CN109712270B - 一种铁路货运车辆运行安全评估方法及系统 - Google Patents

一种铁路货运车辆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车辆运行安全评估方法及系统，该方法先根据数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数，再将装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数作为动力学参数输入至车辆‑轨道耦合动力学模型中，并结合车辆的运行工况，计算出需要的轮轨接触力，然后利用轮轨接触力，分别计算出该车辆的脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率，最后通过判断脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率是否均满足对应的安全条件，而确定该车辆的安全指标是否合格。因此，本发明由于考虑了铁路货运车辆载荷离散分布的特点，能够更准确有效地评估铁路货运车辆运行安全状态，从而降低铁路货运车辆的倾覆、脱轨风险。

Description

一种铁路货运车辆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车辆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，由于铁路货运车辆具有载荷离散分布的特点，仅采用超重超限的监测方式无法准确有效地评估铁路货运车辆运行时存在的倾覆、脱轨风险。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种考虑了铁路货运车辆载荷离散分布的特点的运行安全评估方法，能够更准确有效地评估铁路货运车辆运行时存在的倾覆、脱轨风险。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种铁路货运车辆运行安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据车辆上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数；
S2：将装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数作为动力学参数输入至车辆-轨道耦合动力学模型中，并结合该车辆的运行工况，分别计算出轮轨横向力Q、轮轨垂向力P、单侧轮轨垂向动载荷Pd和减载侧车轮的轮重减载量△P；
S3：计算出脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率；其中，脱轨系数为
Figure BDA0001928464160000021
轮重减载率
Figure BDA0001928464160000022
倾覆系数
Figure BDA0001928464160000023
Figure BDA0001928464160000024
表示轮对的平均静轮重，P0表示与单侧轮轨垂向动载荷Pd相对应的单侧轮轨垂向静载荷；
S4：判断脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率是否满足其对应的安全条件；若其中任一项不满足相应的安全条件，则认为该车辆的安全指标不合格。
具体的，所述脱轨系数的安全条件为：
Figure BDA0001928464160000025
Figure BDA0001928464160000026
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；
所述轮重减载率的安全条件为：
Figure BDA0001928464160000027
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。
根据一种具体的实施方式，本发明铁路货运车辆运行安全评估方法中的所述步骤S1包括以下步骤：
S101：测量安装在前转向架上的第一空气弹簧和第二空气弹簧以及安装在后转向架上的第三空气弹簧和第四空气弹簧的气压，以及测量车厢底部相对于水平面的倾角；其中，所述第一空气弹簧与所述第三空气弹簧位于车厢右侧，所述第二空气弹簧与所述第四空气弹簧位于车厢左侧；
S102：根据每个空气弹簧的气压-载荷关系，确定其承受的载荷；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，计算出该车厢装载的货物重量以及装载货物后车辆的质心位置；
S103：建立装载货物后的车辆车体的三维模型，以计算出转动惯量参数。
根据一种具体的实施方式，所述步骤S2中，车辆的运行工况包括车辆的行驶速度变化情况，车辆行驶线路的曲直变化情况和平顺程度变化情况。
本发明还提供一种铁路货运车辆运行安全评估系统，其包括数据处理终端和数据采集装置；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车辆运行安全评估方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的铁路货运车辆运行安全评估方法，先根据车辆上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数，再将装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数作为动力学参数输入至车辆-轨道耦合动力学模型中，并结合车辆的运行工况，计算出需要的轮轨接触力，然后利用轮轨接触力，分别计算出该车辆的脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率，最后通过判断脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率是否均满足对应的安全条件，而确定该车辆的安全指标是否合格。因此，本发明由于考虑了铁路货运车辆载荷离散分布的特点，能够更准确有效地评估铁路货运车辆运行安全状态，从而降低铁路货运车辆的倾覆、脱轨风险。
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～图4为本发明中车辆-轨道耦合动力学模型的原理图；
图5为车辆车体上压力传感器和倾角传感器的安装示意图；
图6为车体在x方向上的受力关系示意图；
图7为车体在y方向上的受力关系示意图；
图8为车体在z方向上的受力关系示意图；
图9为本发明的铁路货运车辆运行安全评估的结构示意图。
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，本发明的铁路货运车辆运行安全评估方法包括以下步骤：
S1：根据车辆上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数；
S2：将装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数作为动力学参数输入至车辆-轨道耦合动力学模型中，并结合该车辆的运行工况，分别计算出轮轨横向力Q、轮轨垂向力P、单侧轮轨垂向动载荷Pd和减载侧车轮的轮重减载量△P。
S3：计算出脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率；其中，脱轨系数为
Figure BDA0001928464160000051
轮重减载率
Figure BDA0001928464160000052
倾覆系数
Figure BDA0001928464160000053
Figure BDA0001928464160000054
表示轮对的平均静轮重，P0表示与单侧轮轨垂向动载荷Pd相对应的单侧轮轨垂向静载荷。
S4：判断脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率是否满足其对应的安全条件；若其中任一项不满足相应的安全条件，则认为该车辆的安全指标不合格。
具体的，本发明的铁路货运车辆运行安全评估方法，步骤S2中采用的车辆-轨道耦合动力学模型是基于科学出版社出版的翟婉明.《车辆-轨道耦合动力学》第四版中的理论，其原理如图2～图4所示，而且，图2～图4中的参数在书中有详细定义，此处不再赘述。
根据上述的《车辆-轨道耦合动力学》的第二章第三节、第四节中记载的内容，利用相应的动力学方程，并结合车辆的行驶速度变化情况，车辆行驶线路的曲直变化情况和平顺程度变化情况，分别计算出轮轨横向力Q、轮轨垂向力P、轮轨间垂向静载荷Pst、轮轨间垂向变化量Pd和减载侧车轮的轮重减载量△P。
然后，基于步骤S3计算出脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率，再利用脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率对应的安全条件，判断该车辆的安全指标是否合格。具体的，脱轨系数的安全条件为：
Figure BDA0001928464160000061
Figure BDA0001928464160000062
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。所述轮重减载率的安全条件为：
Figure BDA0001928464160000063
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。
如图5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，本发明的铁路货运车辆运行安全评估方法中，步骤S1通过以下步骤：
S101：测量安装在前转向架上的第一空气弹簧和第二空气弹簧以及安装在后转向架上的第三空气弹簧和第四空气弹簧的气压，以及测量车厢底部相对于水平面的倾角；其中，所述第一空气弹簧与所述第三空气弹簧位于车厢右侧，所述第二空气弹簧与所述第四空气弹簧位于车厢左侧。
S102：根据每个空气弹簧的气压-载荷关系，确定其承受的载荷；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，计算出该车厢装载的货物重量以及装载货物后车辆的质心位置。
S103：建立装载货物后的车辆车体的三维模型，以计算出转动惯量参数。在实施时，可采用动力学仿真软件如SIMPACK或Universal Mechanism等软件来建立装载货物后的车辆车体的三维模型，建立好三维模型后，便可直接相应地输出该车体的转动惯量参数。
具体的，获取四个压力传感器的分别采集的气压数据，以及通过倾角传感器检测车厢底部相对于水平面的倾角θ。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',F3',F2',F4'。
如图6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 BDA0001928464160000071
如图7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 BDA0001928464160000072
如图8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 BDA0001928464160000081
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。
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，再结合车辆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 BDA0001928464160000082
其中g表示重力加速度。
如图9所示，本发明的铁路货运车辆运行安全评估系统，其包括数据处理终端和数据采集装置；其中，数据采集装置用于采集如图4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，数据采集装置与数据处理终端相连接，并将其采集到的数据传输给数据处理终端。
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。

Claims (4)

1.一种铁路货运车辆运行安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据车辆上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数；所述步骤S1包括以下步骤：
S101：测量安装在前转向架上的第一空气弹簧和第二空气弹簧以及安装在后转向架上的第三空气弹簧和第四空气弹簧的气压，以及测量车厢底部相对于水平面的倾角；其中，所述第一空气弹簧与所述第三空气弹簧位于车厢右侧，所述第二空气弹簧与所述第四空气弹簧位于车厢左侧；
S102：根据每个空气弹簧的气压-载荷关系，确定其承受的载荷；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，计算出该车厢装载的货物重量以及装载货物后车辆的质心位置；
S103：建立装载货物后的车辆车体的三维模型，以计算出转动惯量参数；
S2：将装载货物后车体的质量、质心位置和转动惯量参数作为动力学参数输入至车辆-轨道耦合动力学模型中，并结合该车辆的运行工况，分别计算出轮轨横向力Q、轮轨垂向力P、单侧轮轨垂向动载荷Pd和减载侧车轮的轮重减载量△P；
S3：计算出脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率；其中，脱轨系数为轮重减载率倾覆系数表示轮对的平均静轮重，P0表示与单侧轮轨垂向动载荷Pd相对应的单侧轮轨垂向静载荷；
S4：判断脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率是否满足其对应的安全条件；若其中任一项不满足相应的安全条件，则认为该车辆的安全指标不合格。
2.如权利要求1所述的铁路货运车辆运行安全评估方法，其特征在于，所述脱轨系数的安全条件为：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；所述轮重减载率的安全条件为：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。
3.如权利要求1所述的铁路货运车辆运行安全评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，车辆的运行工况包括车辆的行驶速度变化情况，车辆行驶线路的曲直变化情况和平顺程度变化情况。
4.一种铁路货运车辆运行安全评估系统，其特征在于，包括数据处理终端和数据采集装置；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1-3任一项所述的方法。
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