差，单位为n，具体数值由工程技术人员结合工程实际适当选取，本实施方案设置εf＝10n。当已知实验数据满足判据a或判据b时，判定销轴发生三段力受力不平衡现象。b.受力平衡但分布不合理：判据c：或判据d：或其中：k为受力倍差系数，单位为1，具体数值由工程技术人员结合工程实际适当选取，本案例设置k＝1.5。当已知实验数据满足判据c或判据d时，判定销轴发生三段力受力平衡但分布不合理现象。s122、结合已知实验数据识别关键影响因素：根据确定关键影响因素的识别指标，通过测得的实验数据，判定销轴受力是否平衡，若受力平衡，判定销轴受力是否合理；确定出对机构卡滞有影响的销轴轴径、游动杠杆厚度、中拉杆夹板宽度以及制动梁立柱槽宽度。以表1已知实验数据为例分析：①～⑦各销轴的两分力fx、fy都不满足判据a或判据b，即销轴三段受力平衡；①、②、③、④号销轴处分力fx(i)≥1.5fx(iii)，①、②号销轴处的分力fy(iiii)≥1.5fy(i)，①、②、④号销轴受力满足判据c或判据d，即受力平衡但分布不合理；⑤～⑦这三处的销轴受力较为均衡，对机构卡滞影响不大。综合以上对表1已知实验数据分析，影响缓解的关键因素有以下七个：①～④处销轴轴径，游动杠杆厚度、中拉杆夹板宽度以及制动梁立柱槽宽度。表1制动装置缓解状态下销轴不同段的压力(单位：n)s13、确定销轴轴径，游动杠杆厚度、中拉杆夹板宽度以及制动梁立柱槽宽度作为doe试验的可控因素；具体的，曲步骤s12中的七个关键因素影响缓解作为doe试验的可控因素。s2、性能优化doe试验方案设计；步骤s2中，性能优化doe试验的具体方案设计如下：s21、doe试验可控因素的编码：设定游动杠杆的厚度可控因素编码为α；中拉杆端头夹板的宽度可控因素编码为β；制动梁支柱槽的宽度可控因素编码为γ；游动杠杆与中拉杆铰链销轴轴径可控因素编码为θ；游动杠杆与制动梁立柱铰链销轴轴径可控因素编码为μ；固定杠杆与制动梁立柱铰链销轴轴径可控因素编码为ρ；固定杠杆与中拉杆铰链销轴轴径可控因素编码为τ。s22、doe试验可控因素的水平设置：将步骤s21中的编码选择两个水平设置；可控因素的水平需结合工程实际设置，水平数量过多会增加试验数量，时间成本较高，水平数量过少所得试验结果较宽泛，缺乏实际指导意义。本例中将上述七个可控因素选择两个具有代表性的水平值。可控因素水平配置，如表2所示。表2可控因素及水平配置表可控因素/mm水平1/mm水平2/mmαα1α2ββ1β2γγ1γ2θθ1θ2μμ1μ2ρρ1ρ2ττ1τ2本例中α1、α2为23、26；β1、β2为29、31；γ1、γ2为28、32；θ1、μ1、ρ1、τ1为35.63；θ2、μ2、ρ2、τ2为35.88。s23、doe正交试验方案表的选取：选表时需根据各因素水平数决定从两水平、三水平或者四水平的l表中选取，然后根据因素和实验要求来定l表；当实验精度要求高、因素多、交互作用多时，应选择大的l表，否则可选小的l表。本实施方案选取l8(27)正交试验方案，如表3所示。表3l8(27)正交试验表s24、doe试验的响应：试验响应即为优化对象的评价指标，优化对象为基础制动装置的缓解性能，故doe试验的响应即为缓解力大小。s25、doe试验的质量特性：质量特性为望小特性信噪比。s3、性能优化doe试验方案的mbd实现；步骤s3中，性能优化doe试验方案的mbd实现，具体步骤如下：s31、建立基础制动装置的几何模型：在cad软件中基础制动装置建模，保证装配正确，如图3所示，将cad软件中的车钩基础制动装置模型保存为step格式的文件。s32、几何模型导入mbd仿真软件：将步骤s31中的step格式的文件导入mbd仿真软件中，进行适当简化与合并。s33、建立基础制动装置的物理模型：物理模型的建立包括刚体建模、约束建模、接触建模、外载荷建模以及参数化建模，参数化建模伴随各建模过程。s34、doe试验方案的mbd实现：在游动杠杆上端施加反向的缓解作用力，驱动函数表达式为：step(time，0，0，1，-158)，提取闸瓦与车轮踏面之间的f—t曲线；当4块闸瓦完全脱离车轮即闸瓦与车轮间的接触力均为0时，对应输出各方案所需施加的最小缓解力fk，此缓解力即为本试验的响应输出。s4、性能优化doe试验响应分析；步骤s4中，性能优化doe试验响应分析，具体分析过程如下：分析基础制动装置的缓解不良问题，用一个等效的缓解作用力来克服机构的各种摩擦阻力，希望缓解力越小越好，其试验指标的质量特性属于望小特性；其信噪比计算公式如下：式中η为信噪比，yi为试验结果，n为试验次数；望小特性的信噪比值越大表示抗扰能力越强，稳定性越好；用信噪比考察试验指标更直观、便捷。表4所示为各组doe正交试验方案对应的试验响应。表4doe正交试验方案的试验响应试验序号缓解力fk(n)信噪比(db)1104.8-40.40292.3-39.303105.8-40.49483.4-38.425130.3-42.306121.5-41.697125.6-41.988107.3-40.61由表4可知，最大信噪比原则确定的参数优化结果为试验4(α1β2γ2θ2μ2ρ1τ1)。为进一步优化参数，本发明基于正交表3对试验结果进行主效果的直观分析、均值以及信噪比主效果分析。s41、主效果分析；根据正交试验正交表具有综合可比性，认为因素不同水平组合的试验条件相同，因此可直观地进行对比分析。运用minitab软件中的田口设计工具对试验指标进行直观极差分析，整理后得到的正交试验影响因素直观分析结果见表5。对每个因素进行主效果分析，可得到缓解阻力响应的均值主效果图，如图4所示。表5影响因素直观分析表(单位：n)注：极差r＝kmax-kmin，k1、k2分别表示各因素的第1、2水平所在的试验中对应响应之和；k1、k2分别为其每一水平的4个数对应的平均值；τ为不显著因素可在两水平间适当取值。s42、信噪比分析；信噪比可反映产品质量的稳健性。信噪比取值越大，表示质量指标越稳定。同样地运用minitab的田口设计工具，进行望小特性的信噪比分析，可得到图5所示的结果。由步骤s2中可得；游动杠杆的厚度α对缓解性能的贡献最大，其次是销轴①的轴径ρ，其他因素影响相对不显著。将各试验缓解力的预测值作为响应，运用minitab软件进行田口分析，得到各因素不同水平对响应的影响次序，如表6所示。可得：游动杠杆的厚度对缓解性能的贡献最大，排在首位；销轴④的轴径对缓解力的影响非常轻微，是极不显著因素。通过对信噪比的分析，确定影响缓解性能的显著性因素为游动杠杆厚度α以及销轴①的轴径ρ。表6信噪比响应表(单位：db)s5、性能优化doe试验最优方案选择；得到方案中缓解力最小、信噪比最大的最优组合方案；由图4与图5可得最优组合使方案中缓解力最小、信噪比最大。结合表6选出信噪比大时各因素所对应水平值，销轴④的轴径τ为不敏感因素，可以根据变量的经济性选取。最后得到本实验设计的最优方案组合为α1β2γ1θ2μ2ρ1τ。各因素最优水平取值如表7所示。表7最优方案因素与水平表s6、性能优化doe试验最优方案验证；验证采用表7确定的优化方案合理性，即缓解性能较好，按上述田口灵敏度分析得出的因素水平设置参数，更改构件的尺寸，重新建立多体动力学模型，进行缓解性能的仿真实验。得出在α1β2γ1θ2μ2ρ1τ组合方案下，基础制动装置完全缓解所需的最小缓解力为75.4n，相比构件在原始方案的缓解力85n，下降了11.3％，信噪比水平提高了1.04db，从而证明了doe最优方案的合理性。本发明所述的基于doe与mbd的基础制动装置缓解性能优化方法，应用多体动力学理论与技术，并将正交试验设计(designofexperiment，doe)与mbd(recurdyn多体动力学)理论技术相结合在多体动力学仿真平台中对铁路货车基础制动装置进行仿真，优化铁路货车基础制动装置的缓解性能。按照工程实际配置关键因素水平，运用doe软件设计正交试验方案。通过正交试验数据分析得出各个可控因素的信噪比及贡献程度，进而选出最佳的参数水平组合，此案对应杆件尺寸即为铰链的最优间隙配置。本发明通过mbd仿真技术与doe实验设计，实现了对铁路货车基础制动装置的缓解性能优化，具有投入成本低、仿真精度高、研发效率高、实用价值强等特点。本发明为优化铁路货车基础制动装置构件尺寸参数提供了重要依据。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12