CN109615269B - 一种铁路货运列车运行安全评估方法及系统 - Google Patents

一种铁路货运列车运行安全评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁路货运列车运行安全评估方法及系统，该方法首先根据每节车厢上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数；再将装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数输入至构建好的相应货运列车的动力学模型，计算出每节车厢的动力学响应，并根据每节车厢的动力学响应，计算出相应的安全性指标，再分别判断每节车厢的安全性指标是否满足安全运行条件，只有车厢的安全性指标不满足安全条件，则认为该货运列车的安全指标不合格。因此，本发明能够准确有效地评估多节编组货运列车装载货物后的安全指标是否合格，从而避免引发脱轨等潜在的严重事故。

Description

一种铁路货运列车运行安全评估方法及系统
技术领域
本发明涉及铁路运输安全技术领域，特别涉及一种铁路货运列车运行安全评估方法及系统。
背景技术
铁路运输安全是轨道交通领域的重中之重，随着货运列车运行速度以及运载重量的大幅度提高，货运列车的运行安全成为了人们关注的焦点。
目前，传统货运列车的运行状态监控主要采用超重超限的监测方式，通常由数据模块将接收到的信息传输至监控模块，再通过监控模块向报警模块发出信号，实现报警。但是，采用超重超限的监测方式仅能有效监测单节编组货运列车的运行状态。而多节编组的高速货运列车采用超重超限的监测方式，容易出现各节车厢之间货物分布不合理的情形，在这种情况下，可能会由于纵向冲击过大而发生脱轨等潜在的严重事故。
发明内容
本发明的目的在于：针对多节编组货运列车容易出现货物装载分布不合理的情况，可能会由于纵向冲击过大而发生脱轨等潜在的严重事故的问题，提出一种铁路货运列车运行安全评估方法，能够评估多节编组货运列车出现的货物装载分布状况是否符合运行安全的要求，从而避免由于各节车厢之间货物分布不合理，而造成纵向冲击过大，进而引发脱轨等潜在的严重事故。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种铁路货运列车运行安全评估方法，其包括以下步骤：
S1：根据每节车厢上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数；
S2：将装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数输入至构建好的相应货运列车的动力学模型，计算出每节车厢的动力学响应；
S3：根据每节车厢的动力学响应，计算出相应的安全性指标；
S4：分别判断每节车厢的安全性指标是否满足安全条件，若其中任一节车厢的安全性指标不满足相应的安全条件，则认为该货运列车的安全指标不合格。
根据一种具体的实施方式，本发明的铁路货运列车运行安全评估方法中，每节车厢的安全性指标包括脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率；其中，
所述脱轨系数的安全条件为：
Figure BDA0001927981340000021
Figure BDA0001927981340000022
为脱轨系数，Q为轮轨横向力，P为轮轨垂向力，且t为轮轨横向力Q的作用时间；
所述倾覆系数的安全条件为：D<0.8，且仅当车辆同一侧的各个车轮的倾覆系数均达到或超过0.8时，则认为不满足倾覆系数的安全条件；
所述轮重减载率的安全条件为：
Figure BDA0001927981340000023
根据一种具体的实施方式，本发明的铁路货运列车运行安全评估方法中，所述步骤S1中，每节车厢上设置的数据采集装置所采集的数据包括：车厢底部的各个空气弹簧所承受的载荷以及车厢底部相对于水平面的倾角；并利用每个空气弹簧承受的载荷和车厢底部相对于水平面的倾角，计算出每节车厢装载的货物的重量、每节车厢装载货物后的质心位置和转动惯量参数。
本发明还提供一种铁路货运列车运行安全评估系统，其包括数据处理终端和每节车厢中安装的数据采集装置；其中，
所述数据采集装置用于采集设置车厢底部各个空气弹簧内的压力传感器所检测的气压数据和安装在车厢底部的倾角传感器所检测的倾角数据，并将其采集到的数据传输给所述数据处理终端；
所述数据处理终端包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明的铁路货运列车运行安全评估方法。
进一步地，本发明的铁路货运列车运行安全评估系统还包括显示装置；而且，所述显示装置用于显示所述数据处理终端输出的显示数据。
进一步地，本发明的铁路货运列车运行安全评估系统还包括报警装置；而且，所述报警装置用于根据所述数据处理终端输出的报警信号的触发，进行报警；所述数据处理终端用于在判断货运列车的安全指标不合格时，输出所述报警信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的铁路货运列车运行安全评估方法，首先根据每节车厢上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数；再将装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数输入至构建好的相应货运列车的动力学模型，计算出每节车厢的动力学响应，最后，根据每节车厢的动力学响应，计算出相应的安全性指标，并分别判断每节车厢的安全性指标是否满足安全运行条件，若其中任一节车厢的安全性指标不满足相应的安全条件，则认为该货运列车的安全指标不合格。因此，本发明能够准确有效地评估多节编组货运列车出现的货物装载分布状况是否满足安全指标的要求，从而避免由于各节车厢之间货物分布不合理，而造成纵向冲击过大，进而引发脱轨等潜在的严重事故。
附图说明：
图1为本发明的铁路货运车辆运行安全评估方法的流程示意图；
图2为每节车厢上压力传感器和倾角传感器的安装示意图；
图3为车体在x方向上的受力关系示意图；
图4为车体在y方向上的受力关系示意图；
图5为车体在z方向上的受力关系示意图；
图6为本发明的铁路货运车辆运行安全评估系统的结构示意图。
附图标记说明：
1-车体，101-第一空气弹簧，102-第二空气弹簧，103-第三空气弹簧，104-第四空气弹簧，105-倾角传感器。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
如图1所示，本发明的铁路货运列车运行安全评估方法包括以下步骤：
S1：根据每节车厢上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数。
S2：将装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数输入至构建好的相应货运列车的动力学模型，计算出每节车厢的动力学响应。
在实施时，可采用SIMPACK或Universal Mechanism等多体动力学软件来构建相应货运列车的动力学模型，然后将每节车厢的货物重量、质心位置和转动惯量参数输入至构建好的动力学模型中，从而计算出该货运列车每节车厢的动力学响应。
S3：根据该货运列车每节车厢的动力学响应，计算出相应的安全性指标。其中，每节车厢的安全性指标包括脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率。
S4：分别判断该货运列车每节车厢的安全性指标是否满足安全条件，若其中任一节车厢的安全性指标不满足相应的安全条件，则认为该货运列车的安全指标不合格。具体的，本发明的铁路货运列车运行安全评估方法中，分别判断每节车厢的脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率是否均满足相应的安全条件。其中，
脱轨系数的安全条件为：
Figure BDA0001927981340000051
Figure BDA0001927981340000052
为脱轨系数，Q为轮轨横向力，P为轮轨垂向力，且t为轮轨横向力Q的作用时间。
倾覆系数的安全条件为：D<0.8，且仅当车辆同一侧的各个车轮的倾覆系数均达到或超过0.8时，则认为不满足倾覆系数的安全条件。
轮重减载率的安全条件为：
Figure BDA0001927981340000061
本发明的铁路货运列车运行安全评估方法，步骤S1中，每节车厢上设置的数据采集装置所采集的数据包括：车厢底部的各个空气弹簧所承受的载荷以及车厢底部相对于水平面的倾角。
具体的，如图2所示，在车辆车体1的前转向架上的第一空气弹簧101和第二空气弹簧102以及在车辆车体1的后转向架上的第三空气弹簧103和第四空气弹簧104的内部分别安装一个压力传感器，通过压力传感器分别测量第一空气弹簧101、第二空气弹簧102、第三空气弹簧103和第四空气弹簧104的气压。同时，在在车辆车体1的车厢底部设置一个倾角传感器105，通过倾角传感器105测量车厢底部相对于水平面的倾角。
在上述传感器安装结构的基础上，根据每个空气弹簧的气压-载荷关系，确定其承受的载荷，同时，在车厢底部相对于水平面的倾角θ＝0，得到第一空气弹簧、第二空气弹簧、第三空气弹簧和第四空气弹簧上的载荷F1,F2,F3,F4，在车厢底部相对于水平面的倾角θ>0，得到第一空气弹簧、第二空气弹簧、第三空气弹簧和第四空气弹簧上的载荷F′1,F′3,F′2,F′4。
如图3所示的受力关系，利用前转向架与后转向架的中心距，计算出质心在x方向上的偏移量，即质心在x方向上的偏移量为：
Figure BDA0001927981340000062
如图4所示的受力关系，利用前转向架或后转向架上设置的空气弹簧的间距，计算出质心在y方向上的偏移量，即质心在y方向上的偏移量为：
Figure BDA0001927981340000063
如图5所示的受力关系，利用车厢底部相对于水平面的倾角、前转向架或后转向架上设置的空气弹簧的间距，计算出质心在z方向上的位置，即质心在z方向上的位置为：
Figure BDA0001927981340000071
其中，L为前转向架与后转向架的中心距，b为前转向架或后转向架上设置的空气弹簧的间距的二分之一。
具体的，当计算出质心在x、y方向上的偏移量以及z方向上的位置后，再结合该车厢未装载货物时的质心位置，便可计算出装载货物后该车厢的质心位置。
而且，装载货物后车体的质量为：
Figure BDA0001927981340000072
其中g表示重力加速度。通过建立装载货物后的车辆车体的三维模型，来计算出转动惯量参数。
在实施时，仍然可采用SIMPACK或Universal Mechanism等多体动力学软件来建立装载货物后每节车厢的三维模型，建立相应的三维模型后，便可直接相应地输出每节车厢的转动惯量参数。
本发明的铁路货运列车运行安全评估方法中，若货运列车的某节车厢不满足安全条件，则调节该车厢的货物重量或质心位置，或者调整该车厢与其他车厢的载货重量比，完成相应地调整后，重新按照步骤S1～S4，来判断该货运列车的安全指标是否合格。
如图6所示，本发明的铁路货运列车运行安全评估系统，其包括数据处理终端和每节车厢中安装的数据采集装置。具体的，每节车厢的数据采集装置用于采集如图2所示的设置车厢底部各个空气弹簧内的压力传感器所检测的气压数据和安装在车厢底部的倾角传感器所检测的倾角数据。数据采集装置为常用的数据采集卡，将采集到的数据传输至数据处理终端进行处理。数据处理终端为一台计算机或多台计算机构成的计算机系统，或者具有多处理器芯片的数据处理设备。即数据处理终端具有一个或多个处理器、以及存储装置，而且该存储装置存储一个或多个程序，当这一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现本发明的铁路货运列车运行安全评估方法。
具体的，本发明的铁路货运列车运行安全评估系统中，数据处理装置还连接有显示装置，显示装置用于显示数据处理终端输出的显示数据。比如数据处理装置能够将其得到的各个数据采集装置采集的数据，计算出的各节车厢的货物重量、转动惯量参数和调节后的质心位置，货运列车是否满足安全运行条件结果，不满足安全运行条件的车厢的编号，不满足安全运行条件的车厢对应的优化的质心位置等直接得到的数据或处理过的数据转换成相应的显示数据，以直接在显示在该显示装置上。
同时，数据处理装置与报警装置连接，数据处理终端判断相应货运列车的安全指标不合格时，输出报警信号，同时，报警装置根据数据处理终端输出的报警信号的触发，进行报警。在实施时，报警装置可采用声光报警器，也可以结合显示装置来呈现一个报警界面，实现报警，或者报警装置采用语音播放器，在报警信号的触发下，能够播放相应的语音。

Claims (4)

1.一种铁路货运列车运行安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据每节车厢上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数；
S2：将装载货物后每节车厢的质量、质心位置和转动惯量参数输入至构建好的相应货运列车的动力学模型，计算出每节车厢的动力学响应；
S3：根据每节车厢的动力学响应，计算出相应的安全性指标；
S4：分别判断每节车厢的安全性指标是否满足安全条件，若其中任一节车厢的安全性指标不满足相应的安全条件，则认为该货运列车的安全指标不合格；
所述步骤S1中，每节车厢上设置的数据采集装置所采集的数据包括：车厢底部的各个空气弹簧所承受的载荷以及车厢底部相对于水平面的倾角；并利用每个空气弹簧承受的载荷和车厢底部相对于水平面的倾角，计算出每节车厢装载的货物的重量、每节车厢装载货物后的质心位置和转动惯量参数；
具体包括以下步骤：
在车辆车体（1）的前转向架上的第一空气弹簧（101）和第二空气弹簧（102）以及在车辆车体（ 1） 的后转向架上的第三空气弹簧（103）和第四空气弹簧（104）的内部分别安装一个压力传感器，通过压力传感器分别测量第一空气弹簧（101）、第二空气弹簧（102）、第三空气弹簧（103）和第四空气弹簧（104）的气压，同时，在车辆车体（1）的车厢底部设置一个倾角传感器（105），通过倾角传感器（105）测量车厢底部相对于水平面的倾角；
在上述传感器安装结构的基础上，根据每个空气弹簧的气压-载荷关系，确定其承受的载荷，同时，在车厢底部相对于水平面的倾角θ＝0，得到第一空气弹簧、第二空气弹簧、第三空气弹簧和第四空气弹簧上的载荷F1，F2，F3，F4，在车厢底部相对于水平面的倾角θ>0，得到第一空气弹簧、第二空气弹簧、第三空气弹簧和第四空气弹簧上的载荷F1′，F2′，F3′，F4′；
利用前转向架与后转向架的中心距，计算出质心在x方向上的偏移量：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
利用前转向架或后转向架上设置的空气弹簧的间距，计算出质心在y方向上的偏移量：
Figure 320187DEST_PATH_IMAGE002
；
利用车厢底部相对于水平面的倾角、前转向架或后转向架上设置的空气弹簧的间距，计算出质心在z方向上的位置：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，L为前转向架与后转向架的中心距，b为前转向架或后转向架上设置的空气弹簧的间距的二分之一；
每节车厢的安全性指标包括脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率；其中，
所述脱轨系数的安全条件为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为脱轨系数，
Figure 531911DEST_PATH_IMAGE006
为轮轨横向力，P为轮轨垂向力，且t为轮轨横向力的作用时间；
所述倾覆系数的安全条件为：D<0.8，且仅当车辆同一侧的各个车轮的倾覆系数均达到或超过0.8时，则认为不满足倾覆系数的安全条件；
所述轮重减载率的安全条件为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
。
2.一种铁路货运列车运行安全评估系统，其特征在于，包括数据处理终端和每节车厢中安装的数据采集装置；其中，
所述数据采集装置用于采集设置车厢底部各个空气弹簧内的压力传感器所检测的气压数据和安装在车厢底部的倾角传感器所检测的倾角数据，并将其采集到的数据传输给所述数据处理终端；
所述数据处理终端包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1所述的方法。
3.如权利要求2所述的铁路货运列车运行安全评估系统，其特征在于，还包括显示装置，用于显示所述数据处理终端输出的显示数据。
4.如权利要求2或3所述的铁路货运列车运行安全评估系统，其特征在于，还包括报警装置，用于根据所述数据处理终端输出的报警信号的触发，进行报警；其中，所述数据处理终端用于在判断出货运列车的安全指标不合格时，输出所述报警信号。
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