CN113449436B - 一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，以获得能较好地反映实际情况仿真数据，为线路规划设计、运营风险防控、运行安全保障等提供更科学的参考，而且节约试验成本。该方法采用变摩擦系数理论与轮轨接触理论计算不同速度条件与轮轨表面接触状态下的轮轨黏着系数曲线。根据不同接触状态下的轮轨黏着系数与机车的黏着重量计算机车在该接触状态下可以发挥的最大牵引力。通过计算得到的最大黏着牵引力对机车的牵引特性曲线进行修正，获得复杂运营环境下机车正常运营时的实际牵引特性曲线。

Description

一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种能通过理论计算，对不同轮轨接触状态下机车能发挥的最大牵引力进行计算，以计算复杂运营环境下机车正常运营时的实际牵引特性曲线的方法。

背景技术

牵引特性曲线是确定机车牵引能力阈值的重要依据之一。机车的牵引特性曲线一般通过试验确定，是对机车牵引能力、机车运行速度、铁路线路坡度等参数的限值进行估计的重要参考依据，对线路规划设计、机车选型、线路运输组织设计等工作均具有十分重要的意义。

目前用于牵引计算的机车牵引特性曲线均为正常条件下，电机能为机车提供的最大牵引力值曲线。该曲线一般通过线路试验获得，在轮轨表面接触状态较好，机车黏着重量与轮轨黏着条件能满足机车牵引能力正常发挥时，该曲线能准确地反映机车能提供的最大牵引力随机车运行速度的变化情况。机车的牵引力通过轮轨滚动接触界面来传递，而轮轨黏着决定着牵引力的上限，故轮轨间黏着特性对牵引性能具有决定性影响。在复杂的运营环境下，车轮与钢轨接触表面可能出现第三介质，如雨雪、落叶、油污等，这些第三介质会影响到轮轨接触状态，对轮轨黏着产生极大的影响，导致机车牵引能力上限的降低。在此类情况下，机车的牵引特性曲线便无法准确反映机车最大牵引力随运行速度的变化情况。

开放环境下，铁路线路的轨面状态时常受环境条件影响，可能出现各种复杂的轨面条件，影响轮轨接触状态。线路试验组织成本较大，也难以全面考虑复杂运营环境的影响。此时，则需要结合相关理论，对复杂运营环境情况不同轮轨接触状态下机车能发挥的最大牵引力值进行计算，重新确定该环境下的机车牵引特性曲线，为线路规划设计、运营风险防控、运行安全保障等提供更科学的参考。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，以获得能较好地反映实际情况仿真数据，为线路规划设计、运营风险防控、运行安全保障等提供更科学的参考，而且节约试验成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，包括以如下步骤：

步骤S1，采用变摩擦系数模型，计算不同速度条件下机车车体与轮轨表面接触状态下的轮轨摩擦系数；

步骤S2，根据轮轨摩擦系数计算结果与轮轨接触理论求解轮轨切向力与轮轨法向力，根据轮轨切向力与轮轨法向力计算机车的轮轨黏着特性曲线；

步骤S3，根据不同接触状态下的轮轨黏着特性曲线与机车的黏着重量计算机车在该接触状态下可以发挥的最大牵引力从而获得最大黏着牵引力；

步骤S4，将不同速度下计算得到的最大黏着牵引力与机车的牵引特性曲线进行比较，从最大黏着牵引力与机车牵引特性曲线表征牵引力中取较小值，获得复杂运营环境下机车正常运营的实际牵引特性曲线。

在上述技术方案中，步骤S1中轮轨摩擦系数的计算公式如下：

μ＝μ₀[(1-A)e^-Bv+A] (1)

式中，μ₀为滑动速度为0时的最大摩擦系数，A为蠕滑无穷大时对应的摩擦系数和静摩擦系数之比，e为自然对数，B为摩擦力衰减系数，v为总的相对滑动速度，V为机车运行速度，ξ为纵向蠕滑率，η为横向蠕滑率。

在上述技术方案中，步骤S2中获取轮轨黏着特性曲线过程中轮轨黏着系数的计算公式如下：

式中，P为轮轨法向力，μ为轮轨摩擦系数，k_A为黏着区缩减系数，k_S为滑移区缩减系数，s为轮轨总蠕滑率，其中考虑了自旋蠕滑，C为Kalker系数，α为接触斑长半轴，b为接触斑短半轴。

本发明的有益效果是，依托先进的理论分析方法，基于仿真计算对复杂运营环境和机车在不同的轮轨接触状态下可以正常发挥的最大牵引力进行计算，操作方法简单，获得的仿真数据能较好地反映实际情况，节约了试验成本，是确定复杂运营环境下机车实际牵引特性曲线较为经济与高效的方法。

附图说明

本说明书包括如下八幅附图：

图1是本发明的流程框图；

图2是实施例HXD2机车牵引特性曲线图；

图3是实施例干燥条件下轮轨摩擦系数与纵向蠕滑率的对应关系；

图4是实施例湿润条件下轮轨摩擦系数与纵向蠕滑率的对应关系；

图5是实施例干燥条件下轮轨黏着系数与纵向蠕滑率的对应关系；

图6是实施例湿润条件下轮轨黏着系数与纵向蠕滑率的对应关系；

图7是实施例不同轮轨接触状态下牵引能力与牵引特性曲线的对比；

图8是实施例不同轮轨接触状态下的机车实际牵引特性曲线。

具体实施方式

本发明实施方式中对附图进行详细说明，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作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，以下对在附图中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。

本发明为克服现在方法存在之不足，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，提出了一种通过理论计算，对机车复杂运营环境下的实际牵引特性曲线进行计算并确认的方法。

本发明的方法提出，利用变摩擦系数模型不同速度条件下，摩擦系数与纵向蠕滑率的关系进行求解；然后根据计算得到的摩擦系数与轮轨接触理论求解轮轨接触关系与轮轨接触力，通过轮轨接触切向力与法向力计算轮轨黏着系数；最后取不同速度下，轮轨纵向蠕滑率饱和达到饱和时的轮轨黏着系数计算不同轮轨接触状态下机车能够发挥的最大牵引力，与机车牵引特性曲线比较，得到复杂运营条件下的实际机车牵引特性曲线。

本发明一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，具体包括以如下步骤：

步骤S1，采用变摩擦系数模型，计算不同速度条件下机车车体与轮轨表面接触状态下的轮轨摩擦系数。

以上步骤S1中所述的变摩擦系数模型，是对不同纵向蠕滑率下的摩擦系数进行科学计算的模型，摩擦系数的计算结果应能准确反映不同轮轨表面接触状态下摩擦系数随轮轨间纵向蠕滑率的变化。所述速度是变摩擦系数模型的输入条件，不同运行速度下的摩擦系数随纵向蠕滑率的变化规律不同；所述的轮轨表面接触状态是对复杂运营环境的仿真模拟，主要指湿润、冰雪与油污等轮轨间第三接触介质对轮轨接触的影响，其具体影响通过修改轮轨接触模型的参数来反映；所述的轮轨摩擦系数，受轮轨表面接触状态与纵向蠕滑率的影响，在相同的轮轨表面接触状态下，表现为随纵向蠕滑率变化而变化的函数。

在不同轮轨相对滑动量和接触条件下，轮轨黏着特性存在显著差异。因此在建立轮轨蠕滑计算模型时，采用了变摩擦系数模型来计算不同速度下的摩擦系数随纵向蠕滑率的变化规律，用于描述不同运行速度以及不同接触状态下的黏着特性。摩擦系数计算公式如下：

μ＝μ₀[(1-A)e^-Bv+A] (1)

式中，μ₀为滑动速度为0时的最大摩擦系数，A为蠕滑无穷大时对应的摩擦系数和静摩擦系数之比，B为摩擦力衰减系数，S为总的相对滑动速度的大小，v为总的相对滑动速度，V为机车运行速度，ξ为纵向蠕滑率，η为横向蠕滑率。

步骤S2，根据轮轨摩擦系数计算结果与轮轨接触理论求解轮轨切向力与轮轨法向力，根据轮轨切向力与轮轨法向力计算机车的轮轨黏着特性曲线。

以上步骤S2中所述轮轨接触理论的应用包括求解轮轨空间接触几何关系与求解轮轨间作用力；所述轮轨法向力可以在求解轮轨空间接触几何关系后，通过Hertz接触理或非Hertz接触等理论进行计算；所述轮轨切向力根据步骤S1中摩擦系数的计算结果与轮轨法向力的计算结果进行计算，步骤S1中摩擦系数被表示为纵向蠕滑率的函数，故轮轨切向力的计算结果表现为纵向蠕滑率的函数；所述黏着特性曲线通过轮轨法向力与轮轨切向力计算，表示为纵向蠕滑率的函数；所述机车黏着特性曲线受轮轨间接触状态的影响，在不同接触状态下呈现不同的变化趋势。

以上步骤S2中获取轮轨黏着特性曲线过程中轮轨黏着系数的计算公式如下：

式中，P为轮轨法向力，μ为轮轨摩擦系数，k_A为黏着区缩减系数，k_S为滑移区缩减系数，s为轮轨总蠕滑率，其中考虑了自旋蠕滑，C为Kalker系数，α为接触斑长半轴，b为接触斑短半轴。

步骤S3，根据不同接触状态下的轮轨黏着特性曲线与机车的黏着重量计算机车在该接触状态下可以发挥的最大牵引力从而获得最大黏着牵引力。该步骤S3中所述不同接触状态包括钢轨表面的干燥、湿润、油态、冰雪下的接触状态。所述最大牵引力指纵向蠕滑率达到饱和时机车能发挥的最大牵引力。

步骤S4，将不同速度下计算得到的最大黏着牵引力与机车的牵引特性曲线进行比较，从最大黏着牵引力与机车牵引特性曲线表征牵引力中取较小值，获得复杂运营环境下机车正常运营的实际牵引特性曲线。

本发明中，所述机车的黏着重量一般指机车的重量，会随机车配重的改变而改变。所述最大牵引力指纵向蠕滑率达到饱和时机车能发挥的最大牵引力。所述最大黏着牵引力与机车的黏着重量、机车运行速度和黏着特性曲线有关，指机车以某速度运行时，在某轮轨接触状态下，纵向蠕滑率达到饱和时能发挥的最大牵引力；所述牵引特性曲线指正常条件下，电机能为机车提供的最大牵引力值曲线，牵引特性曲线表现为牵引力随机车运行速度的变化

所述机车牵引特性曲线、机车黏着重量等，参考自《列车牵引计算规程》与《动车组牵引计算规程》。其中，变摩擦系数计算方法、轮轨接触理论、轮轨黏着等存在普遍认同的分析方法。相关理论的使用在操作方法上存在差异，这里提供为满足计算目的而实施的技术方案。

实施例：

采用的轮轨滚动接触模型为Polach模型，针对高寒地区典型气候条件下轨面摩擦系数的改变，分别考虑了钢轨表面“干燥”、“湿润”、“油态”、“冰雪”四种轮轨表面接触状态对轮轨黏着的影响，具体相关参数如下表所示。

模型参数	干燥	湿润	油态	冰雪
					k<sub>A</sub>	1	0.3	0.2	1
k<sub>S</sub>	0.4	0.1	0.1	0.4
					μ<sub>0</sub>	0.55	0.3	0.2	0.05
A	0.4	0.4	0.5	0.4
					B	0.6	0.2	0.1	0.1

本实施例以干燥和湿润条件下的牵引特性曲线计算方法为例，对具体操作过程进行说明，选用机车为HXD2型电力机车，黏着重量200吨，轴重25吨，正常情况下的牵引特性曲线如2图所示。

根据变摩擦系数模型与参数表提供的参数，结合公式(1)～(2)，计算出了机车运行速度分别为60km/h、90km/h与120km/h时，干燥和湿润条件下，摩擦系数与纵向蠕滑率之间的对应关系，如图3、4所示。

将摩擦系数的计算结果，结合计算公式(3)～(4)，计算出机车运行速度分别为60km/h、90km/h与120km/h时，干燥和湿润条件下，轮轨黏着系数与纵向蠕滑率之间的对应关系，如4、5图所示。

上述内容中，仅展示了机车运行速度分别为60km/h、90km/h与120km/h时，干燥和湿润条件下，轮轨摩擦系数和轮轨黏着的计算结果。取纵向蠕滑率达到饱和时的轮轨黏着系数来计算该速度条件与轮轨接触状态下，机车能够发挥的最大牵引力。纵向蠕滑率达到饱和时的位置对应图3与图4曲线的拐点。根据同样的计算方法，可以计算出速度范围为0km/h～120km/h范围内所有速度对应的轮轨摩擦系数、轮轨黏着系数以及对应条件下机车能够发挥的最大牵引力。本实施例中，列车牵引制动特性曲线、机车黏着重量在干燥情况下对应的最大牵引力、机车黏着重量在湿润情况下对应的最大牵引力的对比如7图所示。

复杂运营环境下，机车能够正常发挥的最大牵引力受机车牵引特性、黏着重量与黏着系数的限制，根据图7的对比结果，最终计算得到机车在干燥条件与湿润环境下对应的牵引特性曲线如8图所示。

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 (5)

1.一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，包括以如下步骤：

步骤S1，采用变摩擦系数模型，计算不同速度条件下机车车体与轮轨表面接触状态下的轮轨摩擦系数；

步骤S2，根据轮轨摩擦系数计算结果与轮轨接触理论求解轮轨切向力与轮轨法向力，根据轮轨切向力与轮轨法向力计算机车的轮轨黏着特性曲线；

步骤S3，根据不同接触状态下的轮轨黏着特性曲线与机车的黏着重量计算机车在该接触状态下可以发挥的最大牵引力从而获得最大黏着牵引力；

步骤S4，将不同速度下计算得到的最大黏着牵引力与机车的牵引特性曲线进行比较，从最大黏着牵引力与机车牵引特性曲线表征牵引力中取较小值，获得复杂运营环境下机车正常运营的实际牵引特性曲线。

2.如权利要求1所述的一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，其特征是：步骤S3中所述不同接触状态包括钢轨表面的干燥、湿润、油态、冰雪下的接触状态。

3.如权利要求1所述的一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，其特征是：步骤S1中轮轨摩擦系数的计算式如下：

μ＝μ₀[(1-A)e^-Bv+A] (1)

式中，μ₀为滑动速度为0时的最大摩擦系数，A为蠕滑无穷大时对应的摩擦系数和静摩擦系数之比，e为自然对数，B为摩擦力衰减系数，v为总的相对滑动速度，V为机车运行速度，ξ为纵向蠕滑率，η为横向蠕滑率。

4.如权利要求1所述的一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，其特征是：步骤S2中获取轮轨黏着特性曲线过程中轮轨黏着系数的计算式如下：

式中，P为轮轨法向力，μ为轮轨摩擦系数，k_A为黏着区缩减系数，k_S为滑移区缩减系数，s为轮轨总蠕滑率，其中考虑了自旋蠕滑，C为Kalker系数，α为接触斑长半轴，b为接触斑短半轴。

5.如权利要求1所述的一种复杂运营环境下机车牵引特性曲线获取方法，其特征在于：步骤S3中所述最大牵引力指纵向蠕滑率达到饱和时机车能发挥的最大牵引力。

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