CN105398473A - 一种计算列车受力的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算列车受力的技术领域，公开了一种计算列车受力的设备和方法，该设备包括：接收器，用于接收所述列车的每一节车厢受到的基本阻力和重力及对所述列车整车的牵引力或制动力；以及计算器，根据所接收到的每一节车厢受到的基本阻力和重力计算所述列车的每一节车厢的受力，通过对每一节车厢的受力求和并结合所述牵引力或制动力来计算所述列车的总受力。本发明通过将列车的每一节车厢作为一个质点来分别计算每一节车厢的受力情况，从而得到了列车的多质点力学模型，很好地解决了列车在小坡道上无模型或模型过于简单导致不能正确反映列车的真实情况的问题。

Description

一种计算列车受力的设备和方法

技术领域

本发明涉及计算列车受力的技术，具体地，涉及一种计算列车受力的设备和方法。

背景技术

重载列车具有编组长、大轴重(25t以上)、线路条件复杂(长大下坡、起伏坡段、弯道多、隧道多)、动力分布无线重联等特点，因而同一时刻同一列重载列车的不同车厢很可能处于不同的线路条件上，所以不同车厢受到的阻力也就有很大的差别，这不仅会导致建立重载列车的力学模型变得异常困难，而且无法精确获取重载列车控制模型相关参数。

由于无法精确建立重载列车的力学模型，当前重载列车的操纵都是建立在司机的长期操作经验基础上，然后把优秀司机的操纵经验进行固化和推广。但是经验是死的，司机操纵列车的情况是多变的，不可能把所有的优秀经验都记录下来。

受重载列车的编组长和线路条件复杂等因素影响，城市轨道交通控制中经常使用的单质点力学模型也无法用在重载列车控制上。当前有学者从模糊控制角度对重载列车操纵进行研究，但是由于简化了司机操纵策略的很多输入条件而无法精确地把优秀司机的操纵经验固化为模糊专家库，也就无法精确指导司机完成列车操纵。

现有针对重载列车的力学模型都是单质点力学模型，其只适用于编组短列车控制，例如城市轨道交通车辆。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算列车受力的设备和方法，用于解决采用多质点力学模型的方法来计算列车整体受力的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种计算列车受力的设备，该设备包括：接收器，用于接收所述列车的每一节车厢受到的基本阻力和重力及对所述列车整车的牵引力或制动力；以及计算器，根据所接收到的每一节车厢受到的基本阻力和重力计算所述列车的每一节车厢的受力，通过对每一节车厢的受力求和并结合所述牵引力或制动力来计算所述列车的总受力。

相应地，本发明还提供了一种计算列车受力的方法，该方法包括：接收所述列车的每一节车厢受到的基本阻力和重力及对所述列车整车的牵引力或制动力；以及根据所接收到的每一节车厢受到的基本阻力和重力计算所述列车的每一节车厢的受力，通过对每一节车厢的受力求和并结合所述牵引力或制动力来计算所述列车的总受力。

通过上述技术方案，本发明通过将列车的每一节车厢作为一个质点来分别计算每一节车厢的受力情况，从而得到了列车的多质点力学模型，很好地解决了列车在小坡道上无模型或模型过于简单导致不能正确反映列车的真实情况的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

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是本发明提供的计算列车受力的设备的框图；

图2是本发明提供的列车运行在不同坡道上的示意图；

图3是本发明提供的第m节车厢受力示意图；

图4是本发明提供的第m节车厢G_bm和F_bm的受力分析图示；以及

图5是本发明提供的计算列车受力的方法的流程图。

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。

图1是本发明提供的计算列车受力的设备的框图，如图1所示，该设备包括接收器和计算器。接收器用于接收列车的每一节车厢受到的基本阻力和重力及对列车整车的牵引力或制动力；计算器根据所接收到的每一节车厢受到的基本阻力和重力计算列车的每一节车厢的受力，通过对每一节车厢的受力求和并结合牵引力或制动力来计算列车的总受力。

列车的车厢往往运行在具有不同路况的道路上，所以不同车厢的受力情况是不同的，本发明提供的技术方案中将每一节车厢作为一个质点单独进行受力分析，把列车看成是由多个刚性的物理节点串联起来的。再对每一节车厢的受力进行叠加就可以得到列车整体的受力情况。

本发明中所描述的重力是指车厢的整体的重力，也就是考虑了载重量的重力。

图2是本发明提供的列车运行在不同坡道上的示意图，如图2所示，列车由n(n为正整数)节车厢组成，不同车厢处于不同坡度的坡道上，所以不同车厢受到的力也不同。

下面对图2中的一节车厢(以第m节车厢为例进行说明，m为小于或等于n的正整数，)的受力情况进行分析，其他车厢的受力情况相同，以此类推，对所有车厢受力求和之后就可以得到整列列车的受力。

图3是本发明提供的第m节车厢受力示意图，图3中示出了第m节车厢受到的所有的力，其中：

G_m为第m节车厢受到的重力；

F_tm为第m节车厢受到的坡道的向上推力；

F_bm为第m节车厢受到的基本阻力；

F_hm为第m+1节车厢车对第m节车厢的向后拉力；

F_qm为第m-1节车厢对第m节车厢的向前拉力。

根据牛顿力学定律，力的作用是相互的，F_hm和F_qm属于列车内部作用力，不同车厢之间或车厢与机车(这里将施加牵引力或制动力的列车称为机车)之间互相抵消，G_tm和G_bm为第m节车厢的重力G_m在垂直于坡道平面和平行于坡道平面的2个分力，F_tm和G_tm大小相等，互相抵消。

图4是本发明提供的第m节车厢G_bm和F_bm的受力分析图示，G_bm和F_bm与坡道平面平行，可同时分解为垂直方向和水平方向的2个力，如图4所示，G_bm被分解为相互垂直的G_bmv和G_bml，F_bm被分解为相互垂直的F_bml和F_bmv，在本说明书中，仅考虑坡度比较小的坡道，坡度比较小的坡道不会触发列车整体空气制动的条件，以4‰为例，垂直方向上的分力为水平方向上的分力的4‰，为了简化列车的力学模型，这里忽略垂直方向上的分力，仅考虑水平方向上的分力，G_bml≈996‰×G_bm，F_bml≈996‰×F_bm，所以用F_bm代替F_bml，用G_bm代替G_bml来进行建模。这里将G_bm称为第m节车厢在水平方向上受到的坡道附加阻力，所以整列列车受到的坡道附加阻力和基本阻力如下：

列车在水平方向上的坡道附加阻力；

列车在水平方向上的基本阻力。

其中，每一节车厢受到的基本阻力分别根据每一节车厢的行驶速度和所受到的重力来确定。也就是说，第m节车厢受到的基本阻力根据该第m节车厢的行驶速度和该第m节车厢受到的重力来确定。

根据相关的列车牵引计算规程，可以根据行驶速度和重力来确定基本阻力，对于单独一节车厢的基本阻力的计算可以参考列车牵引计算规程中对整列列车的基本阻力的计算公式。对于单独一节车厢的坡道附加阻力的计算也可以参考列车牵引计算规程中对整列列车的坡道附加阻力的计算公式，例如，对于第m节车厢，可以根据第m节车厢所处坡道的坡度、第m节车厢处于该坡道上的长度、第m节车厢的长度和该第m节车厢的重力来计算。

此外，以上接收器还用于接收列车运行过程中列车的每一节车厢经过弯道的长度和相应弯道的半径，计算器还用于根据所接收到的每一节车厢经过弯道的长度和相应弯道的半径计算得到相应车厢的弯道附加阻力，并将所有车厢的弯道附加阻力之和叠加入列车的总受力中。也就是说，在列车的总受力中将弯道附加阻力考虑进来。

根据相关的列车牵引计算规程，可以根据弯道半径、处于弯道上的长度、弯道的长度和重力来确定弯道附加阻力，对于单独一节车厢的坡道附加阻力的计算也可以参考列车牵引计算规程中对整列列车的弯道附加阻力的计算公式，例如，对于第m节车厢，可以根据第m节车厢所处弯道的半径、第m节车厢处于该弯道上的长度、该弯道的长度和该第m节车厢的重力来计算。

此外，当列车进入隧道区段时，会受到相应的隧道附加阻力F_tm，其中，隧道附加阻力是由于隧道内部空气动力学效应而产生的附加阻力，与隧道长度、隧道横截面积、列车横截面积、列车外形等因素有关。目前，计算隧道附加阻力尚无成熟的理论方法，通常通过试验确定。本说明书中描述的技术方案主要用于重载列车，考虑到重载列车运行速度低(一般情况下不超过75km/h)，隧道附加阻力较小，对整个运行过程影响相对较小，因此，本说明书中不考虑隧道附加阻力的影响。

因此，本发明中计算器可以根据以下公式对列车的总受力进行计算：

$F=F_T+\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{G}_{bm}+\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{F}_{bm}+\underset{m=j}{\overset{i}{\Σ}}{F}_{cm};$

其中，F为所述列车的总受力，F_T为牵引力或制动力(这里，牵引力或制动力以列车作为一个整体进行考虑)在水平方向上的分量，为列车在水平方向上的坡道附加阻力，每一节车厢在水平方向上的坡道附加阻力根据相应车厢受到的重力得到，为列车在水平方向上的基本阻力，为列车的处于弯道上的车厢在水平方向上的弯道附加阻力之和，其中，第j节车厢至第i节车厢处于弯道上，所述列车共有n节车厢，i、j、m、n均为正整数，i大于或等于j，n大于m。

其中F_T可以根据机车牵引和制动曲线计算得出，不同机车有不同的牵引和制动曲线。

图5是本发明提供的计算列车受力的方法的流程图，如图5所示，该方法包括：接收列车的每一节车厢受到的基本阻力和重力及对列车整车的牵引力或制动力；以及根据所接收到的每一节车厢受到的基本阻力和重力计算列车的每一节车厢的受力，通过对每一节车厢的受力求和并结合牵引力或制动力来计算列车的总受力。

需要说明的是，本发明提供的计算列车受力的方法的具体细节及益处与本发明提供的计算列车受力的设备类似，于此不予赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种计算列车受力的设备，其特征在于，该设备包括：

接收器，用于接收所述列车的每一节车厢受到的基本阻力和重力及对所述列车整车的牵引力或制动力；以及

计算器，根据所接收到的每一节车厢受到的基本阻力和重力计算所述列车的每一节车厢的受力，通过对每一节车厢的受力求和并结合所述牵引力或制动力来计算所述列车的总受力。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述列车的每一节车厢受到的所述基本阻力分别根据每一节车厢的行驶速度和所受到的重力来确定。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述接收器还用于接收所述列车运行过程中所述列车的每一节车厢经过弯道的长度和相应弯道的半径；所述计算器还用于根据所接收到的每一节车厢经过弯道的长度和相应弯道的半径计算得到相应车厢的弯道附加阻力，并将所有车厢的弯道附加阻力之和叠加入所述列车的总受力中。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述计算器根据以下公式对所述列车的总受力进行计算：

$F=F_T+\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{G}_{bm}+\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{F}_{bm}+\underset{m=j}{\overset{i}{\Σ}}{F}_{cm};$

其中，F为所述列车的总受力，F_T为所述牵引力或制动力在水平方向上的分量，为所述列车在水平方向上的坡道附加阻力，每一节车厢在水平方向上的坡道附加阻力根据相应车厢受到的重力得到，为所述列车在水平方向上的基本阻力，为所述列车的处于弯道上的车厢在水平方向上的弯道附加阻力之和，其中，第j节车厢至第i节车厢处于弯道上，所述列车共有n节车厢，i、j、m、n均为正整数，i大于或等于j，n大于m。

5.一种计算列车受力的方法，其特征在于，该方法包括：

接收所述列车的每一节车厢受到的基本阻力和重力及对所述列车整车的牵引力或制动力；以及

根据所接收到的每一节车厢受到的基本阻力和重力计算所述列车的每一节车厢的受力，通过对每一节车厢的受力求和并结合所述牵引力或制动力来计算所述列车的总受力。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述列车的每一节车厢受到的所述基本阻力分别根据每一节车厢的行驶速度和所受到的重力来确定。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

接收所述列车运行过程中所述列车的每一节车厢经过弯道的长度和相应弯道的半径；以及

根据所接收到的每一节车厢经过弯道的长度和相应弯道的半径计算得到相应车厢的弯道附加阻力，并将所有车厢的弯道附加阻力之和叠加入所述列车的总受力中。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述列车的总受力根据以下公式进行计算：

$F=F_T+\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{G}_{bm}+\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{F}_{bm}+\underset{m=j}{\overset{i}{\Σ}}{F}_{cm};$

其中，F为所述列车的总受力，F_T为所述牵引力或制动力在水平方向上的分量，为所述列车在水平方向上的坡道附加阻力，每一节车厢在水平方向上的坡道附加阻力根据相应车厢受到的重力得到，为所述列车在水平方向上的基本阻力，为所述列车的处于弯道上的车厢在水平方向上的弯道附加阻力之和，其中，第j节车厢至第i节车厢处于弯道上，所述列车共有n节车厢，i、j、m、n均为正整数，i大于或等于j，n大于m。