CN105631145A - 铁路曲线超高优化方法以及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁道工程技术领域，公开了一种铁路曲线超高优化方法以及设备，该方法包括：获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数；根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型，计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系；以及根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值。本发明能够根据实际线路列车的情况有效地、合理地优化超高值，有效减少铁路曲线地段损伤病害，避免了由于超高设置不合理而导致的安全隐患，大大提高了铁路运行的安全性。

Description

铁路曲线超高优化方法以及设备

技术领域

本发明涉及铁道工程技术领域，具体地，涉及一种铁路曲线超高优化方法以及设备。

背景技术

重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路的广泛重视，也是我国铁路运输的发展方向。神朔重载铁路是我国继大秦铁路后第二条西煤东运大通道，主要担负着神府东胜煤田煤炭外运任务；全线266公里全部为山区铁路，地形地貌复杂，小半径曲线众多。现有的重载铁路在设置超高(105mm)时，由于主要考虑了对客运列车的较高速度，使得大量通过的低速重载列车反复碾压曲线内侧钢轨，造成曲线地段的钢轨顶面磨耗、鱼鳞纹发展较快，将导致钢轨发生一次性脆断，增加了工务部门的养护维修工作量和更换钢轨的成本，并且存在很大的安全隐患。即现有技术中缺少一种能够对铁路曲线超高进行优化的方法和设备。

发明内容

针对现有技术中存在的缺少能够对铁路曲线超高进行优化的方法和设备的技术问题，本发明提供了一种铁路曲线超高优化方法，该方法包括：获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数；根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型，计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系；以及根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值。

相应地，本发明还提供了一种铁路曲线超高优化设备，该设备包括：获取模块，用于获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数；优化模块，用于根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系；以及用于根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值。

采用本发明提供的铁路曲线超高优化方法和设备，通过获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数，之后根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型，计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系，最后根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值，能够根据实际线路列车的情况有效地、合理地优化超高值，有效减少铁路曲线地段损伤病害，避免了由于超高设置不合理而导致的安全隐患，大大提高了铁路运行的安全性。

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是根据本发明的一种实施方式的铁路曲线超高优化设备的结构示意图；

图2-3是根据本发明的一种实施方式的线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系的示意图；

图4A-4D是根据本发明的一种实施方式的铁路曲线超高值调整前后的结果比较图；以及

图5是根据本发明的一种实施方式的铁路曲线超高优化方法的示例流程图。

附图标记说明

100获取模块200优化模块

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。

下面将举例说明本发明的思想，但应当理解的这些示例为非局限性示例，本发明的保护范围不限于此：

为了更加清楚地说明本发明的思想，以铁路曲线超高优化设备为例进行详细地说明。图1是根据本发明的一种实施方式的铁路曲线超高优化设备的结构示意图，如图1所示，该设备可以包括：获取模块100，用于获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数；优化模块200，用于根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系；以及用于根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值。优选地，所述列车车辆-轨道系统动力学仿真模型利用多体系统动力学仿真软件构建。优选地，所述优化模块200用于：根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准优化超高值。

具体来说，为了实现对实际线路地段的超高优化，首先要模拟出列车的动力学仿真模型，由于超高值需要同时满足货运列车和客运列车的行驶，因此这里所述的列车可以包括货运列车和客运列车。优选地，所述列车车辆-轨道系统动力学仿真模型可以利用多体系统动力学仿真软件(UniversalMechanism，UM)构建。例如，对于三大件式转向架结构货车中各种结构部件的接触摩擦作用采用多个点-面接触模型单元组合来进行模拟，并充分考虑部件之间的实际间隙。对于车体、摇枕、侧架、轮对甚至摩擦楔块等均采用6自由度刚体进行模拟。为了精确模拟车辆之间的耦合连接作用，建立了车钩缓冲装置的精细化模型，在此基础上建立起由三节车辆组成的重载列车动力学模型。轮轨接触基于Hertz接触理论以及KALKER的FASTSIM算法进行，轨道模型充分考虑纵横垂向刚度和阻尼特性，轨下刚度测试设备通过现场实测得到。建立好列车车辆-轨道系统动力学仿真模型可以存储在铁路曲线超高优化设备中，例如存在优化模块200中或者再配置一个存储模块来单独存储该仿真模型。

建立好列车车辆-轨道系统动力学仿真模型之后，就可以针对不同线路地段进行仿真。具体来说，获取模块100可以获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数，其中所述线路参数可以包括曲线半径、轨底坡、轮轨型面等，所述列车车辆系统参数可以包括下表1中的一者或多者及其组合：

表1列车车辆系统参数

之后，优化模块200可以根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系。其中，所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系可以是所述超高值与动力性能的关系曲线。通过该对应关系，可以分析出超高值的变化对列车动力性能的影响。

接着，优化模块200可以根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值。

为了更好地说明本发明的思想，下面例举一个实施例来说明，但应当理解的是，该实施例为示例性非局限性示例，本发明的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及优化过程不限于此：

实施例

以神朔重载铁路某R400m小半径曲线为例，对其合理超高合理设计进行研究，线路实设超高105mm。根据实测结果，货车通过速度约为43.2km/h；客车通过速度约为72km/h。

图2-3是根据本发明的一种实施方式的线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系的示意图，其中第一轮对左、第一轮对右分别表示一节车辆(即列车车厢)的第一个轮对的左侧和右侧车轮至第四轮对左、第四轮对右分别表示一节车辆的第四个轮对的左侧和右侧车轮，车辆一至车辆三表示第一节至第三节车辆。优化模块200根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型计算得到所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系，例如图2示出了列车的轮轨垂向力与超高值之间的对应关系曲线，图3示出了列车的磨耗功率与超高值之间的对应关系曲线。此外，表2-3分别示出了货车和客车通过时超高对动力性能的影响规律。

表2C80货车通过时超高对动力性能的影响规律

试验段货车车速平均在43km/h左右，根据试验段线路参数，均衡超高为55mm左右。线路实设超高值为105mm，远远超过货车通过曲线时的均衡超高。由对应关系也可以看出，在超高值为105mm时，内轨轮轨相互作用明显强于外轨，随着超高值的不断降低，外轨轮轨垂横向力逐渐升高，内轨轮轨垂横向力逐渐降低，内外轨受力趋于均衡，轮轨相互作用得到改善。

随着超高的减小，各节车辆的磨耗功率均呈下降的趋势，当超高从105mm降低至50mm时，C80车辆磨耗功率最大减小了11.2％；列车各轮对冲角也呈减小趋势，可有效减缓轮轨磨耗，提高列车曲线通过能力。

表3客车通过时超高对动力性能的影响规律

随着超高的减小，客车通过曲线时外侧车轮基本一直处于加载状态，脱轨系数略有增大，内侧车轮减载率不断增大而脱轨系数整体呈减小趋势。脱轨系数最大达到0.466，轮重减载率最大达到0.317，均在规范允许范围内，客车运行安全性均能得到保障并尚有相当的安全余量。对于客车运行平稳性，随着超高的减小，列车车辆振动加速度在一定范围内波动，无明显的变化规律，也未因超高的降低而显著恶化。

综上可知，超高减小可以有效改善货车通过时的轮轨相互作用，同时可以确保客车通过时的安全性。即优化模块200可以上述分析结果以及铁路线路标准调整超高值。

具体地，由于目前线路实设超高为105mm，对于货车而言均衡超高为55mm左右，对于客车而言均衡超高为155mm左右，根据铁路线路标准(例如我国《铁路线路维修规则》及UIC相关标准)：欠超高设置一般不大于75mm(因此超高值应>＝80mm)，而过超高允许值在30～60mm范围内取值(取中间值45mm，因此超高值应<＝100mm)。因此综合考虑客车和货车的情况，优化模块20可以确定优化后的超高值范围为80mm～100mm。优选地，确定优化后的超高值为95mm。

为了验证本发明所提供的铁路曲线超高优化设备和方法的可行性，基于超高调整前后两次测试对比，评估调整方案的效果。图4A-4D是根据本发明的一种实施方式的铁路曲线超高值调整前后的结果比较图，货物列车通过时所引起的轮轨力及钢轨动位移峰值响应；表4则给出了试验段超高调整前后客运列车通过时的脱轨系数测试结果。

如图4A所示，超高调整前当货物列车通过速度较低时，由于线路较大的超高设置，内轨承受轮轨垂、横向力明显大于外轨。随着运行速度的提高，内轨受力逐渐减小，外轨受力逐渐增大，偏载现象得到改善。如图4C所示，钢轨动位移也呈现出相似的变化规律，列车通过时内轨垂、横向动位移总体大于外轨。随着列车通过速度的提高，外轨动位移逐渐增加，内轨动位移总体呈减小趋势，但内轨垂移减小趋势不明显，基本维持在同一水平。

如图4B和4D所示，超高调整后，列车以不同速度通过时，内轨轮轨垂、横向力总体上仍大于外轨；但相对超高调整前，内轨垂、横向力有所下降，而外轨轮轨力有所提升，内、外轨受力变得更均衡一些。钢轨动位移变化规律类似，相对于超高调整前，内轨位移有所减小而外轨位移有所增大，总体钢轨动位移水平得到降低。

综上可知，曲线试验线路段超高调整后，一定程度上缓解了货物列车通过曲线时过超高的行车状态，使得内、外轨受力及变形变得更为均衡，整体轮轨作用力和钢轨动位移水平有所降低，这对于减缓曲线地段轨道伤损病害的发生发展是有利的。

表4客车通过时脱轨系数测试结果

如表4所示，由客车通过曲线试验段时脱轨系数的测试结果可以看出，由于试验中采集到的客车通过速度普遍偏低，导致内轨脱轨系数测试结果总体上大于外轨脱轨系数，内轨脱轨系数最大达到0.414。试验段超高调整后，内轨脱轨系数总体上仍比外轨脱轨系数偏大，最大达到0.396。相对于超高调整前，内轨脱轨系数指标有所下降，而外轨脱轨系数有所上升，列车运行安全性总体得到改善。

综上可知，采用本发明提供的铁路曲线超高优化设备，能够根据实际线路列车的情况有效地、合理地优化超高值，有效减少铁路曲线地段损伤病害，避免了由于超高设置不合理而导致的安全隐患，大大提高了铁路运行的安全性。

图5是根据本发明的一种实施方式的铁路曲线超高优化方法的示例流程图。如图5所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤1001，获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数；

步骤1002，根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型，计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系；以及

步骤1003，根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值。

优选地，所述列车车辆-轨道系统动力学仿真模型利用多体系统动力学仿真软件构建。

优选地，根据所计算的铁路曲线超高变化曲线以及铁路线路标准调整超高值包括：根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准优化超高值。

优选地，所述列车包括货运列车和客运列车。

优选地，优化后的超高值为95mm。

应当理解的是，上述铁路曲线超高优化方法的各个具体实施方式，均已在示例在铁路曲线超高优化设备的实施方式中做了详细地说明(如上所述)，在此不再赘述。并且，本领域技术人员可以根据本发明的公开选择上述各种实施方式中的任一者，或者选择上述各种实施方式的组合来进行配置，并且其他的替换实施方式也落入本发明的保护范围。此外，还应当理解的是，本发明所提供的铁路曲线超高优化设备可以根据实际情况以软件或硬件的形式被配置，本发明对此不进行限定。

采用本发明提供的铁路曲线超高优化方法，能够根据实际线路列车的情况有效地、合理地优化超高值，有效减少铁路曲线地段损伤病害，避免了由于超高设置不合理而导致的安全隐患，大大提高了铁路运行的安全性。

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 (10)

1.一种铁路曲线超高优化方法，其特征在于，该方法包括：

获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数；

根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型，计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系；以及

根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述列车车辆-轨道系统动力学仿真模型利用多体系统动力学仿真软件构建。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所计算的铁路曲线超高变化曲线以及铁路线路标准调整超高值包括：根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准优化超高值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述列车包括货运列车和客运列车。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，优化后的超高值为95mm。

6.一种铁路曲线超高优化设备，其特征在于，该设备包括：

获取模块，用于获取在线路地段的列车车辆系统参数以及线路参数；

优化模块，用于根据所述列车车辆系统参数、线路参数、以及列车车辆-轨道系统动力学仿真模型计算所述线路地段的铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系；以及用于根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准调整超高值。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述列车车辆-轨道系统动力学仿真模型利用多体系统动力学仿真软件构建。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述优化模块用于：根据所述铁路曲线超高值与列车的动力性能之间的对应关系以及铁路线路标准优化超高值。

9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述列车包括货运列车和客运列车。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，优化后的超高值为95mm。