CN104573397B - 一种计算铁道车辆动态包络线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种计算铁道车辆动态包络线的方法。根据该方法，可先在车体上确定3个计算截面，并在各截面上设置序号、位置相同的观测点；其次，基于车辆/轨道耦合动力学模型，综合考虑车辆和轨道参振的影响，快速确定3个计算截面观测点动态位移；然后，对于序号相同的观测点，取3个计算截面动态位移的最大值；最后，根据每个观测点的原始坐标值，加上其相应的最大动态位移和静态位移，即可绘制出整个车辆在轨道上运行过程中的动态包络线。该发明较传统的铁道车辆动态包络线计算方法而言，其提出的计算方法更能反映客观实际，可为铁道车辆动态包络线计算提供科学的理论依据和具体实施指导。

Description

一种计算铁道车辆动态包络线的方法
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种计算现代轨道交通铁道机车车辆动态包络线的方法。
背景技术
随着铁路运输系统的高速发展，铁路系统安全性与稳定性的要求日益凸显。特别对于既有提速铁路、客运专线和高速铁路等现代轨道交通，更快的运营速度对铁道车辆的限界问题提出了新的要求。由于现代轨道交通铁路的线路状况复杂多变，加之铁道车辆类型较多，并且要求提高铁路沿线的空间利用率，因此铁道车辆动态包络线的计算与校核更具有普遍意义。另外，铁道车辆动态包络线计算是制定限界标准最基本的环节之一，只有在准确的铁道车辆动态包络线计算基础上，才能制定出合理的设备限界标准和建筑限界标准，最终形成完整的轨道交通限界标准。车辆限界标准制定的核心环节除选定合适的计算截面、观察点及车辆参数外，计算方法的科学性、经济性、精确性，对形成铁道车辆动态包络线，以及向外拓宽制定设备限界至关重要。
考虑到铁道车辆动态包络线问题的重要性，世界各国的铁路研究人员都对限界问题进行了深入的研究，并提出了一些计算铁道车辆动态包络线的方法。目前，国外铁道车辆动态包络线计算多采用UIC标准，为了满足欧洲新旧线路联运，UIC标准引入了许多经验性的参数。国内铁道车辆动态包络线的计算多采用CJJ96—2003《地铁限界标准》，该方法使用简便，其应用范围适合于各种4轴铁道车辆，该方法将车辆各部件的动态参数作为初始条件。更重要的是，随着运行速度提高和牵引重量增大，轨道结构振动对车辆振动影响越来越明显，进而影响车辆动态包络线，而上述所有计算车辆动态包络线的方法中，均未考虑轨道结构振动对车辆动态包络线的影响，得到的动态包络线不能较客观反映实际情况。另外，上述方法计算动态包络线时，没有针对车体不同截面的动态位移进行统计分析，不能准确反映整个车辆动态包络线的最大轮廓。
因此，铁道车辆动态包络线计算是一个综合的多系统的复杂工程，不仅涉及车辆系统的动态性能，还涉及轨道系统的振动特性。计算铁道车辆动态包络线时，不但需要同时考虑车辆系统和轨道系统协同振动的影响，而且需要综合考虑多个计算截面之间动态位移的统计效果，从而得到整个车辆动态包络线的最大轮廓，使计算结果更加精确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能快速准确地计算铁道车辆动态包络线的方法。
为了实现上述目的，本发明公开一种计算铁道车辆动态包络线的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，在车体质心位置设定1个设计截面，在设计截面的轮廓线上布置多个数量的观测点，并进行排序，记录各观测点的原始坐标值；
步骤S2，沿所述车辆的运行方向，将车辆中车体的前端面、中间截面和后端面设定为3个计算截面，各计算截面的轮廓线上均设置与设计截面相同位置、相同数量和相同排序的观测点；
步骤S3，基于三维的车辆/轨道耦合动力学模型，快速确定3个计算截面每个观测点处横向和垂向动态位移随时间的变化历程；根据车辆制造安装误差和车辆悬挂参数，计算出3个计算截面每个观测点处横向和垂向静态位移；
步骤S4，对于3个计算截面上相同序号的观测点，比较它们的横向(垂向)动态位移数值，取最大横向(垂向)位移数值，作为设计截面同一序号观测点的横向(垂向)动态位移；对于设计截面所有排序观测点，均按上述取最大位移数值的方法确定出其横向(垂向)动态位移；将上述方法同样运用于3个计算截面每个观测点处横向(垂向)静态位移的处理当中，从而得到设计截面各观测点的横向(垂向)静态位移，上述“横向(垂向)”表示横向以及垂向；
步骤S5，根据上述步骤中的计算结果，所述的设计截面各观测点的横向、垂向原始坐标值分别加上各自的横向和垂向动态位移，再加上各自的横向和垂向静态位移，得到整个车辆在轨道上运行过程中的动态包络线的坐标值，最终可以绘制出铁道车辆动态包络线。
作为本发明的优选实施方式，所述的车辆动态包络线计算是将车辆系统和轨道系统视为一个相互作用的大系统，综合考虑车辆结构和轨道结构参振的影响。
作为本发明的优选实施方式，所述的车辆动态包络线计算截面是选择车辆的车体前端面、中间截面和后端面3个计算截面，作为车辆动、静态位移变化状态的观察截面，统计得到的最大位移能全面反映车辆动态包络线的最大轮廓。
作为本发明的优选实施方式，所述的设计截面观测点设置原则为，分散布置于截面的轮廓线上，所有观测点能够完整勾画出设计截面总体轮廓线形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在铁道车辆动态包络线计算中，不仅考虑了车辆系统振动影响，还考虑了轨道系统振动的影响，突破了传统动态包络线计算中未考虑因轨道振动引起车体动态位移变化的局限，能够使得计算结果更加合理。
2、本方法在铁道车辆动态包络线的计算中，考虑了3个截面(前端面、中间截面、后端面)动态位移的统计效果，最终得到车辆动态包络线的最大轮廓，能够更真实地反映出整个车辆在轨道上运行过程中的动态包络线。
3、本方法由于考虑了轨道结构振动影响，可计算车辆在有砟轨道、无砟轨道、路桥过渡段等不同运行工况下的动态包络线，还能计算实际线路中存在的道床板结、扣件失效、轨枕空吊等轨下基础缺陷条件下的动态包络线，从而使车辆动态包络线的计算结果更接近实际。
4、相较于传统计算方法，本发明在车辆动态包络线的计算中因考虑了轨道结构参振，对于车辆设计更具有实际指导意义。同时，本发明丰富了铁道车辆限界领域的研究内容，为制定更合理的设备限界标准和建筑限界标准提供强有力的理论依据。
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明实施方式一种计算铁道车辆动态包络线的方法的计算流程图。
图2为应用本发明实施方式计算得出的车体设计截面轮廓线上各观测点的具体位置。
图3为应用本发明实施方式最终确定的铁道车辆动态包络线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“纵向”通常指列车前进的方向，“横向”通常指在水平方向上与上述“纵向”垂直的方向，“垂向”通常指与轨面垂直的方向；所说的“截面”是指车体横向截面。
本发明的一种具体实施方式为：一种计算铁道车辆动态包络线的方法，该方法包括：
步骤S1，在车体质心位置设定1个设计截面，在设计截面的轮廓线上布置多个数量的观测点，并进行排序，记录各观测点的原始坐标值；表1列出了某客车车辆车体设计截面轮廓线上各观测点的横向、垂向原始坐标值，并在图2中标出了各观测点位于设计截面轮廓线上的具体位置。
表1车体设计截面轮廓线上各观测点的横向、垂向原始坐标值
步骤S2，沿所述车辆的运行方向，将车辆中车体的前端面、中间截面和后端面设定为3个计算截面，各计算截面的轮廓线上均设置与设计截面相同位置、相同数量和相同排序的观测点；
步骤S3，基于三维的车辆/轨道耦合动力学模型，快速确定3个计算截面每个观测点处横向和垂向动态位移随时间的变化历程；根据车辆制造安装误差和车辆悬挂参数，计算出3个计算截面每个观测点处横向和垂向静态位移；
本例中车辆运营条件设定为客运专线曲线区段，具体参数如表2所示。车辆为正常运行工况，时速为200km。
表2客运专线曲线区段具体参数
步骤S4，对于3个计算截面上相同序号的观测点，比较它们的横向(垂向)动态位移数值，取最大横向(垂向)位移数值，作为设计截面同一序号观测点的横向(垂向)动态位移；对于设计截面所有排序观测点，均按上述取最大位移数值的方法确定出其横向(垂向)动态位移；将上述方法同样运用于3个计算截面每个观测点处横向(垂向)静态位移的处理当中，从而得到设计截面各观测点的横向(垂向)静态位移，上述“横向(垂向)”表示横向以及垂向；表3描述出了设计截面各观测点的横向、垂向动态位移。表4为设计截面各观测点的横向、垂向静态位移。
表3设计截面各观测点的横向、垂向动态位移
表4设计截面各观测点的横向、垂向静态位移
步骤S5，根据上述步骤中的计算结果，所述的设计截面各观测点的横向、垂向原始坐标值分别加上各自的横向和垂向动态位移，再加上各自的横向和垂向静态位移，得到整个车辆在轨道上运行过程中的动态包络线的坐标值，最终可以绘制出铁道车辆动态包络线。图3示出了绘制结果。

Claims (4)

1.一种计算铁道车辆动态包络线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，在车体质心位置设定1个设计截面，在设计截面的轮廓线上布置多个数量的观测点，并进行排序，记录各观测点的原始坐标值；
步骤S2，沿所述车辆的运行方向，将车辆中车体的前端面、中间截面和后端面设定为3个计算截面，各计算截面的轮廓线上均设置与设计截面相同位置、相同数量和相同排序的观测点；
步骤S3，基于三维的车辆/轨道耦合动力学模型，快速确定3个计算截面每个观测点处横向和垂向动态位移随时间的变化历程；根据车辆制造安装误差和车辆悬挂参数，计算出3个计算截面每个观测点处横向和垂向静态位移；
步骤S4，对于3个计算截面上相同序号的观测点，比较它们的横向以及垂向动态位移数值，取最大横向及垂向位移数值，作为设计截面同一序号观测点的横向及垂向动态位移；将上述方法同样运用于3个计算截面每个观测点处横向及垂向静态位移的处理当中，从而得到设计截面各观测点的横向及垂向静态位移；
步骤S5，根据上述步骤中的计算结果，所述的设计截面各观测点的横向、垂向原始坐标值分别加上各自的横向和垂向动态位移，再加上各自的横向和垂向静态位移，得到整个车辆在轨道上运行过程中的动态包络线的坐标值，最终绘制出铁道车辆动态包络线。
2.根据权利要求1所述的一种计算铁道车辆动态包络线的方法，其特征在于：将车辆系统和轨道系统视为一个相互作用的大系统，综合考虑车辆结构和轨道结构参振的影响。
3.根据权利要求1所述的一种计算铁道车辆动态包络线的方法，其特征在于：所述的车辆动态包络线计算截面是选择车辆的车体前端面、中间截面和后端面3个计算截面，作为车辆动、静态位移变化状态的观察截面，统计得到的最大位移能全面反映车辆动态包络线的最大轮廓。
4.根据权利要求1所述的一种计算铁道车辆动态包络线的方法，其特征在于：所述的设计截面观测点设置原则为，分散布置于截面的轮廓线上，所有观测点能够完整勾画出设计截面总体轮廓线形状。
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