一种轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法和装置，包括考虑车体、构架、轴箱的浮沉、横移、侧滚、点头和摇头自由度，建立55自由度轴承

【技术实现步骤摘要】
一种轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法和装置


[0001]本专利技术涉及轨道车辆动力学
，具体是一种轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法和装置。

技术介绍

[0002]轴箱轴承作为轨道车辆转向架的核心部件之一，获得其较为准确的边界载荷是轴承可靠性设计与智能运维的基础。轴箱轴承的边界载荷主要包括纵向、横向、垂向、侧滚和摇头载荷，上述载荷一方面可以基于车辆动力学模型正向计算获得，另一方面也可以通过试验物理量进行反演估计。然而，前者由于需要已知较为准确的边界条件，故主要应用于理论分析，后者主要依赖工业传感器的采集数据，多用于工程应用中。
[0003]现有技术中，文献基于铁道车辆振动加速度的轴承载荷反演研究推导了考虑Maxwell减振器模型和转臂轴箱装置的18自由度垂向与21自由度横向车辆动力学模型，进而确定车辆系统空间状态方程，在卡尔曼滤波框架下提出一种由高速列车车辆振动加速度反演轴承载荷的方法。然而，该方法基于横垂解耦的车辆动力学模型开展轴承载荷估计，忽略了车辆系统部件的横垂耦合效应，这会导致估计载荷不够准确。此外，该方法仅能反演轴承垂向和横向载荷，且仅能针对直线工况进行计算。文献高速列车轴箱轴承载荷反演方法研究建立了基于状态空间的轴箱轴承动载荷反演模型，并引入动态规划算法优化计算。其中，状态空间方程通过10自由度车辆垂向动力学方程确定，通过反演计算获得轮轨垂向力，结合轮对受力与轴箱轴承受载情况，根据力的传递关系计算轴箱轴承动载荷，实现利用轴箱振动加速度计算行驶状态高速列车轴箱轴承载荷的目的。然而，该方法采用的车辆系统动力学模型较为简化，这必然导致反演模型不够精确。此外，该方法也仅能反演轴承垂向和横向载荷，且仅能针对直线工况进行计算。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法和装置，以至少达到建立更为全面的55自由度轴承
‑
半车系统动力学模型，结合卡尔曼滤波算法和神经网络，可以较为准确地反演直线与曲线工况下轴承垂向、横向、侧滚和摇头载荷。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006]一方面提供一种轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法，包括：
[0007]选取车体、构架和轴箱作为系统部件，分别考虑系统各部件的浮沉、横移、侧滚、点头和摇头自由度，建立55自由度轴承
‑
半车系统动力学模型，根据动力学模型中各刚体之间的相对位移和相对速度计算各刚体被作用的悬挂力，并根据各刚体被作用的悬挂力建立系统各部件的动力学方程；
[0008]根据系统各部件的多个物理量构建系统的状态向量矩阵，依据反演需求构建系统的观测向量矩阵，在此基础上，结合55自由度轴承
‑
半车系统的动力学方程，推导得到系统
的状态空间方程；其中，系统各部件的物理量至少包括位移、速度和轴承力；
[0009]基于卡尔曼滤波算法与系统状态空间方程，建立直线工况下轴箱轴承的载荷反演模型，并利用载荷反演模型对直线工况下轴箱轴承的服役载荷进行反演；
[0010]采用直线工况载荷反演模型计算轴承的动态载荷，基于映射关系模型求解曲线工况下轴承载荷波动基准值，并利用轴承载荷波动基准值对动态载荷进行基准校准，以实现曲线工况下轴箱轴承服役载荷的反演；其中，映射关系模型通过神经网络训练得到。
[0011]在一种可能的设计中，根据各刚体被作用的悬挂力建立系统各部件的动力学方程，包括：
[0012][0013]其中，M
c
表示车体质量，F
ztL1
、F
ztR1
、F
ztL2
、F
ztR2
分别表示第一构架和第二构架的左侧或右侧的空气弹簧总垂向力，g表示重力加速度；
[0014]车体横移的动力学方程：
[0015][0016]其中，车体横向位移，F
ytL1
、F
ytR1
、F
ytL2
、F
ytR2
分别表示第一构架和第二构架的左侧或右侧的空气弹簧总横向力；
[0017]车体侧滚的动力学方程：
[0018][0019]其中，Icx表示车体侧滚惯量，表示车体侧滚角，H
cb
表示车体质心到空气弹簧中心的垂向距离，d
s
表示二系横向跨距之半，M
r1
、M
r2
分别表示第一构架和第二构架的抗侧滚扭杆力；
[0020]车体点头的动力学方程，如下：
[0021][0022]其中，Icy表示车体点头惯量，表示车体的点头角，L
c
表示车辆定距之半，H
cb_sx
表示车体质心到抗蛇行减振器作用点的垂向距离，F
xtR1
、F
xtR2
、F
xtL1
、F
xtL2
分别表示第一构架和第二构架的右侧或左侧的空气弹簧总纵向力，F
xsL1
、F
xsR1
、F
xsL2
、F
xsR2
分别表示第一架构和第二架构的左侧或右侧的抗蛇行减振器力；
[0023]车体摇头的动力学方程：
[0024][0025]其中，I
cz
表示车体摇头惯量，表示车体摇头角，ds为二系横向跨距之半，dsc为抗蛇行减振器的横向跨距之半；
[0026]构架浮沉的动力学方程：
[0027][0028]其中，Mt表示构架质量，Zti表示第i位构架的垂向位移，F
ztLi
、F
zfL1i
、F
zfL2i
、F
ztRi
、
F
zfR1i
、F
zfR2i
分别表示第i构架左侧的空气弹簧总垂向力、第i构架第一轮对左侧的一系悬挂总垂向力、第i构架第二轮对左侧的一系悬挂总垂向力、第i构架右侧的空气弹簧总垂向力、第i构架第一轮对右侧的一系悬挂总垂向力和第i构架第二轮对右侧的一系悬挂总垂向力；
[0029]构架横移的动力学方程：
[0030][0031]其中，表示第i位构架的横向位移，F
yfL1i
、F
yfL2i
、F
ytLi
、F
yfR1i
、F
yfR2i
、F
ytRi
分别表示第i位构架第一轮对左侧的一系悬挂总横向力、第i构架第二轮对左侧的一系悬挂总横向力、第i构架左侧的空气弹簧总横向力、第i构架第一轮对右侧的一系悬挂总横向力、第i构架第二位轮对右侧的一系悬挂总横向力和第i构架右侧的空气弹簧总横向力；
[0032]构架侧滚的动力学方程：
[0033][0034]其中，Itx表示构架的侧滚惯量，表示第i位构架的侧滚角，Htw1为构架质心到转臂定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法，其特征在于，包括：选取车体、构架和轴箱作为系统部件，分别考虑系统各部件的浮沉、横移、侧滚、点头和摇头自由度，建立55自由度轴承
‑
半车系统动力学模型，根据动力学模型中各刚体之间的相对位移和相对速度计算各刚体被作用的悬挂力，并根据各刚体被作用的悬挂力建立系统各部件的动力学方程；根据系统各部件的多个物理量构建系统的状态向量矩阵，依据反演需求构建系统的观测向量矩阵，在此基础上，结合55自由度轴承
‑
半车系统的动力学方程，推导得到系统的状态空间方程；其中，系统各部件的物理量至少包括位移、速度和轴承力；基于卡尔曼滤波算法与系统状态空间方程，建立直线工况下轴箱轴承的载荷反演模型，并利用载荷反演模型对直线工况下轴箱轴承的服役载荷进行反演；采用直线工况载荷反演模型计算轴承的动态载荷，基于映射关系模型求解曲线工况下轴承载荷波动基准值，并利用轴承载荷波动基准值对动态载荷进行基准校准，以实现曲线工况下轴箱轴承服役载荷的反演；其中，映射关系模型通过神经网络训练得到。2.根据权利要求1所述的轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法，其特征在于，根据各刚体被作用的悬挂力建立系统各部件的动力学方程，包括：其中，M
c
表示车体质量，F
ztL1
、F
ztR1
、F
ztL2
、F
ztR2
分别表示第一构架和第二构架的左侧或右侧的空气弹簧总垂向力，g表示重力加速度；车体横移的动力学方程：其中，车体横向位移，F
ytL1
、F
ytR1
、F
ytL2
、F
ytR2
分别表示第一构架和第二构架的左侧或右侧的空气弹簧总横向力；车体侧滚的动力学方程：其中，I
cx
表示车体侧滚惯量，表示车体侧滚角，H
cb
表示车体质心到空气弹簧中心的垂向距离，d
s
表示二系横向跨距之半，M
r1
、M
r2
分别表示第一构架和第二构架的抗侧滚扭杆力；车体点头的动力学方程，如下：其中，Icy表示车体点头惯量，表示车体的点头角，L
c
表示车辆定距之半，H
cb_sx
表示车体质心到抗蛇行减振器作用点的垂向距离，F
xtR1
、F
xtR2
、F
xtL1
、F
xtL2
分别表示第一构架和第二构架的右侧或左侧的空气弹簧总纵向力，F
xsL1
、F
xsR1
、F
xsL2
、F
xsR2
分别表示第一架构和第二架构的左侧或右侧的抗蛇行减振器力；车体摇头的动力学方程：
其中，I
cz
表示车体摇头惯量，表示车体摇头角，d
s
为二系横向跨距之半，d
sc
为抗蛇行减振器的横向跨距之半；构架浮沉的动力学方程：其中，M
t
表示构架质量，Z
ti
表示第i位构架的垂向位移，F
ztLi
、F
zfL1i
、F
zfL2i
、F
ztRi
、F
zfR1i
、F
zfR2i
分别表示第i构架左侧的空气弹簧总垂向力、第i构架第一轮对左侧的一系悬挂总垂向力、第i构架第二轮对左侧的一系悬挂总垂向力、第i构架右侧的空气弹簧总垂向力、第i构架第一轮对右侧的一系悬挂总垂向力和第i构架第二轮对右侧的一系悬挂总垂向力；构架横移的动力学方程：其中，表示第i位构架的横向位移，F
yfL1i
、F
yfL2i
、F
ytLi
、F
yfR1i
、F
yfR2i
、F
ytRi
分别表示第i位构架第一轮对左侧的一系悬挂总横向力、第i构架第二轮对左侧的一系悬挂总横向力、第i构架左侧的空气弹簧总横向力、第i构架第一轮对右侧的一系悬挂总横向力、第i构架第二位轮对右侧的一系悬挂总横向力和第i构架右侧的空气弹簧总横向力；构架侧滚的动力学方程：其中，Itx表示构架的侧滚惯量，表示第i位构架的侧滚角，Htw1为构架质心到转臂定位节点的垂向距离，Htw2为构架质心到钢弹簧中心的垂向距离，db表示一系横向跨距之半，F
ayL1i
、F
ayR1i
、F
ayL2i
、F
ayR2i
分别表示第i构架第一轮对或第二轮对左侧或右侧的转臂节点横向力，F
byL1i
、F
byR1i
、F
byL2i
、F
byR2i
分别表示第i构架第一轮对或第二轮对左侧或右侧的钢弹簧横向力；构架点头的动力学方程：其中，I
ty
表示构架的点头惯量，B
ti
表示第i位构架的点头角，L
t
表示转向架轴距之半，L1表示一系垂向减振器距离轴箱质心的纵向距离，L2表示转臂定位节点距离轴箱质心的纵向距离，H
tb_sx
为构架质心到抗蛇行减振器作用点的垂向距离，F
bzL1i
、F
bzR1i
、F
bzL2i
、F
bzR2i
分别表示第i构架第一轮对或第二轮对左侧或右侧的钢弹簧垂向力，F
azL1i
、F
azR1i
、F
azL2i
、F
azR2i
分别表示第i构架第一轮对或第二轮对左侧或右侧的转臂节点垂向力，F
axR1i
、F
axR2i
、F
axL1i
、F
axL2i
分别表示第i构架第一轮对或第二轮对左侧或右侧的转臂节点纵向力，F
bxR1i
、F
bxR2i
、F
bxL1i
、F
bxL2i
分别表示第i构架第一轮对或第二轮对左侧或右侧的钢弹簧纵向力，F
xtLi
、F
xtRi
分别表示第i构架左侧和右侧的空气弹簧总纵向力，F
xsLi
、F
xsRi
分别表示第i构架左侧和右侧的抗蛇
行减振器力；构架摇头的动力学方程：其中，I
tz
表示构架摇头惯量，C
ti
表示第i位构架的摇头角，d
sc
为抗蛇行减振器的横向跨距之半；轴箱浮沉的动力学方程：其中，M
b
表示轴箱质量，表示第j位轮对，左侧或右侧轴箱的垂向位移，F
z(L,R)j
表示第j位轮对，左侧或右侧轴箱轴承的横向力；轴箱横移的动力学方程：其中，Y
b(L，R)j
表示第j位轮对，左侧或右侧轴箱的横向位移，F
y(L,R)j
表示第j位轮对，左侧或右侧轴箱轴承的横向力；轴箱侧滚的动力学方程，如下：其中，I
bx
表示轴箱侧滚惯量，A
b(L，R)j
表示第j位轮对，左侧或右侧轴箱的侧滚角，H表示钢弹簧中心距离轴箱质心的垂向距离，F
Mx(L,R)j
表示第j位轮对，左侧或右侧轴箱轴承的侧滚力矩；轴箱点头的动力学方程：其中，I
by
表示轴箱点头惯量，B
b(L，R)j
表示第j位轮对，左侧或右侧轴箱的点头角，F
cz(L,R)j
表示一系垂向减振器垂向力，F
az(L,R)j
表示转臂节点垂向力，F
bx(L,R)j
表示钢弹簧纵向力；轴箱摇头的动力学方程：其中，I
bz
表示轴箱摇头惯量，F
ay(L,R)j
表示转臂节点横向力，F
Mz(L,R)j
表示第j位轮对，左侧或右侧轴箱轴承的摇头力矩。3.根据权利要求2所述的轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法，其特征在于，根据各刚体被作用的悬挂力建立系统各部件的动力学方程之后，所述方法还包括：根据系统各部件的动力学方程，构建矩阵运算模型，模型表达式如下：其中，M
s
、C
s
和K
s
分别表示55自由度轴承
‑
半车系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，F表示外界激励向量矩阵，X表示各自由度的位移向量，表示速度向量，表示加速度向量。4.根据权利要求3所述的轨道车辆轴箱轴承服役载荷反演方法，其特征在于，根据系统各部件的多个物理量构建系统的状态向量矩阵，依据反演需求构建系统的观测向量矩阵，
包括：基于现代控制理论，至少考虑各部件的位移、速度和轴承力，构建系统的状态向量矩阵x，如下：其中，Z
c
、Y

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晨，池茂儒，梁树林，吴兴文，周亚波，唐嘉，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：