用于评估重载列车及轨道耦合系统动态性能的方法

摘要

本发明公开了一种用于评估重载列车及轨道耦合系统动态性能的方法。根据该方法，可先基于简单的一维重载列车纵向动力学模型，快速确定列车冲动最为剧烈的关键部位，然后将关键部位处的单质点车辆模型与纵向车钩力计算模型分别替换为更为精确的三维车辆-轨道耦合动力学模型与三维车钩力计算模型，从而对重载列车及重载轨道组成的整体系统的动态性能进行评估，本发明能够兼顾性能评估的准确性和评估效率。

说明书

技术领域

本发明涉及重载列车领域，具体地，涉及一种用于评估重载列车及轨道 耦合系统动态性能的方法。

背景技术

开行长编组、大轴重的货运列车已成为提高铁路货物运输的效率和扩大 运能的主要技术途径。与普通的铁路货运技术相比，重载列车与重载轨道的 特点在于列车的编组车辆数多、轴重大、轨道结构部件的类型及参数多变。 尤其是重载列车牵引及制动等操纵过程中存在着剧烈的纵向冲动，表现为较 大的车钩动态作用力，因车钩力增大、车辆轴重增大和线路运行条件恶化的 影响，列车脱轨安全性受到威胁。重载列车产生的大车钩力，还会影响车辆 运行稳定性、横向和垂向平稳性等等。对重载列车的仿真计算，可为重载铁 路工程和重载列车的设计和调试提供重要数据，为确保重载列车安全运行提 供技术支持。

目前，对于重载长大编组重载列车的建模和求解，主要关注列车的纵向 冲动问题，针对纵向冲动的建模方法和求解方法已经较为成熟。但由于未考 虑车辆和轨道在各个方向的振动以及车辆-轨道间的相互影响，导致仿真准 确度下降，其评估结果与实际运行情况有一定偏差，特别当针对较为恶劣的 运行情况时偏差更加明显，给设计的合理性和重载列车运行的安全性带来挑 战。另一方面，如果采用考虑较为全面的车辆-轨道耦合模型进行系统性能 仿真，在相同编组形式下其自由度将扩大数倍甚至数十倍，求解规模庞大， 运算极为复杂，无法实现高效运算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能快速准确地评估列车和轨道系统整体动 态性能的方法。

为了实现上述目的，本发明公开一种用于评估重载列车及轨道耦合系统 动态性能的方法，该方法包括：

步骤S1，建立一维重载列车动力学模型，其中所述重载列车中的每节 车辆由反映车辆纵向动力学特征的单质点车辆模型来表示，所述车辆包括机 车和货车；车辆间的车钩对由反映车钩纵向作用力的车钩纵向力计算模型来 表示，所述的车钩包括机车钩缓装置和货车钩缓装置；

步骤S2，设定重载列车操纵条件，基于所述一维重载列车动力学模型 计算在设定操纵条件下所述重载列车的车辆间的纵向车钩力；

步骤S3，确定出现最大纵向车钩力的位置，并将该位置邻近的至少三 节车辆替换为由三维车辆-轨道耦合模型来表示，将与三维车辆-轨道耦合模 型连接的车钩替换为由三维车钩力计算模型来表示，以更新重载列车动力学 模型；

步骤S4，基于更新后的重载列车动力学计算在所述设定操纵条件下所 述重载列车及轨道的动力指标，来评估设定操纵条件下列车与轨道耦合系统 的动态性能。

优选地，所述重载列车操纵条件为下列中的一者：列车牵引起动、列车 惰性运动、列车调速制动以及列车停车制动。

优选地，该用于评估重载列车及轨道的耦合系统动态性能的方法还包括 针对不同重载列车操纵条件，重复执行上述步骤S2～S4。

优选地，所述三维车辆-轨道耦合模型包括了三维车辆模型、三维轨道 模型和车辆与轨道间的作用力模型。

优选地，所述三维车钩力计算模型对车辆间的纵向车钩力、横向车钩力 和垂向车钩力进行模拟。

优选地，用于表示机车的所述三维车辆-轨道耦合模型还可包括对下列 因素中的至少一者进行模拟：牵引电机与轮对之间的驱动力、电制动力； 机车和转向架之间的牵引拉杆作用力；以及轮对运动中，牵引电机的驱动力 矩和电制动力矩以及列车实施空气制动时的闸瓦压力、空气制动力。

优选地，用于表示货车的所述三维车辆-轨道耦合模型还可包括对下列 因素中的至少一者进行模拟：轮对运动中，列车实施空气制动时的闸瓦压力、 空气制动力；以及侧架运动中，交叉支撑拉杆的支撑作用。

优选地，可采用表示小半径曲线线路区段、存在轨道结构缺陷线路区段 或轨道几何状态恶化线路区段的轨道模型作为所述车辆-轨道耦合模型中的 轨道模型。

优选地，所述动力指标包括下列部分或全部参数：车辆振动加速度、脱 轨系数、轮轨作用力、轨枕支反力、轨距动态扩大量、道床和路基的顶面应 力以及钢轨、轨枕与道床的位移和加速度。

通过上述技术方案，通过将三维车辆-轨道耦合模型应用于重载列车动 力学模型的关键部位，本发明将能更准确反映列车冲动作用、车辆与轨道相 互作用的关系，同时用单质点车辆模型和车钩纵向力计算模型来模拟重载列 车中的其他车辆和其他车辆间的车钩力，从而得以兼顾系统性能评估准确性 和运算速度。本发明还可根据重载列车的不同操纵条件进行相应模拟，以进 一步提高系统性能评估的针对性和适用性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1示出了根据本发明实施方式用于评估重载列车及轨道耦合系统动态 性能的流程图；

图2示出了根据本发明实施方式的三维重载列车动力学模型的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“纵向”通常 指重载列车前进的方向，“横向”通常指在水平方向上与上述“纵向”垂直 的方向，“垂向”通常指与地面垂直的方向。

本发明提供了一种用于评估重载列车及轨道耦合系统动态性能的方法。 根据该方法，可先基于简单的重载列车纵向动力学模型，快速确定需要重点 关注的关键部位，然后将关键部位处的简单模型替换为更为精确复杂的多维 模型，从而兼顾系统性能评估的准确性和评估效率。

图1示出了根据本发明实施方式用于评估重载列车及轨道耦合系统动态 性能的流程图。

在步骤S1中，建立一维重载列车纵向动力学模型。可根据实际的重载 列车编组形式和列车运行线路条件设定仿真计算的列车编组和线路数据。其 中，为实现快速计算，组成重载列车的各个机车和货车都用单质点车辆模型 来表示，该单质点车辆模型可仅反映车辆的纵向动力学特征；用于连接相邻 车辆的车钩对可由仅反映车钩纵向作用力的车钩纵向力计算模型来表示，所 述车钩包括机车钩缓装置和货车钩缓装置。因此，得到的重载列车动力学模 型为一维重载列车纵向动力学模型。

在建立一维重载列车纵向动力学模型和后续仿真计算中所需的各种参 数，例如机车的牵引/制动参数、和车轮型面参数、货车的摩擦减震器参数和 基础制动装置参数以及缓冲器的类型和阻抗特性参数等，都可从现有的车辆 模型库中获取。

在步骤S2中，设定重载列车操纵条件，基于上述一维重载列车纵向动 力学模型计算在该操作条件下重载列车的各车辆间的纵向车钩力。

可将重载列车的运行情况划分为若干类，分别针对不同的运行情况进行 分析，以获取全面的系统性能。经过大量研究和实践，发明人将重点关注的 重载列车运行情况归纳为以下四类：列车牵引起动、列车惰性运动、列车调 速制动和列车停车制动。因此，优选地，可根据仿真目的将仿真中的重载列 车操纵条件设置为与上述某一种运行情况相对应。其中，在列车牵引起动条 件下，可设置列车初始运行速度为0，并设置列车起动运行时间；在列车惰 性运动条件下，可设置列车的初始运行速度和运行时间；在列车调速制动条 件下，可设置列车的初始运行速度和需降低至的目标速度；在列车停车制动 条件下，可设置列车的初始运行速度。

可使用本领域技术人员知晓的任意方法计算重载列车在该运行条件下 的各车辆间的纵向车钩力，直到计算结束条件被触发，例如，当列车牵引起 动或列车惰性运动时，可在列车运行达到相应时长后停止计算；在列车调速 制动和列车停车制动时，可在列车的运行速度达到相应目标速度后停止计 算。

在步骤S3中，确定出现最大纵向车钩力的位置，并将表示该位置邻近 车辆的模型从单质点车辆模型替换为三维车辆-轨道耦合模型，将与替换后 的三维车辆-轨道耦合模型连接的车钩从纵向车钩力计算模型替换为三维车 钩力计算模型，以将一维重载列车纵向动力学模型更新为三维重载列车动力 学模型。

可采用本领域技术人员已知的任意方法来确定重载列车中出现最大纵 向车钩力位置。图2示出了更新后的三维重载列车动力学模型的示意图。图 2中的P点对应于基于一维重载列车纵向动力学模型所确定的出现最大纵向 车钩力的位置。

为了能准确求解，需要将与出现最大纵向车钩力的位置(如图2中P点) 相邻的至少三节车辆替换为三维车辆-轨道耦合模型，以消除周围单质点车 辆模型对关注处车辆横向及垂向运动形成的约束效应；并将与三维车辆-轨 道耦合模型连接的车钩替换为三维车钩力计算模型。

所述三维车辆-轨道耦合模型可包括了三维车辆模型、三维轨道模型和 车辆与轨道间的作用力模型。所述三维车辆-轨道耦合模型能够反映车辆和 轨道沿各个方向的振动，以及车辆与轨道间的相互作用。

优选地，发明人对现有三维车辆-轨道耦合模型进行下列改进，以使其 适用于对重载列车进行仿真，并提高仿真结果的准确性：

(1)如果仿真对象是机车2，则在现有三维车辆-轨道模型中增加对下 列元素的模拟：

牵引电机与轮对之间的驱动力、电制动力；

机车和转向架之间的牵引拉杆作用力；

轮对运动中，牵引电机的驱动力矩和电制动力矩以及列车实施空气制动 时的闸瓦压力、空气制动力；

(2)如果仿真对象是货车1，则在现有三维车辆-轨道模型中增加对下 列元素的模拟：

轮对运动中，列车实施空气制动时的闸瓦压力、空气制动力；

侧架运动中，交叉支撑拉杆的支撑作用。优选地，在仿真中，可将重载 列车位置置于重点关注的线路区段处，例如，可从轨道模型库中选取表示小 半径曲线线路区段、存在轨道结构缺陷线路区段或轨道几何状态恶化线路区 段的轨道模型作为三维车辆-轨道耦合模型中的三维轨道模型。三维轨道模 型还可包括相应的轨道不平顺数据。

所述三维车钩力计算模型不仅能反映车辆间的纵向车钩力，还能反映车 辆间的横向车钩力和垂向车钩力。两节用三维车辆-轨道耦合模型表示的车 辆间的车钩对，以及一节用三维车辆-轨道耦合模型表示的车辆与一节用单 质点车辆模型表示的车辆间的车钩对，都可被替换为三维车钩力模型。

被替换为三维车辆-轨道耦合模型的车辆数量越多，则仿真结果越准确， 相应地，计算复杂度也越高。如果选择与出现最大纵向车钩力位置(例如P 点)邻近的三节车辆的模型进行替换，则该三节车辆可以是该位置前方的两 节和后方的一节车辆，或者是该位置后方的两节和前方的一节车辆。

如图2所示，更新后的三维重载列车动力学模型中，除需重点关注位置 的车辆(即上述与出现最大纵向车钩力的位置相邻的至少三节车辆)和车钩 对外，其他车辆和车钩对可仍用单质点车辆模型和纵向车钩力计算模型来表 示，以减少系统求解的计算量和复杂度，加快计算速度。

回到图1，在步骤S4中，可基于更新后的三维重载列车动力学模型计 算相应操纵条件下重载列车和轨道的动力指标，来评估重载列车及轨道耦合 系统的动态性能，该动态性能包括重载列车与轨道间的相互作用。可设置列 车运行条件，并将列车操纵条件设置为与步骤S2中设定的操纵条件相同， 然后可基于更新后的三维重载列车动力学模型，利用本领域技术人员知晓的 任意技术手段，来计算该耦合系统中的车辆振动加速度、脱轨系数、轮轨作 用力、轨枕支反力、轨距动态扩大量、道床和路基的顶面应力以及钢轨、轨 枕与道床的位移和加速度等指标，从而评估该重载列车和轨道组成的系统的 性能。

优选地，可针对不同的重载列车操纵条件，重复执行步骤S2～S4，以对 不同操纵条件下的系统性能进行评估，从而获取与该系统性能相关的全面数 据。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。