CN115906497B - 轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取方法，包括：S1，对线路区间轨道进行测量，获取线路区间随里程变化的轨道静态不平顺；S2，建立线路区间车辆‑轨道动力学模型；S3，将所述轨道静态不平顺输入到所述动力学模型中，计算车辆和轨道的动力学响应；S4，根据所述轮对和钢轨的动力学响应，获取轨道动态不平顺；S5，获取线路区间轨道质量指数TQI，用于进行轨道动态不平顺分级评价。该方法能即时获取作业后的轨道动态不平顺状态，通用性和便利性强，节约了线路养护维修成本。
Description
技术领域
本发明涉及铁路轨道平顺状态评价领域，特别是涉及一种轨道交通线路区间轨道动态不平顺获取方法。
背景技术
无轮载作用时，人工或轻型测量小车测得的不平顺通常称为静态不平顺，用轨检车测得的在列车车轮荷载作用下才完全显现出来的轨道不平顺通常称为动态不平顺。动态不平顺对行车安全、轮轨作用力、车辆振动产生直接影响，通常采用轨道质量指数TQI来评价动态不平顺。由于轮轨作用系统的复杂性，静态不平顺与动态不平顺的关联关系尚未探明，二者之间无法直接转换或者相互替代。
在运营过程中，随着时间的推移，轨道状态不断发生变化，工务部门一般用TQI值的变化加以反映，并预测轨道状态的发展趋势，作为制订短期和中长期轨道养护维修计划的依据，并将TQI值的变化作为评价线路大机作业养护维修好坏的最终指标。
由于线路养护维修作业的环境限制和轨检车的运营安排，通常在线路养护维修完成后，无法立即运行轨检车，即无法即时评价线路养护维修好坏。
现有的利用轨道静态不平顺预测轨道动态不平顺的方法，通常通过转换不平顺谱获得轨道静态不平顺，并且不考虑不平顺变化率的影响，其预测结果即无法反映实际的线路养护维修区间的轨道质量，预测结果也存在较大偏差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取方法，能够方便、快捷且准确获取与评价某一具体线路区间轨道的动态不平顺状况。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
1.一种轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取方法，包括以下步骤：
S1，对线路区间轨道进行测量，获取线路区间随里程变化的轨道静态不平顺；
S2，建立线路区间车辆-轨道动力学模型；
S3，将所述轨道静态不平顺输入到所述动力学模型中，计算车辆和轨道的动力学响应，包括以下子步骤：
S3-1，将所述轨道静态不平顺按照ΔL进行插值，并将插值后的轨道静态不平顺转化到时域，其转化公式为：
ZSL(ti)＝ZSL(i·ΔL)
ZSR(ti)＝ZSR(i·ΔL)
YSL(ti)＝YSL(i·ΔL)
YSR(ti)＝YSR(i·ΔL)
YGI(ti)＝YGI(i·ΔL)
其中ti＝i·Δt，ΔL＝V·Δt，i＝1，2，...，M；i为车辆-轨道动力学模型求解时的积分步数，Δt为积分步长，V为行车速度，M为积分总步数。ZSL、ZSR、YSL、YSR、YGI分别为左侧轨道高低静态不平顺、右侧轨道高低不平顺、左侧轨道轨向静态不平顺、右侧轨道轨向静态不平顺和轨距静态不平顺；
S3-2，获取ZSL(ti)、ZSR(ti)、YSL(ti)、YSR(ti)随时间Δt的变化率
S3-3，根据公式获取ti时刻轮轨接触位置处的瞬态不平顺：
ZLG(ti)＝ZLGD(ti)+ZSL(ti)
ZRG(ti)＝ZRGD(ti)+ZSR(ti)
YLG(ti)＝YLGD(ti)+YSL(ti)
YRG(ti)＝YRGD(ti)+YSR(ti)
将ti时刻轮轨接触位置处钢轨的左侧垂向位移ZLGD(ti)、右侧垂向位移ZRGD(ti)、左侧横向位移YLGD(ti)、右侧横向位移YRGD(ti)与对应的轨道静态不平顺叠加，获得轮轨接触位置处钢轨左侧垂向瞬态不平顺ZLG(ti)、右侧垂向瞬态不平顺ZRG(ti)、左侧横向瞬态不平顺YLG(ti)、右侧横向瞬态不平顺YRG(ti)；
S3-4，根据公式获取ti时刻轮轨接触位置处的瞬态不平顺变化率：
将ti时刻轮轨接触位置处钢轨的左侧垂向振动速度右侧垂向振动速度左侧横向振动速度/>右侧横向振动速度/>与对应的轨道静态不平顺变化率叠加，获得轮轨接触位置处钢轨左侧垂向瞬态不平顺变化率/>右侧垂向瞬态不平顺变化率/>左侧横向瞬态不平顺变化率/>右侧横向瞬态不平顺变化率
S3-5，将ti时刻的瞬态不平顺和瞬态不平顺变化率加入轮轨相互作用模型中，求解ti时刻的轮轨作用力；
S3-6，求解车辆-轨道相互作用系统的动力学响应，得到轮对和钢轨的动力学响应；
S4，根据所述轮对和钢轨的动力学响应，获取轨道动态不平顺，包括以下子步骤：
S4-1，根据公式获得ti时刻的轨道动态不平顺：
ZDL(ti)＝ZW(ti)+LW(ti)·θW(ti)
ZDR(ti)＝ZW(ti)-LW(ti)·θW(ti)
ZDCL(ti)＝ZDL(ti)-ZDR(ti)
YDGI(ti)＝YLGD(ti)-YRGD(ti)+HRC·θLR(ti)-HRC·θRR(ti)+YGI(ti)
其中，ZDL(ti)、ZDR(ti)、YDL (ti)、YDR(ti)、ZDCL(ti)、YDGI(ti)分别为ti时刻左侧高低、右侧高低、左侧轨向、右侧轨向、水平和轨距的动态不平顺；ZW(ti)、YW(ti)、θW(ti)、分别为ti时刻轮对垂向位移、横向位移、侧滚角和摇头角；Lw(ti)为ti时刻左、右侧轮对与钢轨接触位置的横向间距；S4-2，将时域的动态不平顺转换到对应里程中，转换关系为：
Li＝i·Δt·V
其中Li为里程；
S4-3，由左侧和右侧高低不平顺获取三角坑动态不平顺；
S5，获取线路区间轨道质量指数TQI，用于进行轨道动态不平顺分级评价。
其中，步骤S1所述的静态不平顺包括左侧高低静态不平顺ZSL、右侧高低静态不平顺ZSR、左侧轨向静态不平顺YSL、右侧轨向静态不平顺YSR、水平静态不平顺ZCL和轨距静态不平顺YGI。
步骤S2所述的车辆-轨道相互作用模型为三维动力学模型，其中，车辆模型选用线路区间运营车辆的动力学参数，轮对包括点头、沉浮、侧滚、横摆和摇头自由度；轨道模型选用分层离散点支承模型，应能计算线路任意位置处钢轨的垂向位移和横向位移；轮轨相互作用模型应能模拟轮轨空间几何约束关系。
步骤S5的评价区间应与轨检仪检测的区间里程范围相同。
本发明基于线路区间的轨道静态不平顺检测结果，通过时域和空间域的转换后，代入车辆-轨道动力学模型中，通过求解获得车辆和钢轨的动力学响应，通过叠加已经测得的轨道静态不平顺，即时获得线路区间的轨道动态不平顺，并生成轨道质量指数TQI。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.在轨道线路完成养护维修作业后，可即时获取作业后的轨道动态不平顺状态，并进行评价，提高了工作效率，避免了现有技术中轨检车因运营安排无法立即到场进行测量评价的情况。
2.本方法可用于长度大于1000m的任意区间长度，能获取零碎的、不连续的养护维修区间的轨道动态不平顺状态，其通用性和便利性强，避免了因线路区间长度过短或区间不连续而造成轨检车无法进行测量评价的情况。
3.本发明利用仿真手段等效或替代轨检车现场检测，节约了线路养护维修成本。
4.该方法为工务部门即时评价线路养护维修质量、制定科学高效的维修方案提供了重要的数据支撑。
附图说明
图1为本发明的获取与评价方法的流程图；
图2为实施例1中线路区间实测的1000米的左侧和右侧轨道高低静态不平顺；
图3为实施例1中时域内离散的轨道高低静态不平顺；
图4为实施例1中左侧和右侧轨道高低静态不平顺变化率；
图5为实施例1中左侧和右侧轨道高低动态不平顺；
图6为相同里程位置处轨道静态不平顺与轨道动态不平顺的对比情况。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的方法进行详细说明。
实施例1
一种轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取与评价方法，包括以下步骤：
S1，利用轨检仪对普速铁路维修区间的1000m轨道进行了轨道静态不平顺测量，这1000m范围内左侧和右侧轨道高低静态不平顺如图2所示。由图2可知，随着距离的增加，高低静态不平顺的幅值呈现随机的变化，变化范围在±10mm之间，同一距离处，左侧和右侧高低静态不平顺的差值范围在±8mm之间。按照行车速度160km/h，积分步长0.00001s将轨道静态不平顺转换到时域内，并对积分步长进行求导，获得轨道静态不平顺变化率，其中时域内轨道高低静态不平顺和不平顺变化率分别如图3和图4所示。由图3可知，时域内轨道高低静态不平顺的幅值曲线与图2中的幅值曲线相同，只是对应的横轴坐标为时间。由图4可知，时域内轨道高低静态不平顺变化率的幅值变化范围在-167mm/s～160mm/s之间，随时间呈现随机性的变化，同一时刻左侧和右侧高低静态不平顺变化率的差值在-205mm/s～225mm/s之间。
S2，建立车辆-轨道动力学模型。所述车辆-轨道动力相互作用模型为三维动力学模型，所述车辆包括轮对、转向架和车体。其中，车辆模型选用线路区间运营车辆的动力学参数，轮对包括点头、沉浮、侧滚、横摆和摇头自由度；轨道模型应为分层离散点支承模型，能计算线路任意位置处钢轨的垂向位移和横向位移；轮轨相互作用模型应能模拟轮轨空间几何约束关系。
车辆由4个轮对、2个转向架和1个车体共7个部件构成，每个部件均考虑其点头、沉浮、侧滚、横摆和摇头自由度，车辆模型共计35个自由度，车辆一系和二系悬挂均采用非线性的弹簧和阻尼单元模拟。轨道模型采用有砟轨道动力学模型，钢轨为60kg/m轨，轨枕间距0.6m，道砟厚度60cm。
S3，采用新型显示积分方法计算车辆-轨道有限元模型，在计算出t时刻系统的动力学响应后，利用t-Δt时刻的加速度和t时刻的加速度、速度和位移求解t+Δt时刻的振动速度和振动位移，然后将t+Δt时刻轮轨接触位置处的钢轨位移和速度与t+Δt时刻轨道的静态不平顺和不平顺变化率叠加，获得t+Δt的瞬态不平顺和瞬态不平顺变化率，将瞬态不平顺和瞬态不平顺变化率加到轮轨相互作用模型中，求解轮轨力和系统在t+Δt时刻的加速度，如此循环，获得车辆-轨道相互作用系统的动力响应。
S4，从车辆-轨道相互作用系统的动力响应中，提取不同时刻轮对垂向位移、横向位移、侧滚角和摇头角，以及对应时刻左、右侧轮对与钢轨接触位置的横向间距和钢轨扭转角，叠加静态不平顺后，获得随时间变化左侧高低、右侧高低、左侧轨向、右侧轨向、水平和轨距动态不平顺，其中轨道高低动态不平顺如图5所示，由图5可知，轨道高低动态不平顺的幅值随时间呈现随机性变化，变化范围在-12mm～11mm之间，同一时刻，左侧和右侧高低动态不平顺的差值范围在±15mm之间。
将时域的轨道动态不平顺按照行车速度160公里，积分步0.00001s转换为随里程变换的轨道动态不平顺，并利用左、右侧高低不平顺获取三角坑不平顺。相同里程位置处，轨道静态高低不平顺与轨道动态高低不平顺的对比情况如图6所示。由图6可知，动态不平顺总体上大于静态不平顺，但在不同的距离，动态不平顺的幅值也有可能小于静态不平顺，二者的差值范围在±11mm之间。
S5，按照TQI的计算公式，得到维修区间1000m内每个200m的TQI值分别为：13.2、13.6、13.1、12.9、13.3，按照行车速度对其进行轨道动态不平顺分级评价。
Claims (4)
1.一种轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取方法，包括以下步骤：
S1，对线路区间轨道进行测量，获取线路区间随里程变化的轨道静态不平顺；
S2，建立线路区间车辆-轨道动力学模型；
S3，将所述轨道静态不平顺输入到所述动力学模型中，计算车辆和轨道的动力学响应，包括以下子步骤：
S3-1，将所述轨道静态不平顺按照ΔL进行插值，并将插值后的轨道静态不平顺转化到时域，其转化公式为：
ZSL(ti)＝ZSL(i·ΔL)
ZSR(ti)＝ZSR(i·ΔL)
YSL(ti)＝YSL(i·ΔL)
YSR(ti)＝YSR(i·ΔL)
YGI(ti)＝YGI(i·ΔL)
其中ti＝i·Δt，ΔL＝V·Δt，i＝1，2，...，M；i为车辆-轨道动力学模型求解时的积分步数，Δt为积分步长，V为行车速度，M为积分总步数；ZSL、ZSR、YSL、YSR、YGI分别为左侧轨道高低静态不平顺、右侧轨道高低不平顺、左侧轨道轨向静态不平顺、右侧轨道轨向静态不平顺和轨距静态不平顺；
S3-2，获取ZSL(ti)、ZSR(ti)、YSL(ti)、YSR(ti)随时间Δt的变化率
S3-3，根据公式获取ti时刻轮轨接触位置处的瞬态不平顺：
ZLG(ti)＝ZLGD(ti)+ZSL(ti)
ZRG(ti)＝ZRGD(ti)+ZSR(ti)
YLG(ti)＝YLGD(ti)+YSL(ti)
YRG(ti)＝YRGD(ti)+YSR(ti)
将ti时刻轮轨接触位置处钢轨的左侧垂向位移ZLGD(ti)、右侧垂向位移ZRGD(ti)、左侧横向位移YLGD(ti)、右侧横向位移YRGD(ti)与对应的轨道静态不平顺叠加，获得轮轨接触位置处钢轨左侧垂向瞬态不平顺ZLG(ti)、右侧垂向瞬态不平顺ZRG(ti)、左侧横向瞬态不平顺YLG(ti)、右侧横向瞬态不平顺YRG(ti)；
S3-4，根据公式获取ti时刻轮轨接触位置处的瞬态不平顺变化率：
将ti时刻轮轨接触位置处钢轨的左侧垂向振动速度右侧垂向振动速度左侧横向振动速度/>右侧横向振动速度/>与对应的轨道静态不平顺变化率叠加，获得轮轨接触位置处钢轨左侧垂向瞬态不平顺变化率/>右侧垂向瞬态不平顺变化率/>左侧横向瞬态不平顺变化率/>右侧横向瞬态不平顺变化率
S3-5，将ti时刻的瞬态不平顺和瞬态不平顺变化率加入轮轨相互作用模型中，求解ti时刻的轮轨作用力；
S3-6，求解车辆-轨道相互作用系统的动力学响应，得到轮对和钢轨的动力学响应；
S4，根据所述轮对和钢轨的动力学响应，获取轨道动态不平顺，包括以下子步骤：
S4-1，根据公式获得ti时刻的轨道动态不平顺：
ZDL(ti)＝ZW(ti)+LW(ti)·θW(ti)
ZDR(ti)＝ZW(ti)-LW(ti)·θW(ti)
ZDCL(ti)＝ZDL(ti)-ZDR(ti)
YDGI(ti)＝YLGD(ti)-YRGD(ti)+HRC·θLR(ti)-HRC·θRR(ti)+YGI(ti)
其中，ZDL(ti)、ZDR(ti)、YDL (ti)、YDR(ti)、ZDCL(ti)、YDGI(ti)分别为ti时刻左侧高低、右侧高低、左侧轨向、右侧轨向、水平和轨距的动态不平顺；ZW(ti)、YW(ti)、θW(ti)、分别为ti时刻轮对垂向位移、横向位移、侧滚角和摇头角；Lw(ti)为ti时刻左、右侧轮对与钢轨接触位置的横向间距；
S4-2，将时域的动态不平顺转换到对应里程中，转换关系为：
Li＝i·Δt·V
其中Li为里程；
S4-3，由左侧和右侧高低不平顺获取三角坑动态不平顺；
S5，获取线路区间轨道质量指数TQI，用于进行轨道动态不平顺分级评价。
2.根据权利要求1所述的轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取方法，其特征在于：步骤S1所述的静态不平顺包括左侧高低静态不平顺ZSL、右侧高低静态不平顺ZSR、左侧轨向静态不平顺YSL、右侧轨向静态不平顺YSR、水平静态不平顺ZCL和轨距静态不平顺YGI。
3.根据权利要求1所述的轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取方法，其特征在于：步骤S2所述的车辆-轨道相互作用模型为三维动力学模型，其中，车辆模型选用线路区间运营车辆的动力学参数，轮对包括点头、沉浮、侧滚、横摆和摇头自由度；轨道模型为分层离散点支承模型，能计算线路任意位置处钢轨的垂向位移和横向位移；轮轨相互作用模型能模拟轮轨空间几何约束关系。
4.根据权利要求1所述的轨道交通线路区间轨道动态不平顺即时获取方法，其特征在于，步骤S5的评价区间与轨检仪检测的区间里程范围相同。
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