CN102521432B - 轨道不平顺状态的安全性评判方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铁路安全运行控制技术领域中的一种轨道不平顺状态的安全性评判方法。包括：在多体动力学仿真软件中建立车辆轨道模型；确定轨道不平顺参数；将轨道不平顺参数输入车辆轨道模型中，并利用在多体动力学仿真软件中生成可执行代码；将实测测量的轨道不平顺数据输入到可执行代码中，运行可执行代码得到轮轨作用力；根据轮轨作用力计算轨道不平顺状态的安全性评价指标；对计算出的轨道不平顺状态的安全性评价指标进行处理；将处理后的轨道不平顺状态的安全性评价指标与预设的安全性标准进行比较，得到轨道不平顺状态的安全性评判结果。本发明相比于已有的轨道不平顺状态的安全性评判方法，其评判结果更加准确。
Description
技术领域
本发明属于铁路安全运行控制技术领域，尤其涉及一种轨道不平顺状态的安全性评判方法。
背景技术
在铁路路基、桥梁、道床等设计与施工过程中，不可避免会带来工后沉降及变形等问题。在铁路运营过程中，轨道在列车载荷的反复作用下，也会产生几何形位的位移变化，这些问题都会导致轨道不平顺的产生。当轨道不平顺超过一定范围时，就会影响列车运行的安全性。因此，为保障铁路行车安全，铁路部门定期采用轨道检测车测量轨道不平顺状态，包括高低、水平、轨距和轨向等，然后按照已颁布的铁道线路维修规则评判轨道不平顺状态，给出是否限速等安全性建议及相应的轨道维修建议。
现行轨道不平顺状态的安全性评判，主要是采用幅值法，将轨道检测车测量得到的高低、水平、轨距和轨向等轨道不平顺数值，与预先设定的容许偏差阈值进行比较，判定轨道不平顺测量值是否超限，从而实现轨道不平顺状态的安全性评判。在工程实践中，这种方法已被证明存在重大缺陷，即这种方法无法识别某些可能导致车辆发生不安全行为的轨道不平顺状态，当所有的轨道不平顺值均不超过预定标准阈值时，车辆仍有可能会产生较大的轮轨作用力或剧烈振动，威胁行车安全。造成这种现象的原因是轨道不平顺幅值与车辆动力学响应之间的相关性较差，幅值法未考虑轮轨作用力的动力学响应。
国内外少数铁路部门采用测力轮对获取轮轨作用力，并采用轮轨力进行轨道不平顺状态的安全性评判，但这种方法需要在轨道检测车上加装测力轮对，而测力轮对存在价格高昂，故障率高，维修困难，使用寿命短等缺陷，因此这种方法在实践中未获得大面积推广，在国内仅上海铁路局的一台轨道检测车上配备的测力轮对投入了实际测量。
美国TTCI公司Li博士等人采用神经网络技术实现了轨道不平顺与轮轨力之间的相关性建模，从而提出了一种名为PBTG的轨道检测与评判方法；但这类方法需要大量的现场测量数据来训练神经网络，建模数据的完备性难以满足，且所采用的前向静态神经网络建模精度低，难以保证安全性评判的可靠性。瑞典Bonaventura博士等人采用机理建模法，构建车辆/轨道的机械物理模型，然后计算车辆动力学响应，进行车辆安全性的评判；但这类方法在构建机理模型时忽略了复杂车辆/轨道系统的非线性因素，存在精度低等缺点，难以保证安全性评判的可靠性。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术在评判轨道不平顺状态的安全性方面存在的不足，提出一种轨道不平顺状态的安全性评判方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种轨道不平顺状态的安全性评判方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：在多体动力学仿真软件中建立车辆轨道模型；
步骤2：确定轨道不平顺参数；
步骤3：将轨道不平顺参数输入车辆轨道模型中，并利用在多体动力学仿真软件中生成可执行代码；
步骤4：将实测测量的轨道不平顺数据输入到可执行代码中，运行可执行代码得到轮轨作用力；
步骤5：根据轮轨作用力计算轨道不平顺状态的安全性评价指标；
步骤6：对计算出的轨道不平顺状态的安全性评价指标进行处理；
步骤7：将处理后的轨道不平顺状态的安全性评价指标与预设的安全性标准进行比较，得到轨道不平顺状态的安全性评判结果。
所述在多体动力学仿真软件中建立车辆轨道模型具体包括：
步骤11：转向架子结构建模，包括建立车轴模型、建立车体架构模型和建立力元模型；
步骤12：调整坐标系和系统重力方向；
步骤13：采用标准线路、计算线路和实测线路三种方式，来定义直线线路、圆曲线线路、变半径线路、S型线路和道岔线路；
步骤14：建立标记点，定义车轮滚动圆半径、轨距和轨底坡；
步骤15：分别选择车轮踏面类型、轨道支承式模型、钢轨类型、轮轨之间的接触类型和该接触类型对应的接触算法；
步骤16：定义铰接和二系力，连接转向架和车体，完成车辆轨道模型的建立。
所述轨道不平顺参数包括车辆类型、轨道类型、车轮踏面类型、转向架类型和轮轨接触类型。
所述轨道不平顺状态的安全性评价指标包括脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力。
所述对计算出的轨道不平顺状态的安全性评价指标进行处理具体是，对脱轨系数和轮重减载率进行移动平均滤波，移动平均滤波选取距离(米)为行车速度(千米/小时)除以72，对轮轨横向力进行0Hz～10Hz滤波的低频滤波。
所述步骤7具体是，当处理后的轨道不平顺状态的安全性评价指标中的任意一项超过预设安全性标准时，则判定轨道不平顺状态影响行车安全。
本发明相比于已有的轨道不平顺状态的安全性评判方法，其评判结果更加准确。
附图说明
图1是轨道不平顺状态的安全性评判方法流程图；
图2是建立车辆轨道模型的流程图；
图3为轨道不平顺状态的安全性评判标准表。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是轨道不平顺状态的安全性评判方法流程图。图1中，本发明提供的轨道不平顺状态的安全性评判方法包括：
步骤1：画出所需要建立的模型的拓扑图，在多体动力学仿真软件中构建车辆轨道模型。多体动力学软件采用SIMPACK8.903的Wheel/Rail专业模块，按照图2所示的流程构建车辆轨道模型。其过程是：
首先，进行转向架子结构建模：建立车轴模型，定义左右轴端标记点和铰接；建立构架(或摇枕、侧架)模型，定义相应标记点和铰接；新建力元，定义一系作用力，连接构架和车轴。转向架可选择采用转8A、转8改、209T型和CRH2型。
然后，进行主模型的建立：包括调整坐标系和系统重力方向；定义线路类型，在SIMPACK Track Definition中，根据需要可以采用标准线路、计算线路和实测线路三种方式，来定义直线线路、圆曲线线路、变半径线路、S型线路和道岔等不同类型的线路，并可设置直线、缓和曲线、曲线等各种复杂的线路，各种激励、道床、弹性线路等都可以选择定义；建立标记点，调入转向架子结构，进行轮轨定义，可以根据机车、客车(包括动车组)、货车等不同类型，定义车轮滚动圆半径、轨距、轨底坡等参数，选择相应的车轮踏面类型和轨面类型，轨道可采用单层直接支承式模型或三层离散点支承式模型，可将钢轨、道床、轨枕视为刚性或弹性体。钢轨可选择为Rail UIC60或UIC54，车轮踏面类型可采用适合客车、货车的S1002和适合机车的JM3_wheel。轮轨之间可以采用单点接触或多点接触，接触算法可以采用Simplified Theory of Kalker(FASTSIM)的赫兹非线性弹性接触模型或Vermeulen/Johnson approximation接触模型；
最后，建立车体模型，新建相应标记点，定义铰接和二系力，连接转向架和车体，车体、转向架和轮对均考虑横移、沉浮、侧滚、点头和摇头振动。
步骤2：确定具体的车辆类型、轨道类型、车轮踏面类型、转向架类型及轮轨接触类型等参数，修改对应的数据文件并输入到步骤1构建的车辆轨道模型中去，然后生成能独立运行的车辆轨道模型的C语言代码。
步骤3：将实测轨道不平顺数据(或轨道谱文件)输入到步骤2生成的C语言程序中。
步骤4：将实测测量的轨道不平顺数据输入到可执行代码中，以轮轨作用力为输出，在C语言程序中运行得到轮轨作用力。
步骤5：根据轮轨作用力计算轨道不平顺状态的安全性评价指标，包括脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力。
步骤6：对计算出的轨道不平顺状态的安全性评价指标进行处理。即将得到的瞬时值进行处理，其中脱轨系数和轮重减载率进行移动平均滤波，滤波选取距离(米)为行车速度(千米/小时)除以72，轮轨横向力进行0～10HZ滤波的低频滤波。
步骤7：将处理后的轨道不平顺状态的安全性评价指标与预设的安全性标准进行比较，得到轨道不平顺状态的安全性评判结果。安全性评判标准如图3所示。当任意一个指标超过预设安全性标准时，本发明认为超标处所对应的轨道不平顺状态会影响行车安全，需要及时通知铁路维修与管理部门。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种轨道不平顺状态的安全性评判方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：在多体动力学仿真软件中建立车辆轨道模型，包括：
步骤11：转向架子结构建模，包括建立车轴模型、建立车体架构模型和建立力元模型；
步骤12：调整坐标系和系统重力方向；
步骤13：采用标准线路、计算线路和实测线路三种方式，来定义直线线路、圆曲线线路、变半径线路、S型线路和道岔线路；
步骤14：建立标记点，定义车轮滚动圆半径、轨距和轨底坡；
步骤15：分别选择车轮踏面类型、轨道支承式模型、钢轨类型、轮轨之间的接触类型和该接触类型对应的接触算法；
步骤16：定义铰接和二系力，连接转向架和车体，完成车辆轨道模型的建立；
步骤2：确定轨道不平顺参数，包括车辆类型、轨道类型、车轮踏面类型、转向架类型和轮轨接触类型；
步骤3：将轨道不平顺参数输入车辆轨道模型中，并利用在多体动力学仿真软件中生成可执行代码；
步骤4：将实测测量的轨道不平顺数据输入到可执行代码中，运行可执行代码得到轮轨作用力；
步骤5：根据轮轨作用力计算轨道不平顺状态的安全性评价指标，包括脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力；
步骤6：对计算出的轨道不平顺状态的安全性评价指标进行处理；
步骤7：将处理后的轨道不平顺状态的安全性评价指标与预设的安全性标准进行比较，得到轨道不平顺状态的安全性评判结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述对计算出的轨道不平顺状态的安全性评价指标进行处理具体是，对脱轨系数和轮重减载率进行移动平均滤波，移动平均滤波选取距离（米）为行车速度（千米/小时）除以72，对轮轨横向力进行0Hz～10Hz滤波的低频滤波。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述步骤7具体是，当处理后的轨道不平顺状态的安全性评价指标中的任意一项超过预设安全性标准时，则判定轨道不平顺状态影响行车安全。
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