CN110633505A - 列车运行安全评价方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种列车运行安全评价方法及装置，涉及列车安全的技术领域，能够将获取到的附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁‑轨道变形映射模型中，以获取轨面附加不平顺，其中，附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；根据轨面附加不平顺计算列车的运行指标，并将运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对列车的运行安全进行评价，有效缓解了由于没有考虑其它对轨道附加不平顺产生影响的因素造成的对列车运行安全性评价存在不准确的问题。

Description

列车运行安全评价方法及装置

技术领域

本发明涉及列车安全技术领域，尤其是涉及一种列车运行安全评价方法及装置。

背景技术

近年来，铁路行业进入快速发展期，路网规模不断壮大，在铁路覆盖地域逐渐扩大的同时，高铁运营环境也日趋复杂。致使部分高铁路段处在特殊地质条件、地震活跃带、高寒高海拔地域等环境中，加之受到列车循环加载、材料收缩效应以及地面堆载等因素影响，高速铁路简支梁桥不可避免地将产生桥墩沉降、徐变上拱等不可恢复的桥梁附加变形，使得轨面状态恶化从而影响列车的安全平稳运行。

目前，针对桥墩沉降、梁体下挠等桥梁结构附加变形对高速列车运行安全影响的研究已有不少，但未能充分其它对轨道附加不平顺产生影响的因素，因此，容易造成对列车运行安全性评价存在不准确的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种列车运行安全评价方法及装置，以缓解上述技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种列车运行安全评价方法，该方法包括：获取附加不平顺参数，其中，附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；将附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁-轨道变形模型中，以获取轨面附加不平顺；根据轨面附加不平顺计算列车的运行指标，其中，运行指标包括安全指标和舒适指标，安全指标至少包括：轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数，舒适指标至少包括：车体竖向振动加速度和车体横向振动加速度；将运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对列车的运行安全进行评价，其中，运行指标阈值包括与安全指标对应的安全指标阈值以及与舒适指标对应的舒适指标阈值。

第二方面，本发明实施例还提供一种列车运行安全评价装置，其中，该装置包括：获取模块，用于获取附加不平顺参数，其中，附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；输入模块，用于将附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁-轨道变形映射模型中，以获取轨面附加不平顺；计算模块，用于根据轨面附加不平顺计算列车的运行指标，其中，运行指标包括安全指标和舒适指标，安全指标至少包括：轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数，舒适指标至少包括：车体竖向振动加速度和车体横向振动加速度；评价模块，用于将运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对列车的运行安全进行评价，其中，运行指标阈值包括与安全指标对应的安全指标阈值以及与舒适指标对应的舒适指标阈值。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种列车运行安全评价方法及装置，能够将获取到的附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁-轨道变形映射模型中，以获取轨面附加不平顺，其中，附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；根据轨面附加不平顺计算列车的运行指标，并将运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对列车的运行安全进行评价，有效缓解了由于没有考虑其它对轨道附加不平顺产生影响的因素造成的对列车运行安全性评价存在不准确的问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种列车运行安全评价方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种桥墩沉降工况下不同脱空范围对钢轨变形影响的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种桥墩沉降工况下层间联结失效对车体竖向振动加速度影响的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种桥墩沉降工况下层间联结失效对轮轨垂向力影响的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种脱空范围与桥墩沉降阈值的示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种脱空范围与桥墩沉降阈值的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种桥梁的层间结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种梁体竖向变形示意图；

图9为本发明实施例提供的一种底座板受力分析示意图；

图10为本发明实施例提供的一种轨道板受力分析示意图；

图11为本发明实施例提供的一种钢轨受力分析示意图；

图12为本发明实施例提供的一种列车运行安全评价装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现如今，为了排除轨面附加变形对于高速列车安全运营的影响，采用包含轨检车、大型综合检测车和人工巡检等手段对高速铁路轨道进行实地检测。检测结果表明，无砟轨道出现了诸多层间联结失效问题，但是，随着桥梁附加变形的同时，必然影响层间耦合作用方式，改变轨道结构的受力和传力途径，导致轨道动力不平顺，影响列车的运行。

目前，在针对附加变形对列车运行安全影响的研究有许多，但未能充分考虑轨道结构层间联结失效对轨道附加不平顺的影响，获取的附加轨道不平顺谱与实际工程结构存在偏差，因此，容易造成对列车运行安全性评价存在不准确的问题，基于此，本发明实施例提供的一种列车运行安全评价方法及装置，以缓解上述技术问题。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种列车运行安全评价方法进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供了一种列车运行安全评价方法，如图1所示的一种列车运行安全评价方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S102，获取附加不平顺参数，其中，附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；

通常，桥梁附加变形是由桥墩沉降和/或徐变上拱引起的，因此，在本实施例中选取桥墩沉降高度和/或梁体下挠高度作为桥梁附加变形参数。当桥墩沉降或梁体下挠时都会引起轨道附加不平顺，但是当轨道附加不平顺时，砂浆层等关键工程结构也将不可避免的出现材料劣化、层间联结失效等问题，如砂浆层缺损、轨道板与砂浆层之间产生离缝、轨道板底部出现脱空、扣件弹条发生断裂等，从而改变砂浆层与轨道板、轨道板与钢轨之间的耦合作用方式，进而影响梁体与底座板的非线性接触，引起钢轨进一步变形。

优选地，砂浆层离缝、轨道板底部砂浆脱空、扣件弹条断裂是常见的三种层间联结失效情况，通常，上述层间联结失效参数包括层间联结失效位置参数以及层间联结失效范围参数，具体地，对于轨道板底部砂浆脱空的情况对应的层间联结失效参数包括：脱空位置和脱空长度；对于砂浆层离缝的情况对应的层间联结失效参数包括：离缝位置、离缝长度；而对于扣件弹条断裂的情况对应的层间联结失效参数包括：扣件弹条断裂个数和扣件弹条断裂位置。

步骤S104，将附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁-轨道变形模型中，以获取轨面附加不平顺；

具体地，针对铺设无砟轨道的桥梁结构，经过力学简化，轨道结构层间采用弹簧单元联结，通过对底座板、轨道板及钢轨逐层受力分析，建立上述能够反映桥梁与轨道之间关系的桥梁-轨道变形模型，将上述附加不平顺参数输入至桥梁-轨道变形模型中，利用该桥梁-轨道变形模型可以计算得到轨面附加不平顺。

在实际使用时，基于上述桥梁-轨道变形模型可以分析层间联结失效对轨道附加不平顺的影响，图2示出了一种桥墩沉降工况下不同脱空范围对钢轨变形影响的示意图，如图2所示，以3号桥墩沉降10mm、当前列车车速为350km/h时，计算相邻桥墩(2号墩)处板底脱空3m、5m及6m情况下引起的轨面变形，通过与无脱空情况下桥墩沉降10mm引起的轨面变形进行对比可知，板底脱空会略微增大轨面向下变形，但其影响范围仅限于发生板底脱空的局部区域。随着板底脱空范围的增大，钢轨受影响范围增大，且脱空区域轨面下陷越深。

步骤S106，根据轨面附加不平顺计算列车的运行指标，其中，运行指标包括安全指标和舒适指标，安全指标至少包括：轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数，舒适指标至少包括：车体竖向振动加速度和车体横向振动加速度；

具体地，根据轨面附加不平顺计算列车的运行指标可由步骤11至步骤12实现：

步骤11，将轨面附加不平顺输入至预先构建好的列车-轨道-桥梁耦合动力模型中；

步骤12，根据列车-轨道-桥梁耦合动力模型计算列车的运行指标。

其中，列车-轨道-桥梁耦合动力模型是基于列车-轨道-桥梁耦合振动分析理论，采用多体动力学软件SIMPACK和有限元软件ANSYS构建的列车-轨道-桥梁耦合动力模型，该模型能够反映列车、轨道以及桥梁三者之间的映射关系。通过该列车-轨道-桥梁耦合动力模型能够在输入轨面附加不平顺后计算出列车的运行指标。

具体地，基于上述桥梁-轨道变形模型和列车-轨道-桥梁耦合动力模型可以分析层间联结失效对运行指标的影响，图3示出了一种桥墩沉降工况下层间联结失效对车体竖向振动加速度影响的示意图，如图3所示，以3号桥墩沉降10mm，当前列车车速为350km/h时，计算相邻桥墩(2号墩)处板底脱空3m、5m及6m情况下对应的车体竖向振动加速度的时程响应，由图3可知，层间联结失效对车体竖向振动加速度影响较小，仅在层间失效区域引起车体竖向振动加速度的小幅变化。图4示出了一种桥墩沉降工况下层间联结失效对轮轨垂向力影响的示意图，如图4所示，以3号桥墩沉降10mm，当前列车车速为350km/h时，计算相邻桥墩(2号墩)处板底脱空3m、5m及6m情况下对应的轮轨垂向力的时程响应，由图4可知，层间联结失效对轮轨垂向力影响较大，轮轨垂向力在层间失效区域产生了剧烈的变化。

步骤S108，将运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对列车的运行安全进行评价，其中，运行指标阈值包括与安全指标对应的安全指标阈值以及与舒适指标对应的舒适指标阈值。

本发明实施例提供的一种列车运行安全评价方法，能够将获取到的附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁-轨道变形映射模型中，以获取轨面附加不平顺，其中，附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；根据轨面附加不平顺计算列车的运行指标，并将运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对列车的运行安全进行评价，有效缓解了由于没有考虑其它对轨道附加不平顺产生影响的因素造成的对列车运行安全性评价存在不准确的问题。

具体地，步骤S108，将运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对列车的运行安全进行评价可由步骤21至步骤23实现：

步骤21，将安全指标和舒适指标分别与对应的安全指标阈值和舒适指标阈值进行比较；

在实际使用时，将运行指标分为安全指标和舒适指标，其中，安全指标包括轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数，舒适指标包括车体竖向振动加速度和车体横向振动加速度。具体地，每个指标都对应一个预先设定的指标阈值，例如，表1示出了一种指标阈值表：

表1

运行指标	指标阈值
		车体竖向振动加速度	≤1.3m/s<sup>2</sup>
车体横向振动加速度	≤1.0m/s<sup>2</sup>
		轮轨垂向力	≤170kN
轮轨横向力	≤10+P/3(P为静轴重)
		轮重减载率	≤0.6
脱轨系数	≤0.8

步骤22，如果安全指标和舒适指标都没有超过对应的安全指标阈值和舒适指标阈值时，则评价列车运行安全；

步骤23，如果任一安全指标和舒适指标超过了对应的安全指标阈值和舒适指标阈值时，则评价列车运行不安全。

具体地，将上述得到的安全指标和舒适指标分别与对应的安全指标阈值和舒适指标阈值进行比较，参照表1预先设定的指标阈值，如果上述的安全指标和舒适指标都没有超过对应的指标阈值，则确定列车运行安全，如果任意一个安全指标和舒适指标超过了对应的指标阈值，则确定该列车运行不安全。

在实际应用时，基于上述桥梁-轨道变形模型和列车-轨道-桥梁耦合动力模型可以进一步分析层间联结失效对列车动力性能及运行安全性的影响，通过得到不同层间联结失效条件下的桥梁附加变形阈值，可以制定层间联结失效情况下列车安全运行准则，对保障铁路桥梁运营安全和完善无砟轨道维护标准具有重大意义。

具体地，设定层间联结失效参数，向桥梁-轨道变形映射模型中输入不同的桥梁附加变形参数，以获取桥梁附加变形参数相对应的不同轨面附加不平顺；在设定的列车车速下，将不同的轨面附加不平顺输入至预先构建的列车-轨道-桥梁耦合动力模型中，以计算得到不同的轨面附加不平顺相对应的列车的运行指标；将不同的轨面附加不平顺相对应的列车的运行指标与运行指标阈值进行比较；如果其中一个轨面附加不平顺相对应的列车的运行指标超过运行指标阈值，则轨面附加不平顺对应的桥梁附加变形参数为当前设定的层间联结失效参数下的桥梁附加变形的阈值。

优选地，图5示出了一种脱空范围与桥墩沉降阈值的示意图，图6示出了另一种脱空范围与桥墩沉降阈值的示意图，如图5和图6可知，明确示出了当前设定的层间联结失效参数下的桥梁附加变形的阈值，用户可以根据上述桥梁附加变形阈值和层间联结失效阈值间的对应关系制定列车安全运行准则，以保障铁路桥梁的运营安全。

在实际应用时，上述桥梁-轨道变形映射模型的构建步骤可由步骤31至步骤33实现：

步骤31，获取待构建桥梁的层间结构图和梁体竖向位移矩阵，基于层间结构图建立梁体及轨道层间结构的整体直角坐标系，其中，整体直角坐标系包括梁体、底座板、轨道板、钢轨的整体直角坐标系；

在实际应用时，根据桥梁的层间结构图建立梁体及轨道层间结构的整体直角坐标系，具体地，图7示出了一种桥梁的层间结构示意图，由图7可知，轨道层间结构是由梁体、底座板、砂浆层、轨道板和钢轨这五部分组成，通常，通过扣件来连接钢轨和轨道板，由于砂浆层具有弹性，所以不需建立砂浆层的坐标。在建立坐标系的过程中满足右手螺旋法则，并且，规定坐标轴均以向右向下为正，整体坐标系的竖向坐标轴原点定于各结构变形前的重力平衡位置处。基于上述层间结构图建立的梁体、底座板、轨道板、钢轨的整体直角坐标系分别为(X_b，Y_b，Z_b)、(X_p，Y_p，Z_p)、(X_s，Y_s，Z_s)、(X_r，Y_r，Z_r)。

具体地，基于上述梁体的整体直角坐标系建立梁体竖向位移矩阵，图8示出了一种梁体竖向变形示意图，如图8所示，假设桥梁第m跨左侧支座处梁体竖向位移为d_m1，右侧支座处梁体竖向位移为d_m2，则，桥梁第m跨扣件处对应位置的梁体竖向位移为：

其中，(m-1)l_b≤X_mb≤ml_b，X_mb表示第m跨扣件处对应位置的梁体竖向位移，l_b0表示伸缩缝的长度，l_b1表示梁端与支座中心线间的距离，l_b表示标准跨径；则根据每个扣件处对应位置的梁体竖向位移建立的梁体竖向位移矩阵为：V_b＝Ld₁+Zd₂；其中，L和Z分别表示为左侧和右侧支座位移对桥梁位移的影响矩阵，d₁和d₂分别表示为接触弹簧所在桥梁的左侧和右侧支座处桥梁梁体位移矩阵。

步骤32，基于整体直角坐标系，建立待构建桥梁的竖向位移矩阵和层间作用力矩阵，其中，竖向位移矩阵包括：底座板竖向位移矩阵、轨道板竖向位移矩阵和钢轨竖向位移矩阵，层间作用力矩阵包括：接触弹簧力矩阵、砂浆弹簧力矩阵和扣件力矩阵；

在具体应用时，基于整体直角坐标系，建立底座板竖向位移矩阵的步骤为：

(1)计算待构建桥梁的每个扣件处的底座板的变形值；

具体地，底座板的受力情况如图9所示的一种底座板受力分析示意图，则第t个扣件处的底座板的变形值的计算公式为：

其中，t＝[1...n]，j＝[1...n]，t、j分别表示为第t个扣件和第j个扣件，n表示扣件的数量；Y_pt表示第t个扣件处的底座板的变形值；l_p、l_s、l_r分别表示为底座板、轨道板、钢轨的总长度；l_pt、l_pj分别表示第t个和第j个扣件距离整体直角坐标系坐标原点的底座板的长度；E_p表示底座板的弹性模量；I_p表示底座板的截面惯性矩；P_c表示接触弹簧力矩阵；k_c表示接触弹簧力刚度矩阵；P_ca表示砂浆弹簧力矩阵；g为重力加速度；P_{c_j}表示第j个扣件处的接触弹簧力；P_{ca_j}表示第j个扣件处砂浆弹簧力；

分别表示底座板、轨道板、钢轨的平均质量；

(2)根据每个底座板的变形值建立的底座板竖向位移矩阵为；V_p＝A₁P_ca+A₂P_c+BG_r+B₁G_s+B₂G_p；其中，V_p表示为底座板竖向位移矩阵，A₁、A₂为分别表示为砂浆弹簧力、接触弹簧力对底座板竖向变形的影响矩阵；B、B₁、B₂分别表示为钢轨自重、轨道板自重、底座板自重对底座板竖向变形的影响矩阵；G_p、G_s、G_r分别表示为底座板重力矩阵、轨道板重力矩阵、钢轨重力矩阵；P_c、P_ca分别表示为接触弹簧力矩阵、砂浆弹簧力矩阵。

基于整体直角坐标系，建立轨道板竖向位移矩阵的步骤为：

(1)计算待构建桥梁的每个扣件处的轨道板的变形值；

具体地，轨道板的受力情况如图10所示的一种轨道板受力分析示意图，则第t个扣件处的轨道板的变形值的计算公式为：

其中，t＝[1...n]，j＝[1...n]，t、j分别表示为第t个扣件和第j个扣件，n表示扣件的数量；Y_st表示第t个扣件处的轨道板的变形值；l_p、l_sp分别表示为底座板、轨道板的总长度；l_st、l_sj分别表示第t个和第j个扣件距离整体直角坐标系坐标原点的轨道板的长度；E_s表示轨道板的弹性模量；I_s表示轨道板的截面惯性矩；P_c表示接触弹簧力矩阵；k_c表示接触弹簧力刚度矩阵；K_ca表示砂浆弹簧力刚度矩阵；P_ca表示砂浆弹簧力矩阵；P_f表示扣件力矩阵；P_{c_j}表示第j个扣件处的接触弹簧力；P_{ca_j}表示第j个扣件处的砂浆弹簧力；P_{f_j}表示第j个扣件处的扣件力；g为重力加速度；

分别表示底座板、轨道板、钢轨的平均质量；

(2)根据每个底座板的变形值建立的轨道板竖向位移矩阵为：V_s＝CP_f+C₁P_ca+C₂P_c+DG_r+D₁G_s+D₂G_p；其中，V_s表示轨道板竖向位移矩阵，C、C₁、C₂分别表示为扣件力、砂浆弹簧力、接触弹簧力对轨道板竖向变形的影响矩阵；D、D₁、D₂分别表示为钢轨自重、轨道板自重、底座板自重对轨道板竖向变形的影响矩阵；P_f表示扣件力矩阵。

基于整体直角坐标系，建立钢轨竖向位移矩阵的步骤为：

(1)根据每个钢轨的变形值建立钢轨竖向位移矩阵；

具体地，钢轨的受力情况如图11所示的一种钢轨受力分析示意图，如则第t个扣件处的钢轨的变形值的计算公式为：

其中，t＝[1...n]，j＝[1...n]，t、j分别表示为第t个扣件和第j个扣件，n表示扣件的数量；Y_rt表示第t个扣件处的钢轨的变形值；l_p、l_s、l_r分别表示为底座板、轨道板、钢轨的总长度；l_pj、l_sj、l_rj分别表示为第j个扣件距离整体直角坐标系坐标原点的底座板、轨道板、钢轨的长度；l_rt表示为第t个扣件距离整体直角坐标系坐标原点的钢轨的长度；E_r表示钢轨的弹性模量；I_r表示钢轨的截面惯性矩；P_{c_j}、P_{cs_j}、P_{f_j}分别表示j个扣件处的接触弹簧力、砂浆弹簧力、扣件力；K_f、K_c、K_ca分别表示扣件力刚度矩阵、接触弹簧力刚度矩阵、砂浆弹簧力刚度矩阵；g为重力加速度；

分别表示底座板、轨道板、钢轨的平均质量。

(2)根据每个钢轨的变形值建立的钢轨竖向位移矩阵为：V_r＝HP_f+H₁P_ca+H₂P_c+IG_r+I₁G_s+I₂G_p；其中，V_r表示钢轨竖向位移矩阵，H、H₁、H₂分别表示为扣件力、砂浆弹簧力、接触弹簧力对钢轨竖向变形的影响矩阵；I、I₁、I₂分别表示为钢轨自重、轨道板自重、底座板自重对钢轨竖向变形的影响矩阵。

优选地，梁体与底座板之间的相互作用表现为接触弹簧力，则第t个接触弹簧力可写为：P_{c_t}＝k_{c_t}(Y_pt-Y_bt)，则接触弹簧力矩阵可写成：P_c＝K_c(V_p-V_b)；底座板与轨道板之间的相互作用表现为砂浆弹簧力，则第t个砂浆弹簧力可写为：P_{ca_t}＝k_{ca_t}(Y_st-Y_pt-h_t)，则砂浆弹簧力矩阵可写成：P_ca＝K_ca(V_s-V_p-h)；而轨道板与钢轨之间的相互作用表现为扣件力，则第t个扣件力可写为：P_{f_t}＝k_{f_t}(Y_rt-Y_st)；则扣件力矩阵可写成：P_f＝K_fV_r-K_fV_s；其中，h表示轨道板与砂浆层的初始距离矩阵。

步骤33，结合梁体竖向位移矩阵、竖向位移矩阵和层间作用力矩阵，生成桥梁-轨道变形模型。具体地，步骤33可由步骤41至步骤45实现：

步骤41，根据梁体竖向位移矩阵、竖向位移矩阵和层间作用力矩阵，生成待构建桥梁的桥梁附加变形映射至轨面的竖向变形映射通用模型矩阵；

优选地，联立上述梁体竖向位移矩阵、底座板竖向位移矩阵、轨道板竖向位移矩阵、钢轨竖向位移矩阵、接触弹簧力矩阵、砂浆弹簧力矩阵和扣件力矩阵可以得到竖向变形映射通用模型矩阵；则该竖向变形映射通用模型矩阵可表示为：

其中，E为单位矩阵。

步骤42，利用竖向变形映射通用模型矩阵求解竖向位移矩阵；

步骤43，根据求解出的竖向位移矩阵计算刚度矩阵，其中，刚度矩阵包括接触弹簧力刚度矩阵、砂浆弹簧力刚度矩阵和扣件力刚度矩阵；

优选地，当桥墩发生沉降的情况下，计算每个扣件处的底座板的变形值与对应位置处桥梁梁体竖向位移之间的差值；判断差值是否不小于0；如果差值差值，则接触弹簧力刚度为0；如果差值不小于0，则接触弹簧力刚度不为0；其中，第t个扣件处的接触弹簧力刚度的表达式为：

其中，k_c表示接触弹簧力刚度，Y_pt表示第t个扣件处的底座板的变形值；Y_bt表示第t个扣件处的桥梁梁体竖向位移。

通常，在层间离缝的情况下，计算每个扣件处的底座板的变形值与对应位置处轨道板变形值之间的差值；判断每个差值是否不大于初始距离；如果差值不大于初始距离，则砂浆弹簧力刚度不为0；如果差值大于初始距离，则砂浆弹簧力刚度为0；在板底脱空的情况下，砂浆弹簧力刚度为0；在板底不脱空的情况下，砂浆弹簧力刚度不为0；基于每个砂浆弹簧力刚度建立接触弹簧刚度矩阵；其中，第t个扣件处的砂浆弹簧力刚度的表达式为：

其中，k_ca表示砂浆弹簧力刚度，Y_pt表示第t个扣件处的底座板的变形值；Y_st表示第t个扣件处的轨道板变形值；h表示初始距离。

进一步，判断待测桥梁的每个扣件处的弹条断裂是否断裂，如果弹条断裂，则确定出扣件力刚度为0；如果弹条不断裂，则确定出扣件力刚度不为0；基于上述准则构建接触弹簧刚度矩阵；其中，第t个扣件处的扣件力刚度的表达式为：

其中，k_f表示接触弹簧刚度。

步骤44，根据求解出的竖向位移矩阵和刚度矩阵，得出层间作用力矩阵；

具体地，将底座板竖向位移矩阵与梁体竖向位移矩阵进行差值计算，获取这两者的差值矩阵，并用该差值矩阵与接触弹簧力刚度矩阵进行相乘，从而可以求解出上述接触弹簧力矩阵；

将底座板竖向位移矩阵与轨道板竖向位移矩阵进行差值计算，获取这两者的差值矩阵，并用该差值矩阵与砂浆弹簧力刚度矩阵进行相乘，从而可以求解出上述砂浆弹簧力矩阵；

将钢轨竖向位移矩阵与轨道板竖向位移矩阵进行差值计算，获取这两者的差值矩阵，并用该差值矩阵与扣件力刚度矩阵进行相乘，从而可以求解出上述扣件力矩阵。

步骤45，基于得出的层间作用力矩阵和求解出的竖向位移矩阵构建桥梁-轨道变形模型。

具体地，将求解出的层间作用力矩阵和竖向位移矩阵代入上述竖向变形映射通用模型矩阵中，得到钢轨竖向变形值，钢轨竖向变形值可表示为：

进一步，上述列车-轨道-桥梁耦合动力模型包括三个子模型分别为：列车模型、钢轨模型和桥梁模型。

具体地，四轴车辆主要包括1个车体、2个构架和4副轮对共7个刚体及一、二系悬挂装置等，每个刚体考虑伸缩、沉浮、横摆、侧滚、点头、摇头6个运动自由度，每辆车共包含42个运动自由度，并考虑了抗蛇形减振器及横向止当的非线性特性。列车模型通过多体动力学软件SIMPACK建立，主要包括车体、构架、轮对、一二系悬挂、轴箱、抗蛇行减振器、横向减振器、抗侧滚扭杆、转臂、横向止挡、牵引拉杆等。车体、构架及轮对均采用7号铁路铰(General Rail Track Joint)与大地坐标系连接，有6个自由度；轴箱采用2号铰(Revolutebe)与轮对连接，仅有绕轮轴转动1个自由度。一二系悬挂、抗蛇行减振器、横向减振器、竖向减振器、抗侧滚扭杆、转臂、横向止挡及牵引拉杆均采用力元模拟。

进一步，针对桥上板式无砟轨道，轮轨作用主要受钢轨高频振动影响，因此，本实施例主要建立了钢轨的振动模型，而轨道板及底座板以参振质量的形式考虑在桥梁模型中。在本实施例中采用ANSYS建立桥梁及钢轨有限元模型，桥梁、钢轨模型均采用梁单元建立。在ANSYS中通过子结构分析得到桥梁和钢轨模型的质量、刚度信息文件(.sub)及几何信息文件(.cdb)，然后通过SIMPACK的FBI文件生成器生成桥梁及钢轨结构的柔性体输入文件(.fbi)，并通过SIMPACK的有限元接口模块(FlexModal)实现有限元模型向多体动力学系统的导入。桥梁模型以柔性体(Flexible bodies)的形式导入SIMPACK，导入后需要选择模态阶数或频率范围来确定结构的计算模态。钢轨模型以柔性轨道(Flextrack)的形式导入SIMPACK，柔性轨道作为铁路轨道基础的一部分可直接和车辆实现轮轨耦合。轮轨接触采用法向上的Hertz非线性弹性接触理论和切向上的Kalker非线性简化理论-FASTSIM算法。桥梁和钢轨之间通过添加5号力元(Spring-Damper Parallel Cmp)模拟扣件弹簧，以实现桥-轨相互作用，最终建立上述的列车-轨道-桥梁耦合动力模型。

实施例二：

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种列车运行安全评价装置，如图12所示的一种列车运行安全评价装置的结构示意图，该装置包括：

获取模块1202，用于获取附加不平顺参数，其中，附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；

输入模块1204，用于将附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁-轨道变形映射模型中，以获取轨面附加不平顺；

计算模块1206，用于根据轨面附加不平顺计算列车的运行指标，其中，运行指标包括安全指标和舒适指标，安全指标至少包括：轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数，舒适指标至少包括：车体竖向振动加速度和车体横向振动加速度；

评价模块1208，用于将运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对列车的运行安全进行评价，其中，运行指标阈值包括与安全指标对应的安全指标阈值以及与舒适指标对应的舒适指标阈值。

本发明实施例提供的列车运行安全评价装置，与上述实施例提供的列车运行安全评价方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种列车运行安全评价方法，其特征在于，所述方法包括：

获取附加不平顺参数，其中，所述附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；

将所述附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁-轨道变形模型中，以获取轨面附加不平顺；

根据所述轨面附加不平顺计算所述列车的运行指标，其中，所述运行指标包括安全指标和舒适指标，所述安全指标至少包括：轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数，所述舒适指标至少包括：车体竖向振动加速度和车体横向振动加速度；

将所述运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对所述列车的运行安全进行评价，其中，所述运行指标阈值包括与所述安全指标对应的安全指标阈值以及与所述舒适指标对应的舒适指标阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述轨面附加不平顺计算所述列车的运行指标的步骤包括：

将所述轨面附加不平顺输入至预先构建好的列车-轨道-桥梁耦合动力模型中；

根据所述列车-轨道-桥梁耦合动力模型计算所述列车的运行指标。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对所述列车的运行安全进行评价的步骤包括：

将所述安全指标和所述舒适指标分别与对应的所述安全指标阈值和所述舒适指标阈值进行比较；

如果所述安全指标和所述舒适指标都没有超过对应的所述安全指标阈值和所述舒适指标阈值时，则评价所述列车运行安全；

如果任一所述安全指标和所述舒适指标超过了对应的所述安全指标阈值和所述舒适指标阈值时，则评价所述列车运行不安全。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

设定所述层间联结失效参数，向所述桥梁-轨道变形映射模型中输入不同的所述桥梁附加变形参数，以获取所述桥梁附加变形参数相对应的不同所述轨面附加不平顺；

在设定的列车车速下，将不同的所述轨面附加不平顺输入至预先构建的列车-轨道-桥梁耦合动力模型中，以计算得到不同的所述轨面附加不平顺相对应的所述列车的运行指标；

将不同的所述轨面附加不平顺相对应的所述列车的运行指标与所述运行指标阈值进行比较；

如果其中一个所述轨面附加不平顺相对应的所述列车的运行指标超过所述运行指标阈值，则所述轨面附加不平顺对应的桥梁附加变形参数为当前设定的所述层间联结失效参数下的桥梁附加变形的阈值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述桥梁-轨道变形映射模型的构建步骤包括：

获取待构建桥梁的层间结构图和梁体竖向位移矩阵，基于所述层间结构图建立梁体及轨道层间结构的整体直角坐标系，其中，所述整体直角坐标系包括梁体、底座板、轨道板、钢轨的整体直角坐标系；

基于所述整体直角坐标系，建立所述待构建桥梁的竖向位移矩阵和层间作用力矩阵，其中，所述竖向位移矩阵包括：底座板竖向位移矩阵、轨道板竖向位移矩阵和钢轨竖向位移矩阵，所述层间作用力矩阵包括：接触弹簧力矩阵、砂浆弹簧力矩阵和扣件力矩阵；

结合所述梁体竖向位移矩阵、所述竖向位移矩阵和所述层间作用力矩阵，生成所述桥梁-轨道变形模型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，结合所述梁体竖向位移矩阵、所述竖向位移矩阵和所述层间作用力矩阵，生成所述桥梁-轨道变形模型的步骤包括：

根据所述梁体竖向位移矩阵、所述竖向位移矩阵和所述层间作用力矩阵，生成待构建桥梁的桥梁附加变形映射至轨面的竖向变形映射通用模型矩阵；

利用所述竖向变形映射通用模型矩阵求解所述竖向位移矩阵；

根据求解出的所述竖向位移矩阵计算刚度矩阵，其中，所述刚度矩阵包括接触弹簧力刚度矩阵、砂浆弹簧力刚度矩阵和扣件力刚度矩阵；

根据求解出的所述竖向位移矩阵和所述刚度矩阵，得出所述层间作用力矩阵；

基于得出的所述层间作用力矩阵和求解出的所述竖向位移矩阵构建所述桥梁-轨道变形模型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述底座板竖向位移矩阵表示为：V_p＝A₁P_ca+A₂P_c+BG_r+B₁G_s+B₂G_p；所述轨道板竖向位移矩阵表示为：V_s＝CP_f+C₁P_ca+C₂P_c+DG_r+D₁G_s+D₂G_p；所述钢轨竖向位移矩阵表示为：V_r＝HP_f+H₁P_ca+H₂P_c+IG_r+I₁G_s+I₂G_p；所述接触弹簧力矩阵表示为：P_c＝K_c(V_p-V_b)；所述砂浆弹簧力矩阵表示为：P_ca＝K_ca(V_s-V_p-h)；所述扣件力矩阵表示为：P_f＝K_fV_r-K_fV_s；

根据所述梁体竖向位移矩阵、所述竖向位移矩阵和所述层间作用力矩阵，生成待构建桥梁的桥梁附加变形映射至轨面的竖向变形映射通用模型矩阵的步骤包括：

联立所述梁体竖向位移矩阵，以及所述底座板竖向位移矩阵、所述轨道板竖向位移矩阵、所述钢轨竖向位移矩阵、所述接触弹簧力矩阵、所述砂浆弹簧力矩阵和所述扣件力矩阵生成所述竖向变形映射通用模型矩阵；

其中，所述梁体竖向位移矩阵表示为：V_b＝Ld₁+Zd₂；

所述竖向变形映射通用模型矩阵表示为：

其中，E为单位矩阵；V_p、V_s、V_r、V_b分别表示为所述底座板竖向位移矩阵、所述轨道板竖向位移矩阵、所述钢轨竖向位移矩阵、所述梁体竖向位移矩阵；A₁、A₂为分别表示为砂浆弹簧力、接触弹簧力对底座板竖向变形的影响矩阵；B、B₁、B₂分别表示为钢轨自重、轨道板自重、底座板自重对底座板竖向变形的影响矩阵；G_p、G_s、G_r分别表示为底座板重力矩阵、轨道板重力矩阵、钢轨重力矩阵；C、C₁、C₂分别表示为扣件力、砂浆弹簧力、接触弹簧力对轨道板竖向变形的影响矩阵；P_f、P_c、P_ca分别为扣件力矩阵、接触弹簧力矩阵、砂浆弹簧力矩阵；K_f、K_c、K_ca分别表示为所述扣件力刚度矩阵、所述接触弹簧力刚度矩阵、所述砂浆弹簧力刚度矩阵；D、D₁、D₂分别表示为钢轨自重、轨道板自重、底座板自重对轨道板竖向变形的影响矩阵；H、H₁、H₂分别表示为扣件力、砂浆弹簧力、接触弹簧力对钢轨竖向变形的影响矩阵；I、I₁、I₂分别表示为钢轨自重、轨道板自重、底座板自重对钢轨竖向变形的影响矩阵；L和Z分别表示为左侧和右侧支座位移对桥梁位移的影响矩阵，d₁和d₂分别表示为接触弹簧所在桥梁的左侧和右侧支座处桥梁梁体位移矩阵；h表示初始距离。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算所述待构建桥梁的每个扣件处的底座板的变形值；

根据每个所述底座板的变形值建立所述底座板竖向位移矩阵；

所述方法还包括：

计算所述待构建桥梁的每个扣件处的轨道板的变形值；

根据每个所述底座板的变形值建立所述轨道板竖向位移矩阵；

所述方法还包括：

计算所述待构建桥梁的每个扣件处的钢轨的变形值；

根据每个所述钢轨的变形值建立所述钢轨竖向位移矩阵。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述列车-轨道-桥梁耦合动力模型包括：

列车模型、钢轨模型和桥梁模型；

所述列车-轨道-桥梁耦合动力模型为所述列车模型、所述钢轨模型和所述桥梁模型根据列车和钢轨之间和钢轨和桥梁之间分别通过轮轨相互作用及桥轨相互作用形成的；

其中，所述轮轨相互作用及所述桥轨相互作用分别为：

基于法向上的Hertz非线性弹性接触理论和切向上的Kalker非线性简化理论-FASTSIM算法实现所述列车模型和所述钢轨模型之间的轮轨相互作用；

在所述桥梁模型和所述钢轨模型之间增加预先设定的扣件弹簧，以实现所述桥轨相互作用。

10.一种列车运行安全评价装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取附加不平顺参数，其中，所述附加不平顺参数包括桥梁附加变形参数和层间联结失效参数；

输入模块，用于将所述附加不平顺参数输入至预先构建的桥梁-轨道变形映射模型中，以获取轨面附加不平顺；

计算模块，用于根据所述轨面附加不平顺计算所述列车的运行指标，其中，所述运行指标包括安全指标和舒适指标，所述安全指标至少包括：轮轨垂向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数，所述舒适指标至少包括：车体竖向振动加速度和车体横向振动加速度；

评价模块，用于将所述运行指标与预先设定的运行指标阈值进行比较，以对所述列车的运行安全进行评价，其中，所述运行指标阈值包括与所述安全指标对应的安全指标阈值以及与所述舒适指标对应的舒适指标阈值。

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