CN111859610A - 一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，首先根据调研资料建立列车纵向动力学模型，实现列车操纵方式的仿真计算，再提取最大车钩力所在单元货车，将车钩力输入至构建好的相应货运列车的动力学模型，计算出货车单元每节车厢的动力学响应，输出相应的安全性指标，如果货车单元中任一节车厢的安全性指标不满足相应的安全条件，则认为该货运列车的安全性指标不合格，则根据现有结果重新优化列车操纵方式，降低列车纵向冲动，重新对货车安全性进行评估。本发明能够高效的实现列车操纵优化目的，降低列车纵向冲动，并准确评估实际操纵方式下货车的动力学响应，避免纵向冲击过大情况下引发脱轨、倾覆等潜在的严重事故。

Description

一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法
技术领域
本发明涉及铁路运输安全技术领域，特别涉及到列车操纵方式的可行性评估与铁路货车运行安全性评估方法。
背景技术
铁路货物运输安全是轨道交通领域中最重要的关注领域，随着货运列车运行速度以及运载重量的大幅度提高，以及重载铁路在各地域内的广泛开行，列车的操纵安全性与货运列车的运行安全成为了人们关注的焦点。
目前，传统货运列车的运行状态仍采用一定的监控模块进行实时监测，列车在运行中出现安全性问题时实现报警，但部分新开行的重载铁路急需对开行的列车操纵方式进行安全性评估，提前发现铁路货运车辆运行时存在的倾覆、脱轨风险，并进一步优化列车操纵方式，以降低安全风险，减小铁路维护成本。
基于现代铁路列车的发展高速化与货运重载化趋势，铁路运输的安全性问题更加突出，机车的运行过程中的不当操作，导致车辆运行性能恶化，加剧轮轨磨耗，产生安全威胁，合理优化列车操纵方式是保障列车平稳安全运行的关键。但发明人经过长期研究发现目前铁路针对列车安全性评估所采用的方法主要有以下缺陷：
1)采用现场试验，实际车辆在特定线路上进行试验无法采集精确的动态参数，试验车次操纵工况随机性过大，安全隐患高、试验周期长、试验成本高等；
2)针对列车操纵优化的整列编组进行仿真计算，计算效率低，计算步骤复杂，难以灵活改变操纵方式。
发明内容
本发明的发明人为解决上述问题，通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出了一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，能够更准确有效的评估铁路货运车辆存在的倾覆、脱轨风险，并有效优化列车操纵，进一步提高列车的运行安全性。由于上述的研究方法对研究列车安全性评估存在明显的缺陷。因此本发明基于列车纵向动力学与车辆—轨道耦合动力学，对进一步提高列车安全性、优化列车操纵方式与保障列车安全运行等具有十分重要的意义。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：
一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其包括以下操作：
S1,根据调研资料所得线路平纵断面数据与列车编组信息，获取所得列车编组中机车与货车动力学参数；
S2，建立列车纵向动力学仿真计算模型，依据实际列车操纵运行工况，仿真计算列车运行期间各车辆纵向动力学指标，并判断是否符合安全限值；
S3，满足步骤S2操纵的安全性前提下，依照列车编组形式，选取车钩力最大值所在货车单元，提取出最大车钩力出现位置的线路条件，基于车辆—轨道耦合动力学模型，计算评价指标；
S4，根据步骤S3所得计算结果判断是否满足安全条件，如不满足则返回步骤S2，进一步优化操纵方式，重新考察货车的安全性指标。
本发明所述的一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其进一步地实施方式是：所述列车纵向动力学模型包括单质点列车纵向动力学模型和多质点列车纵向动力学模型。
本发明所述的一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其进一步地实施方式是：在S2中纵向动力学指标主要包括各车辆纵向加速度与车钩力，在判断时若其中任一项不满足相应的安全条件，则认为该列车的操纵方式不合格，并更改操纵方式，直至符合安全限值。
本发明所述的一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其进一步地实施方式是：纵向动力学指标的安全条件为：车辆最大纵向加速度a≤1.0g,列车正常运行工况最大车钩力F≤1000kN,列车紧急制动工况最大车钩力F≤2250kN。
本发明所述的一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其进一步地实施方式是：S3中计算的评价指标主要包括脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率。
进一步地是：在S4中判断车辆是否满足安全条件为：脱轨系数安全限值为作用时间小于0.035s且脱轨系数小于等于1.0；所述轮重减载率安全限值为作用时间小于0.035s且轮重减载率小于等于0.9；所述倾覆系数的安全条件为倾覆系数D<0.8，且仅当车辆同一侧的各个车轮的倾覆系数均达到或超过0.8时，认为不满足倾覆系数的安全条件。其中：脱轨系数安全限值为
Figure BDA0002525603810000021
Q为轮轨横向力，P为轮轨垂向力，且t为脱轨系数限值的作用时间。
本发明所述的一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其进一步地实施方式是：所述步骤S2与步骤S3中，车辆的运行工况包括列车具体操纵方式，车辆行驶线路的曲直变化情况和轨道平顺程度变化情况。
本发明所述的一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其进一步地实施方式是：列车纵向动力学模型与车辆—轨道耦合动力学模型采用快速显示积分法。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的考虑优化操纵方式的铁路货车安全评估方法，首先根据调研资料建立列车纵向动力学模型，以单次试验的常规列车操纵工况为具体操纵方式，验证模型准确性，其后列车操纵方式均可自由调整，准确实现更改列车操纵方式的仿真计算(常规工况可避免列车操纵随机性与安全问题，以自由调整的操纵方式理论计算降低试验成本与周期，且操纵模式更改过程相较于试验更为高效)，再提取最大车钩力所在货车单元，将车钩力输入至构建好的相应货运列车的动力学模型，计算出货车单元每节车厢的动力学相应，输出相应的安全性指标(理论计算所得动态参数相比实际试验更为精确，单元货车相较编组列车计算效率更高)，如果货车单元中任一节车厢的安全性指标不满足相应的安全条件，则认为该货运列车的安全性指标不合格，则根据现有结果重新优化列车操纵方式，降低列车纵向冲动，重新对货车安全性进行评估。因此，本发明能够在低成本、高效率下实现列车操纵优化目的，降低列车操纵优化成本，并实现列车操纵安全性与货车动力学性能高效评估，避免列车操纵过程中纵向冲击过大情况引发脱轨、倾覆等潜在风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明的考虑优化列车操纵方式的铁路货运列车安全评估方法的流程示意图。
图2为本发明中列车纵向动力学模型的原理图。
图3—图5为本发明中车辆—轨道耦合动力学模型的原理图。
图6为本发明中车辆受纵向车钩力作用时的受力示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例：
如图1所示，
本发明的考虑优化列车操纵方式的铁路货运车辆运行安全评估方法包括以下步骤：
S1：根据编组和线路信息调研，获取所得列车编组中机车与货车动力学参数。
S2：建立列车纵向动力学仿真计算模型，依据实际列车操纵运行工况，仿真计算列车运行期间各车辆纵向加速度与车钩力，若其中任意一项不满足相应的安全条件，则认为该列车的操纵方式不合格，并更改操纵方式，直至纵向动力学指标符合安全限值；
S3，满足步骤S2操纵的安全性前提下，依照列车编组形式，选取车钩力最大值所在货车单元，提取出最大车钩力出现位置的线路条件，基于车辆—轨道耦合动力学模型，使用快速显示积分法计算该单元货车受纵向车钩力作用下的脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率；其中，脱轨系数为
Figure BDA0002525603810000041
轮重减载率为
Figure BDA0002525603810000042
倾覆系数为
Figure BDA0002525603810000043
Figure BDA0002525603810000044
表示轮对的平均静轮重，PO表示与单侧轮轨垂向动载荷Pd相对应的单侧轮轨垂向静载荷。
S4，如步骤S3所得计算结果未满足其安全条件，则返回步骤S2，进一步优化操纵方式，重新考察车辆的安全性指标。
具体的，本发明中所采用的安全性指标规定限值如下：所述车钩力正常运行工况最大值小于1000kN，紧急制动最大值小于2250kN，所述脱轨系数的安全条件为
Figure BDA0002525603810000045
Q为轮轨横向力，P为轮轨垂向力，且t为脱轨系数限值的作用时间，所述轮重减载率安全限值为ε≤0.9(t＜0.035s),所述倾覆系数的安全条件为：D<0.8,且仅当车辆同一侧的各个车轮的倾覆系数均达到或超过0.8时，认为不满足倾覆系数的安全条件。
其中本发明的考虑优化操纵方式的铁路货车安全评估方法，步骤S2采用的列车纵向动力学模型包括单质点列车纵向动力学模型和多质点列车纵向动力学模型，其原理图如图2所示。列车纵向动力学计算中充分考虑列车运行阻力、曲线阻力与坡道阻力因素，满足列车运行操纵中牵引、制动要求，充分考虑电阻制动、空气制动与电空联合制动的可行性。
其中步骤S3中采用的车辆—轨道耦合动力学模型是基于科学出版社出版的翟婉明《车辆—轨道耦合动力学》第四版理论，其原理图如图3—图5所示，且图中所示参数在书中有详细定义，此处不再赘述。图2受力分析所得纵向动力学微分方程为
Figure BDA0002525603810000046
式中，i＝1—n；mi为第i节车的质量；
Figure BDA0002525603810000047
为第i节车的加速度；FCi-1为第i节车的前车钩力；FCi为第i节车的后车钩力，FCi＝0；FRi为第i节车的运行阻力，包括基本运行阻力、坡道阻力、曲线阻力、起动阻力等；FTi为机车牵引力，仅作用于机车；FDBi为机车的动力制动力，仅作用于机车；FBi为第i车的空气制动力；α为第i节车所处线路断面的坡度。
其具体的计算过程如下：
(1)搭建纵向动力学仿真模型，综合考虑机车牵引制动特性与实际运行条件，牵引制动力由下式施加模拟，
Figure BDA0002525603810000051
式中，v为t时刻机车的运行速度，η为机车牵引制动的使用系数，取0.9。
仿真计算中车钩缓冲器阻抗力通过迟滞特性曲线差值得到，并采用速度法处理缓冲器加载和卸载转换过程中的积分断点。具体公式如下：
Figure BDA0002525603810000052
Figure BDA0002525603810000053
式中，Fc为缓冲器阻抗力；Fj为加载过程阻抗力；Fx为卸载过程阻抗力；Δx为相邻两车的位移之差；Δv为相邻两车的速度之差。列车运行阻力等与列车实际操纵过程中空气制动各闸片或闸瓦计算公式详见《牵引计算规程》，此处不再赘述。
基于上述模型可依照操纵方式计算列车纵向车钩力最大值分布情况，此处将传统列车与重载铁路单元货车编组一并考虑，若车钩力与车辆纵向加速度超过限值，则更改操纵方式直至列车符合纵向动力学安全指标，提取车钩力最大值所在车辆或单元货车车钩力时域变化数据。
(2)进一步的，根据上述《车辆—轨道耦合动力学》第二章第三节、第四节中相应的动力学方程，编写列车三维计算模型,结合车辆行驶速度变化情况、车辆行驶线路曲直变化情况和平顺程度变化情况，输入步骤(1)所得车钩力，车钩力作用于单元货车如图6所示，列车运行中受纵向力作用，产生使车体偏转的横向分力，分别计算出轮轨横向力Q、轮轨垂向力P、单侧轮轨垂向动载荷Pd和减载侧车辆轮重减载量ΔP。
(3)基于步骤(2)计算出脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率，再利用脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率对应的安全条件，判断该车辆的安全指标是否合格。若车辆安全指标超限，则对操纵方式优化更改，重复上述步骤，以实现降低列车纵向加速度并提高车辆运行安全性。
具体的，车辆安全条件为：脱轨系数安全限值为
Figure BDA0002525603810000054
Q为轮轨横向力，P为轮轨垂向力，且t为脱轨系数限值的作用时间，所述轮重减载率安全限值为ε≤0.9(t＜0.035s),所述倾覆系数的安全条件为：D<0.8,且仅当车辆同一侧的各个车轮的倾覆系数均达到或超过0.8时，认为不满足倾覆系数的安全条件。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其特征在于：
S1,根据调研资料所得线路平纵断面数据与列车编组信息，获取所得列车编组中机车与货车动力学参数；
S2，建立列车纵向动力学仿真计算模型，依据实际列车操纵运行工况，仿真计算列车运行期间各车辆纵向动力学指标，并判断是否符合安全限值；
S3，满足步骤S2操纵的安全性前提下，依照列车编组形式，选取车钩力最大值所在货车单元，提取出最大车钩力出现位置的线路条件，基于车辆—轨道耦合动力学模型，计算评价指标；
S4，根据步骤S3所得计算结果判断是否满足安全条件，如不满足则返回步骤S2，进一步优化操纵方式，重新考察货车的安全性指标。
2.根据权利要求1所述的一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其特征在于：所述列车纵向动力学仿真计算模型包括单质点列车纵向动力学模型和多质点列车纵向动力学模型。
3.根据权利要求1所述的一种考虑优化列车操纵方式的铁路货车安全评估方法，其特征在于：S2中纵向动力学指标主要包括各车辆纵向加速度与车钩力，在判断时若其中任一项不满足相应的安全条件，则认为该列车的操纵方式不合格，并更改操纵方式，直至符合安全限值。
4.根据权利要求3所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：纵向动力学指标的安全条件为：车辆最大纵向加速度a≤1.0g,列车正常运行工况最大车钩力F≤1000kN,列车紧急制动工况最大车钩力F≤2250kN。
5.根据权利要求1所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：S3中计算的评价指标主要包括脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率。
6.根据权利要求5所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：S4中判断车辆是否满足安全条件为：脱轨系数安全限值为作用时间小于0.035s且脱轨系数小于等于1.0；所述轮重减载率安全限值为作用时间小于0.035s且轮重减载率小于等于0.9；所述倾覆系数的安全条件为：倾覆系数D<0.8，且仅当车辆同一侧的各个车轮的倾覆系数均达到或超过0.8时，认为不满足倾覆系数的安全条件。
7.根据权利要求1所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：所述步骤S2与步骤S3中，车辆的运行工况包括列车具体操纵方式、车辆行驶线路的曲直变化情况和轨道平顺程度变化情况。
8.根据权利要求1所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：纵向动力学仿真计算模型与车辆—轨道耦合动力学模型采用快速显示积分法计算。
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