CN113656899B - 一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，包括以下操作：从现有扣件库中选择待优化扣件，提取其纵、横、垂三向刚度和阻尼作为优化内容，任意选择一向刚度和阻尼进行梯度设计，然后输入列车‑轨道耦合动力学分析模型进行仿真计算，得到在该向梯度设计下列车的纵、横、垂三向加速度和轮轨力，根据加速度、轮轨力对车辆运行的各项指标进行评价，根据评价结果缩小梯度设计范围，重复上述步骤寻找得到扣件该向的刚度与阻尼参数的最优组合；对剩余两向刚度与阻尼均完成优化，该方法能对列车车辆与设计线路的匹配情况进行评估，可以用于线路的扣件参数进行设计、分析优化，为列车运行安全提供理论支撑。

Description

一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法。

背景技术

截至2019年底，全国铁路营业里程13.9万公里，其中高铁达到3.5万公里。我国铁路发展势头迅猛，每年仍有大量新修线路投入使用。扣件作为组成轨道结构的重要部件，被大量地运用于铁路线路上，其作用是固定钢轨正确位置，阻止钢轨的纵向和横向位移，防止钢轨倾翻，并且提供适量弹性，将钢轨所受力传递给轨枕或道床承轨台。扣件参数会影响车辆运行时的安全性、稳定性和舒适性，在列车-轨道耦合大系统下，扣件参数变化还可能造成车线耦合共振效应。实际的线路铺设过程中，针对扣件的选用多数是在现有扣件库中选型，并未考虑扣件参数与线路的轮轨性能参数匹配问题。不匹配的轮轨性能参数从轨道结构角度，可能导致钢轨扣件在服役过程中产生损伤和失效，降低扣件的使用寿命；从车辆运行角度，会影响车辆运行时的动力学性能。因此结合实际线路条件对扣件参数进行优化设计，使轮轨性能参数匹配，达到较好的车辆动力学性能就显得十分必要。

发明内容

为克服上述存在之不足，本发明的发明人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，提出了一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，该方法能对列车车辆与设计线路的匹配情况进行评估，不仅可以用于设计新线路的扣件参数，还可以对既有线路的扣件参数进行分析优化，为确保列车运行安全提供理论支撑，相较于传统的一维模型计算所得结果更加接近于真实情况，能得到较理想的车辆动力学性能。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，包括以下操作：

S1，从现有扣件库中选择待优化扣件，提取其纵、横、垂三向刚度和阻尼作为优化内容；

S2，从纵、横、垂三向刚度和阻尼中任意选择一向刚度和阻尼，对该向刚度和阻尼进行梯度设计；

S3,构建列车-轨道耦合动力学分析模型，对梯度设计完成的刚度和阻尼输入列车-轨道耦合动力学分析模型进行仿真计算，得到在该向梯度设计下列车的纵、横、垂三向加速度，并根据获得的列车三向加速度，计算轮轨力；

S4，根据获得的加速度、轮轨力，对车辆运行的安全性指标、平稳性指标、舒适性指标进行评价；

S5，根据S4获得的安全性、平稳性、舒适性指标,缩小梯度设计范围；

S6，细化缩小范围后的梯度设计方案，输入模型仿真，重复S2~S5步骤2~3次；

S7，根据S6计算结果，寻找得到扣件该向刚度与阻尼参数的最优组合；

S8，基于优化后的扣件参数，选择剩余任一向刚度与阻尼进行梯度设计，重复S2~S7步骤直至扣件纵、横、垂三向刚度与阻尼均完成优化。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：S3中先根据车辆结构信息，编组信息，牵引制动信息构建车辆模型；根据轨道结构信息、轨道不平顺信息，扣件三向刚度和阻尼构建轨道模型，再根据车辆模型、轨道模型构建列车-轨道耦合动力学分析模型。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：所述车辆结构信息包括车体质量、载重、转向架质量、以及一、二系悬挂参数。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：S1所述轨道结构信息包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、支承层和路基的模拟数据。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：车辆模型至少需要考虑纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头6个自由度；轨道模型考虑垂向、横向、扭转自由度。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：车辆结构信息根据技术人员所面对的实际情况进行建立或从既有的车辆模型库中选取；轨道不平顺信息为实际线路采集的轨道随机不平顺信息或高速铁路无砟谱。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：车辆-轨道耦合动力学模型从扣件的纵、横、垂三向刚度和阻尼参数考虑扣件参数对动力学性能的影响。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：在S3中还包括对列车运行的初始条件进行设置。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：列车运行的初始条件包括在给定线路上的位置、初速度、牵引与制动力。

根据本发明所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其进一步的优选技术方案是：在步骤S5中，以安全性为主要指标，舒适性和平稳性为次要指标缩小梯度设计范围。

相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

1.本发明在对轨道扣件参数进行优化时，采用考虑扣件参数的列车-轨道三维耦合动力性能分析模型，综合考虑了扣件参数在纵向、横向、垂向三个方向上的刚度和阻尼对车辆动力学性能的影响。相较于传统的一维模型计算所得结果更加接近于真实情况，其优势已经在具体应用中得到体现。

2.该方法对车辆运行时车体横向加速度、垂向加速度、轮轴横向力、轮轨垂向力进行计算，讨论不同参数下的车辆动力学性能，分析出能实现轮轨性能匹配的扣件优化参数。相比于直接从扣件库中选用已有扣件参数更加符合线路实际，能得到较理想的车辆动力学性能，满足车辆运行时安全性、稳定性、舒适性要求。

3.该方法能对列车车辆与设计线路的匹配情况进行评估，不仅可以用于设计新线路的扣件参数，还可以对既有线路的扣件参数进行分析优化，为确保列车运行安全提供理论支撑。

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是本发明一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法的流程框图。

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作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。

实施例：

如图1所示，一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，包括以下操作：

S1，从现有扣件库中选择待优化扣件，提取其纵、横、垂三向刚度和阻尼作为优化内容；

S2，从纵、横、垂三向刚度和阻尼中任意选择一向刚度和阻尼，对该向刚度和阻尼进行梯度设计；

S3,构建列车-轨道耦合动力学分析模型（参考翟婉明 《车辆-轨道耦合动力学》（第四版）），对梯度设计完成的刚度和阻尼输入列车-轨道耦合动力学分析模型进行仿真计算，得到在该向梯度设计下列车的纵、横、垂三向加速度，并根据获得的列车三向加速度，计算轮轨力；

S4，根据获得的加速度、轮轨力，对车辆运行的安全性指标、平稳性指标、舒适性指标进行评价；

S5，根据S4获得的安全性、平稳性、舒适性指标,缩小梯度设计范围；

S6，细化缩小范围后的梯度设计方案，输入模型仿真，重复S2~S5步骤2~3次；

S7，根据S6计算结果，寻找得到扣件该向刚度与阻尼参数的最优组合；

S8，基于优化后的扣件参数，选择剩余任一向刚度与阻尼进行梯度设计，重复S2~S7步骤直至扣件纵、横、垂三向刚度与阻尼均完成优化。

在步骤S1、S2中，从现有扣件库中选择待优化扣件，提取其纵、横、垂三向刚度和阻尼作为优化内容，从纵、横、垂三向刚度和阻尼中任意选择一向刚度和阻尼，对该向刚度和阻尼进行梯度设计。每次仅针对纵、横、垂三向刚度和阻尼中的某一向进行优化，在本实施例中选择的扣件参数是扣件的垂向刚度，以WJ-8型扣件系统设计垂向静刚度30kN/mm(±10kN/mm)为基准，将10~60kN/mm范围内每隔10kN/mm划分为一个梯度，共计5个梯度。

S3中构建列车-轨道耦合动力学分析模型的具体操作为先根据车辆结构信息，编组信息，牵引制动信息构建车辆模型：关于车辆模型，车辆结构信息根据技术人员所面对的实际情况进行建立或从既有的车辆模型库中选取，构建车辆模型所需的各项参数（如：车体质量、载重、转向架质量、以及一、二系悬挂参数等）可根据技术人员所面对的实际情况进行建立或或从既有的车辆模型库中选取，本实施例中选取的车辆型号为CRH380BG。基于本发明对扣件系统纵、横、垂三向刚度和阻尼进行优化的目的，车辆模型至少需要考虑纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头6个自由度；

再根据轨道结构信息、轨道不平顺信息，扣件三向刚度和阻尼构建轨道模型：关于轨道模型，轨道不平顺信息为实际线路采集的轨道随机不平顺信息或高速铁路无砟谱。使用实际线路采集的轨道随机不平顺信息最能反映线路的实际情况，但由于采集难度上的限制，本实例中采用高速铁路无砟谱作为轨道不平顺信息输入，本实施例以无砟轨道为例，轨道结构信息包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、支承层和路基的模拟数据。在本实施例中，钢轨考虑垂向、横向、扭转自由度，采用连续弹性离散点支撑的Timoshenko梁模拟钢轨；轨道板通过建立三维有限元模型，采用模态叠加法进行模态求解；扣件系统通过平行的点对点的线性弹簧和阻尼单元模拟，根据实际线路的要求，从既有扣件库中选取合适的扣件作为待优化扣件。本实施例中使用的是WJ-8型扣件系统。砂浆层与支承结构考虑为连续的粘弹性单元，不考虑地板和路基的振动行为。

最后再根据车辆模型、轨道模型构建列车-轨道耦合动力学分析模型。车辆-轨道耦合动力学模型从扣件的纵、横、垂三向刚度和阻尼参数考虑扣件参数对动力学性能的影响。

在S3中还包括对列车运行的初始条件进行设置，列车运行的初始条件包括在给定线路上的位置、初速度，为方便起见，本实施例初速度设置为60km/h。

S3中对梯度设计完成的刚度和阻尼输入构建完成后的列车-轨道耦合动力学分析模型进行仿真计算，得到在该向梯度设计下列车的纵、横、垂三向加速度，并根据获得的列车三向加速度，计算轮轨力。本实施例通过迹线法求解轮轨空间接触几何关系，由赫兹非弹性接触理论求解轮轨法向力，根据空间接触几何关系与轮轨法向力可以求解出轮轨横向力、轮轨垂向力。S3步骤中重复2~3次不是固定的，可以根据实际情况增加或减少次数，主要标准为以安全性指标为主，兼顾平稳性与舒适性指标，选择安全性最佳、平稳性不超标且舒适性为优的参数组合。

在步骤S4中，根据获得的加速度、轮轨力，对车辆运行的安全性指标、平稳性指标、舒适性指标进行评价。

安全性指标：

具体操作为根据获得的轮轨力计算车辆运行安全性指标中的脱轨系数、轮重减载率。

脱轨系数为某一时刻作用在车轮上的横向力Q和垂向力P的比值（Q/P）。评价标准采用我国关于高速实验列车性能评定的暂行规定《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》（95J01-M）中的如下规定：

对于高速客车

轮重减载率定义为减载侧车轮的轮重减载量与轮对平均静轮重之比，记作Δp/p，其评价标准根据我国《高速试验列车动力强度及动力学性能规范》（95J01-M）及《高速铁路设计规范（试行）》（TB10621-2009）中规定

平稳性指标：

我国动车组车辆运行平稳性指标W采用Ｓｐｅｒｌｉｎｇ指标，计算公式为

式中A为车体加速度（ｇ）；ｆ为振动频率（Ｈｚ）；F（ｆ）为频率修正系数，如下表所示：

表1 平稳性指标计算公式的频率修正系数

对于高速动车组，我国《高速动车组整车试验规范》规定：客车平稳性指标W≤２.５，司机室平稳性指标W≤２.７５。

舒适性指标：

根据车体加速度计算乘坐舒适度评价指标。关于乘坐舒适性的评价如下，在我国《高速试验列车动力强度及动力学性能规范》（95J01-M）中，旅客乘坐舒适性指标推荐使用乘坐舒适度（UIC513的舒适度标准）。乘坐舒适度计算公式：

式中N为舒适度指标，舒适度等级如表所示；α为加速度的均方根值；Wd和Wb分别与按加权曲线d、b的频率加权值有关（参见ISO2631标准）；X,Y,Z分别表示纵向、横向、垂向三个测量方向；P表示地板面；95表示分布概率分位点95%。

表2 舒适度评价标准表

在步骤S5中，以安全性为主要指标，舒适性和平稳性为次要指标缩小梯度设计范围。

S6，对S5获得的扣件参数范围进行细化，获得梯度更精细的该向刚度阻尼设计方案，然后对缩小梯度范围并进行细化后的数据再次采用S2-S5步骤进行运算，多次循环这个操作后得到更加精确的数据。

S7，根据车辆动力学安全性、平稳性、舒适性评价指标以及更加精确的数据，寻找扣件该向刚度与阻尼参数的最优组合，即N值越小舒适度越高。

S8，基于优化后的扣件参数（将S7获得的扣件该向参数作为优化后的扣件参数）梯度设计另一向刚度阻尼，输入模型仿真，直至纵、横、垂三向刚度和阻尼值均完成优化。如在本实施列中完成垂向刚度和阻尼的优化后，将优化后的垂向刚度和阻尼作为优化后的扣件参数输入列车-轨道耦合动力学分析模型，再对剩下的纵、横、两个向刚度和阻尼值中任一个进行优化，如选择纵向刚度和阻尼作为优化内容，最后就将纵、垂向刚度和阻尼作为优化后的扣件参数输入列车-轨道耦合动力学分析模型，对最后剩下的横向刚度和阻尼作为优化内容进行优化。

如表3所示为本实施列的第一梯度的仿真计算的数据汇总，其中以客车部分的平稳性指标为例：

表3 扣件垂向刚度和阻尼第一梯度计算结果

根据第一梯度计算结果可以得出，扣件刚度在30~40之间时脱轨系数（安全性）最优，且车体垂向Sperling指标（平稳性）在该梯度中较优。故选择扣件垂向刚度30~40kN/mm之间作为第二梯度范围。第二梯度的仿真范围在30-40之间进行阶梯设置然后仿真，得到如表2-4所示仿真结果，其具体数值如表4所示。

表 4 扣件垂向刚度和阻尼第二梯度计算结果

如表所示，在本实施例中优化得到的扣件参数的条件下，车辆脱轨系数与轮重减载率均小于标准限值，乘坐舒适度指标N=1.02,属于非常舒适一级，相较于未优化前N0=1.06有所提高。

本实施列重复两次S2~S5步骤后得到较为理想的结果，则不需要重复第三次，同时，在完成扣件垂向刚度和阻尼的优化后，将其结果作为待优化的下一向刚度和阻尼的优化基础输入列车-轨道耦合动力学分析模型，进行剩余任一向刚度和阻尼的优化。即S8中所说的基于优化后的扣件参数（将S7获得的扣件该向参数作为优化后的扣件参数）梯度设计另一向刚度阻尼，输入模型仿真，直至纵、横、垂三向刚度和阻尼值均完成优化。

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)

1.一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，包括以下操作：

S1，从现有扣件库中选择待优化扣件，提取其纵、横、垂三向刚度和阻尼作为优化内容；

S2，从纵、横、垂三向刚度和阻尼中任意选择一向刚度和阻尼，对该向刚度和阻尼进行梯度设计；

S3,构建列车-轨道耦合动力学分析模型，对梯度设计完成的刚度和阻尼输入列车-轨道耦合动力学分析模型进行仿真计算，得到在该向刚度和阻尼梯度设计下列车的纵、横、垂三向加速度，并根据获得的列车三向加速度，计算轮轨力；

S4，根据获得的加速度、轮轨力，对车辆运行的安全性指标、平稳性指标、舒适性指标进行评价；

S5，根据S4获得的安全性、平稳性、舒适性指标,缩小梯度设计范围；

S6，细化缩小范围后的梯度设计方案，输入模型仿真，重复S2~S5步骤2~3次；

S7，根据 S6 计算结果，寻找得到扣件该向刚度与阻尼参数的最优组合；

S8，基于优化后的扣件参数，选择剩余任一向刚度与阻尼进行梯度设计，重复S2~S7步骤直至扣件纵、横、垂三向刚度与阻尼均完成优化。

2.根据权利要求1所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，S3中先根据车辆结构信息，编组信息，牵引制动信息构建车辆模型；根据轨道结构信息、轨道不平顺信息，扣件三向刚度和阻尼构建轨道模型，再根据车辆模型、轨道模型构建列车-轨道耦合动力学分析模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，所述车辆结构信息包括车体质量、载重、转向架质量、以及一、二系悬挂参数。

4.根据权利要求2所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，S1所述轨道结构信息包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、支承层和路基的模拟数据。

5.根据权利要求2所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，车辆模型至少需要考虑纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头6个自由度；轨道模型考虑垂向、横向、扭转自由度。

6.根据权利要求2所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，车辆结构信息根据技术人员所面对的实际情况进行建立或从既有的车辆模型库中选取；轨道不平顺信息为实际线路采集的轨道随机不平顺信息或高速铁路无砟谱。

7.根据权利要求1所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，车辆-轨道耦合动力学模型从扣件的纵、横、垂三向刚度和阻尼参数考虑扣件参数对动力学性能的影响。

8.根据权利要求1所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，在S3中还包括对列车运行的初始条件进行设置。

9.根据权利要求8所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，列车运行的初始条件包括在给定线路上的位置、初速度、牵引与制动力。

10.根据权利要求1所述的一种基于车轨耦合理论的轨道扣件参数优化方法，其特征在于，在步骤S5中，在保证安全性的前提下，以舒适度和平稳性佳者为基准，缩小梯度设计范围。

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