浮車型五模塊有軌電車質(zhì)量均衡計算系統(tǒng)開發(fā)*

楊豐萍， 左君成 ， 金 林

(華東交通大學 電氣與自動化工程學院， 南昌 330006)

車輛的質(zhì)量均衡控制，是有軌電車設計過程中的一項關鍵內(nèi)容。尋找一種合理的算法來計算出車輛的重心位置、各軸的軸重，是有軌電車質(zhì)量管理必不可少的一環(huán)。只有做到精確地質(zhì)量管控，才可以在滿足線路及標準要求的基礎上，最大限度地降低設計難度、節(jié)約設計成本[1]。浮車型有軌電車是現(xiàn)代有軌電車的主流結(jié)構形式，浮車型五模塊有軌電車采用“=MC1+F1+Tp+F2+MC2=”編組，由于其采用多個鉸接結(jié)構相連的結(jié)構，要保證車輛的質(zhì)量均衡，軸重計算問題尤其重要。

1 車輛特點與計算公式

1.1 車輛結(jié)構特點及坐標系

軸重計算的基本理論是依據(jù)力平衡與力矩平衡原理來計算重心位置以及各軸軸重,但是力矩平衡有一個前提條件，就是計算對象必須為一個剛體。對于浮車型5模塊有軌電車而言，各模塊通過鉸接裝置相連接[2]，模塊的質(zhì)量相互獨立又相互影響，故不能單獨對各節(jié)車進行受力分析。

定義MC1車與F1車之間的鉸接為A位鉸接，F(xiàn)1車與Tp之間的鉸接為B位鉸接，Tp車與F2車之間的鉸接為C為鉸接，F(xiàn)2車與MC2車之間的鉸接為D位鉸接。A位、B位、D位的鉸接裝置為固定鉸+彈性鉸，主要允許車體間的搖頭運動，而限制車體之間的側(cè)滾和點頭運動；C位的鉸接裝置為固定鉸+自由鉸，允許車體間的搖頭運動和點頭運動，限制車體間的側(cè)滾[3-4]。故在垂向方向上，可在C位鉸接處，將浮車型五模塊有軌電車劃分為兩部分，定義Mc1模塊、F1模塊與Tp模塊組成為剛體模塊1，F(xiàn)2模塊與Mc2模塊組成剛體模塊2[5]。

1.2 軸重計算公式

將浮車型五模塊有軌電車劃分模塊1和模塊2，分別如圖2和圖3所示。

圖1 五模塊坐標系及尺寸符號定義圖

圖2 剛體模塊1受力分析

圖3 剛體模塊2受力分析

由力平衡及力矩平衡可列方程：

mc1+mf1+mtp+mf2+mc2+mc1k+

(1)

mc1×Lc1+mf1×Lf1+mtp×

Ltp+mc1k×Lc1k+mf1k×Lf1k+

mtpk×Ltpk=Fs1×Ls1+

Fs2×Ls2+Fs3×Ls3+Fs4×Ls4

(2)

mf2×Lf2+mc2×Lc2+mf2k×Lf2k+

mc2k×Lc2k=Fs5×Ls5+Fs6×Ls6

(3)

其中，F(xiàn)si為轉(zhuǎn)向架上二系彈簧組對車體的垂向載荷，i=1,2,3,4,5,6；mc1,mf1,mtp,mf2,mc2,mc1k,mf1k,mtpk,mf2k,mc2k分別為對應車體的質(zhì)量和載客的質(zhì)量；Lsk為對應輪對的二系彈簧距Q點的縱向距離，k=1,2,3,4,5,6；Lc1,Lf1,Ltp,Lf2,Lc2,Lc1k,Lf1k,Ltpk,Lf2k,Lc2k是各車體和車上乘客的重心距Q點的距離；

將二系簧的垂向載荷由垂向剛度和垂向靜撓度表示為[6]：

Fs1=Kmc×fs1

(4)

Fs2=Kmc×fs2=Kmc×(fs1-Ls×α)

(5)

Fs3=Ktp×fs3=Ktp×(fs1-L×α)

(6)

Fs4=Ktp×fs4=Ktp×(fs1-L×α-Ls×α)

(7)

Fs5=Kmc×fs5=Kmc×(fs6-Ls×β)

(8)

Fs6=Kmc×fs6

(9)

其中，α,β分別為模塊1，模塊2的點頭轉(zhuǎn)角；Kmc,Ktp為轉(zhuǎn)向架的垂向剛度；fs1,fs2,fs3,fs4,fs5,fs6分別為3個轉(zhuǎn)向架二系簧的垂向靜撓度；

模塊1和模塊2在Q點的垂向位移滿足關系式

fs1-Ls1×α=fs6-Ls6×β

(10)

由式(1)～式(10)可解得

2(Kmc+Ktp)×fs1-(Kmc+Ktp)×Ls×α-

2Ktp×L×α+2Kmc×fs6-Ks6-Kmc×Ls×β=

mc1+mf1+mtp+mf2+mc2+mc1k+mf1k

+mtpk+mf2k+mc2k

(11)

(Kmc×Ls1+Kmc×Ls2+Ktp×Ls3+Ktp×Ls4)×fs1

-Kmc×Ls×α×Ls2-Ktp×L×α×Ls3-Ktp×

(L+Ls)×α×Ls4=mc1×Lc1+mf1×Lf1+

mtp×Ltp+mc1k×Lc1k+mf1k×Lf1k+mtpk×Ltpk

(12)

Kmc×(Ls5+Ls6)×fs6-Kmz×Ls×β×Ls5=mc2×

Lc2+mf2×Lf2+mc2k×Lc2k+mf2k×Lf2k

(13)

由式(10)～式(13)可求得α，β，fs1，fs6，再將fs1，fs6帶入式(4)～式(9)可計算出模塊1和模塊2轉(zhuǎn)向架二系彈簧組的垂向載荷Fsi(i=1,2,3,4,5,6)。

以MC1車下轉(zhuǎn)向架為研究對象，一端輪對的軸重由力矩平衡可得

Fa1=[Fs1×(Lw/2+Ls/2)+mc1b×

(Lw/2+Xc1b)+Fs2×(Lw/2-Ls/2)]/Lw

(14)

二端輪對的軸重為

Fa2=[Fs1×(Lw/2-Ls/2)+mc1b×

(Lw/2-Xc1b)+Fs2×(Lw/2+Ls/2)]/Lw

(15)

以Tp車下轉(zhuǎn)向架為研究對象，一端輪對的軸重由力矩平衡可得

Fa3=[Fs3×(Lw/2+Ls/2)+mtpb×

(Lw/2+Xtpb)+Fs4×(Lw/2-Ls/2)]/Lw

(16)

二端輪對的軸重為

Fa4=[Fs3×(Lw/2-Ls/2)+mtpb×

(Lw/2-Xtpb)+Fs4×(Lw/2+Ls/2)]/Lw

(17)

以MC2車下轉(zhuǎn)向架為研究對象，一端輪對的軸重由力矩平衡可得

Fa5=[Fs5×(Lw/2+Ls/2)+mc2b×

(Lw/2+Xc2b)+Fs5×(Lw/2-Ls/2)]/Lw

(18)

二端輪對的軸重為

Fa6=[Fs5×(Lw/2-Ls/2)+mc2b×

(Lw/2-Xc2b)+Fs6×(Lw/2-Ls/2)]/Lw

(19)

其中，Xc1b，Xtpb，Xc2b分別為MC1，Tp，MC2車下轉(zhuǎn)向架的X軸坐標。

2 系統(tǒng)設計與開發(fā)

浮車型五模塊的有軌電車的結(jié)構復雜，其軸重計算要分別計算出5節(jié)車的質(zhì)量，重心坐標，車與車之間的鉸接裝置也需要分別計算，將其質(zhì)量平均分配到相鄰兩節(jié)車上，車上零部件多、軸重計算公式復雜，采用手工計算或者是Excel表格計算工作量大，且容易出錯，因此，綜合考慮，采用C#+SQL SERVER的技術方案開發(fā)針對浮車型五模塊有軌電車的計算工具，提高計算效率和數(shù)據(jù)管理能力。Visual Studio 2010 平臺下C#語言是一種簡潔高效，面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，可實現(xiàn)簡單美觀，人性化的用戶界面，且組件和類庫多，響應速度較快。C#語言開發(fā)的系統(tǒng)對SQL SERVER 數(shù)據(jù)庫具有很好的兼容性，有豐富的開發(fā)組件對數(shù)據(jù)庫進行增、刪、改、查等操作[7]。

2.1 系統(tǒng)需求分析

該系統(tǒng)主要是浮車型質(zhì)量均衡計算的過程規(guī)范、簡潔和計算結(jié)果準確，同時，還能實現(xiàn)車輛的質(zhì)量管理[8]。浮車型質(zhì)量均衡計算軟件系統(tǒng)能夠正確引導設計人員在規(guī)定時間內(nèi)快速可靠地完成設計任務，其功能需求概述如下：

(1) 基本信息輸入功能： 通過手工輸入、從數(shù)據(jù)庫導入或者Excel文件導入等多種輸入方式，將車體基本參數(shù)、各零部件質(zhì)量、位置坐標，力矩，轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)導入到系統(tǒng)中，提供均衡計算的基礎數(shù)據(jù)。

(2) 均衡計算功能：計算出車體總重、重心坐標、轉(zhuǎn)動慣量，回轉(zhuǎn)半徑，軸重、軸重偏差百分比等。

(3) 計算結(jié)果導出功能：將計算結(jié)果輸出到報表，可直接打印報表或以Word格式、Excel格式、PDF格式等形式導出。

(4) 人員管理及權限分配功能：實現(xiàn)用戶管理以及系統(tǒng)操作權限管理。

(5) 歷史數(shù)據(jù)管理功能：保存歷史計算的輸入?yún)?shù)和計算結(jié)果，可對歷史數(shù)據(jù)增刪改查。

根據(jù)需求分析，系統(tǒng)的功能模塊可主要分為如下幾個模塊：系統(tǒng)登錄模塊，數(shù)據(jù)管理模塊，數(shù)據(jù)編輯模塊，結(jié)果顯示模塊和報表打印輸出模塊，其如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)與計算

為驗證推導公式在實際應用中的可行性，先將公式編寫入系統(tǒng)中，然后將車輛廠提供的相關參數(shù)和數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)中進行計算，參考軸重差±2%，驗證公式的合理性。在AW2狀態(tài)下，車體數(shù)據(jù)輸入界面如圖5所示，輸入方式可選擇手動輸入，EXCEL表格導入和數(shù)據(jù)庫導入3種方式，由于五模塊是一個整體，在車體數(shù)據(jù)輸入時，要確保5節(jié)車體數(shù)據(jù)均保存完成后，才能點擊“下一步”，否則會提示某節(jié)車的車體數(shù)據(jù)未輸入。

當設定了車體部件數(shù)據(jù)后，還需要分別輸入鉸接機構部件數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)，輸入完成后，點擊“計算”按鈕，軟件將依據(jù)上述推導的數(shù)據(jù)公式進行質(zhì)量均衡計算，計算結(jié)果界面如圖6所示。

從圖6中，可以看出，計算的軸重差在合理范圍內(nèi)，滿足技術要求。

圖5 系統(tǒng)輸入界面

圖6 計算結(jié)果界面

3 結(jié)果驗證

在數(shù)據(jù)管理方面，系統(tǒng)對每次計算累積的原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果進行存儲，從而形成由累積效應得來的可供后續(xù)項目參考和調(diào)用的大型數(shù)據(jù)庫，這樣既可以實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)有序可靠管理，又避免了數(shù)據(jù)資源的浪費，提高了原始數(shù)據(jù)的利用率[9]。

為驗證推導公式在實際應用中的可行性，從某車輛廠獲取浮車型五模塊有軌電車的數(shù)據(jù)，將其導入軟件系統(tǒng)中進行計算，參考軸重差±2%[10]，驗證公式的合理性。以實際測量數(shù)據(jù)，理論計算數(shù)據(jù)及車輛廠提供的EXCEL表格計算數(shù)據(jù)作為參考，得到表1如下圖所示。

結(jié)果分析：從表1中可看出，均衡計算系統(tǒng)的計算結(jié)果接近實際測量結(jié)果，軟件計算得到的數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)的最大偏差率僅為0.49%。將部件制造偏差、測量誤差的累積以及車體安裝精度差異考慮在內(nèi)，軟件計算所得結(jié)果與實際測量結(jié)果吻合，因此，該軟件系統(tǒng)的計算精度滿足要求。

表1 計算結(jié)果對比表

4 結(jié)束語

由于浮車型五模塊質(zhì)量均衡計算比較復雜，該文基于Visual Studio 2010平臺下C#語言開發(fā)了一種浮車型五模塊質(zhì)量均衡計算系統(tǒng)軟件。為提高數(shù)據(jù)的重復利用率，采用SQL SERVER 2008數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理。經(jīng)過測試和系統(tǒng)結(jié)果驗證，該系統(tǒng)計算準確、穩(wěn)定可靠、響應速度快，具有較高的實用價值，不足之處在于，該系統(tǒng)目前僅支持五模塊浮車型有軌電車的質(zhì)量均衡計算。