CN102628732A - 一种列车空气阻力测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车空气阻力测量的方法和装置，依据列车总阻力中列车空气阻力与列车质量基本无关以及其它阻力与列车质量成正比的特性，通过不同载重条件下的列车惰行测量和总阻力联合分析，本发明实现了列车空气阻力与列车其它阻力的解耦，解决了列车空气阻力的测量问题，为中、高速旅客列车运行阻力公式的完善、列车节能设计的评估、高速列车动力配置、列车空气动力学研究等提供了有效手段，具有重要工程意义。

Description

一种列车空气阻力测量的方法和装置

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，涉及列车运行阻力的测量，尤其涉及一种列车空气阻力测量的方法以及采用这种方法的装置。

背景技术

列车的运行阻力与其动力性及经济性紧密相关，是列车的基础技术参数，运行阻力测试也是机车车辆整车型式试验的重要项目，体系化的试验结果-既有各种型号机车、车辆的运行阻力计算公式在我国持续修订的铁路基础技术规范《列车牵引计算规程》中给出，用于运行图编制、牵引动力配置、操纵优化等。

运行阻力包括基本阻力和附加阻力两大类，基本阻力反映了机车车辆的基本的阻力特性，附加阻力则是在特殊条件如曲线运行下对基本阻力的补充。和大多数国家类似，我国现行《列车牵引计算规程》中，基本阻力用单位重量对应的单位基本阻力来表征，且用一个关于速度的二次方程f＝A+Bv+Cv²表示，其中：v为列车运行速度，A、B、C为由实车运行阻力测试确定的常数。采用单位基本阻力来表征列车阻力特性最大的问题是可扩展性差，由于高速区间空气阻力占总阻力比例的快速增加，质量变化导致的阻力变化显然不能简单地用线性关系表示。

解决该问题的一个较好方法是，采用列车总阻力的形式进行表征且将总阻力公式与物理过程相结合，如德国结合列车小尺寸风洞模拟试验给出的ICE/V阻力公式为：F＝11.4M+(0.025M+17.86ρ)v+(0.17+0.0428N)ρv²，其中F为总阻力(N)，M为列车质量(t)，ρ为空气密度(kg/m3)，N为中间车辆数，v为列车速度(km/h)。

2006年以来，我国铁路通过引进吸收再创新的模式，推出了一系列CRH高速动车组(CRH1、CRH2、CRH5、CRH2C、CRH3、CRH380A、CRH380B等)，速度等级达到380km/h。这些动车组均进行了实车的运行阻力测试，部分车型还进行了全面的风洞试验，但未能提出较为合理的阻力公式。其原因一方面是风洞试验与实际情况有差距，更重要的是在实车运行阻力测试中列车空气阻力与列车其它阻力是紧密耦合的，目前还没用途径以及可借鉴的方法在实车运行阻力测试中有效分离空气阻力。

这样，解决实车列车空气阻力的测量问题，实现列车空气阻力与列车其它阻力的解耦，将为中、高速旅客列车运行阻力公式的完善、列车节能设计的评估、高速列车动力配置以及列车空气动力学的基础研究等提供有效手段，具有重要工程意义。

发明内容

基于上述现有技术的问题，本发明的发明目的在于提供一种列车空气阻力测量的方法和以及采用这种方法的装置，用以在列车实车阻力测试中有效分离列车空气阻力与列车其它阻力。

一方面，本发明提供了一种列车空气阻力测量的方法，依据列车总阻力中列车空气阻力与列车质量基本无关以及其它阻力与列车质量成正比的特性，根据至少两个不同载重状态下列车惰行阻力测试以及列车总阻力的联合分析，测量列车空气阻力，该方法包括：

a.在至少两种列车载重状态下，分别进行列车惰行阻力测试，得到同步的时间、速度、里程数据；列车总质量以及旋转部件的总附加质量，列车总质量与总附加质量相加得到列车等效质量；

b.由上步得到的不同载重状态下的时间、速度、里程、列车质量、列车等效质量数据，得到不同载重状态下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线；

c.不同载重状态下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线乘以相应列车等效质量，得到不同载重状态下列车总阻力随速度变化曲线；

d.根据上述步骤获得不同载重状态下列车总阻力随速度变化曲线，得到列车空气阻力随速度变化曲线。

进一步地，所述列车载重状态一般包括空载状态与额定满载状态，可以包括其他介于空载状态与最大载荷状态之间的载重状态。

根据列车总阻力中列车空气阻力与列车质量基本无关以及其它阻力与列车质量成正比的特性，获得所述列车空气阻力，该列车空气阻力随速度变化曲线具有过零点且单调递增的特性。

另一方面，列车空气阻力随速度变化曲线具有的过零点且单调递增特性的可以在步骤b中通过不同载重状态下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线的联立求解实现。

列车空气阻力随速度变化曲线具有的过零点且单调递增特性也可以在步骤d中通过曲线拟合实现。

在所述步骤a中需要得到旋转部件的总附加质量，旋转部件的附加质量m_rI表示为

其中：J_i为该部件的转动惯量，N_I为该旋转部件相对轮对转动的传动比，R_I为对应的车轮半径。

另一方面，本发明还提供了一种列车空气阻力测试的装置，包括：载重状态控制模块，用于控制列车空气阻力测试中列车的载重状态；惰行阻力测试模块，用于在列车某载重状态下进行惰行阻力测试，得到同步的时间、速度、里程数据；质量模块，用于得到列车某载重状态下，列车质量、旋转附加质量及列车等效质量；单位等效质量阻力模块，用于得到某载重状态下，列车单位等效质量阻力随速度变化曲线；总阻力模块，用于得到某载重状态下，列车总阻力随速度变化曲线；空气及其它阻力模块，用于得到列车空气阻力以及其它与列车质量成正比的阻力。

本发明实施例的有益效果在于：在本发明实施例提供的技术方案中，依据列车总阻力中列车空气阻力与列车质量基本无关以及其它阻力与列车质量成正比的特性，通过不同载重条件下的列车惰行测量和总阻力联合分析，实现了列车空气阻力与列车其它阻力的解耦，解决了列车空气阻力的测量问题，为中、高速旅客列车运行阻力公式的完善、列车节能设计的评估、高速列车动力配置、列车空气动力学研究等提供了有效手段，具有重要工程意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例中的列车空气阻力测量方法的流程图；

图2为本发明第一实施例中的列车空气阻力物理特性保证过程的流程图；

图3为图1中步骤的另一个流程图；

图4为第二实施例中的列车空气阻力测量装置的框图。

具体实施方式

随着技术的发展，旅客列车速度越来越高，出于节能的考虑需要列车的总阻力尽可能地小，评估并控制空气阻力是实现这一目标的有效途径。

实现列车空气阻力测量的难点在于：实测得到的列车阻力包含了空气阻力的影响，也包含了列车质量的影响因素，两者是耦合的。由一个方程求解两个未知因素是不现实的，要实现列车空气阻力的解耦，需要根据物理过程的特点，合理引入约束条件(方程)。

德国ICE/V阻力公式为：F＝11.4M+(0.025M+17.86ρ)v+(0.17+0.0428N)ρv²，其中F为阻力(N)，M为列车质量(t)，ρ为空气密度(kg/m³)，N为中间车辆数，v为列车速度(km/h)。可以看到列车总阻力的物理特点：有一部分列车阻力是与列车质量成正比的，如公式中的F₁＝11.4M+0.025Mv部分；其余部分与列车质量基本无关，如公式中的F₂＝17.86ρv+(0.17+0.0428N)ρv²，这一部分实际上反映了列车空气阻力的大小；进一步分析F₂＝17.86ρv+(0.17+0.0428N)ρv²还可以看到，对应高速列车空气阻力而言，当列车足够长时，中间车的空气阻力是稳定的且基本一致。

这样，可以依据列车阻力产生过程的物理特点——列车总阻力中列车空气阻力与列车质量基本无关以及其它阻力与列车质量成正比的特性，通过不同载重条件下的列车惰行测量和总阻力联合分析，构成关联方程组，实现列车空气阻力与列车其它阻力的解耦，解决列车空气阻力的测量问题。

当然，列车空气阻力随速度变化的一些基本特性如列车空气阻力随速度变化曲线的过零点特性、列车空气阻力随速度变化曲线的递增特性必须满足，这在方法的具体实现上要综合考虑。

基于以上分析，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。

第一实施例

本实施例中的列车空气阻力测量方法，依据列车总阻力中列车空气阻力与列车质量基本无关以及其它阻力与列车质量成正比的特性，根据至少两个不同载重状态下列车惰行阻力测试以及列车总阻力的联合分析，测量列车空气阻力，如图1所示该方法包括以下步骤：

a.在列车载重状态I下，进行列车惰行阻力测试，得到同步的时间、速度、里程数据；

某载荷状态下列车惰行阻力测试需要依据相应规范进行，可以仅记录同步的时间及速度，考虑到测量精度、测量修正以及测量算法的需要优选同步测量时间、速度、里程。

b.获取载重状态I下列车总质量以及旋转部件的总附加质量，列车总质量与总附加质量相加得到列车等效质量；

载重状态I下，列车总质量M_I由称重得到。

旋转部件附加质量由计算得到，某旋转部件的附加质量m_rI可以表示为其中：J_i为该部件的转动惯量，N_I为该旋转部件相对轮对转动的传动比，R_I为对应的车轮半径。

载重状态I下，总附加质量

一般而言对于列车的不同载重状态总附加质量基本不变。

载重状态I下，列车等效质量M_eI＝M_I+M_rI。

c.在载重状态II下，进行a-b步的操作，得到载重状态II下，列车惰行阻力测试对应的同步时间、速度、里程数据以及相应列车总质量及列车等效质量；

载重状态II下，列车总质量、总附加质量及等效质量分别为M_II、M_rII及M_aII。

d.由以上各步得到的载重状态I、II下的时间、速度、里程、列车质量、列车等效质量数据，得到载重状态I、II下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线；

列车单位等效质量阻力随速度变化曲线fe(v)，也就是列车速度-加速度曲线，可以根据传统方法由不同载重状态下惰行阻力试验得到的速度-加速度散点图拟合得到，也可以结合仿真计算由相应时间-速度曲线或时间-里程曲线优化得到。

为保证本方法最终得到的列车空气阻力，满足列车空气阻力随速度变化曲线过零点且递增的特性，载重状态I、II下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线f_eI(v)及f_eII(v)可以对不同载重状态下惰行阻力试验数据进行联合求解得到。详细约束条件参见步骤f中的描述。e.载重状态I、II下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线乘以相应列车等效质量，得到载重状态I、II下列车总阻力随速度变化曲线；

某载重状态下列车总阻力随速度变化曲线为该载重状态下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线与该载重状态下列车等效质量的乘积。

载重状态I下列车总阻力随速度变化曲线F_I(v)＝M_eI×f_eI(v)。

载重状态II下列车总阻力随速度变化曲线F_II(v)＝M_eII×f_eII(v)。

需要说明的是，传统的提法：列车总阻力等于列车质量乘以单位质量阻力，由于在计算单位质量阻力时进行了列车等效质量与列车质量的简单比例转化，其本质及结果与本方法一致，但本方法更为简洁。

这样，通过步骤a-e，可以得到如下参数：

载重状态I、II下，列车质量M_I、M_II、总附加质量M_rI、M_rII及列车等效质量M_eI、M_eII；

载重状态I、II下，列车单位等效质量阻力随速度变化曲线f_eI(v)、f_eII(v)；

载重状态I、II下，列车总阻力随速度变化曲线f_I(v)＝M_eI×f_eI(v)、F_II(v)＝M_eII×f_eII(v)。

f.联立求解载重状态I以及载重状态II下列车总阻力随速度变化曲线，得到列车空气阻力随速度变化曲线。

如前所述，列车阻力具有物理特点——列车总阻力中列车空气阻力与列车质量基本无关；其它阻力与列车质量成正比。这样设列车空气阻力为F_e(v)、与质量成正比的单位其它阻力为f_m(v)，通过对不同载重条件下的列车总阻力的分析，可以构成如下关联方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_I\left(v\right)=F_a\left(v\right)+M_I\×f_m\left(v\right)\\ F_{\mathrm{II}}\left(v\right)=f_e\left(v\right)+M_{\mathrm{II}}\×f_m\left(v\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

该方程组中，F_I(v)、M_I、F_II(v)、M_II均为已知，且M_I≠M_II，方程组对应的系数矩阵

满秩，可以唯一求解得到列车空气阻力为F_a(v)以及与质量成正比的单位其它阻力为f_m(v)，从而实现列车空气阻力的测量。

为使直接求解方程组(1)得到的列车空气阻力F_a(v)符合列车空气阻力随速度变化曲线过零点且递增的基本特性，载重状态I、II下，列车总阻力随速度变化曲线F_I(v)＝M_eI×f_eI(v)、F_II(v)＝M_eII×f_eII(v)需要满足一定的条件。

将列车总阻力与列车单位阻力的关系带入方程组(1)，得

$\left\{\begin{array}{c}{F}_I\left(v\right)=F_a\left(v\right)+M_I\×f_m\left(v\right)=M_{\mathrm{el}}\×f_{\mathrm{el}}\left(v\right)\\ F_{\mathrm{II}}\left(v\right)=f_e\left(v\right)+M_{\mathrm{II}}\×f_m\left(v\right)=M_{\mathrm{ell}}\×f_{\mathrm{ell}}\left(v\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

求解方程组(2)，得

$F_e\left(v\right)=\frac{M_{\mathrm{II}}\×M_{\mathrm{eI}}\×f_{\mathrm{eI}}\left(v\right)-M_I\×M_{\mathrm{eI}}\×f_{\mathrm{eII}}\left(v\right)}{M_{\mathrm{II}}-M_I}$

要满足F_a(0)＝0，只要载重状态I、II下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线f_eI(v)、f_eII(v)满足约束条件：

M_II×M_eI×f_eI(0)-M_I×M_eII×f_eII(0)＝0。

若列车单位等效质量阻力随速度变化曲线f_a(v)，采用二次多项式a+b×v+c×v²的形式，则只需要在步骤d的不同载重状态(不失一般性，设M_II＞M_I)下惰行阻力试验数据进行联合求解时加入以下约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{II}}\×M_{\mathrm{eI}}\×a_I-M_I\×M_{\mathrm{eII}}\×a_{\mathrm{II}}\left(0\right)=0\\ M_{\mathrm{II}}\×M_{\mathrm{eI}}\×b_I-M_I\×M_{\mathrm{eII}}\×b_{\mathrm{II}}\left(0\right)\≥0\\ M_{\mathrm{II}}\×M_{\mathrm{eI}}\×c_I-M_I\×M_{\mathrm{eII}}\×c_{\mathrm{II}}\left(0\right)\≥0\end{array}\right.$

即可保证，直接求解方程组(1)得到的列车空气阻力F_a(v)符合列车空气阻力随速度变化曲线过零点且递增的基本特性。

若步骤d中，列车单位等效质量阻力随速度变化曲线F_eI(v)、f_eII(v)，分别由载重状态I、II下惰行阻力试验结果独立得到，此时直接求解方程组(1)得到的列车空气阻力F_a(v)，不一定能满足列车空气阻力随速度变化曲线过零点且递增的特性，此时可以用满足过零点且递增特性的曲线(如b×v+c×v²其中b≥0，c≥0)对直接得到的F_a(v)进行简单再拟合，以得到满足过零点且递增的特性。

总结以上，列车空气阻力随速度变化曲线过零点且递增的特性的2种具体实施方法如图2所示。

当引入多个载重状态I、II、...X进行列车空气阻力的测试时，分析方法类似，通过对列车总阻力的分析，可以构成如下关联方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_I\left(v\right)=F_e\left(v\right)+M_I\×f_m\left(v\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ F_X\left(v\right)=F_e\left(v\right)+M_X\×f_m\left(v\right)\end{array}\right.$

采用不同的准则，可以得到该准则下列车空气阻力F_a(v)以及与质量成正比的单位其它阻力f_m(Y)的优化解，从而实现列车空气阻力的测量。

显然，本方法可以同步实现列车空气阻力及其它与列车质量成正比阻力的测量，可以简单得到可扩展的列车阻力表达。

第二实施例

在本实施例中的列车空气阻力测量装置，如图3，包括载重状态控制模块、质量模块、单位等效质量阻力模块、总阻力模块、空气及其它阻力模块，其中：

所述载重状态控制模块，用于控制列车空气阻力测试中列车的载重状态；

所述惰行阻力测试模块，用于在列车某载重状态下进行惰行阻力测试，得到同步的时间、速度、里程数据；

所述质量模块，用于得到列车某载重状态下，列车质量、旋转附加质量及列车等效质量；

所述单位等效质量阻力模块，用于得到各载重状态下，列车单位等效质量阻力随速度变化曲线；

所述总阻力模块，用于得到各载重状态下，列车总阻力随速度变化曲线；

所述空气阻力模块，用于得到列车空气阻力以及其它与列车质量成正比的阻力。

为保证列车空气阻力随速度变化曲线过零点且递增的特性，所述单位等效质量阻力模块具体地还包含单位等效质量阻力模块1及单位等效质量阻力模块2两种模块。所述单位等效质量阻力模块1，用于各载重状态下，列车单位等效质量阻力随速度变化曲线的联立约束求解。所述单位等效质量阻力模块2，用于各载重状态下，列车单位等效质量阻力随速度变化曲线的单独求解。

为保证列车空气阻力随速度变化曲线过零点且递增的特性，所述空气阻力模块具体地还包含空气阻力模块1及空气阻力模块2两种模块。所述空气阻力模块1，用于列车空气阻力的直接求解。所述空气阻力模块2，用于对列车空气阻力直接求解，并对直接求解结果进行了约束拟合。

所述单位等效质量阻力模块1与所述空气阻力模块1配套使用；所述单位等效质量阻力模块2与所述空气阻力模块2配套使用。以上两种配套模块的使用，保证了列车空气阻力随速度变化曲线过零点且递增的特性。

可见，在本发明实施例中，通过引入不同载重条件下的列车惰行测量和总阻力联合分析，实现了列车空气阻力与列车其它阻力的解耦，解决了列车空气阻力的测量问题，为中、高速旅客列车运行阻力公式的完善、列车节能设计的评估、高速列车动力配置、列车空气动力学研究等提供了有效手段，具有重要工程意义。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

另外，本发明的保护范围并不局限于上述具体实施方式中所公开的具体实施例，而是只要满足本发明权利要求中技术特征的组合就落入了本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种列车空气阻力测量的方法，其特征在于，所述方法包括：

a.在至少两种列车载重状态下，分别进行列车惰行阻力测试，得到同步的时间、速度、里程数据；列车总质量以及旋转部件的总附加质量，列车总质量与总附加质量相加得到列车等效质量；

b.由上步得到的不同载重状态下的时间、速度、里程、列车质量、列车等效质量数据，得到不同载重状态下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线；

c.不同载重状态下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线乘以相应列车等效质量，得到不同载重状态下列车总阻力随速度变化曲线；

d.根据上述步骤获得不同载重状态下列车总阻力随速度变化曲线，得到列车空气阻力随速度变化曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据列车总阻力中列车空气阻力与列车质量基本无关以及其它阻力与列车质量成正比的特性，获得所述列车空气阻力，该列车空气阻力随速度变化曲线具有过零点且单调递增的特性。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，列车空气阻力随速度变化曲线具有的过零点且单调递增特性在步骤b中通过不同载重状态下列车单位等效质量阻力随速度变化曲线的联立求解实现。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，列车空气阻力随速度变化曲线具有的过零点且单调递增特性可以在步骤d中通过曲线拟合实现。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a中需要得到旋转部件的总附加质量，旋转部件的附加质量m_rI表示为

其中：J_i为该部件的转动惯量，N_I为该旋转部件相对轮对转动的传动比，R_I为对应的车轮半径。

6.一种采用如权利要求1-5所述方法的列车空气阻力测量的装置，其特征在于，该装置包括：

载重状态控制模块，所述载重状态控制模块用于控制列车空气阻力测试中列车的载重状态；

惰行阻力测试模块，所述惰行阻力测试模块用于在列车某载重状态下进行惰行阻力测试，得到同步的时间、速度、里程数据；

质量模块，所述质量模块用于得到列车某载重状态下，列车质量、旋转附加质量及列车等效质量；

单位等效质量阻力模块，所述单位等效质量阻力模块用于得到某载重状态下，列车单位等效质量阻力随速度变化曲线；

总阻力模块，所述总阻力模块用于得到某载重状态下，列车总阻力随速度变化曲线；以及

空气及其它阻力模块，所述空气及其它阻力模块用于得到列车空气阻力以及其它与列车质量成正比的阻力。

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