CN111861102A - 一种铁路货车运行安全评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁路货车运行安全评估方法及系统，本发明根据调研所得参数建立货车动力学模型，根据车钩上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出实际运行中车钩的受力情况与摆角数据，将其作为外部激励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相应，最后根据每节车厢动力学相应计算出对应的安全性指标，并分别判断每节货车是否符合安全运行条件。因此，本发明能够准确有效的评估多节货车编组货运列车受车钩摆角影响时是否满足安全指标的要求，从而避免引发脱轨、倾覆等严重事故。
Description
技术领域
本发明涉及铁路运输安全技术领域，特别涉及到考虑纵向作用车钩摆动对列车动力学性能影响的铁路货车运行安全评估方法及系统。
背景技术
铁路货物运输安全是轨道交通领域中最重要的关注领域，随着货运列车运行速度以及运载重量的大幅度提高，以及重载铁路在各地域内的广泛开行，列车的运行安全性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是采用超重超限报警、轴温过高报警等监测方式，通常由数据模块将接受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。但列车运行过程中，车钩在实现列车连挂的同时具有一定的摆动自由度，列车纵向冲动易经由车钩摆动幅度产生使车体偏转的横向分力，严重威胁列车的运行安全性，而传统的监测方式无法准确有效的评估铁路货运车辆运行时受车钩力作用而产生的倾覆、脱轨风险。
发明内容
本发明的发明人为解决上述问题，通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提出一种考虑了车钩摆角作用对列车动力学性能影响特点的铁路货车安全评估计算方法，能够更准确有效的评估铁路货运车辆存在的倾覆、脱轨风险，进一步提高列车的运行安全性。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：
一种铁路货车运行安全评估方法，其包括以下操作步骤：
S1,获取列车线路平纵断面数据与列车编组信息及获取列车编组中货车动力学参数；并根据数据实时采集装置，计算运行中车钩的受力情况与摆角数据；
S2，以货车动力学参数为基础，建立车辆—轨道耦合动力学模型，将车钩力与车钩摆角实时数据作为输入参数，施加至货车前、后车钩，结合该编组的运行工况，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ΔP；
S3，计算该货车受纵向车钩力作用下的安全性指标；
S4，根据S3中计算的结果分别判断每节货车的安全性指标是否符合标准，若其中任一节车厢的安全性指标不满足条件，则该车辆具有事故风险。
本发明中所述评估方法，其进一步的实施方案是：车辆—轨道耦合动力学模型包括单节货车模型与考虑牵引杆连接的单元货车模型；两种模型囊括不同货车的编组形式，牵引杆连接的单元货车形式如下：车钩—货车—牵引杆—货车—牵引杆—货车—车钩；而牵引杆转动角度较小，车钩力施加时需将上述编组看做整体施加正常车钩采集的力。
本发明中所述评估方法，其进一步的实施方案是：S3中所述安全性指标包括空间动力学指标和纵向动力学指标，其中空间动力学指标具体包括脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率，其中，脱轨系数为
轮重减载率为
倾覆系数为
表示轮对的平均静轮重，PO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；纵向动力学安全性指标包括车钩力限值与纵向加速度限值，车体纵向加速度最大值小于1.0g，车钩力正常运行工况最大值小于1000kN,紧急制动最大值小于2250kN。
本发明中所述评估方法，其进一步的实施方案是：所述脱轨系数的安全限值为作用时间小于0.035s且脱轨系数小于等于1.0；所述轮重减载率安全限值为作用时间小于0.035s且轮重减载率小于等于0.9；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，认为不满足倾覆系数的安全条件。
本发明中所述评估方法，其进一步的实施方案是：在步骤S1中，采集的车钩数据包括：车钩横向位移、车钩纵向位移以及车钩力，根据所采集车钩位移，建立数学处理程序，计算出车钩在运行过程中的摆动情况。
本发明中所述评估方法，其进一步的实施方案是：在步骤S2中，所述运行工况包括车辆行驶速度变化、车辆行驶线路的曲直变化、线路不平顺变化以及车钩摆角和车钩力变化。
本发明还提供了一种实现上述评估方法的系统，具体为一种铁路货车运行安全评估系统，其包括数据实时采集装置和数据计算平台；其中，
所述数据实时采集装置用于采集车钩力与车钩摆动位移变化数据，并将数据实时发送至所述数据计算平台；
所述数据计算平台包括多个处理器及存储装置，所述处理器执行一个或多个程序进行计算，存储装置存储计算结果；当所述一个或多个程序被所述多个处理器执行，使得所述多个处理器可实现本发明的考虑车钩摆角时铁路货车运行安全评估方法。
根据本发明所提供的一种铁路货车运行安全评估系统，其进一步的实施方案是：该系统还包括显示装置与报警装置，显示装置最终输出并显示计算结果；根据计算结果判断逻辑，当不满足列车运行安全性指标时，处理器发送指令触发报警装置。所述显示装置用于显示所述数据计算平台输出的结果，并可进行滤波等数据处理；报警装置用于根据数据计算平台输出的报警信号触发，具体是所述数据计算平台的数据结果用于判断货运列车的安全指标不合格时，还应判定车钩力正常运行工况最大值小于1000kN,紧急制动最大值小于2250kN。当数据计算平台判断车钩力与货车安全性指标其中任一项不合格时，输出所述报警信号至报警装置。
根据本发明所提供的一种铁路货车运行安全评估系统，其进一步的实施方案是：所述数据实时采集装置包括位移传感器和应变片，所述位移传感器采集车钩横向位移和车钩纵向位移，所述应变片采集车钩力。
根据本发明所提供的一种铁路货车运行安全评估系统，其进一步的实施方案是：所述位移传感器包括两个横向位移传感器和一个纵向位移传感器，两个横向位移传感器安装在不阻碍车体车钩运动的支撑杆上，纵向位移传感器安装在车钩与车体中心线。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明采用的铁路货车运行安全评估方法，首先根据调研所得参数建立货车动力学模型，根据车钩上设置的数据采集装置所采集的数据，获取实际运行中车钩的受力情况与摆角数据，将其作为外部激励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相应，最后根据每节车厢动力学相应计算出对应的安全性指标，并判断货车是否符合安全运行条件。因此，本发明能够准确有效的评估货运列车受车钩摆角影响是否满足安全指标的要求，并可由车钩力限值进一步评估列车空气制动操纵安全性(列车采用空气制动具有较大车钩力，车钩力作用于车体时产生横向分力，亦会影响车辆动力学性能，上述要求中对车钩力最大值分为正常工况与紧急制动工况，从而显现空气制动工况安全性评估的优点)，从而避免引发脱轨、倾覆等严重事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本发明所述铁路货车运行安全评估方法的流程示意图；
图2为本发明中车钩摆角测试的传感器安装示意图；
图3为本发明中车钩摆角计算几何关系示意图；
图4为本发明的铁路货车运行安全评估系统结构示意框图。
图中标号说明：1车体，2车钩，3不阻碍车体车钩运动的支撑杆，4横向位移传感器，5纵向位移传感器，6应变片，7位移传感器连接点。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例
如图1所示，本发明的考虑车钩摆角作用的铁路货车运行安全评估方法包括以下步骤：
S1,根据调研资料所得线路平纵断面数据与列车编组信息，获取所得列车编组中货车动力学参数；并根据车钩上设置的数据采集装置所采集的数据，计算出实际运行中车钩的受力情况与摆角数据；
S2，以货车动力学参数为基础，建立车辆—轨道耦合动力学模型中，将采集数据作为输入参数，施加至货车前、后车钩，结合该编组的运行工况，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ΔP；该车辆—轨道耦合动力学模型包括单节货车模型与考虑牵引杆连接的单元货车模型；这两种模型囊括了不同货车的编组形式，牵引杆连接的单元货车形式如下：车钩—货车—牵引杆—货车—牵引杆—货车—车钩；而牵引杆转动角度较小，车钩力施加时需将上述编组看做整体施加正常车钩采集的力。
S3，计算货车受纵向车钩力作用下的安全性指标，具体有脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率；其中，脱轨系数为
轮重减载率为
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，分别判断每节货车的安全性指标是否符合标准，若其中任一节车厢的安全性指标不满足条件，则该车辆具有事故风险。
具体的，本发明中所采用的安全性指标规定限值如下：所述车钩力正常运行工况最大值小于1000kN，紧急制动最大值小于2250kN，所述脱轨系数的安全条件为
Q为轮轨横向力，P为轮轨垂向力，且t为脱轨系数限值的作用时间，所述轮重减载率安全限值为ε≤0.9(t＜0.035s),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，认为不满足倾覆系数的安全条件。
本发明铁路货运车辆运行安全评估方法中的所述步骤S1中，货车连挂车钩设置的数据采集装置所采集数据包括：车钩横向位移、车钩纵向位移以及应变片采集车钩力。
具体的，如图2所示，在车钩侧边安装一个固定在车体上且不阻碍车钩与车体相互运动的支撑杆以安装两个横向位移传感器，同时在车钩与车体中心线安装纵向位移传感器，同时于车钩中心面安装应变片以实时采集车钩受力情况。
具体的，在上述传感器安装结构的基础上，各个位置位移关系可以实现其几何关系，通过构建如下数学模型，如图3所示，图中L1为纵向传感器与横向位移传感器安装杆的距离，L2为第一个位移传感器距车端距离，L4为纵向传感器的位移与两立柱间距之和，L5为第一个横向位移传感器的位移，L6为两个横向传感器的安装间距，L8为第二个横向传感器的位移，L9为两个横向传感器安装立柱间距。由勾股定理可算出L3的具体数值，其公式如下：
同时已知L4与L5，可由以下计算得出
则
同理L7与α3、α4的计算处理过程如下
此时经由几何角度原理可知车钩摆角α＝(α3+α4-α2)*180/π。
经以上数据采集装置即可得车辆实时运行中车钩摆角与车钩力数据，即可进行动力学指标相应计算与计算结果输出。
如图4所示，本发明还提供了一种考虑车钩摆角作用的铁路货车运行安全评估系统，其主要包括数据计算平台和数据采集装置。其中，数据采集装置用于采集如图2所示的设置在车钩位置上的位移传感器与车钩应变数据，数据采集装置为通用的采集卡或传感器等均可，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择使用。数据采集装置与数据计算平台相连接，并具有数据实时传输功能。数据计算平台为多个处理器组成的数据处理设备例如计算机等，且具有存储装置，所述数据计算平台可存储多个程序，当处理器执行一个或多个程序时，均可实现上述的安全评估方法。其中传感器包括了两个横向位移传感器和一个纵向位移传感器，两个横向位移传感器安装在不阻碍车体车钩运动的支撑杆上，纵向位移传感器安装在车钩与车体中心线上，各传感器之间汇总连接后将数据实时传输至数据计算平台的处理器。
为了便于工作人员实时查看，该系统还设置了显示装置和报警装置，其中显示装置可以是电脑显示器、液晶屏等等具有显示作用的现有设备。当数据计算平台判断出列车存在风险时，将报警信号输出至报警装置，并将数据计算平台的结果实时地显示在显示装置上，以便于工作人员实时查看，实时了解具体的运行情况。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1,获取列车线路平纵断面数据与列车编组信息及获取列车编组中货车动力学参数；由数据采集装置实时采集数据并计算车钩的受力情况与摆角数据；
S2，以货车动力学参数为基础，建立车辆—轨道耦合动力学模型，将车钩力与车钩摆角实时数据作为输入参数，施加至货车前、后车钩，结合该编组的运行工况，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ΔP；
S3，计算该货车受纵向车钩力作用下的安全性指标；
S4，根据S3中计算的结果分别判断每节货车的安全性指标是否符合标准，若其中任一节车厢的安全性指标不满足条件，则该车辆具有事故风险。
2.根据权利要求1所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：车辆—轨道耦合动力学模型包括单节货车模型与考虑牵引杆连接的单元货车模型。
3.根据权利要求1所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：S3中所述安全性指标包括空间动力学指标和纵向动力学指标，其中空间动力学指标具体包括脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率，其中，脱轨系数为
轮重减载率为
倾覆系数为
表示轮对的平均静轮重，PO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；纵向动力学安全性指标包括车钩力限值与纵向加速度限值，车体纵向加速度最大值小于1.0g，车钩力正常运行工况最大值小于1000kN,紧急制动最大值小于2250kN。
4.根据权利要求3所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：所述脱轨系数的安全限值为作用时间小于0.035s且脱轨系数小于等于1.0；所述轮重减载率安全限值为作用时间小于0.035s且轮重减载率小于等于0.9；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，认为不满足倾覆系数的安全条件。
5.根据权利要求1所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：在步骤S1中，实时采集数据包括：车钩横向位移、车钩纵向位移以及车钩力，根据所采集车钩位移，建立处理程序，计算出车钩在运行过程中的摆动情况。
6.根据权利要求1所述的一种铁路货车运行安全评估方法，其特征在于：在步骤S2中，所述运行工况包括车辆行驶速度变化、车辆行驶线路的曲直变化、线路不平顺变化以及车钩摆角和车钩力变化。
7.一种铁路货车运行安全评估系统，其特征在于：包括数据实时采集装置和数据计算平台；其中，
所述数据实时采集装置用于采集车钩力与车钩摆动位移变化数据，并将数据实时发送至所述数据计算平台；
所述数据计算平台包括多个处理器及存储装置，所述处理器执行一个或多个程序进行计算，存储装置存储计算结果，以实现权利要求1—4任一项所述的方法。
8.根据权利要求7所述的一种铁路货车运行安全评估系统，其特征在于：该系统还包括显示装置与报警装置，显示装置最终输出并显示计算结果；根据计算结果判断逻辑，当不满足列车运行安全性指标时，处理器发送指令触发报警装置。
9.根据权利要求7所述的一种铁路货车运行安全评估系统，其特征在于：所述数据实时采集装置包括位移传感器和应变片，所述位移传感器采集车钩横向位移和车钩纵向位移，所述应变片采集车钩力。
10.根据权利要求7所述的一种铁路货车运行安全评估系统，其特征在于：所述位移传感器包括两个横向位移传感器和一个纵向位移传感器，两个横向位移传感器安装在不阻碍车体车钩运动的支撑杆上，纵向位移传感器安装在车钩与车体中心线。
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