CN104228880A - 货物列车脱轨实时可靠停车控制方法 - Google Patents

Abstract

货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，是基于列车脱轨能量随机分析理论，针对各种典型的明确原因导致的脱轨工况进行模拟，建立各种典型原因条件下的计算模型；实现货物列车在各种明确原因条件下的脱轨全过程计算，全面总结明确原因条件下货物列车在脱轨瞬间的轮轨接触状态、轮轨相对位置和尺寸关系等，获得车轮悬浮量、钢轨横向相对位移等关键数据；从而确定货物列车车轮脱轨掉道检测装置的最小尺寸及安装位置，确保该装置既能克服车辆底部空间狭小的影响，又能使其在列车脱轨掉道第一时间准确触碰钢轨，控制列车刹车系统实时工作，实现及时停车。该方法可为研发机械式、电子式的列车车轮脱轨掉道检测装置提供重要的理论依据和合理的基础数据。

Description

货物列车脱轨实时可靠停车控制方法

技术领域

本发明涉及一种货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，特别是指一种基于轮轨接触状态及其相对位置的货物列车脱轨实时可靠停车控制方法。属于列车安全控制技术领域。

背景技术

随着重载铁路运输的发展，货物列车的轴重日益增大、编组辆数正在不断增加、行车速度也逐渐提高，安全问题已成为头等重要的问题。在行车事故中，列车脱轨是影响安全性最主要的隐患。根据原铁道部1998年统计近十年来的全部重大、大事故中，列车脱轨所占比例高达70％左右。列车脱轨给人民生命财产造成重大损害。实际上，保证货物列车安全平稳运行，是重载铁路的首要任务，也是我国重载铁路在国际轨道交通领域内树立良好国际形象的关键。一句话，“安全大如天”。

列车脱轨原因多种多样，但不外原因明确的脱轨和不明原因的脱轨两种。对于原因明确的脱轨，如：洪涝灾害、山体滑坡、大风、地震、无缝线路胀轨跑道、列车紧急制动、列车超速、断轨及车辆零部件损坏等引起的脱轨，国内外时有报道。但不管什么原因引起的列车脱轨事故，人们总是希望在列车脱轨的第一时间能让驾驶员知道，并及时停车。然而，在实际运营中，列车脱轨了，驾驶员未能及时发现，仍然前行，导致事故扩大化。为了减少损失，研发列车脱轨报警器十分必要。目前，国内外关于列车脱轨报警技术的研发已有一些报道，大体可分为电子信号式报警技术和机械式报警技术。电子信号式报警技术主要包括以下几种：

(1)在公开号为CN 1724300A的中国发明专利中，将应变传感器安装于机车钩尾筐上，采用列车脱轨报警系统对机车钩尾筐上的应力变化和列车速度变化进行分析，在列车脱轨初期发出报警信号，并通过GPRS通讯模块把脱轨信息发送给异地的检测中心，并作出判断。

(2)在公开号为CN 101028823A的中国发明专利中，将荷重传感器嵌装在上旁承和下旁承之间或将位移传感器安装在车体底架与轴箱导框之间，对列车重心横向动态变化数据进行测量，并将测得的数据传输到列车驾驶室的数据显示器里，经运算处理后得到列车重心横向动态摆动的方向和幅度，以达到预防列车发生脱轨事故的目的。

(3)在公开号为CN 100453374C的中国发明专利中，采用至少一个加速度传感器获取车轮垂直于轨道平面的加速度，通过单次整合的方法在轨道平面的垂直方向上测定车轮的下坠速度，根据测得的下坠速度，检测出列车是否脱轨。

(4)在公开号为CN 101309824A的中国发明专利中，将运动传感器安装在运输车车体的适当位置，用于获取运输车车体加速度；基于测得的车体加速度和车体的预定参数，对运输车侧架上的力及运输车车轮上的力进行计算；再根据前面的计算结果对车轮与轨道之间的接触力进行计算；最后，将算得的轮轨接触力数据通过发射器传送到收集站点。

(5)在公开号为CN 101531202A的中国发明专利中，将传感器安装于两条钢轨之间的传感器连接杆上，当列车脱轨的车轮压到传感器连接杆时，传感器向地面控制设备发出脱轨信号，地面控制设备接收脱轨信号后发出脱轨预警和紧急制动指令编码，并通过发射机向脱轨列车及附近机车发送编码后的指令，经脱轨列车及附近机车接收后，启动机车制动装置以制动列车。

(6)在公开号为CN 101376394A的中国发明专利中，在线路上设置多个预警测量点，每个预警测量点至少设置5个传感器安装于钢轨上，用于传感器测量数据采集。根据列车轴数信息和传感器测量数据生成列车通过预警测试点的事件，并启动脱轨预警进程。然后，通过钢轨的形变/应力参数分别获取脱轨系数、轮重减载率和疤痕预警数据，由此对列车脱轨的趋势做出评价。最后，根据评价结果决定是否进行脱轨预警操作。

这些电子信号式报警技术都具有一个共同的特点，就是需要采用传感器采集各种数据，并通过GPRS通讯模块或电子发射器传输至各收集站点，然后对采集的数据经过一系列的处理，最后发出报警信号。这样虽然起到了报警的作用，但是列车脱轨的时间非常短，并且列车司机在接收报警信号后实施制动还需要一定的反应时间，难以在列车脱轨掉道的第一时间实施制动，这势必会造成列车在脱轨后继续滑行，导致碰撞、倾覆等二次事故的发生，给人们的生命财产带来更大的损失。此外，对于第5种和第6种脱轨报警技术，需要在铁路线路上布置大量的传感器，这样的设置从经济的角度考虑，是难以实现的。同时，传感器长期处于露天环境，经风吹雨淋，难免会造成损坏，这也无形地增加了铁路维修部门的工作量。并且，列车的脱轨具有强烈的随机性，传感器连接杆或预警测量点的位置是否是列车真正脱轨的位置，还需进一步考证。

机械式报警技术主要有以下几类：

1、在公开号为CN 2675502Y、CN 2771054Y的中国实用新型专利中，根据车辆制动系统自身的特点，在每一根车轴上安装一拉环。正常情况下，拉环与车轴不接触，车轴悬置于拉环中。列车发生脱轨时，车轴可能向前、向后、向下运动，车轴碰撞拉环，而拉环连接着的使列车主风管通大气的装置被打断，随后主风管压力降低，从而使列车紧急停车。

2、在公开号为CN 1861456A的中国实用新型专利中，在列车的底部安装一些气管，这些气管一端与列车主风管相连，另一端密封，并且悬挂在钢轨上方适当位置。当轮对从钢轨上脱落时，气管受到撞击而破裂，使列车主风管自动放气，从而使列车停车。

3、在公开号为CN 2721473Y的中国实用新型专利中，在铁路车辆底部安装一根可旋转的机械传动机构，该机构包括脱轨时与钢轨发生碰撞作用的脱轨主动杆和受脱轨主动杆驱动的拨动杆。利用铁路车辆脱轨时车轮的位移，带动脱轨主动杆通过传动机构控制拨动杆打开列车制动主风管阀门，使主风管放气，从而使列车停车。

4、在公开号为CN 2780571Y的中国实用新型专利中，将铸铝制成的壳体安装在列车的车体上，每节车厢前后一个。壳体内设置了进气口、气室、阀口、质量块以及弹簧等组件。列车脱轨时，加速度使质量块产生向下的作用力，当该作用力足以克服弹簧向上的作用力时，即加速度超过设定的阀值时，阀口被打开，使壳内气体排向大气，从而使列车迅速制动。

这些机械式报警技术主要是通过切断列车制动主风管中气体的方式使列车及时停车。该方式相比电子信号式报警技术而言，其不仅能够避免因列车司机反应慢带来的损失，而且能够避免繁杂的电子信号处理过程。该方式适应性强，适合室外恶劣的环境条件，并且经济。然而，机械式报警装置大多是通过与钢轨触碰的方式来切断主风管，而触碰装置安装的位置以及覆盖范围是确保该装置能否在列车车轮脱轨掉道的第一时间准确与钢轨触碰的关键，同时机车车辆底部狭小的空间也制约着装置的设置。迄今为止，在机械式报警技术中，关于触碰装置安装位置的设置大多是凭借人们的经验而定的，不能实现实时控制车辆刹车系统工作，导致实际使用中机械式报警装置常常会出现漏判或误判的情况，严重影响着列车脱轨的准确判断或正常运行；如第2、第3项专利，其中第2项专利中提到气管应悬挂在钢轨上方适当位置，至今未见，关于列车车轮脱轨掉道检测装置最小尺寸及在车辆底部狭小空间的适当安装位置的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，本发明基于列车脱轨能量随机分析理论，通过计算列车脱轨瞬间轮轨接触状态、轮轨相对位置及尺寸关系，确定列车车轮脱轨掉道检测装置最小尺寸及安装位置，确保在车辆底部狭小的空间，实现列车车轮脱轨掉道检测装置的安全布设，确保能在列车脱轨掉道的第一时间检测并控制列车刹车系统实现实时刹车，避免现有列车车轮脱轨掉道检测装置的尺寸与安装位置导致的列车脱轨事故的进一步扩大，使列车及时停车。

本发明货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，包括下述步骤：

第一步：建立货物列车空间振动计算模型

1.1、边界条件设定：车体、转向架和轮对作为绝对刚体；弹簧为线性弹簧，阻尼按粘性阻尼计算；

1.2、根据列车脱轨能量随机分析理论，建立货物列车空间振动位移模式列阵，如式(1)：

式1中，

x_c,y_c,z_c,θ_c,ψ_c—车体纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_t1,y_t1,z_t1,θ_t1,ψ_t1—前转向架的纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_t2,y_t2,z_t2,θ_t2,ψ_t2—后转向架的纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_w1,x_w2,x_w3,x_w4—各轮对的纵向位移；

y_w1,y_w2,y_w3,y_w4—各轮对的横向位移；

1.3、根据式(1)的货物列车空间振动位移模式，建立第i辆车空间振动势能Π_Vi，如式(2)：

Π_Vi＝U_Ei+U_Gi+U_Ki+U_Ci+U_Pi+U_Fi  …….(2)

式(2)中：U_Ei—第i辆车的惯性力势能；U_Gi—第i辆车的重力势能和离心力势能；U_Ki—第i辆车的弹簧变形能；U_Ci—第i辆车的阻尼力势能；U_Pi—第i辆车的重力刚度势能；U_Fi—第i辆车的蠕滑力势能；

第二步：建立轨道空间振动计算模型

2.1、边界条件设定：将轨道结构离散为N个轨段单元，针对有砟轨道，将每个轨段单元划分为两层，上层为钢轨与轨枕通过扣件连接，下层为轨枕放置与弹性道床上；钢轨与轨枕之间的扣件采用线性弹簧及粘滞阻尼器进行模拟；轨枕视为弹性变形体，但不计其轴向变形和扭转变形；轨枕放置于弹性道床上，轨枕与弹性道床之间采用线性弹簧及粘滞阻尼器进行模拟，但不考虑道床本身的振动；钢轨视为连续弹性基础Euler梁，采用空间梁单元进行模拟；

2.2、轨道结构空间振动位移模型

根据列车脱轨能量随机分析理论，建立轨道结构空间振动位移模式列阵，如式(3)：

${\left\{\mathrm{\δ}\right\}}_e={\left\{\begin{array}{c}\left\{{\mathrm{\δ}}_1\right\}\\ \left\{{\mathrm{\δ}}_2\right\}\end{array}\right\}}_{34\×1}......\left(3\right)$

式(3)中

δ＝δ₀+δ₁+δ₂；

式(3)中，δ₁、δ₂分别表示轨段单元的左端和右端节点位移模式，且左端和右端节点的振动位移模式列阵分别如式(4)、(5)：

式(4)、(5)中：

上标T表示钢轨的位移，上标S表示轨枕的位移；

下标R表示右侧轨段，下标L表示左侧轨段；

U、V、W、θ分别表示轨段沿X、Y、Z三个方向的线位移和转角位移；

分别为第1根轨枕在Y方向上的位移，以及第1根轨枕在右边、左边与钢轨联接点在Z方向上的位移；

分别为第N根轨枕在Y方向上的位移，以及第N根轨枕在右边、左边与钢轨联接点在Z方向上的位移；

为钢轨沿X方向的翘曲变形；

2.3、根据式(3)的轨道结构空间振动位移模式，建立第j个轨段单元空间振动势能Π_Tj，如式(6)：

${\mathrm{\Π}}_{\mathrm{Tj}}=U_{\mathrm{Tj}}^I+U_{\mathrm{Tj}}^{\mathrm{II}}+U_{\mathrm{Sj}}+U_{\mathrm{Kj}}+U_{\mathrm{Cj}}+U_{\mathrm{Ej}}^I+U_{\mathrm{Ej}}^{\mathrm{II}}+U_{\mathrm{Ej}}^S......\left(6\right)$

式(6)中：

—第j个轨段单元中钢轨I的弹性应变能；

—第j个轨段单元中钢轨II的弹性应变能；

U_Sj—第j个轨段单元中轨枕总的变形能；

U_Kj—第j个轨段单元中总的弹簧变形能；

U_Cj—第j个轨段单元中总的阻尼力势能；

—第j个轨段单元中钢轨I的惯性力势能；

—第j个轨段单元中钢轨II的惯性力势能；

—第j个轨段单元中轨枕总的惯性力势能；

第三步：建立列车-轨道系统空间振动方程

3.1、设在时刻t时,有m辆车运行在轨道结构上，该时刻列车空间振动总势能如(7)式所示：

${\mathrm{\Π}}_V=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{vi}}......\left(7\right)$

3.2、轨道结构空间振动总势能Π_T，计算式如式(8)所示。

${\mathrm{\Π}}_T=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{Tj}}......\left(8\right)$

3.3、列车-轨道系统空间振动方程

根据列车脱轨能量随机分析理论，将列车系统和轨道系统作为一个整体；

轮轨衔接条件：考虑轮轨横向、竖向相对位移，考虑轮轨“游间”影响；得到列车-轨道系统空间振动总势能Π，如式(9)：

Π＝Π_V+Π_T  ……(9)

根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则，根据车辆类型属性、轨道类型属性，得到列车-轨道系统在时刻t时的总体刚度矩阵[K]、总体质量矩阵[M]、总体阻尼矩阵[C]及总体荷载列阵{P}以及列车-轨道系统在时刻t的空间振动矩阵方程如式(10)：

$\left[M\right]\left\{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[C\right]\left\{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[K\right]\left\{\mathrm{\δ}\right\}=\left\{P\right\}......\left(10\right)$

{δ}＝{δ₀}+{δ₁}+δ₂}

式(10)中

δ＝δ₀+δ₁+δ₂；

为对δ求时间的一阶导数；

为对δ求时间的二阶导数；

所述车辆类型属性是：

车体与转向架间的纵向、横向和竖向弹簧刚度(二系弹簧刚度)K_2x、K_2y、K_2z；

车体与转向架间的纵向、横向和竖向阻尼系数(二系阻尼系数)C_2x、C_2y、C_2z；

转向架与轮对间的纵向、横向和竖向弹簧刚度(一系弹簧刚度)K_1x、K_1y、K_1z；

转向架与轮对间的纵向、横向和竖向阻尼系数(一系阻尼系数)C_2x、C_2y、C_2z；

车体全长之半L；

车辆前后转向架中心距之半l

同一转向架所属二轮对轴距之半L₁；

轮对两滚动圆间距之半B；

轴箱弹簧横向间距之半B₁；

车体中央弹簧横向间距之半B₂；

转向架中央纵向弹簧横向间距之半B₃；

轴箱纵向弹簧横向间距之半B₄；

车体中心到中央横向弹簧的距离H₁；

转向架中心到中央横向弹簧的距离H₂；

轮对重心到转向架重心的距离H₃；

列车时速V；

山体滑坡力F_HP；

横向风力F₁；

所述轨道类型属性是：

道床竖向、横向弹性系数K1、K2；

道床竖向、横向阻尼系数C1、C2；

道床纵向弹性系数和阻尼系数K3、C3；

钢轨与轨枕之间的竖向、横向弹性系数K4、K5；

钢轨与轨枕之间的竖向、横向阻尼系数C4、C5；

第四步：解式(10)，得到时刻t时的：

车轮悬浮量Δz；

转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt；

第五步：当Δz≥25mm时，得到时刻t时对应的转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt＝y_t-V^Ι,ΙΙ-y_ior，其中：

y_t为转向架横向位移；

V^Ι,ΙΙ钢轨I或钢对II与转向架对应位置的横向位移；

y_ior为采用正弦函数模拟的轨道横向不平顺；

第六步：在车辆转向架上设置列车车轮脱轨掉道检测装置，所述列车车轮脱轨掉道检测装置通过一碰块控制车辆刹车系统，所述碰块以钢轨轴线为对称轴安装在钢轨上方，碰块垂直于钢轨轴线方向的长度至少为转向架与钢轨横向相对位移|Δ_tt|的2.5-3倍，碰块距钢轨的竖向距离小于等于钢轨的高度。

本发明货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，碰块垂直于钢轨轴线方向的长度为转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt的2.5-3倍。

本发明货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，碰块横截面形状为圆形、矩形、正多边形、椭圆形、十字形中的一种。

本发明由于采用上述方法，基于列车脱轨能量随机分析理论，针对各种典型的明确原因(如：洪涝灾害、山体滑坡、大风、地震、无缝线路胀轨跑道、列车紧急制动、列车超速、断轨及车辆零部件损坏等)导致的脱轨工况进行模拟，分别建立各种典型原因条件下的计算模型；实现货物列车在各种明确原因条件下的脱轨全过程计算，全面总结明确原因条件下货物列车在脱轨瞬间的轮轨接触状态、轮轨相对位置和尺寸关系等，进一步获得车轮悬浮量、转向架与钢轨横向相对位移等关键数据；根据所获得的关键数据，确定货物列车车轮脱轨掉道检测装置的最小尺寸并确定其具体安装位置。确保该装置既能克服车辆底部空间狭小的影响，又能使其列车脱轨掉道第一时间准确触碰钢轨，进而使由装置控制的列车刹车系统实时工作，实现及时停车。该方法可为研发机械式、电子式的列车车轮脱轨掉道检测装置提供重要的理论依据和合理的基础数据。

本发明首次提供了一种货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，并为研发机械式、电子式的列车车轮脱轨掉道检测装置提供依据。根据本发明方法提供的列车车轮脱轨掉道检测装置最小尺寸及安装位置要求，在保证货物列车的安全、平稳运行的前提下，可以有效克服车辆底部的狭小空间不方便安装列车车轮脱轨掉道检测装置的缺陷，并且确保检测装置在列车脱轨瞬间与钢轨触碰，实时控制由列车车轮脱轨掉道检测装置控制的列车刹车系统工作，确保列车发生脱轨时，第一时间控制列车停车，避免现有列车车轮脱轨掉道检测装置的尺寸与安装位置导致的列车脱轨事故的进一步扩大。本发明的优点简述于下：

1、根据本发明方法提供的列车车轮脱轨掉道检测装置最小尺寸及安装位置要求，在保证货物列车的安全、平稳运行的前提下，可以有效克服车辆底部的狭小空间不方便安装列车车轮脱轨掉道检测装置的缺陷；

2、根据本发明方法提供的列车车轮脱轨掉道检测装置最小尺寸及安装位置要求，可以有效避免检测装置在列车脱轨第一时间出现误检或漏检，无论列车在垂直于运行方向的左侧还是右侧脱轨，都可以确保装置在列车在脱轨瞬间及时与钢轨触碰，进而实时控制列车刹车系统工作，使列车及时停车；

综上所述，本发明基于列车脱轨能量随机分析理论，通过计算列车脱轨瞬间轮轨接触状态、轮轨相对位置及尺寸关系，确定列车车轮脱轨掉道检测装置最小尺寸及安装位置，确保在车辆底部狭小的空间，实现列车车轮脱轨掉道检测装置的安全布设，确保能在列车脱轨掉道的第一时间检测并控制列车刹车系统实现实时刹车，避免现有列车车轮脱轨掉道检测装置的尺寸与安装位置导致的列车脱轨事故的进一步扩大，使列车及时停车。

附图说明

附图1是货物列车脱轨实时可靠停车控制方法流程图。

附图2是货物列车主视方向位移模式示意图。

附图3是货物列车左视方向位移模式示意图。

附图4是货物列车俯视方向位移模式示意图。

附图5为轨道结构空间振动位移模式立体示意图。

附图6为轨道结构主视方向空间振动位移模式示意图。

附图7为轨道结构左视方向空间振动位移模式示意图。

附图8是货物列车车轮脱轨掉道检测装置结构示意图。

附图9是货物列车车轮脱轨掉道检测装置结构放大图。

附图10是一种货物列车车轮脱轨掉道检测装置结构示意图。

附图11是附图10中处于放气状态的货物列车车轮脱轨掉道检测装置结构示意图。

附图12是另一种货物列车车轮脱轨掉道检测装置结构示意图。

附图13是附图12中处于放气状态的货物列车车轮脱轨掉道检测装置结构示意图。

附图中：1-风管支管，2-横向钢管，3-U型管卡，4-三通口，5-竖向钢管，6-竖向钢管，7-圆形密封盖，8-连接竖杆，9-活塞，10-触碰圆盘，11-转向架摇枕，12-转向架侧架，13-列车车轮，14-钢轨。

具体实施方式

本发明基于列车脱轨能量随机分析理论，针对明确原因(如：洪涝灾害、山体滑坡、大风、地震、无缝线路胀轨跑道、列车紧急制动、列车超速、断轨及车辆零部件损坏等)导致的脱轨工况进行了货物列车脱轨全过程计算，全面总结明确原因条件下货物列车在脱轨瞬间的轮轨接触状态、相对位置及几何尺寸关系等，并获得车轮悬浮量、转向架与钢轨横向相对位移等关键数据，实现本发明所提供的货物列车脱轨实时可靠停车控制方法。

以下结合具体实施例对本发明作详细说明：

参见附图1-8，本发明实施例中，货物列车空间振动计算模型建立，轨道空间振动计算模型建立，列车-轨道系统空间振动方程建立的步骤相同，具体包括以下步骤：

第一步：建立货物列车空间振动计算模型

1.1、边界条件设定：车体、转向架和轮对作为绝对刚体；弹簧为线性弹簧，阻尼按粘性阻尼计算；

1.2、根据列车脱轨能量随机分析理论，建立货物列车空间振动位移模式列阵，如式(1)：

式1中，

x_c,y_c,z_c,θ_c,ψ_c—车体纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_t1,y_t1,z_t1,θ_t1,ψ_t1—前转向架的纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_t2,y_t2,z_t2,θ_t2,ψ_t2—后转向架的纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_w1,x_w2,x_w3,x_w4—各轮对的纵向位移；

y_w1,y_w2,y_w3,y_w4—各轮对的横向位移；

1.3、根据式(1)的货物列车空间振动位移模式，建立第i辆车空间振动势能Π_Vi，如式(2)：

Π_Vi＝U_Ei+U_Gi+U_Ki+U_Ci+U_Pi+U_Fi…….(2)

式(2)中：U_Ei—第i辆车的惯性力势能；U_Gi—第i辆车的重力势能和离心力势能；U_Ki—第i辆车的弹簧变形能；U_Ci—第i辆车的阻尼力势能；U_Pi—第i辆车的重力刚度势能；U_Fi—第i辆车的蠕滑力势能；

第二步：建立轨道空间振动计算模型

2.1、边界条件设定：将轨道结构离散为N个轨段单元，针对有砟轨道，将每个轨段单元划分为两层，上层为钢轨与轨枕通过扣件连接，下层为轨枕放置与弹性道床上；钢轨与轨枕之间的扣件采用线性弹簧及粘滞阻尼器进行模拟；轨枕视为弹性变形体，但不计其轴向变形和扭转变形；轨枕放置于弹性道床上，轨枕与弹性道床之间采用线性弹簧及粘滞阻尼器进行模拟，但不考虑道床本身的振动；钢轨视为连续弹性基础Euler梁，采用空间梁单元进行模拟；

2.2、轨道结构空间振动位移模型

根据列车脱轨能量随机分析理论，建立轨道结构空间振动位移模式列阵，如式(3)：

${\left\{\mathrm{\δ}\right\}}_e={\left\{\begin{array}{c}\left\{{\mathrm{\δ}}_1\right\}\\ \left\{{\mathrm{\δ}}_2\right\}\end{array}\right\}}_{34\×1}......\left(3\right)$

式(3)中

δ＝δ₀+δ₁+δ₂；

式(3)中，δ₁、δ₂分别表示轨段单元的左端和右端节点位移模式，且左端和右端节点的振动位移模式列阵分别如式(4)、(5)：

式(4)、(5)中：

上标T表示钢轨的位移，上标S表示轨枕的位移；

下标R表示右侧轨段，下标L表示左侧轨段；

U、V、W、θ分别表示轨段沿X、Y、Z三个方向的线位移和转角位移；

分别为第1根轨枕在Y方向上的位移，以及第1根轨枕在右边、左边与钢轨联接点在Z方向上的位移；

分别为第N根轨枕在Y方向上的位移，以及第N根轨枕在右边、左边与钢轨联接点在Z方向上的位移；

为钢轨沿X方向的翘曲变形；

2.3、根据式(3)的轨道结构空间振动位移模式，建立第j个轨段单元空间振动势能Π_Tj，如式(6)：

${\mathrm{\Π}}_{\mathrm{Tj}}=U_{\mathrm{Tj}}^I+U_{\mathrm{Tj}}^{\mathrm{II}}+U_{\mathrm{Sj}}+U_{\mathrm{Kj}}+U_{\mathrm{Cj}}+U_{\mathrm{Ej}}^I+U_{\mathrm{Ej}}^{\mathrm{II}}+U_{\mathrm{Ej}}^S......\left(6\right)$

式(6)中：

—第j个轨段单元中钢轨I的弹性应变能；

—第j个轨段单元中钢轨II的弹性应变能；

U_Sj—第j个轨段单元中轨枕总的变形能；

U_Kj—第j个轨段单元中总的弹簧变形能；

U_Cj—第j个轨段单元中总的阻尼力势能；

—第j个轨段单元中钢轨I的惯性力势能；

—第j个轨段单元中钢轨II的惯性力势能；

—第j个轨段单元中轨枕总的惯性力势能；

第三步：建立列车-轨道系统空间振动方程

3.1、设在时刻t时,有m辆车运行在轨道结构上，该时刻列车空间振动总势能如(7)式所示：

${\mathrm{\Π}}_V=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{vi}}......\left(7\right)$

3.2、轨道结构空间振动总势能Π_T，计算式如式(8)所示。

${\mathrm{\Π}}_T=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{Tj}}......\left(8\right)$

3.3、列车-轨道系统空间振动方程

根据列车脱轨能量随机分析理论，将列车系统和轨道系统作为一个整体；

轮轨衔接条件：考虑轮轨横向、竖向相对位移，考虑轮轨“游间”影响；得到列车-轨道系统空间振动总势能Π，如式(9)：

Π＝Π_V+Π_T  ……(9)

根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则，根据车辆类型属性、轨道类型属性，得到列车-轨道系统在时刻t时的总体刚度矩阵[K]、总体质量矩阵[M]、总体阻尼矩阵[C]及总体荷载列阵{P}以及列车-轨道系统在时刻t的空间振动矩阵方程如式(10)：

$\left[M\right]\left\{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[C\right]\left\{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[K\right]\left\{\mathrm{\δ}\right\}=\left\{P\right\}......\left(10\right)$

式(10)中

δ＝δ₀+δ₁+δ₂；

为δ对时间求一阶导数；

为δ对时间求二阶导数；

所述车辆类型属性是：

车体与转向架间的纵向、横向和竖向弹簧刚度(二系弹簧刚度)K_2x、K_2y、K_2z；

车体与转向架间的纵向、横向和竖向阻尼系数(二系阻尼系数)C_2x、C_2y、C_2z；

转向架与轮对间的纵向、横向和竖向弹簧刚度(一系弹簧刚度)K_1x、K_1y、K_1z；

转向架与轮对间的纵向、横向和竖向阻尼系数(一系阻尼系数)C_2x、C_2y、C_2z；

车体全长之半L；

车辆前后转向架中心距之半l

同一转向架所属二轮对轴距之半L₁；

轮对两滚动圆间距之半B；

轴箱弹簧横向间距之半B₁；

车体中央弹簧横向间距之半B₂；

转向架中央纵向弹簧横向间距之半B₃；

轴箱纵向弹簧横向间距之半B₄；

车体中心到中央横向弹簧的距离H₁；

转向架中心到中央横向弹簧的距离H₂；

轮对重心到转向架重心的距离H₃；

列车时速V；

山体滑坡力F_HP；

横向风力F₁；

所述轨道类型属性是：

道床竖向、横向弹性系数K1、K2；

道床竖向、横向阻尼系数C1、C2；

道床纵向弹性系数和阻尼系数K3、C3；

钢轨与轨枕之间的竖向、横向弹性系数K4、K5；

钢轨与轨枕之间的竖向、横向阻尼系数C4、C5；

实施例1，以洪涝灾害为例

求解列车‐轨道系统空间振动方程，式(10)，由于，洪涝灾害只存在对轨道结构的破坏，大多体现为轨下基础被洪水冲毁，即轨道结构中轨排下部支承失效；因此，将轨道模型中的道床各个方向上的弹簧系数和阻尼系数均设置为0，即K1、K2、K3、C1、C2、C3均为0；轨枕支承失效根数为：连续10根轨枕支承失效的最不利工况，得到Δz＝25mm时刻t的转向架横向位移y_t＝-69.4mm及钢轨I或钢对II与转向架对应位置的横向位移V^Ι,ΙΙ＝-8.6mm，采用正弦函数模拟轨道横向不平顺数据y_ior＝-2.6mm，据Δ_tt＝y_t-V^Ι,ΙΙ-y_ior得到转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt＝-58.2mm(“-”表示与坐标方向相反)；

在车辆转向架上设置列车车轮脱轨掉道检测装置，所述列车车轮脱轨掉道检测装置通过一碰块控制车辆刹车系统，所述碰块尺寸按2.2*|Δ_tt|确定为128mm，形状为椭圆形，然后，将碰块以钢轨轴线为对称轴安装在钢轨上方，碰块距钢轨的竖向距离为80mm。

实施例2，以山体滑坡为例

山体滑坡对货物列车的影响表现为砂石土块等异物撞击在列车的车厢上，致使列车发生脱轨事故，在货物列车车体上施加横向力F_HP＝350kN，求解列车‐轨道系统空间振动方程，式(10)，得到Δz＝25mm时刻t的转向架横向位移y_t＝-73.3mm及钢轨I或钢对II与转向架对应位置的横向位移V^Ι,ΙΙ＝-5.2mm，采用正弦函数模拟轨道横向不平顺数据y_ior＝3.1mm，据Δ_tt＝y_t-V^Ι,ΙΙ-y_ior得到转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt＝71.2mm(“-”表示与坐标方向相反)；

在车辆转向架上设置列车车轮脱轨掉道检测装置，所述列车车轮脱轨掉道检测装置通过一碰块控制车辆刹车系统，所述碰块尺寸按2.5*|Δ_tt|确定为178mm，形状为十字形，然后，将碰块以钢轨轴线为对称轴安装在钢轨上方，碰块距钢轨的竖向距离为80mm。

实施例3，以大风灾害为例

大风对货物列车的影响常常表现为使货物列车倾覆、吹翻或发生脱轨事故，大风环境条件为：瞬时风速达到17m/s，选择8～10级标定风速范围内的最大风速进行计算；求解列车‐轨道系统空间振动方程，式(10)，得到Δz＝25mm时刻t的转向架横向位移y_t＝-92.2mm及钢轨I或钢对II与转向架对应位置的横向位移V^Ι,ΙΙ＝-8.2mm，采用正弦函数模拟轨道横向不平顺数据y_ior＝3.3，据Δ_tt＝y_t-V^Ι,ΙΙ-y_ior得到转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt＝87.3mm(“-”表示与坐标方向相反)；

在车辆转向架上设置列车车轮脱轨掉道检测装置，所述列车车轮脱轨掉道检测装置通过一碰块控制车辆刹车系统，所述碰块尺寸按3*|Δ_tt|确定为262mm，形状为正方形，然后，将碰块以钢轨轴线为对称轴安装在钢轨上方，碰块距钢轨的竖向距离为80mm。

实施例4，以列车超速为例

列车超速运行条件为：速度V＝65km/h，轨道曲线半径300m，曲线外轨超高为0.07m，求解列车‐轨道系统空间振动方程，式(10)，得到Δz＝25mm时刻t的转向架横向位移y_t＝-79.8mm及钢轨I或钢对II与转向架对应位置的横向位移V^Ι,ΙΙ＝-5.3mm，采用正弦函数模拟轨道横向不平顺数据y_ior＝3.6mm，据Δ_tt＝y_t-V^Ι,ΙΙ-y_ior得到转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt＝78.1mm(“-”表示与坐标方向相反)；

在车辆转向架上设置列车车轮脱轨掉道检测装置，所述列车车轮脱轨掉道检测装置通过一碰块控制车辆刹车系统，所述碰块尺寸按2.8*|Δ_tt|确定为219mm，形状为圆形，然后，将碰块以钢轨轴线为对称轴安装在钢轨上方，碰块距钢轨的竖向距离为80mm。

参见附图8，本发明实施例4提供的列车车轮脱轨掉道检测装置

(1)列车车轮脱轨掉道检测装置的横向钢管2通过U型管卡3固定在转向架摇枕11上，横向钢管2需要与竖向钢管6相互连通，并且，竖向钢管6通过U型管卡3固定在转向架摇枕11的中心位置处。这样，就可将脱轨掉道检测装置固定在转向架摇枕11上，并且，XYZ三个方向上的移动和转动均被限制，能够较好的保证停车装置的稳固；

(2)竖向钢管5通过三通口4与横向钢管2相连接，连接部分需要做好密封处理，避免漏气；

(3)触碰圆盘10和连接竖杆8需要分别固定在活塞9的上、下表面处，这里建议采用螺纹连接或者焊接；

(4)连接竖杆8与圆形密封盖7之间的连接方式，这里提供两种方案，分别为：

方案一：连接竖杆8与圆形密封盖7之间采用的密封材料密封连接，能够较好的保证圆形密封盖7的气密性。这样，连接竖杆8即可将圆形密封盖7顶飞，起到主风管快速放气的作用；

方案二：连接竖杆8与圆形密封盖7采用螺纹固接，当连接竖杆8向上顶起时，圆形密封盖7也随之向上移动，此时，主风管快速放气。

(5)圆形密封盖7、连接竖杆8、活塞9和触碰圆盘10的截面圆心均应保持在同一直线上并与水平面垂直，同时，触碰圆盘10的圆心应与钢轨轨头中点位置相垂直。

本发明列车车轮脱轨掉道检测装置中，触碰部件不可超过车辆正常运行的界限以及对车轮的运行不产生干扰；触碰部件与钢轨顶面的垂直距离需要满足车轮脱轨落地之前触碰部件与钢轨触碰，即触碰部件与钢轨顶面的垂直距离应小于钢轨本身的高度，这样设置是因为确保触碰部件在货物列车车轮脱轨掉道的第一时间与钢轨触碰；该装置适用于货物列车车轮爬轨后导致的脱轨，而对货物列车倾覆或车轮大范围的横移，本发明不适用；同时由于货物列车大多自重较大，大范围的横移较为少见。基于上述货物列车车轮脱轨掉道检测装置的具体要求，本发明提供的一种列车车轮脱轨掉道检测装置的工作原理是：

(1)列车车轮13脱轨掉道，触碰圆盘10随着转向架摇枕11及侧架12的下降逐渐触碰钢轨14；

(2)钢轨14反过来向上推挤触碰圆盘10，触碰圆盘10向上挤压活塞9；

(3)活塞9向上推动连接竖杆8，连接竖杆8顶开三通口4上端的圆形密封盖7；

(4)主风管中气体经风管支管1、横向钢管2及三通口4流向大气，此时，主风管放气，使列车及时停车。

表1实施例1-4得到的具体数据

注：表1中数据均为典型原因下各工况的最大值，“-”表示计算结果与坐标轴相反。

Claims (3)

1.货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，包括下述步骤：

第一步：建立货物列车空间振动计算模型

1.1、边界条件设定：车体、转向架和轮对作为绝对刚体；弹簧为

线性弹簧，阻尼按粘性阻尼计算；

1.2、根据列车脱轨能量随机分析理论，建立货物列车空间振动位移模式列阵，如式(1)：

式1中，

x_c,y_c,z_c,θ_c,ψ_c—车体纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_t1,y_t1,z_t1,θ_t1,ψ_t1—前转向架的纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_t2,y_t2,z_t2,θ_t2,ψ_t2—后转向架的纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；

x_w1,x_w2,x_w3,x_w4—各轮对的纵向位移；

y_w1,y_w2,y_w3,y_w4—各轮对的横向位移；

1.3、根据式(1)的货物列车空间振动位移模式，建立第i辆车空间振动势能Π_Vi，如式(2)：

Π_Vi＝U_Ei+U_Gi+U_Ki+U_Ci+U_Pi+U_Fi…….(2)

式(2)中：U_Ei—第i辆车的惯性力势能；U_Gi—第i辆车的重力势能和离心力势能；U_Ki—第i辆车的弹簧变形能；U_Ci—第i辆车的阻尼力势能；U_Pi—第i辆车的重力刚度势能；U_Fi—第i辆车的蠕滑力势能；

第二步：建立钢轨空间振动计算模型

2.1、边界条件设定：将轨道结构离散为N个轨段单元，针对有砟轨道，将每个轨段单元划分为两层，上层为钢轨与轨枕通过扣件连接，下层为轨枕放置与弹性道床上；钢轨与轨枕之间的扣件采用线性弹簧及粘滞阻尼器进行模拟；轨枕视为弹性变形体，但不计其轴向变形和扭转变形；轨枕放置于弹性道床上，轨枕与弹性道床之间采用线性弹簧及粘滞阻尼器进行模拟，但不考虑道床本身的振动；钢轨视为连续弹性基础Euler梁，采用空间梁单元进行模拟；

2.2、轨道结构空间振动位移模型

根据列车脱轨能量随机分析理论，建立轨道结构空间振动位移模式列阵，如式(3)：

${\left\{\mathrm{\δ}\right\}}_e={\left\{\begin{array}{c}\left\{{\mathrm{\δ}}_1\right\}\\ \left\{{\mathrm{\δ}}_2\right\}\end{array}\right\}}_{34\×1}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

式(3)中

δ＝δ₀+δ₁+δ₂；

式(3)中，δ₁、δ₂分别表示轨段单元的左端和右端节点位移模式，且左端和右端节点的振动位移模式列阵分别如式(4)、(5)：

式(4)、(5)中：

上标T表示钢轨的位移，上标S表示轨枕的位移；

下标R表示右侧轨段，下标L表示左侧轨段；

U、V、W、θ分别表示轨段沿X、Y、Z三个方向的线位移和转角位移；

V₁ ^S,分别为第1根轨枕在Y方向上的位移，以及第1根轨枕在右边、左边与钢轨联接点在Z方向上的位移；

V₂ ^S,分别为第N根轨枕在Y方向上的位移，以及第N根轨枕在右边、左边与钢轨联接点在Z方向上的位移；

为钢轨沿X方向的翘曲变形；

2.3、根据式(3)的轨道结构空间振动位移模式，建立第j个轨段单元空间振动势能Π_Tj，如式(6)：

${\mathrm{\Π}}_{\mathrm{Tj}}=U_{\mathrm{Tj}}^I+U_{\mathrm{Tj}}^{\mathrm{II}}+U_{\mathrm{Sj}}+U_{\mathrm{Kj}}+U_{\mathrm{Cj}}+U_{\mathrm{Ej}}^I+U_{\mathrm{Ej}}^{\mathrm{II}}+U_{\mathrm{Ej}}^S\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$

式(6)中：

—第j个轨段单元中钢轨I的弹性应变能；

—第j个轨段单元中钢轨II的弹性应变能；

U_Sj—第j个轨段单元中轨枕总的变形能；

U_Kj—第j个轨段单元中总的弹簧变形能；

U_Cj—第j个轨段单元中总的阻尼力势能；

—第j个轨段单元中钢轨I的惯性力势能；

—第j个轨段单元中钢轨II的惯性力势能；

—第j个轨段单元中轨枕总的惯性力势能；

第三步：建立列车-轨道系统空间振动方程

3.1、设在时刻t时,有m辆车运行在轨道结构上，该时刻列车空间振动总势能如(7)式所示：

${\mathrm{\Π}}_V=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{vi}}\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

3.2、轨道结构空间振动总势能Π_T，计算式如式(8)所示。

${\mathrm{\Π}}_T=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{Tj}}\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

3.3、列车‐轨道系统空间振动方程

根据列车脱轨能量随机分析理论，将列车系统和轨道系统作为一个整体；

轮轨衔接条件：考虑轮轨横向、竖向相对位移，考虑轮轨“游间”影响；得到列车-轨道系统空间振动总势能Π，如式(9)：

Π＝Π_V+Π_T                     ……(9)

根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则，根据车辆类型属性、轨道类型属性，得到列车-轨道系统在时刻t时的总体刚度矩阵[K]、总体质量矩阵[M]、总体阻尼矩阵[C]及总体荷载列阵{P}以及列车-轨道系统在时刻t的空间振动矩阵方程如式(10)：

$\left[M\right]\left\{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[C\right]\left\{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[K\right]\left\{\mathrm{\δ}\right\}=\left\{P\right\}\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

式(10)中

δ＝δ₀+δ₁+δ₂；

为对δ求时间的一阶导数；

为对δ求时间的二阶导数；

式(10)中， $\left[M\right]\left\{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[C\right]\left\{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[K\right]\left\{\mathrm{\δ}\right\}=\left\{P\right\}$ 所述车辆类型属性是：车体与转向架间的纵向、横向和竖向弹簧刚度K_2x、K_2y、K_2z；

车体与转向架间的纵向、横向和竖向阻尼系数C_2x、C_2y、C_2z；

转向架与轮对间的纵向、横向和竖向弹簧刚度K_1x、K_1y、K_1z；

转向架与轮对间的纵向、横向和竖向阻尼系数C_2x、C_2y、C_2z；

车体全长之半L；

车辆前后转向架中心距之半l

同一转向架所属二轮对轴距之半L₁；

轮对两滚动圆间距之半B；

轴箱弹簧横向间距之半B₁；

车体中央弹簧横向间距之半B₂；

转向架中央纵向弹簧横向间距之半B₃；

轴箱纵向弹簧横向间距之半B₄；

车体中心到中央横向弹簧的距离H₁；

转向架中心到中央横向弹簧的距离H₂；

轮对重心到转向架重心的距离H₃；

列车时速V；

山体滑坡力F_HP；

横向风力F₂；

所述轨道类型属性是：

道床竖向、横向弹性系数K1、K2；

道床竖向、横向阻尼系数C1、C2；

道床纵向弹性系数和阻尼系数K3、C3；

钢轨与轨枕之间的竖向、横向弹性系数K4、K5；

钢轨与轨枕之间的竖向、横向阻尼系数C4、C5；

第四步：解式(10)，得到时刻t时的：

车轮悬浮量Δz；

转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt；

第五步：当Δz≥25mm时，得到时刻t时对应的转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt＝y_t-V^Ι,ΙΙ-y_ior，其中：

y_t为转向架横向位移；

V^Ι,ΙΙ钢轨I或钢对II与转向架对应位置的横向位移；

y_ior为采用正弦函数模拟的轨道横向不平顺；

第六步：在车辆转向架上设置列车车轮脱轨掉道检测装置，所述列车车轮脱轨掉道检测装置通过一碰块控制车辆刹车系统，所述碰块以钢轨轴线为对称轴安装在钢轨上方，碰块垂直于钢轨轴线方向的长度至少为转向架与钢轨横向相对位移|Δ_tt|的2.5-3倍，碰块距钢轨的竖向距离小于等于钢轨的高度。

2.根据权利要求1所述的货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，其特征在于：碰块垂直于钢轨轴线方向的长度为转向架与钢轨横向相对位移|Δ_tt|的2.5-3倍。

3.根据权利要求2所述的货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，其特征在于：碰块横截面形状为圆形、矩形、正多边形、椭圆形、十字形中的一种。