基于轮轨位移的列车运行安全评价方法研究-indico

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1、基于轮轨位移的列车运行安全评价方法研究马增强刘俊君陈明义（石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北省石家庄市050043）摘要：随着列车不断提速，列车动力学问题越来越突出，如何评价和预测列车运行安全性是目前研究的一个重点。本文分析了目前国际上常用的车辆脱轨评价标准的特点及不足，在研究传统安全性评价准则的基础上，通过分析轮轨间几何位置和传统安全评价标准之间的联系，提出了根据轮轨相对横向位移与垂向位移以及横向位移与垂向位移比值的限值，来判定列车运行安全的评价指标，并通过仿真分析进行了验证，仿真结果表明了所提新的评判

2、方法的可行性。关键字：脱轨系数，轮重减载率，横向位移，垂向位移，安全性评价1引言随着列车运行速度的不断提高，列车动力学问题越来越突出，如何评价和预测列车运行安全性是目前研究的一个重点。近年来，高铁发展迅速，各国列车都在大提速，列车运行速度越高，车辆脱轨的可能性越大。为了避免脱轨，各国已经研究了很多年。美国运输试验中心的Weinstock博士研究了整个轴两个车轮的脱轨，他综合考虑轮缘两侧（即轮缘贴靠侧和非贴靠侧）的横向力和垂向力的比值，提出了一根轴上两个车轮脱轨系数的相加值不大于Nadal脱轨评价标准与轮轨间摩

3、擦系数的相加值[1]。TTCI（美国运输技术中心）在2000年提出了一项爬轨准则，是首次将冲角明确包含在内的爬轨准则，实验和仿真结果均表明：脱轨的距离限值是冲角的函数。但是该准则局限于特定的车辆和轨道润滑状态[2]。Princeton大学的Sweet教授和Karmel博士对直线上的脱轨现象做了很详细的研究，并在试验研究方面使用了1:5单轮对模型，建立了二自由度和三自由度的动态轮对模型[3]，分析了非线性蠕滑现象，但还有一些没考虑的因素。李国伟[4]采用DEA对列车的运行安全进行了评价，并通过实例分析验证了该方

4、法的可行性。车玉龙[5]分析了CTCS-3级列控系统的安全性，通过识别系统中的潜在危险，分析了各危险模式导致事故的概率和后果，最后基于BN提出了一种安全风险评估方法。西南交通大学的翟婉明教授，经过分析大量的国内外对脱轨的研究试验和研究数据，指出了传统脱轨评价指标的不足。并运用车辆-轨道耦合动力学理论研究单个轮对，还对爬轨脱轨和瞬时跳轨情况进行了仿真[6]，得出了车轮超限时间与车轮抬升高度之间的联系，提出最大允许的安全超限时间为35ms。孙丽霞等[7-10]研究分析了高速铁道车辆蛇行失稳后的蛇行脱轨过程及其影响

5、因素，提出了高速铁道车辆的蛇行脱轨安全性应根据轮对横移速度限值并考虑车辆的横向运行稳定性来进行评判。当高速铁道车辆分别表现为“超临界”和“亚临界”的蛇行失稳极限环分岔形式时，可分别采用转向架横向加速度移动均方根值和转向架横向加速度限值对其横向运行稳定性进行评判。然而由于影响高速铁道车辆蛇行脱轨因素的复杂性，仿真计算结论有待于通过试验验证。虽然近年来国内外学者对脱轨进行了大量的研究，但车辆脱轨至今仍难以解决，直到现在对脱轨机理的认识还很模糊。针对传统脱轨评判标准的局限性，本文开展车辆动态脱轨研究，建立适合脱轨的

6、动力学模型，进行车辆动态脱轨仿真。进行轮轨间几何位置（轮轨间横垂向位移及其比值）和脱轨安全性之间的研究，以此来找到一种新的评定脱轨的准则[11]。12基于轮轨相对位移的脱轨评判方法在列车脱轨安全性评价方面，大部分国家都在使用脱轨系数Q/P，即轮轨横向力Q与垂向力P之比，只有少部分国家用脱轨系数和轮重减载率（ΔP/P）两项指标。但它也有很大基金资助：国家自然科学基金项目（11372199，11572206）；河北省自然科学基金项目（A2014210142）。作者简介：马增强(1975-),男,河北省石家庄市,汉

7、,博士,教授,博士生导师,研究方向为图形图像处理，计算机测控;刘俊君(1994-),男,河北省保定市,汉,硕士,研究方向为计算机测控的局限性：在轮对横向力为零或接近于零时，脱轨系数就很难评定脱轨现象。现有的脱轨安全评判标准已不能适应当前试验鉴定需要,有必要根据国内外运用实践和最新轮轨相互作用理论研究结果，对脱轨安全评判标准适当调整。表征脱轨危险程度最直观、准确的特征是轮轨接触点位置，但一般难以精确测量。故选取轮轨型面上几个特征点，以接触线上特征点的空间轨迹来描述车轮相对钢轨的空间位置，以此为基础探讨脱轨判别的

8、动态方法，提出利用轮轨相对横向位移判别脱轨的几何准则。如图1所示，车轮型面上点C（最大轮缘角）、D（接近轮缘顶端）和F（踏面端点）相对于钢轨型面上点E的横、垂向相对坐标差为li=y(i)−y(E){，（i=C，D，F）（1）hi=z(i)−z(E)式中li和hi为轮轨相对横移和垂向函数。图1轮轨接触示意图图2横向相对位置分析图2是列车运行过程中轮轨发生横向位移（爬轨脱轨）的过程示意图，如果在D点增加