一种评估轮轨黏着系数的方法

技术领域

本发明属于轨道交通领域，具体涉及一种评估轮轨黏着系数的方法。

背景技术

在铁路运输中，列车通过轮轨间相互作用产生的黏着摩擦力实现牵引或制动过程，因此轮轨黏着特性是影响列车牵引和制动的最直接因素。当机车牵引力或制动力大于轮轨黏着力时将造成车轮的持续空转，不仅会中断或降低机车牵引力或制动力，限制黏着力的利用，而且会导致轮缘与钢轨产生磨耗，对车辆运行稳定性和平稳性造成严重影响。“黏着系数”是用于评价车轮与钢轨间黏着状态的指标，它代表了机车牵引或制动功率的发挥情况。黏着系数具有随机性，变化范围大，同时受轮轨表面接触状态、车辆运行速度、运行线路条件等多种因素影响。随着铁路运输的高速化、重载化发展，轮轨接触状态必将发生变化，从而导致黏着力发生变化。因此有必要充分了解钢轨与车轮的黏着特性。

目前轮轨黏着系数的计算主要通过现场间接推算和数值仿真分析这两种手段进行。列车实际运行时通常采用列车运行控制装置(LKJ)实时检测轮轨黏着状态，LKJ作为铁路行车的安全保障设备，在实现安全控制速度的同时可以采集记录与列车运行安全有关的各种机车运行状态信息。该装置目前主要有两种方法估算列车参考速度：通过转速传感器获取机车全部轮对的当前轮轴转速信号，间接计算机车运行速度值；或通过雷达速度传感器实现对列车速度信号的实时采集。将采集到的某一轮对的转速与车轮半径的乘积和列车参考速度进行比较，当二者差值过大且达到判别空转的阈值时，则判断该轮对发生空转或滑行。

在轮轨黏着特性的仿真分析中，为研究轮轨间存在“第三介质”时的接触特性，通常应用弹性流体动力润滑理论，建立二维或三维轮轨简化数值模型。轮轨间牵引力由液体和固体两部分组成，前者由水膜的剪切牵引系数和轮轨间水膜承载载荷相乘得到，后者由微凸体间的摩擦系数和微凸体承载的载荷相乘求得。轮轨间牵引力与法向载荷比值即为计算得到的轮轨黏着系数。该数值模型可以分别考虑到运行速度、轮轨表面粗糙度、接触压力等因素对黏着系数的影响。

发明人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.通过现场间接推算轮轨黏着状态，无法直接计算出黏着系数当下的具体数值，因此不能及时检测出空转或滑行前的异常状态，无法提前采取相关措施。

2.复杂的轮轨接触模型需要大量数值计算，现有对轮轨黏着特性的仿真分析无法同时考虑多种因素耦合的影响，无法较好地反映实际情况。

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，提出了一种评估轮轨黏着系数的方法，其可以同时考虑多种因素耦合的影响，准确计算机车在既定设计方案线路上的轮轨力的动态变化情况，同时根据计算结果求解每一时刻下的轮轨黏着系数，因此能够及时检测出空转或滑行前的异常状态，可以提前采取措施。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种评估轮轨黏着系数的方法，包括以下步骤：

S1，根据机车实际结构，构建机车三维模型；根据轨道实际线路结构和轮轨表面接触状态，建立轨道三维模型；

S2，根据轮轨型面和轨道不平顺建立能实现机车三维模型和轨道三维模型动态耦合的轮轨空间相互作用模型；

S3，基于建立的轮轨空间相互作用模型，计算得到轮轨法向力、轮轨横向蠕滑力和轮轨纵向蠕滑力的动态变化情况；

S4，通过获得的轮轨横向蠕滑力和轮轨纵向蠕滑力求解轮轨切向力，计算轮轨切向力与轮轨法向力的比值得到轮轨黏着系数；

S5，根据轮轨黏着系数评估机车运行情况。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：所述轨道三维模型为有砟轨道模型，包括钢轨、扣件、轨枕和道床。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：所述机车三维模型包括端部的车头和与车头连接的车厢。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：所述机车三维模型为重载列车模型。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：所述机车三维模型的车头包括车体、构架、牵引拉杆、牵引电机和轮对，并采用弹簧阻尼系统模拟悬挂连接。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：所述车体、构架和轮对均有纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头6个自由度。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：所述机车三维模型的车厢均为单质点模型，仅有纵向的自由度。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：在S3中，根据轮轨空间相互作用模型建立系统动力学积分方程，并通过显式积分算法计算该方程，得到机车三维模型和轨道三维模型的振动响应，进而得到轮轨法向力、轮轨横向蠕滑力和轮轨纵向蠕滑力的动态变化情况。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：计算得到机车三维模型和轨道三维模型的振动响应后，先根据迹线法计算轮轨空间接触几何关系，然后采用赫兹非线性弹性接触理论计算轮轨法向力，采用沈氏理论计算轮轨横向蠕滑力和纵向蠕滑力。

根据本发明所述的一种评估轮轨黏着系数的方法，其进一步的优选技术方案是：所述轮轨切向力通过

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.本发明根据实际机车结构和实际线路情况建立相应机车三维模型和轨道三维模型，然后建立能使机车三维模型和轨道三维模型轮轨动态耦合的空间相互作用模型，并通过空间相互作用模型进行仿真计算，机车结构、线路情况都是以真实数据为准，可以计算在不同操纵模式下机车的轮轨力动态响应以及轮轨黏着系数变化，根据这些数据提前预判机车的运行情况，并采取相关措施，减少事故的发生。

2.本发明建立了能使机车三维模型和轨道三维模型轮轨动态耦合的空间相互作用模型，并充分考虑多种因素耦合的影响，例如轮轨表面接触状态、轨道不平顺和运行速度等，使计算得到的仿真数据能较好地反映实际情况，能够为列车在不同运行工况下轮轨黏着的利用情况提供理论与数据支撑，为列车安全、稳定的运营提供技术保障。

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是本发明操作流程示意图。

图2是本发明实施例中列车运行速度变化曲线示意图。

图3是本发明实施例轮轨法向力变化示意图。

图4是本发明实施例纵向蠕滑力变化示意图。

图5是本发明实施例横向蠕滑力变化示意图。

图6是本发明实施例黏着系数变化示意图。

图中标记分别为：1一号车轮、2二号车轮、3三号车轮、4四号车轮。

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，本发明一种评估轮轨黏着系数的方法包括以下步骤：

S1，在matlab软件中根据重载机车结构和参数，构建机车三维模型，所述机车三维模型包括位于同一端并相连的两节车头和与车头连接的车厢，所述车厢有50节，每节所述车头由一个车体、两个构架、两个牵引拉杆、四个牵引电机和四个轮对组成，并采用弹簧阻尼系统模拟悬挂连接，所述车体、构架和轮对均有纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头6个自由度，为简化运算，所述车厢为单质点模型，仅有纵向的自由度；根据有砟轨道结构和参数，建立轨道三维模型，所述轨道三维模型包括钢轨、扣件、轨枕和道床等构件。在轨道三维模型的600～850m上设置了一段低黏着区间，其余线路均为干燥的轮轨黏着状态。

S2，根据轮轨型面和轨道不平顺建立轮轨空间相互作用模型，轮轨空间相互作用模型能实现机车三维模型和轨道三维模型动态耦合，所述钢轨为CN60型面，车轮为JM-3踏面。设定机车三维模型初始运行速度为75km/h，在轨道惰行450m后开始制动，如图2所示。

S3，轮轨空间相互作用模型将机车三维模型和轨道三维模型联系起来，基于轮轨空间相互作用模型建立系统动力学积分方程，然后通过显式积分算法计算该方程，得到机车三维模型和轨道三维模型的振动响应，根据迹线法计算轮轨空间接触几何关系，然后采用赫兹非线性弹性接触理论计算轮轨法向力F

S4，通过获得的轮轨横向蠕滑力T

S5，根据轮轨黏着系数评估机车运行情况,黏着系数越高则说明轮轨黏着利用效率越高，若在牵引或制动过程中黏着系数出现了大幅度降低则认为车轮出现了空转或滑行。如图6所示，列车在惰行过程中(0m-450m)，轮轨黏着系数维持在一个较低的范围内，而在制动过程中(450m-600m)，黏着系数明显增大，即轮轨黏着利用率明显提升。在低黏着区间运行时(600m-850m)，黏着系数大幅度下降，轮轨黏着利用率大幅度降低，车轮可能出现了空转或滑行。驶过低黏着区间(850m)后，相比低黏着区间运行时，黏着系数明显增大。可以看出低黏着的轮轨接触状态对机车的制动效率有较大影响，通过分析轮轨黏着系数可以对机车运行情况进行评估。

图2为在该仿真工况下计算得到的机车三维模型运行速度变化曲线，图3～5为第一节车头4个轮对的轮轨法向力、轮轨蠕滑力动态响应。可以看出在列车惰行运行过程中(0m-450m)，4个轮对的法向力、蠕滑力值差别不大，但是在施加制动载荷后轮轨力均产生了变化。如图3所示，在机车制动运行工况下(450m-600m)，轮轨法向力发生了轴重转移，其中1、2号车轮增载，3、4号车轮减载。在低黏着区段运行时(600m-850m)，4个轮对轮轨法向力的轴重转移量有所降低。如图4和图5所示，在机车制动载荷的作用下(850m后)，4个轮对的纵向蠕滑力增大，横向蠕滑力减小。在低黏着轮轨接触状态下，相对于干燥的轮轨黏着状态，纵向蠕滑力明显降低，横向蠕滑力的波动幅度有所减小。图6为通过以上轮轨力计算得到的轮轨黏着系数，可以直观地看出列车在运行过程中轮轨黏着利用情况。因此该方法可以快速、高效地对列车运行过程中的轮轨黏着系数进行评估，从而为实际线路运行列车的黏着利用情况提供指导和建议。

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。