一种机车轴重加垫调整方法与流程

本发明涉及机车生产技术领域，尤其涉及一种机车轴重加垫调整方法。

背景技术：

在机车生产中，组装完成后，由于重心偏移、制造误差等因素，每个车轮对轨道产生的垂向力往往不同。机车出厂前需要进行整车称重，称重可以获得机车的各个轮重，并计算出轮重差和轴重差。要求轮重差保持在±4％，轴重差保持在±2％，从而保证牵引黏着力的有效发挥。

目前，对于称重不合格的机车，调整机车轮重差和轴重差的主要手段是在一系弹簧或二系弹簧下加入钢质金属垫(简称一系加垫或二系加垫)，机车轴重调整加垫方案计算就是通过机车设计参数和机车称重获得的轮重测量值，计算一系加垫或者二系加垫在各个位置的加垫厚度量，从而在加垫调整后再次称重时，保证机车满足规定的轴重差和轮重差要求。机车整车结构如图1，图2所示。其中，全局坐标系x轴为垂向，y轴为纵向，z轴为横向。图1中1位～4位表示二系弹簧位置。

机车轴重调整加垫方案计算主要包括：力学模型建立和优化求解。在力学建模方面采用三自由度力学模型，在优化求解中目标函数采用轮重差均方根，如公式(1)所示

其中，j为车轮序号，n为总轮数，fj为轮重测量值，为轮重测量值均值。

该方法在优化求解中目标函数要求过高，虽然满足公式(1)基本可以保证机车轴重调整加垫方案能够满足轮重差和轴重差指标，但却导致很多情况不满足公式(1)的调整方案被排除，缩小了能够提供方案的范围。因此对于机车轴重调整加垫方案不易求解的情况，往往不能给出求解方案。

综上所述，目前现有的机车轴重调整加垫方案计算方法，在优化求解中，采用的目标函数要求过强，因此对于部分不易调整的情况，往往无法给出加垫方案。此外，对于一系加垫的情况，提供的加垫方案无法保证满足转向架称重要求。

基于此，现有技术仍然有待改进。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种机车轴重加垫调整方法，以解决现有技术的加垫方案目标函数要求过强，不易调整，某些情况无法满足转向架称重要求的技术问题。

本发明实施例所公开的一种机车轴重加垫调整方法，包括：

建立机车轴重调整力学建模；

根据所述机车轴重调整力学建模选择目标函数、约束方程，并优化数值求解；

得出一系加垫量和/或二系加垫量。

进一步地，所述建立机车轴重调整力学建模包括：

建立机车静力平衡方程；

建立轮重、加垫量关系方程。

进一步地，所述建立机车静力平衡方程包括：

建立车体与架构受力的三自由度模型；

分别对车体、前构架和后构架列写三个自由度的平衡方程；

列写一系弹簧支撑力、二系弹簧支撑力和位移的关系方程；

进一步地，所述建立轮重、加垫量关系方程包括：

将所述三个自由度的平衡方程带入所述一系弹簧支撑力、二系弹簧支撑力和位移的关系方程，整理得到外力向量、位移向量和刚度矩阵之间的关系公式；

得出轮重变化向量和加垫量公式。

进一步地，所述外力向量、位移向量和刚度矩阵之间的关系公式为：

ax＝w

其中，a为刚度矩阵，x为位移向量，w为外力向量。

进一步地，所述轮重变化向量和加垫量公式为：

q＝ωδ

ω＝k1(da^-1c+e)

其中，q为机车轮重变化量，ω为增载系数矩阵，δ为加垫量，a为刚度矩阵，k1为一系弹簧每个轴箱的支承刚度，c为单位加垫量产生的外力矩阵，d为系数矩阵，e为单位矩阵。

进一步地，所述根据所述机车轴重调整力学建模选择目标函数、约束方程，并优化数值求解包括：

基于二系加垫，设置目标函数、约束轮重差、约束轴重差、约束未平衡力。

进一步地，所述根据所述机车轴重调整力学建模选择目标函数、约束方程，并优化数值求解包括：

基于一系加垫，设置目标函数、约束轮重差、约束轴重差、约束轮重调整容差、约束前转向架称重、约束后转向架称重。

进一步地，基于二系加垫，优化求解目标函数及约束公式为：

min||s||

s.t.a3ωδ+a3ωf≤0

a4ωδ+a4ωf≤0

||ωδ-q||≤r

其中，f为整车轮重测量值，||s||为各个轴重差的2范数，a3为轮重差的约束矩阵，a4为轴重差的约束矩阵，r为未平衡力容差，ω为增载系数矩阵ω中的矩阵子块，δ为加垫量δ中的部分元素。

进一步地，基于一系加垫，优化求解目标函数及约束公式为：

min||s||

s.t.a3ωδ+a3ωf≤0

a4ωδ+a4ωf≤0

||ωδ-q||≤r

a5ω1δ1+a5ω1f1≤0

a6ω2δ2+a6ω2f2≤0

其中，f为整车轮重测量值，||s||为各个轴重差的2范数，a3为轮重差的约束矩阵，a4为轴重差的约束矩阵，r为未平衡力容差，ω为增载系数矩阵ω中的矩阵子块，δ为加垫量δ中的部分元素，f1为前转向架单独称重时轮重测量值，f2为后转向架单独称重时轮重测量值，ω1为前转向架的增载系数矩阵，ω2为后转向架的增载系数矩阵。δ1为前转向架加垫量，δ2为后转向架加垫量，a5为前转向架称重指标约束矩阵，a6为后转向架称重指标约束矩阵。

采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：

本发明针对现有技术的机车轴重调整加垫方案不易求解的情况，扩大了能够提供加垫方案的范围。此外，在进行一系加垫轴重调整时，在保证整车称重指标的同时保证了转向架称重指标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1，图2为机车整车结构图；

图3为本发明一实施例的流程图；

图4为本发明一实施例的车体受力空间示意图；

图5为本发明一实施例的前构架受力空间示意图；

图6为本发明一实施例的后构架受力空间示意图；

图7为本发明一实施例的车体xoy平面受力示意图；

图8为本发明一实施例的车体xoz平面受力示意图；

图9为本发明一实施例的前构架xoy平面受力示意图；

图10为本发明一实施例的前构架xoz平面受力示意图；

图11为本发明一实施例的后构架xoy平面受力示意图；

图12为本发明一实施例的后构架xoz平面受力示意图。

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

如图3所示，本发明一些实施例公开了一种机车轴重加垫调整方法，包括：

建立机车轴重调整力学建模；

根据所述机车轴重调整力学建模选择目标函数、约束方程，并优化数值求解；

得出一系加垫量和/或二系加垫量。

本实施例中，力学建模建立的主要目的是根据力学性质，建立加垫量和轮重变化关系的方程；优化求解则是将方程归纳为优化问题，选择合理的目标函数、约束并进行求解。本发明建立了机车整车称重模型，在优化求解方面，提出了新的目标函数，轮重差、轴重差以及转向架称重指标约束方程。如图3所示，在进行机车轴重加垫调整时，首先输入机车设计参数、机车整车称重结果、转向架称重结果，然后建立机车轴重调整力学模型，求解机车轴重调整加垫方案，最后获得一系加垫量和/或二系加垫量。

本发明一些优选的实施例所公开的机车轴重加垫调整方法，在上述实施例基础上，所述建立机车轴重调整力学建模包括：建立机车静力平衡方程；建立轮重、加垫量关系方程。

其中，所述建立机车静力平衡方程包括：

建立车体与架构受力的三自由度模型；

分别对车体、前构架和后构架列写三个自由度的平衡方程，获得9个方程；

列写一系弹簧支撑力、二系弹簧支撑力和位移的关系方程。

所述建立轮重、加垫量关系方程包括：

将所述三个自由度的平衡方程带入所述一系弹簧支撑力、二系弹簧支撑力和位移的关系方程，整理得到外力向量、位移向量和刚度矩阵之间的关系公式；进而得出轮重变化向量和加垫量公式。

具体地，一些实施例中，所述外力向量、位移向量和刚度矩阵之间的关系公式为：

ax＝w

其中，a为刚度矩阵，x为位移向量，w为外力向量。

所述轮重变化向量和加垫量公式为：

q＝ωδ

ω＝k1(da^-1c+e)

其中，q为机车轮重变化量，ω为增载系数矩阵，δ为加垫量，a为刚度矩阵，k1为一系弹簧每个轴箱的支承刚度，c为单位加垫量产生的外力矩阵，d为系数矩阵，e为单位矩阵。

本发明一些实施例中，所述根据所述机车轴重调整力学建模选择目标函数、约束方程，并优化数值求解包括：

基于二系加垫，设置目标函数、约束轮重差、约束轴重差、约束未平衡力。

基于一系加垫，设置目标函数、约束轮重差、约束轴重差、约束轮重调整容差、约束前转向架称重、约束后转向架称重。

具体地，基于二系加垫，优化求解目标函数及约束公式可以为：

min||s||

s.t.a3ωδ+a3ωf≤0

a4ωδ+a4ωf≤0

||ωδ-q||≤r

其中，f为整车轮重测量值，||s||为各个轴重差的2范数，a3为轮重差的约束矩阵，a4为轴重差的约束矩阵，r为未平衡力容差，ω为增载系数矩阵ω中的矩阵子块，δ为加垫量δ中的部分元素。

其中，第一个公式为目标函数，第二个公式用于约束轮重差，第三个公式用于约束轴重差，第四个公式用于约束未平衡力。有效扩大了能够提供加垫方案的范围。

基于一系加垫，优化求解目标函数及约束公式为：

min||s||

s.t.a3ωδ+a3ωf≤0

a4ωδ+a4ωf≤0

||ωδ-q||≤r

a5ω1δ1+a5ω1f1≤0

a6ω2δ2+a6ω2f2≤0

其中，f为整车轮重测量值，||s||为各个轴重差的2范数，a3为轮重差的约束矩阵，a4为轴重差的约束矩阵，r为未平衡力容差，ω为增载系数矩阵ω中的矩阵子块，δ为加垫量δ中的部分元素，f1为前转向架单独称重时轮重测量值，f2为后转向架单独称重时轮重测量值，ω1为前转向架的增载系数矩阵，ω2为后转向架的增载系数矩阵。δ1为前转向架加垫量，δ2为后转向架加垫量，a5为前转向架称重指标约束矩阵，a6为后转向架称重指标约束矩阵。

其中，第一个公式为目标函数，第二个公式用于约束轮重差，第三个公式用于约束轴重差，第四个公式用于约束轮重调整容差，第五个公式用于约束前转向架称重指标，第六个公式用于约束后转向架称重指标。

下面以6轴c0-c0机车为例，进行介绍。

(1)力学模型建立

车体与构架受力的空间示意图如图4～图6所示。采用三自由度模型(垂向位移、点头和侧滚)，其中二系弹簧支承力用f表示，一系弹簧支撑力用f表示。例如，f1a、f1b为1位a、b侧二系弹簧产生的垂向力。f1a、f1b为1位a、b侧一系弹簧产生的垂向力。

对车体绘制详细的受力图如图7、图8所示，其中α3为车体点头转角，β3为车体侧滚转角。对车体列写三个自由度的平衡方程，如公式(2)～(4)所示

f1a+f1b+f2a+f2b+f3a+f3b＝0(2)

(f1b+f2b+f3b+f4b)l6-(f1a+f2a+f3a+f4a)l6＝0(3)

-(f1a+f1b)(l3+l7)-(f2a+f2b)(l7-l4)+(f3a+f3b)(l7-l4)+(f4a+f4b)(l7+l3)＝0(4)

其中，l3为1位二系弹簧到2轴、4位二系弹簧到5轴的纵向距离；l4为2位二系弹簧到2轴、3位二系弹簧到5轴的纵向距离；l6为a、b侧二系弹簧的横向距离之半，l7为车体重心到2轴的纵向距离。

对前构架绘制详细的受力图如图9、图10所示，α1为前构架点头转角，β1为前构架侧滚转角。对前构架列写三个自由度的平衡方程，如公式(5)～(7)所示

(f1b+f1a+f2b+f2a+f3b+f3a)-(f1b+f1a+f2b+f2a)＝0(5)

(f1b+f2b+f3b)l5-(f1a+f2a+f3a)l5+(f1a+f2a)l6-(f1b+f2b)l6＝0(6)

(f3a+f3b)l2-(f1a+f1b)l1+(f1a+f1b)l3-(f2a+f2b)l4＝0(7)

其中，l1为1轴到2轴、5轴到6轴的轴距。l2为2轴到3轴、3轴到4轴的轴距。l5为a、b侧一系弹簧的横向距离之半。

对后构架绘制详细的受力图如图11、图12所示，α2为后构架点头转角，β2为后构架侧滚转角。并对后构架列写三个自由度的平衡方程，如公式(8)～(10)所示

(f4b+f4a+f5b+f5a+f6b+f6a)-(f3b+f3a+f4b+f4a)＝0(8)

(f4b+f5b+f6b)l5-(f4a+f5a+f6a)l5+(f3a+f4a)l6-(f3b+f4b)l6＝0(9)

(f6a+f6b)l1-(f4a+f4b)l2+(f3a+f3b)l4-(f4a+f4b)l3＝0(10)

列写一系弹簧支撑力和二系弹簧支撑力和位移的关系，如公式(11)～(30)其中一系弹簧每个轴箱的支承刚度为k1，二系弹簧每组弹簧的支承刚度为k2，x1为构架1的垂向位移，x2为构架2的垂向位移，x3为车体的垂向位移

f1b＝k1x1-k1l1α1+k1l5β1(11)

f1a＝k1x1-k1l1α1-k1l5β1(12)

f2b＝k1x1+k1l5β1(13)

f2a＝k1x1-k1l5β1(14)

f3b＝k1x1+k1l1α1+k1l5β1(15)

f3a＝k1x1+k1l1α1-k1l5β1(16)

f4b＝k1x2-k1l2α2+k1l5β2(17)

f4a＝k1x2-k1l2α2-k1l5β2(18)

f5b＝k1x2+k1l5β2(19)

f5a＝k1x2-k1l5β2(20)

f6b＝k1x2+k1l2α2+k1l5β2(21)

f6a＝k1x2+k1l2α2-k1l5β2(22)

f1b＝k2(x3-x1)+k2l3α1-k2(l7+l3)α3-k2l6β1+k2l6β3(23)

f1a＝k2(x3-x1)+k2l3α1-k2(l7+l3)α3+k2l6β1-k2l6β3(24)

f2b＝k2(x3-x1)-k2l4α1-k2(l7-l4)α3-k2l6β1+k2l6β3(25)

f2a＝k2(x3-x1)-k2l4α1-k2(l7-l4)α3+k2l6β1-k2l6β3(26)

f3b＝k2(x3-x2)+k2l4α2+k2(l7-l4)α3-k2l6β2+k2l6β3(27)

f3a＝k2(x3-x2)+k2l4α2+k2(l7-l4)α3+k2l6β2-k2l6β3(28)

f4b＝k2(x3-x2)-k2l3α2+k2(l7+l3)α3-k2l6β2+k2l6β3(29)

f4a＝k2(x3-x2)-k2l3α2+k2(l7+l3)α3+k2l6β2-k2l6β3(30)

将公式(2)～(10)带入公式(11)～(30)中，整理为公式(31)

ax＝w(31)

其中，a为刚度矩阵，x为位移向量，w为外力向量，w可以通过公式(32)进行计算

w＝cδ(32)

其中，加垫量δ为加垫位置加垫量组成的向量，c为单位加垫量产生的外力的矩阵，可以加垫位置包括一系、二系弹簧共20个位置。将公式(31)导入公式(32)可得

x＝a^-1cδ(33)

机车轮重变化量可以通过公式(34)～(46)进行计算

q＝[δq1δq2δq3δq4δq5δq6δq7δq8δq9δq10δq11δq12](34)

δq1＝f1b+k1δ1＝k1(x1-l1α1+l5β1+δ1)(35)

δq2＝f1a+k1δ2＝k1(x1-l1α1-l5β1+δ2)(36)

δq3＝f2b+k1δ3＝k1(x1+l5β1+δ3)(37)

δq4＝f2a+k1δ4＝k1(x1-l5β1+δ4)(38)

δq5＝f3b+k1δ5＝k1(x1+l2α1+l5β1+δ5)(39)

δq6＝f3a+k1δ6＝k1(x1+l2α1-l5β1+δ6)(40)

δq7＝f4b+k1δ7＝k1(x2-l2α2+l5β2+δ7)(41)

δq8＝f4a+k1δ8＝k1(x2-l2α2-l5β2+δ8)(42)

δq9＝f5b+k1δ9＝k1(x2+l5β2+δ9)(43)

δq10＝f5a+k1δ10＝k1(x2-l5β2+δ10)(44)

δq11＝f6b+k1δ11＝k1(x2+l1α2+l5β2+δ11)(45)

δq12＝f6a+k1δ12＝k1(x2+l1α2-l5β2+δ12)(46)

其中，δq1～δq12为机车轮重变化量的分量，δ1～δ20为加垫量。经过整理轮重变换向量和加垫量可以表示为公式(47)、公式(48)

q＝ωδ(47)

ω＝k1(da^-1c+e)(48)

通过整车称重获得的称重结果，可以计算公式(47)中的机车轮重变化量q，从而通过求公式(47)，计算加垫量δ，c为单位加垫量产生的外力矩阵，d为系数矩阵，e为单位矩阵。在实际加垫过程中，往往只对一系弹簧进行加垫，或者只对二系弹簧进行加垫。因此需要取增载系数矩阵ω中的矩阵子块ω，δ中的部分元素δ进行求解，如公式(49)所示进行求解。

q＝ωδ(49)

对于公式(49)，往往只能够求近似解，一般需要通过最优化方法进行求解。

优化求解

优化求解的的一般范式如公式(50)所示：

minf(x)

s.t.a1x≤b1

a2x＝b2

c1(x)≤0

c2(x)＝0(50)

其中，minf(x)为目标函数，a1x≤b1为线性不等式约束，a2x＝b2为线性等式约束，c1(x)＝0为非线性等式约束，c2(x)≤0为非线性不等式约束。x为待求变量。

对于二系加垫，本发明采用的优化求解目标函数及约束如公式(51)所示：

min||s||

s.t.a3ωδ+a3ωf≤0

a4ωδ+a4ωf≤0

||ωδ-q||≤r(51)

其中，f为整车轮重测量值，||s||为各个轴重差的2范数。a3为轮重差的约束矩阵，a4为轴重差的约束矩阵。r为未平衡力容差。第1个公式为目标函数，第2个公式约束轮重差，第3个公式约束轴重差，第4个公式约束未平衡力。

对于一系加垫，本发明采用的优化求解目标函数及约束如公式(52)所示：

min||s||

s.t.a3ωδ+a3ωf≤0

a4ωδ+a4ωf≤0

||ωδ-q||≤r

a5ω1δ1+a5ω1f1≤0

a6ω2δ2+a6ω2f2≤0(52)

其中，f1为前转向架单独称重时轮重测量值，f2为后转向架单独称重时轮重测量值，ω1为前转向架的增载系数矩阵，ω2为后转向架的增载系数矩阵。δ1为前转向架加垫量，δ2为后转向架加垫量。a5为前转向架称重指标约束矩阵，a6为后转向架称重指标约束矩阵。第5个公式为前转向架称重指标约束，第6个公式为约后转向架称重指标约束。

通过公式(51)、(52)中的目标函数，相比于现有技术的公式(1)更为合理，放宽了目标函数的要求，扩大了能够提供轴重调整加垫方案的范围。关于转向架称重指标的约束则保证了在进行一系加垫时，轴重调整加垫方案可以同时保证转向架称重和整车称重合格。对于公式(51)、(52)可以采用多种优化数值方法进行求解，本发明采用的非线性优化中的内点法进行数值计算。

综上所述，本发明所公开的机车轴重加垫调整方法，在优化求解中，提出的新的目标函数，以及轮重差、轴重差指标的不等式约束和不平衡力约束，提出了转向架称重指标的不等式约束。扩大了轴重调整加垫方案的适用范围，进而能够更好地指导机车轴重调整。对于一系加垫的情况，对于能够求解的情况，可以在保证整车称重合格的同时，也保证转向架称重合格，进而避免了机车称重和转向架称重的反复操作，提高了机车轴重调整的效率，降低了人工成本。

需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。