CN115659873A - 一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通技术领域，涉及一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，包括：S1、进行动力学建模；S2、将气动载荷结果、气动升力、列车运行阻力加载到车辆动力学模型中；S3、采用变摩擦系数模型，计算轮轨接触条件下的摩擦系数；S4、根据轮轨摩擦系数和轮轨垂向力，计算轮轨黏着力的最大值，得到轮轨可用黏着；建立起轮轨可用黏着‑运行速度‑轮轨垂向力的函数关系；S5、将数值仿真计算得到的轮轨垂向力代入到轮轨可用黏着‑运行速度‑轮轨垂向力的函数关系中，通过线性内插方式求解轮轨可用黏着；S6、计算得到轮轨黏着裕量；判断轮轨间的黏着性能。本发明能较佳地评估轮轨黏着性能。

Description

一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体地说，涉及一种通过理论计算和多体运动学仿真相结合，确定不同轮轨接触状态下气动升力协同高速列车的轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量，以评估气动升力协同高速列车在不同轮轨接触条件下运行的黏着性能的方法。

背景技术

高铁速度的提高必然会带来轮轨磨损程度加强、使用寿命缩短、功率消耗增大、运营维护成本增大等问题。为达到提速减阻节能的目的，专家和学者提出了带有升力翼的高速列车概念，其突破传统高速列车气动外形设计理念，在高速列车车顶加装升力翼，通过合理设计升力翼位置、数量、翼形等参数将空气阻力转化为气动升力，提高列车气动升力减小总阻力，同时实现车身质量的等效减重和降低轮轨磨耗，最后实现高速列车提速与节能降耗的目的。同时注意到，安装在车顶上的升力翼除了产生额外的气动升力和阻力外，还会显著改变车身表面的流场分布和列车气动特性（摇头力矩、点头力矩、侧滚力矩），进一步影响列车的动态性能和轮轨相互作用，进而影响轮轨黏着性能，限制列车牵引及制动能力的发挥。此外，由于轮轨系统通常处于开放环境当中，轮轨接触界面不可避免地受到雨雪、落叶、机油等“第三介质”的污染，轮轨摩擦系数会相应降低，而轮轨滑动摩擦力是由轮轨摩擦系数决定的一个客观值，“第三介质”的污染将显著降低轮轨摩擦系数，进而恶化轮轨黏着性能并影响到列车正常牵引和制动运行，因此，准确有效地评判轮轨黏着性能十分重要。

与传统高速列车一致，气动升力协同高速列车运行时依靠车轮与钢轨之间的摩擦接触传递牵引/制动力，当作用在轮对上的牵引或制动力矩的逐渐增大，轮轨接触面上传递的切向力达到最大时，该力称为轮轨可用黏着，代表实际运用中轮轨间黏着力可能达到的最大值。将轮轨可用黏着与轮轨实际利用黏着力或牵引/制动力的参考值的差值定义为轮轨黏着裕量。轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量对列车牵引制动性能的正常发挥具有十分重要的意义。当施加在车轮上的牵引力或者制动力大于轮轨间所能提供的轮轨可用黏着时，列车车轮就会有空转或打滑的风险。轮轨黏着裕量反映了轮轨间潜在的可用黏着，合适的轮轨黏着裕量对轮轨界面有效传递牵引/制动力，确保铁路车辆安全运行非常重要。此时，需要从列车牵引和制动的实质出发，对在恶劣运营条件下的气动升力协同高速列车的轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量进行计算，以评估气动升力协同高速列车的黏着性能，为保障气动升力协同高速列车的运行安全性、制定列车牵引/制动策略、优化升力翼气动特性提供更科学的参考。

目前高速列车的黏着性能评估方法中，通常采用数值仿真、计算黏着系数公式的方法来评估轮轨黏着性能。数值仿真方法是借助商业软件，根据列车参数建立车辆-轨道耦合动力学模型，采用相应的轮轨蠕滑理论如Fastsim、Contact、沈式理论等计算轮轨接触几何参数与轮轨接触力，得到轮轨黏着系数、黏着利用率、蠕滑率以评估黏着性能。计算黏着系数公式的提出是因为轮轨间的黏着状态受到多种多样的因素影响，这些影响一般无法用理论计算方法表达，只能通过专门试验，根据线路上实测得的轮轨黏着系数再综合其他影响因素修正后得到的黏着系数的经验公式，称为计算黏着系数公式。计算黏着系数随速度变化，描述了每一速度下的轮轨间的黏着系数，对制定列车牵引、制动曲线，保障列车安全运行具有重要意义。

但是，在实际使用过程中发现，这些现有技术至少存在以下技术问题：

1.带有升力翼的高速列车与恶劣轮轨接触条件相互耦合形成具有强非线性的轮轨系统，现有的数值仿真分析方法对强非线性因素耦合的考虑较少，没有成熟案例评估气动升力协同下的高速列车黏着性能，无法反映真实情况。

2.现有《牵引制动计算规程》中只给出了传统列车的计算黏着系数经验公式，不涉及400-500km/h低黏着、大蠕滑下的黏着系数；且大量试验结果表明，轮轨间实测黏着系数具有较大的离散性，因此计算黏着系数也具有一定概率性，很有可能高估或者低估轮轨间黏着系数。

发明内容

本发明的内容是提供一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其能够较佳地评估轮轨黏着性能。

根据本发明的一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、根据高速列车参数进行动力学建模，考虑轮轨接触几何非线性、轮轨蠕滑非线性以及悬挂参数非线性特性；

步骤S2、将计算流体动力学获得的气动载荷结果、气动升力、列车运行阻力加载到车辆动力学模型中；

步骤S3、采用变摩擦系数模型，计算不同速度下的特定的轮轨接触条件下的摩擦系数；

步骤S4、根据计算得到的轮轨摩擦系数和特定的轮轨垂向力，计算轮轨黏着力的最大值，得到轮轨可用黏着；建立起轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系；

步骤S5、将数值仿真计算得到的轮轨垂向力代入到轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系中，通过线性内插方式求解轮轨可用黏着；

步骤S6、当轮轨间蠕滑率未达到最优时，根据求解得到的轮轨可用黏着与轮轨实际利用黏着计算得到轮轨黏着裕量；当轮轨间蠕滑率达到最优后，根据求解得到的轮轨可用黏着与牵引/制动力的参考值计算得到轮轨黏着裕量，再根据轮轨可用黏着大小和轮轨黏着裕量的正负判断轮轨间的黏着性能。

作为优选，步骤S2中，气动升力大小按占车体自重的比例设置，列车运行阻力根据单位基本阻力和列车重量相乘求得。

作为优选，步骤S2中，单位基本阻力

的公式如下：

（1）

式中，

为列车运行速度，C ₀ 为常数项，C ₁ 为线性系数，C ₂ 为气动阻力系数， C ₀ +C ₁ v 为机械阻力和牵引和辅助设备及空调系统气流产生的动量阻力；C ₂ v ² 为列车气动阻力包括 压差阻力和黏性阻力。

作为优选，步骤S3中，变摩擦系数模型公式如下：

（2）

(3)

式中，

为动摩擦系数，

为静摩擦系数，v _s 为轮轨总蠕滑速度大小，A为当蠕 滑速度趋于无穷时动摩擦系数与静摩擦系数之比，B为指数型摩擦因数衰减系数，e为自然 常数，

为运行速度，

为纵向蠕滑率，

为横向蠕滑率。

作为优选，步骤S4中，计算轮轨黏着力

的公式如下：

(4)

(5)

式中，Q为轮轨垂向力，k _A 和k _S 分别为Kalker系数在接触斑黏着区和滑动区的衰减因子；

为黏着区域内切向应力的梯度，C为表征接触剪切刚度的比例系数并可由Kalker线性理论推导，a和b分别为椭圆接触斑的长短半轴，s为总蠕滑率。

作为优选，步骤S6中计算轮轨黏着裕量的公式如下：

(6)

式中，F _m 为轮轨黏着裕量，

是轮轨实际利用黏着，

表示轮轨可用黏着 力，

是牵引/制动力的参考值，

为理论最优蠕滑率，即

取最大值时对应的蠕滑 率大小。

本发明提出了一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，同时考虑多种因素耦合的影响，准确计算车辆的轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量，以评估轮轨黏着性能，为保障气动升力协同高速列车的运行安全性、制定列车牵引/制动策略、优化升力翼气动特性提供更科学的参考，节约试验成本。

附图说明

图1是实施例1中一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法的流程图；

图2（a）是实施例2中气动升力协同高速列车的牵引特性曲线图；

图2（b）是实施例2中气动升力协同高速列车的制动特性曲线图；

图3（a）是实施例2中干燥接触条件下轮轨摩擦系数与纵向蠕滑率的对应关系示意图；

图3（b）是实施例2中湿润接触条件下轮轨摩擦系数与纵向蠕滑率的对应关系示意图；

图3（c）是实施例2中油态接触条件下轮轨摩擦系数与纵向蠕滑率的对应关系示意图；

图4（a）是实施例2中干燥接触条件下可用黏着力-运行速度-轮轨垂向力的对应关系示意图；

图4（b）是实施例2中湿润接触条件下可用黏着力-运行速度-轮轨垂向力的对应关系示意图；

图4（c）是实施例2中油态接触条件下可用黏着力-运行速度-轮轨垂向力的对应关系示意图；

图5是实施例2中干燥条件450km/h速度下3、8号车轮轨黏着力与升力幅值的对应关系示意图；

图6是实施例2中干燥条件450km/h速度下3、8号车轮轨黏着裕量与升力幅值的对应关系示意图；

图7（a）是实施例2中牵引工况不同轮轨接触状态下3号车轮轨黏着力与升力幅值、运行速度的对应关系示意图；

图7（b）是实施例2中牵引工况不同轮轨接触状态下8号车轮轨黏着力与升力幅值、运行速度的对应关系示意图；

图7（c）是实施例2中牵引工况不同轮轨接触状态下3号车轮轨黏着裕量与升力幅值、运行速度的对应关系示意图；

图7（d）是实施例2中牵引工况不同轮轨接触状态下8号车轮轨黏着裕量与升力幅值、运行速度的对应关系示意图；

图8（a）是实施例2中制动工况不同轮轨接触状态下4号车轮轨黏着力与升力幅值、运行速度的对应关系示意图；

图8（b）是实施例2中制动工况不同轮轨接触状态下8号车轮轨黏着力与升力幅值、运行速度的对应关系示意图；

图8（c）是实施例2中制动工况不同轮轨接触状态下4号车轮轨黏着裕量与升力幅值、运行速度的对应关系示意图；

图8（d）是实施例2中制动工况不同轮轨接触状态下8号车轮轨黏着裕量与升力幅值、运行速度的对应关系示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其包括以下步骤：

步骤S1，根据高速列车参数进行动力学建模，考虑轮轨接触几何非线性、轮轨蠕滑非线性以及悬挂参数非线性特性。

步骤S1是黏着性能评估的基础，根据现有高速列车参数进行动力学建模，选取相应的踏面形状与轨道外形；选用轮轨接触理论，考虑轮轨蠕滑非线性；考虑一系、二系悬挂等的非线性特性。

步骤S2，将计算流体动力学获得的气动载荷结果、气动升力、列车运行阻力加载到车辆动力学模型中。气动升力大小按占车体自重的比例设置，列车运行阻力根据单位基本阻力和列车重量相乘求得。

步骤S2中，确定升力翼的翼形、数量与安装位置后，开展车辆系统动力学和空气动 力学耦合计算，将计算得到的气动升力协同高速列车的气动载荷结果加载到车辆动力学模 型中。对于升力翼的气动特性仅考虑其气动升力作用并在模型中根据升力翼实际的安装位 置施加升力，且气动升力大小按占车体自重的比例设置；对于车体所受的气动载荷考虑为 不包含气动翼结果的侧滚、点头、摇头力矩和气动升力，力和力矩简化中心位置与车体重心 重合。列车运行阻力根据单位基本阻力

和列车重量Mg相乘求得。

在步骤S2中的单位基本阻力

的公式如下：

(1)

式中，

为列车运行速度，C ₀ 为常数项，C ₁ 为线性系数，C ₂ 为气动阻力系数， C ₀ +C ₁ v 为机械阻力和牵引和辅助设备及空调系统气流产生的动量阻力；C ₂ v ² 为列车气动阻力包括 压差阻力和黏性阻力。

步骤S3，采用变摩擦系数模型，计算不同速度下的特定的轮轨接触条件下的摩擦系数。

步骤S3中的变摩擦系数模型可以通过修改特定参数描述不同运行速度与不同轮 轨接触条件下轮轨黏着系数随蠕滑率的变化规律，并且变摩擦系数模型可以描述黏着系数 的负斜率特性，使得轮轨间的摩擦系数更符合真实值。当描述轮轨接触状态的

、A、B参数 确定之后，摩擦系数是纵向蠕滑率和运行速度的函数。变摩擦系数模型计算公式如下：

(2)

(3)

式中，

为动摩擦系数，

为静摩擦系数，v _s 为轮轨总蠕滑速度大小，A为当蠕 滑速度趋于无穷时动摩擦系数与静摩擦系数之比，B为指数型摩擦因数衰减系数，e为自然 常数，为运行速度，

为纵向蠕滑率，

为横向蠕滑率。

步骤S4，根据计算得到的轮轨摩擦系数和特定的轮轨垂向力，计算轮轨黏着力的最大值，得到轮轨可用黏着。建立起轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系。

将步骤S3中得到的轮轨摩擦系数以及预先根据轮轨接触实际情况估计的轮轨垂向力代入到轮轨黏着力的计算公式当中，计算得到轮轨可用黏着。在轮轨黏着力的计算公式中，当轮轨接触条件确定后，轮轨黏着力是轮轨摩擦系数和轮轨垂向力的函数；步骤S3中的轮轨摩擦系数是轮轨纵向蠕滑率和运行速度的函数，将之代入到轮轨可用黏着的计算公式当中，可知轮轨黏着力是轮轨纵向蠕滑率、运行速度和轮轨垂向力的函数。当纵向蠕滑率达到最优蠕滑率时，可得到该运行速度和轮轨垂向力下轮轨黏着力的最大值，即轮轨可用黏着。由此，运行速度和轮轨垂向力取为一系列值时，即可计算得到特定接触条件下，各运行速度和轮轨垂向力对应的轮轨可用黏着，建立起特定轮轨接触条件下轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系。

在步骤S4中计算轮轨黏着力

的公式如下：

(4)

(5)

式中，Q为轮轨垂向力，k _A 和k _S 分别为Kalker系数在接触斑黏着区和滑动区的衰减 因子。

为黏着区域内切向应力的梯度，C为表征接触剪切刚度的比例系数并可由Kalker线 性理论推导，a和b分别为椭圆接触斑的长短半轴，s为总蠕滑率。

步骤S5，将某运行速度下数值仿真计算得到的轮轨垂向力代入到轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系中，通过线性内插方式求解轮轨可用黏着。

步骤S5中，导出数值仿真计算得到的轮轨垂向力结果，连同运行速度一起代入到轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系中，通过线性内插方式，求解得到该状态下的轮轨可用黏着。所述的轮轨垂向力结果是利用轮轨接触理论在数值仿真中得到，且提取的是减载最严重的轮对。所述的线性内插方法，是利用步骤S4中得到的轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系，由现有的轮轨垂向力与运行速度通过等比关系去求解轮轨可用黏着。

步骤S6，当轮轨间蠕滑率未达到最优时，根据求解得到的轮轨可用黏着与轮轨实际利用黏着计算得到轮轨黏着裕量；当轮轨间蠕滑率达到最优后，根据求解得到的轮轨可用黏着与牵引/制动力的参考值计算得到轮轨黏着裕量，再根据轮轨可用黏着大小和轮轨黏着裕量的正负判断轮轨间的黏着性能。

步骤S6中所述的实际利用黏着是数值仿真计算得到轮轨纵向蠕滑力结果，与步骤S5轮轨垂向力提取结果的轮对保持一致。所述的牵引/制动力参考值是指根据牵引/制动特性曲线给出的在某运行速度下施加在轮对上的牵引力或者制动力。

当轮对未发生空转滑动，即轮轨实际利用黏着小于轮轨可用黏着时，轮轨黏着裕量通常表示为轮轨可用黏着与实际利用黏着之差且大于0，主要反映了轮轨间潜在的可用黏着；轮对发生空转滑动，即牵引/制动力的参考值大于轮轨可用黏着时，轮轨黏着裕量表示为轮轨可用黏着与牵引/制动力参考值之差且小于等于0，主要反映轮轨黏着不足的程度。

轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量对轮轨界面有效传递牵引/制动力以确保铁路车辆安全运行十分关键，更高的轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量对应列车轮对发生空转的风险更低，列车牵引/制动能力提升的空间更大。由此，以轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量的大小来评估轮轨黏着性能。

在步骤S6中计算轮轨黏着裕量的公式如下：

(6)

式中，F _m 为轮轨黏着裕量，

是轮轨实际利用黏着，

表示轮轨可用黏着 力，

是牵引/制动力的参考值，

为理论最优蠕滑率，即

取最大值时对应的蠕 滑率大小。

本实施例所述的轮轨可用黏着是指轮轨间蠕滑率达到最优，即轮轨黏着特性曲线达到峰值点时对应的轮轨黏着力的最大值，表示了轮轨间所能达到的最大轮轨黏着力水平，当实际利用黏着低于该数值时，车辆能正常运行；当牵引/制动力的参考值高于该值时，车辆不能正常运行。轮轨黏着裕量表示了轮轨间潜在的可用黏着或者黏着不足的情况，表示了轮轨间黏着的充分程度。两者结合用于评估轮轨黏着性能。

实施例2

本实施例以气动升力协同高速列车在“干燥”、“湿润”，“油态”轮轨接触条件下的黏着性能评估方法为例，对具体操作进行说明。选用某高速列车原型建立模型，加载牵引/制动力矩，头尾车分别布置5个升力翼，其余每车布置4个升力翼。描述轮轨接触状态的相关参数见表1。牵引与制动特性曲线见图2（a）和图2（b）。

表1 描述轮轨接触状态的相关参数

S1，在商业软件SIMPACK中建立气动升力协同高速列车的多体动力学模型，列车编组形式为4M4T（M-T-M-T-T-M-T-M），车辆自重为406吨。车体通过二系悬挂与转向架构架连接，轮对通过一系悬挂与转向架构架连接。除了轴箱转臂仅具有绕y轴转动的自由度，升力翼与车体固定连接外，车辆系统的其他部件均包含6个自由度，模型共有472个自由度。充分考虑轮轨接触几何非线性、轮轨蠕滑非线性以及悬挂参数非线性特性，采用S1002CN车轮踏面和CN60钢轨相匹配，轮轨蠕滑力的求解采用了基于非线性Hertz接触理论的Polach模型，轮轨几何计算和在线评估通过SIMPACK接触搜索算法中Rail-Wheel Interface力元实现。

S2，建立带有升力翼的高速列车空气动力学模型，开展车辆系统动力学和空气动力学耦合计算，将计算得到的气动升力协同高速列车的气动载荷结果加载到车辆动力学模型中。对于升力翼的气动特性仅考虑其气动升力作用并在模型中根据升力翼实际的安装位置施加升力，且气动升力大小按占车体自重且气动升力大小按占车体自重的0%，5%，10%，15%，20%，25%设置；对于车体所受的气动载荷考虑为不包含气动翼结果的侧滚、点头、摇头力矩和气动升力，力和力矩简化中心位置与车体重心重合。列车运行阻力根据公式（1）单位基本阻力和列车重量相乘求得。

本实施例的公式（1）中，a=0.55，b=0.003622，c=0.0001099。

S3，运行速度取每隔10km/h从350取到550km/h，将描述“干燥”、“湿润”、“油态”轨接触条件的相关参数代入变摩擦系数计算公式（2）、（3）中，得到不同接触条件下的动摩擦系数，如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。

S4，根据车身质量估算在轮轨接触中车辆可能减载的质量，预先指定轮轨垂向力以计算轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系。轮轨垂向力每隔1kN从35取到70kN，将轮轨垂向力和步骤S3中的某一速度下的轮轨摩擦系数代入轮轨黏着力的计算公式（4）、（5）当中，计算蠕滑率达到最优时的轮轨黏着力，得到某一轮轨垂向力和运行速度下的轮轨黏着力的最大值，即轮轨可用黏着，按照同样的方法，即可计算其他轮轨垂向力和运行速度下的轮轨可用黏着，建立轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系。不同接触条件下的轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系如图4（a）、图4（b）、图4（c）所示。

S5，选取干燥接触条件下、牵引工况运行，运行速度为450km/h时的情况进行分析。分别提取多体动力学仿真中头尾车和中间车减载最严重的轮对的轮轨垂向力结果，连同运行速度一起代入到轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系中，通过线性内插方式，得到轮轨可用黏着，进而得到轮轨黏着与气动升力幅值之间的对应关系。中间车3号车与尾车8号车的轮轨可用黏着如图5所示。

S6，提取多体动力学仿真的轮轨蠕滑力结果（轮轨间蠕滑率未达到最优时）或由牵引/制动特性给定的加载到轮对上的牵引/制动力（轮轨间蠕滑率达到最优后）根据公式（6）计算轮轨黏着裕量，如图6所示。再根据轮轨可用黏着大小和轮轨黏着裕量的正负判断轮轨间的黏着性能。

上述内容仅展示了干燥接触条件下、牵引工况运行，运行速度为450km/h时轮轨可用黏着与轮轨黏着裕量与气动升力幅值的对应关系。从图5、图6中可以看出，轮轨可用黏着与轮轨黏着裕量均随气动升力幅值的增大而减小，但是轮轨黏着裕量始终大于0且保持较高数值，证明了该工况下具有较好的轮轨黏着性能。

根据上述方法，计算气动升力协同高速列车在不同轮轨接触条件下的牵引和制动工况下的轮轨可用黏着与轮轨黏着裕量计算结果分别如图7（a）、图7（b）、图7（c）、图7（d）、图8（a）、图8（b）、图8（c）、图8（d）所示。牵引工况下减载最严重的轮对在3号车与8号车上，制动工况下减载最严重的轮对在4号车与8号车上。从总体趋势上看，轮轨可用黏着与轮轨黏着裕量均随气动升力幅值和列车运行速度的增大而减小，并且随着接触条件的恶化，“湿润”，“油态”下的轮轨可用黏着与轮轨黏着裕量相对于“干燥”时有一定幅度的下降。同时可以看到，牵引工况下，三种状态下3号车和8号车的轮轨可用黏着均大于牵引力参考值，轮轨黏着裕量均在安全值0以上，说明在该运行工况下气动升力协同高速列车具有合格的轮轨黏着性能。制动工况下，4号车的“干燥”、“湿润”和部分“油态”轮轨接触条件与8号车的“干燥”和部分“湿润”轮轨接触条件下的轮轨可用黏着大于制动参考值，而除此之外的轮轨可用黏着小于制动参考值，由此相对应，4号车的“干燥”、“湿润”和部分“油态”轮轨接触条件与8号车的“干燥”和部分“湿润”轮轨接触条件下的轮轨黏着裕量小于0，说明了此运行工况下的轮轨黏着性能不合格，不能维持列车正常运行，除此之外的运行工况可以正常运行。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、根据高速列车参数进行动力学建模，考虑轮轨接触几何非线性、轮轨蠕滑非线性以及悬挂参数非线性特性；

步骤S2、将计算流体动力学获得的气动载荷结果、气动升力、列车运行阻力加载到车辆动力学模型中；

步骤S3、采用变摩擦系数模型，计算不同速度下的轮轨接触条件下的摩擦系数；

步骤S4、根据计算得到的摩擦系数和特定的轮轨垂向力，计算轮轨黏着力的最大值，得到轮轨可用黏着；建立起轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系；

步骤S5、将数值仿真计算得到的轮轨垂向力代入到轮轨可用黏着-运行速度-轮轨垂向力的函数关系中，通过线性内插方式求解轮轨可用黏着；

步骤S6、当轮轨间蠕滑率未达到最优时，根据求解得到的轮轨可用黏着与轮轨实际利用黏着计算得到轮轨黏着裕量；当轮轨间蠕滑率达到最优后，根据求解得到的轮轨可用黏着与牵引/制动力的参考值计算得到轮轨黏着裕量，再根据轮轨可用黏着大小和轮轨黏着裕量的正负判断轮轨间的黏着性能。

2.根据权利要求1所述的一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其特征在于：步骤S2中，气动升力大小按占车体自重的比例设置，列车运行阻力根据单位基本阻力和列车重量相乘求得。

3.根据权利要求2所述的一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其特征 在于：步骤S2中，单位基本阻力

的公式如下：

（1）

式中，

为列车运行速度，C ₀ 为常数项，C ₁ 为线性系数，C ₂ 为气动阻力系数， C ₀ +C ₁ v为机 械阻力和牵引和辅助设备及空调系统气流产生的动量阻力；C ₂ v ² 为列车气动阻力包括压差 阻力和黏性阻力。

4.根据权利要求1所述的一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其特征在于：步骤S3中，变摩擦系数模型公式如下：

（2）

（3）

式中，

为动摩擦系数，

为静摩擦系数，v _s 为轮轨总蠕滑速度大小，A为当蠕滑速度 趋于无穷时动摩擦系数与静摩擦系数之比，B为指数型摩擦因数衰减系数，e为自然常数，为 运行速度，

为纵向蠕滑率，

为横向蠕滑率。

5.根据权利要求1所述的一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其特征 在于：步骤S4中，计算轮轨黏着力

的公式如下：

(4)

(5)

式中，Q为轮轨垂向力，k _A 和k _S 分别为Kalker系数在接触斑黏着区和滑动区的衰减因子；

为黏着区域内切向应力的梯度，C为表征接触剪切刚度的比例系数并可由Kalker线性理 论推导，a和b分别为椭圆接触斑的长短半轴，s为总蠕滑率。

6.根据权利要求1所述的一种气动升力协同高速列车轮轨黏着性能评估方法，其特征在于：步骤S6中计算轮轨黏着裕量的公式如下：

(6)

式中，F _m 为轮轨黏着裕量，

是轮轨实际利用黏着，

表示轮轨可用黏着力，

是牵引/制动力的参考值，

为理论最优蠕滑率，即

取最大值时对应的蠕滑率 大小。

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