车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置

摘要

本发明实施例提供一种车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置，涉及车辆。所述车辆包括具有交叉杆的转向架，其特征在于，该方法包括：在所述车辆行驶过程中，检测所述交叉杆四端的应力和所述车辆的行驶里程；确定所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系；基于交叉杆载荷谱反演方程，根据所述交叉杆四端的应力，得到所述转向架侧架的运动状态；根据所述转向架侧架的运动状态、以及所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系，得到所述转向架侧架的运动状态与所述车辆的行驶里程的变化关系，以确定所述车辆交叉杆载荷谱。该车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置可以得到准确的交叉杆的载荷谱。

权利要求

1.一种车辆交叉杆载荷谱确定方法，所述车辆包括具有交叉杆的转向架，其特征在于，该方法包括：

在所述车辆行驶过程中，检测所述交叉杆四端的应力和所述车辆的行驶里程；

确定所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系；

基于交叉杆载荷谱反演方程，根据所述交叉杆四端的应力，得到车辆的转向架侧架的运动状态，所述转向架侧架的运动状态包括所述转向架侧架的至少一种运动形式，所述交叉杆载荷谱反演方程通过以下方式建立：以所述转向架侧架的至少一种运动形式的每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载；

在以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载时，通过所述交叉杆四端的每一端的传感器检测所述交叉杆四端的每一端的应力；

对所述每种运动形式对应的载荷以及所述交叉杆四端的每一端的应力进行拟合，以得到所加载的载荷对应所述交叉杆四端的每一端的传感器的载荷传递系数；

根据所述每种运动形式对应的载荷、所述交叉杆四端的每一端的至少一个应力以及所述交叉杆四端的每一端的传感器对应的载荷传递系数确定所述交叉杆载荷谱反演方程；

根据所述转向架侧架的运动状态、以及所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系，得到所述转向架侧架的运动状态与所述车辆的行驶里程的变化关系，以确定所述车辆交叉杆载荷谱。

2.根据权利要求1所述的车辆交叉杆载荷谱确定方法，其特征在于，所述转向架侧架的运动状态还包括：

所述至少一种运动形式中的每种运动形式的累计次数以及所述每种运动形式的载荷。

3.根据权利要求2所述的车辆交叉杆载荷谱确定方法，其特征在于，所述转向架侧架的运动形式包括：

菱形运动、浮沉、侧滚、横向偏移以及扭转中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的车辆交叉杆载荷谱确定方法，其特征在于，所述交叉杆载荷谱反演方程为：

其中，所述εm为第m个传感器检测的应力之和，Kmn为第n个载荷对应于第m个传感器的载荷传递系数，Pn为第n个载荷。

5.一种车辆交叉杆载荷谱确定装置，所述车辆包括具有交叉杆的转向架，其特征在于，该装置包括：

检测单元以及处理单元，其中，所述检测单元用于在所述车辆行驶过程中，检测所述交叉杆四端的应力和所述车辆的行驶里程；

所述处理单元用于：

确定所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系；

基于交叉杆载荷谱反演方程，根据所述交叉杆四端的应力，得到车辆的转向架侧架的运动状态，所述转向架侧架的运动状态包括所述转向架侧架的至少一种运动形式，所述交叉杆载荷谱反演方程通过以下方式建立：以所述转向架侧架的至少一种运动形式的每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载；

在以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载时，通过所述交叉杆四端的每一端的传感器检测所述交叉杆四端的每一端的应力；

对所述每种运动形式对应的载荷以及所述交叉杆四端的每一端的应力进行拟合，以得到所加载的载荷对应所述交叉杆四端的每一端的传感器的载荷传递系数；

根据所述每种运动形式对应的载荷、所述交叉杆四端的每一端的至少一个应力以及所述交叉杆四端的每一端的传感器对应的载荷传递系数确定所述交叉杆载荷谱反演方程；

根据所述转向架侧架的运动状态、以及所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系，得到所述转向架侧架的运动状态与所述车辆的行驶里程的变化关系，以确定所述车辆交叉杆载荷谱。

6.根据权利要求5所述的车辆交叉杆载荷谱确定装置，其特征在于，所述转向架侧架的运动状态还包括：

所述至少一种运动形式中的每种运动形式的累计次数以及所述每种运动形式的载荷。

7.根据权利要求6所述的车辆交叉杆载荷谱确定装置，其特征在于，所述转向架侧架的运动形式包括：

菱形运动、浮沉、侧滚、横向偏移以及扭转中的至少一者。

8.根据权利要求5所述的车辆交叉杆载荷谱确定装置，其特征在于，所述交叉杆载荷谱反演方程为：

其中，所述εm为第m个传感器检测的应力之和，Kmn为第n个载荷对应于第m个传感器的载荷传递系数，Pn为第n个载荷。

说明书

车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及车辆，具体地涉及车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置。

背景技术

[0002] 交叉杆作为转向架的关键部件之一，决定着转向架的动力学稳定性，对列车的运行状态有着重要影响。目前计划修对交叉杆的频繁检修保证了交叉杆的使用安全。为了降
低交叉杆的检修成本、提高运输效率、延长检修周期，保证转向架安全运行，需准确了解交
叉杆的使用寿命。

[0003] 目前对交叉杆的寿命的评估，包括仿真计算和台架试验，都是基于铁道行业标准。标准中的载荷谱并不能反映交叉杆的真实服役状态，即不能真实反映交叉杆在线路上的服
役状态《，TB/T 3225‑2010铁道货车交叉杆组成》规定了交叉杆疲劳检验方法和所需的载荷
谱，但只是作为产品检验标准。即：模拟转向架侧架的运动行为，对一个模拟侧架一端施加
沿侧架的力，对另一个模拟侧架施加绕侧架的扭转位移，加载350万次，对应8年使用年限或
160万公里。但线路不同对应的载荷谱应该不同，所以应用现有标准载荷谱不能准确确定交
叉杆在特定线路上的服役寿命。

发明内容

[0004] 本发明实施例的目的是提供一种车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置，该车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置可以得到准确的交叉杆的载荷谱。

[0005] 为了实现上述目的，本发明实施例提供一种车辆交叉杆载荷谱确定方法，所述车辆包括具有交叉杆的转向架，该方法包括：在所述车辆行驶过程中，检测所述交叉杆四端的
应力和所述车辆的行驶里程；确定所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关
系；基于交叉杆载荷谱反演方程，根据所述交叉杆四端的应力，得到所述转向架侧架的运动
状态；根据所述转向架侧架的运动状态、以及所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里
程的变化关系，得到所述转向架侧架的运动状态与所述车辆的行驶里程的变化关系，以确
定所述车辆交叉杆载荷谱。

[0006] 优选地，所述转向架侧架的运动状态包括：所述转向架侧架的至少一种运动形式、所述至少一种运动形式中的每种运动形式的累计次数以及所述每种运动形式的载荷。

[0007] 优选地，所述转向架侧架的运动形式包括：菱形运动、浮沉、侧滚、横向偏移以及扭转中的至少一者。

[0008] 优选地，所述交叉杆载荷谱反演方程通过以下方式建立：以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载；在以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加
载时，通过所述交叉杆四端的每一端的传感器检测所述交叉杆四端的每一端的应力；对所
述每种运动形式对应的载荷以及所述交叉杆四端的每一端的应力进行拟合，以得到所加载
的载荷对应所述交叉杆四端的每一端的传感器的载荷传递系数；根据所述每种运动形式对
应的载荷、所述交叉杆四端的每一端的至少一个应力以及所述交叉杆四端的每一端的传感
器对应的载荷传递系数确定所述交叉杆载荷谱反演方程。

[0009] 优选地，所述交叉杆载荷谱反演方程为：

[0010]

[0011] 其中，所述εm为第m个传感器检测的应力之和，Kmn为第n个载荷对应于第m个传感器的载荷传递系数，Pn为第n个载荷。

[0012] 本发明实施例还提供一种车辆交叉杆载荷谱确定装置，所述车辆包括具有交叉杆的转向架，该装置包括：检测单元以及处理单元，其中，所述检测单元用于在所述车辆行驶
过程中，检测所述交叉杆四端的应力和所述车辆的行驶里程；所述处理单元用于：确定所述
交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系；基于交叉杆载荷谱反演方程，根据
所述交叉杆四端的应力，得到所述转向架侧架的运动状态；根据所述转向架侧架的运动状
态、以及所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系，得到所述转向架侧架
的运动状态与所述车辆的行驶里程的变化关系，以确定所述车辆交叉杆载荷谱。

[0013] 优选地，所述转向架侧架的运动状态包括：所述转向架侧架的至少一种运动形式、所述至少一种运动形式中的每种运动形式的累计次数以及所述每种运动形式的载荷。

[0014] 优选地，所述转向架侧架的运动形式包括：菱形运动、浮沉、侧滚、横向偏移以及扭转中的至少一者。

[0015] 优选地，所述交叉杆载荷谱反演方程通过以下方式建立：以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载；在以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加
载时，通过所述交叉杆四端的每一端的传感器检测所述交叉杆四端的每一端的应力；对所
述每种运动形式对应的载荷以及所述交叉杆四端的每一端的应力进行拟合，以得到所加载
的载荷对应所述交叉杆四端的每一端的传感器的载荷传递系数；根据所述每种运动形式对
应的载荷、所述交叉杆四端的每一端的至少一个应力以及所述交叉杆四端的每一端的传感
器对应的载荷传递系数确定所述交叉杆载荷谱反演方程。

[0016] 优选地，所述交叉杆载荷谱反演方程为：

[0017]

[0018] 其中，所述εm为第m个传感器检测的应力之和，Kmn为第n个载荷对应于第m个传感器的载荷传递系数，Pn为第n个载荷。

[0019] 通过上述技术方案，采用本发明提供的车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置，通过检测交叉杆四端的应力和车辆的行驶里程；然后确定交叉杆四端的应力与车辆的行驶里程
的变化关系；接着基于交叉杆载荷谱反演方程，根据交叉杆四端的应力，得到转向架侧架的
运动状态；最后根据转向架侧架的运动状态、以及交叉杆四端的应力与车辆的行驶里程的
变化关系，得到转向架侧架的运动状态与车辆的行驶里程的变化关系，以确定车辆交叉杆
载荷谱。该车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置可以得到准确的交叉杆的载荷谱。

[0020] 本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

[0021] 附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附
图中：

[0022] 图1是本发明一实施例提供的车辆交叉杆载荷谱确定方法的流程图；

[0023] 图2是本发明一实施例提供的交叉杆的示意图；

[0024] 图3是本发明一实施例提供的交叉杆载荷谱反演方程的建立方法的流程图；

[0025] 图4是本发明一实施例提供的车辆交叉杆载荷谱确定装置的结构示意图。

[0026] 附图标记说明

[0027] 1 检测单元2 处理单元

具体实施方式

[0028] 以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

[0029] 图1是本发明一实施例提供的车辆交叉杆载荷谱确定方法的流程图。如图1所示，所述车辆包括具有交叉杆的转向架，该方法包括：

[0030] 步骤S11，在所述车辆行驶过程中，检测所述交叉杆四端的应力和所述车辆的行驶里程；

[0031] 步骤S12，确定所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系；

[0032] 步骤S13，基于交叉杆载荷谱反演方程，根据所述交叉杆四端的应力，得到所述转向架侧架的运动状态；

[0033] 步骤S14，根据所述转向架侧架的运动状态、以及所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系，得到所述转向架侧架的运动状态与所述车辆的行驶里程的变化
关系，以确定所述车辆交叉杆载荷谱。

[0034] 由于轨道弯曲、左右高度差和转向架振动等原因，转向架侧架存在相对运动，交叉杆所受的载荷条件复杂，很难对交叉杆的载荷谱直接测试。本发明实施例提供一种车辆交
叉杆载荷谱的确定方法，基于所确定的载荷谱进行交叉杆静强度和疲劳强度仿真计算、台
架试验等与线路实际情况更加吻合，具有较高的准确性。具体如下：

[0035] 本发明实施例可以通过交叉杆载荷谱反演方程确定交叉杆的边界条件即转向架侧架的运动状态随服役里程的变化。交叉杆载荷谱反演方程就是交叉杆杆身距离端头较近
位置的应力状态与转向架侧架运动状态的映射关系，具体建立方法将在下文详述；

[0036] 接着，使用应力测试仪测得交叉杆杆身四端的应力，得到应力随服役里程的变化关系；

[0037] 然后，通过交叉杆载荷谱反演方程，根据交叉杆四端的应力，得到转向架侧架的运动状态，运动状态可以包括：转向架侧架的至少一种运动形式、至少一种运动形式中的每种
运动形式的累计次数以及每种运动形式的载荷。典型运动状态有转向架菱形运动、浮沉、侧
滚、横向偏移以及扭转等，但不限于此。其中，分析《TB/T 3225‑2010铁道货车交叉杆组成》
规定的载荷谱形式能否模拟交叉杆的典型运动形式，如果可以模拟，那就确定不同扭转位
移和载荷下具体的加载次数；如果不能完全模拟，可参考《TB/T 3225‑2010铁道货车交叉杆
组成》确定新的标准载荷谱形式，并最终确定不同工况下的加载次数。

[0038] 本发明实施例确定的载荷谱可以为交叉杆CAE强度计算、结构优化、台架振动和疲劳试验提供关键的载荷数据。

[0039] 图2是本发明一实施例提供的交叉杆的示意图。如图2所示，对交叉杆四端可以安装应力传感器等检测设备，来检测交叉杆四端的应力。

[0040] 图3是本发明一实施例提供的交叉杆载荷谱反演方程的建立方法的流程图。如图3所示，该方法包括：

[0041] 步骤S31，以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载；

[0042] 步骤S32，在以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载时，通过所述交叉杆四端的每一端的传感器检测所述交叉杆四端的每一端的应力；

[0043] 步骤S33，对所述每种运动形式对应的载荷以及所述交叉杆四端的每一端的应力进行拟合，以得到所加载的载荷对应所述交叉杆四端的每一端的传感器的载荷传递系数；

[0044] 步骤S34，根据所述每种运动形式对应的载荷、所述交叉杆四端的每一端的至少一个应力以及所述交叉杆四端的每一端的传感器对应的载荷传递系数确定所述交叉杆载荷
谱反演方程。

[0045] 在本发明中，交叉杆载荷谱反演方程建立的具体步骤如下：

[0046] 首先全面分析交叉杆或转向架侧架的运动形式，提炼交叉杆典型运动形式。

[0047] 然后，在应力关键点(即图2的测点1、测点2、测点3、测点4)各布置应变传感器(或应力传感器)：第1个位于交叉杆端头与杆身压型之间，平行于交叉杆平面的杆身上表面；第
2个位于相同位置的杆身下表面；第3个位于相同位置的杆身前表面；第4个位于相同位置的
杆身后表面；

[0048] 接着，采用MTS液压伺服加载系统对装有交叉杆的试验台按运动形式进行加载与卸载，各运动形式对应的载荷逐次逐级加载，同载荷的多次加载。与此同时，记录各载荷作
用下各应变传感器相应的输出数据。

[0049] 接着，应用MATLAB软件对载荷大小与应变信号的关系进行数据拟合，得到各运动形式下，所加载的载荷对应的每个应变传感器的输出信号的载荷传递系数。

[0050] 最后，由于对于交叉杆来说，运动形式往往并非单独存在，也许会有多种运动形式同事存在，因此，本发明假设交叉杆在实际运营过程中保持弹性变形，载荷与应变为线性关
系，且满足叠加原理，即在弹性范围内，结构上几个载荷同时加载产生的应变值等于这些载
荷单独作用产生应变值得线性叠加。可以构建如下的载荷应变关系(其中，可以使用应变乘
以模量得到应力)：

[0051]

[0052] 其中，所述εm为第m个传感器检测的应力之和，Kmn为第n个载荷对应于第m个传感器的载荷传递系数，Pn为第n个载荷。

[0053] 最后，本发明实施例还可以对上述交叉杆载荷谱反演方程进行测试，即：

[0054] 建立交叉杆有限元模型，将典型运动形式进行组合，提取图2交叉杆杆身方向的应力；

[0055] 通过台架试验模拟交叉杆或转向架侧架的运动，用应变传感器测试图2交叉杆规定点的应力结果；

[0056] 以上述交叉杆载荷谱反演方程为基础，通过MATLAB软件创建应变与运动形式之间的映射模型，以4个测点应变为输入，以运动形式为输出，检验该反演方程是否合理，如不合
理可以以模拟和实验数据对模型进行修正，分析仿真和试验得到的结果，并确定最终交叉
杆载荷谱反演方程。

[0057] 图4是本发明一实施例提供的车辆交叉杆载荷谱确定装置的结构示意图。如图4所示，所述车辆包括具有交叉杆的转向架，该装置包括：检测单元1以及处理单元2，其中，所述
检测单元1用于在所述车辆行驶过程中，检测所述交叉杆四端的应力和所述车辆的行驶里
程；所述处理单元2用于：确定所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程的变化关系；
基于交叉杆载荷谱反演方程，根据所述交叉杆四端的应力，得到所述转向架侧架的运动状
态；根据所述转向架侧架的运动状态、以及所述交叉杆四端的应力与所述车辆的行驶里程
的变化关系，得到所述转向架侧架的运动状态与所述车辆的行驶里程的变化关系，以确定
所述车辆交叉杆载荷谱。

[0058] 优选地，所述转向架侧架的运动状态包括：所述转向架侧架的至少一种运动形式、所述至少一种运动形式中的每种运动形式的累计次数以及所述每种运动形式的载荷。

[0059] 优选地，所述转向架侧架的运动形式包括：菱形运动、浮沉、侧滚、横向偏移以及扭转中的至少一者。

[0060] 优选地，所述交叉杆载荷谱反演方程通过以下方式建立：以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加载；在以所述每种运动形式对应的载荷对所述交叉杆进行加
载时，通过所述交叉杆四端的每一端的传感器检测所述交叉杆四端的每一端的应力；对所
述每种运动形式对应的载荷以及所述交叉杆四端的每一端的应力进行拟合，以得到所加载
的载荷对应所述交叉杆四端的每一端的传感器的载荷传递系数；根据所述每种运动形式对
应的载荷、所述交叉杆四端的每一端的至少一个应力以及所述交叉杆四端的每一端的传感
器对应的载荷传递系数确定所述交叉杆载荷谱反演方程。

[0061] 优选地，所述交叉杆载荷谱反演方程为：

[0062]

[0063] 其中，所述εm为第m个传感器检测的应力之和，Kmn为第n个载荷对应于第m个传感器的载荷传递系数，Pn为第n个载荷。

[0064] 上文所述的车辆交叉杆载荷谱确定装置的实施例与上文所述的车辆交叉杆载荷谱确定方法的实施例类似，在此不再赘述。

[0065] 通过上述技术方案，采用本发明提供的车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置，通过检测交叉杆四端的应力和车辆的行驶里程；然后确定交叉杆四端的应力与车辆的行驶里程
的变化关系；接着基于交叉杆载荷谱反演方程，根据交叉杆四端的应力，得到转向架侧架的
运动状态；最后根据转向架侧架的运动状态、以及交叉杆四端的应力与车辆的行驶里程的
变化关系，得到转向架侧架的运动状态与车辆的行驶里程的变化关系，以确定车辆交叉杆
载荷谱。该车辆交叉杆载荷谱确定方法和装置可以得到准确的交叉杆的载荷谱。

[0066] 以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实
施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

[0067] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对
各种可能的组合方式不再另行说明。

[0068] 本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单
片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前
述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器
(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0069] 此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。