基于載荷辨識技術(shù)的軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判

孫善超，劉金朝

（中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

基于載荷辨識技術(shù)的軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判

孫善超，劉金朝

（中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，如何對軌道-車輛安全運行狀態(tài)進(jìn)行評判是一個復(fù)雜課題。結(jié)合動力學(xué)仿真及數(shù)據(jù)分析，提出基于輪對抬升量及脫軌系數(shù)的綜合指標(biāo)對軌道-車輛安全運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測、評估?？紤]到車輪抬升量不好獲取的問題，基于載荷辨識技術(shù)，提出車輪抬升量的辨識方法并提出整套軌道-車輛安全運行狀態(tài)監(jiān)測、評判流程?；谠u判流程對軌道-車輛的安全運營狀態(tài)進(jìn)行初步評估。

車輛安全運行狀態(tài)；接觸參數(shù)辨識；車輪抬升量；安全綜合評判

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，如何對軌道-車輛安全運行狀態(tài)進(jìn)行評判變得越來越重要，同時其也是一個較為復(fù)雜的課題。軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全評判方法主要有基于軌道幾何參數(shù)的軌道系統(tǒng)狀態(tài)評判方法、基于車輛響應(yīng)的車輛系統(tǒng)狀態(tài)評判方法以及軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判方法。軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判方法是軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全評判的發(fā)展趨勢。

基于軌道幾何參數(shù)的軌道系統(tǒng)狀態(tài)評判方法主要有基于軌道幾何幅值的評判和軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）評判。TQI是指在一定長度的區(qū)段范圍內(nèi)軌道左右高低、左右軌向、水平、軌距和三角坑等7項不平順檢測數(shù)據(jù)綜合組成的一個統(tǒng)計變量。基于軌道幾何參數(shù)的軌道系統(tǒng)狀態(tài)評判方法重點在于評價軌道，無法對輪軌間的相互作用進(jìn)行評價，更無法對車輛狀態(tài)進(jìn)行評估，因此利用該方法對軌道-車輛系統(tǒng)的安全進(jìn)行評估存在一定的局限性。

基于車輛響應(yīng)的車輛系統(tǒng)狀態(tài)評判主要有安全評判指標(biāo)如脫軌系數(shù)、減載率、車輪抬升量，以及構(gòu)架加速度、軸箱加速度評判指標(biāo)等。利用該種方法評判經(jīng)常出現(xiàn)車輛響應(yīng)過大而現(xiàn)場軌道狀態(tài)較好的情況，難以從更深層次解釋軌道-車輛系統(tǒng)安全狀態(tài)超限的根本原因。

軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判方法是當(dāng)前發(fā)展的一大趨勢。王衛(wèi)東等[1]提出了綜合評價軌道-車輛系統(tǒng)動態(tài)特性的廣義能量法，給出了廣義能量指標(biāo)（Generalized Energy Index，GEI）?？敌艿萚2]結(jié)合軌道不平順和車輛動態(tài)響應(yīng)的特征量，基于可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS），提出了高速鐵路軌道平順狀態(tài)綜合評價體系，采用軌道幾何不平順、TQI、車體加速度、廣義能量指數(shù)來評價軌道平順狀態(tài)的可用性。

車輪抬升量可有效直接地判斷軌道-車輛安全狀態(tài)[3-4]，但車輪抬升量不容易測量，無法實時獲取。基于前期的研究成果，提出實時識別車輪抬升量及輪軌接觸參數(shù)的方法，并提出利用車輪抬升量及脫軌系數(shù)的綜合指標(biāo)評判軌道-車輛安全狀態(tài)。利用該指標(biāo)不僅可以評判軌道-車輛安全狀態(tài)，而且可以實時監(jiān)測輪軌接觸狀態(tài)，保障行車安全。提出整套軌道-車輛安全運行狀態(tài)監(jiān)測、評判流程。利用評判方法及流程對仿真實例進(jìn)行綜合評判。

1 軌道-車輛系統(tǒng)輪軌力和接觸參數(shù)辨識方法

1.1 辨識方法

在二維平面內(nèi)對輪軌參數(shù)進(jìn)行辨識的過程中，會遇到平面內(nèi)輪對運動方程數(shù)量與待辨識載荷不匹配的不適定問題（3個運動方程和4個待辨識力：左、右橫向、垂向力）。引入輪軌滾動接觸理論作為新的約束條件，消減不適定性。從輪軌橫向動力學(xué)控制方程出發(fā)，運用輪軌滾動接觸理論，基于橫向力、垂向力與法向力、蠕滑力關(guān)系，蠕滑率與蠕滑力的關(guān)系，采用輪軌幾何接觸算法，將待辨識變量“輪軌左、右垂向力，左、右橫向力”轉(zhuǎn)化為“輪軌左、右法向力，輪對橫移量”的函數(shù)，從而得到3個方程3個變量，消減了不適定性。最終創(chuàng)新性地建立基于輪軌滾動接觸理論的輪對接觸辨識模型，即RC輪軌力載荷辨識模型。該模型以軸箱加速度、構(gòu)架加速度作為輸入，利用Newmark積分方法和弦截法對模型進(jìn)行求解，辨識得到輪軌接觸參數(shù)（見圖1）。

圖1 輪軌接觸參數(shù)辨識思路

1.2 模型驗證

模型驗證是一個過程，通過它人們可以相信模型能對實際系統(tǒng)進(jìn)行正確的表達(dá)。一般來說，在驗證模型時，總是將模型預(yù)測結(jié)果同試驗結(jié)果相比較。一個有用的模型，其預(yù)測結(jié)果必須同試驗結(jié)果相接近。對于辨識模型的驗證，采用辨識載荷數(shù)據(jù)與正演模型（即動力學(xué)仿真模型）輸入載荷數(shù)據(jù)（或試驗數(shù)據(jù)）對比的方式進(jìn)行，列出兩條曲線，對其進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的計算。分別利用仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對辨識模型進(jìn)行驗證。首先是正演模型的驗證，基于商業(yè)軟件，建立了車輛動力學(xué)仿真模型，并利用實測數(shù)據(jù)對動力學(xué)仿真模型進(jìn)行了直線、曲線性能驗證。該動力學(xué)模型是所有正演模型驗證的模型基礎(chǔ)。利用聯(lián)調(diào)聯(lián)試的車輛響應(yīng)數(shù)據(jù)，對輪軌作用力進(jìn)行載荷辨識，并與測力輪對測試力進(jìn)行對比驗證。

1.3 辨識結(jié)果

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立高速檢測列車的動力學(xué)仿真模型，并以此模型作為正演模型，對載荷辨識模型進(jìn)行驗證。首先利用正演模型，仿真得到輪軌垂向力及軸箱垂向加速度、構(gòu)架加速度。然后把軸箱垂向加速度、構(gòu)架加速度作為輸入，對輪軌接觸參數(shù)進(jìn)行辨識，辨識輪對橫移量與仿真結(jié)果對比見圖2、圖3。

辨識結(jié)果與仿真曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7以上，辨識精度滿足使用需要，可以利用該方法對輪軌接觸參數(shù)進(jìn)行辨識。

2 軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判模型

2.1 評判指標(biāo)研究

為了對軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全評判指標(biāo)進(jìn)行深入研究，對單輪對脫軌機(jī)理進(jìn)行仿真分析。首先進(jìn)行橫向力導(dǎo)致脫軌的仿真，仿真表明，隨著橫向力的增大，脫軌系數(shù)迅速增大，在脫軌系數(shù)達(dá)到1左右時，車輪爬上軌道。脫軌不可逆轉(zhuǎn)，輪對脫軌。可見，當(dāng)有一個持續(xù)外力時，脫軌系數(shù)達(dá)到1便可以迅速脫軌。進(jìn)行蛇行失穩(wěn)導(dǎo)致脫軌的仿真，結(jié)果表明，當(dāng)輪對產(chǎn)生強(qiáng)烈的蛇行運動時，脫軌系數(shù)急劇增大，最大接近2.5。但輪對并不是在脫軌系數(shù)最大時脫軌，而是在能量積聚一段時間后脫軌。脫軌時和脫軌稍前的脫軌系數(shù)都不是最大值。兩種仿真情況下，脫軌發(fā)生前，其車輪抬升量均較大。因此，可以結(jié)合脫軌系數(shù)及車輪抬升量對脫軌進(jìn)行綜合評判。脫軌系數(shù)及車輪抬升量均可以利用接觸參數(shù)模型辨識得到。

圖2 辨識輪對橫移量與仿真結(jié)果對比

圖3 辨識輪對橫移量與仿真結(jié)果對比局部圖

基于單輪對仿真結(jié)論，然后結(jié)合輪軌力辨識模型，提出結(jié)合脫軌系數(shù)及輪對抬升量的綜合評判指標(biāo)。利用該指標(biāo)可以對軌道-車輛的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評判。

結(jié)合脫軌系數(shù)與車輪抬升量進(jìn)行綜合評判。對于磨耗型踏面LMA，定義指標(biāo)如下：

式中：xw為車輪抬升量。

在中間區(qū)域，結(jié)合脫軌系數(shù)進(jìn)行評判，當(dāng)脫軌系數(shù)小于0.8，認(rèn)為安全，大于0.8認(rèn)為達(dá)到危險狀態(tài)。

2.2 評判實例

利用上述指標(biāo)及輪軌接觸參數(shù)辨識方法對實例進(jìn)行評判。首先，對軌道-車輛系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真，仿真輸入軌道不平順，輸出車輛響應(yīng)及輪軌力。軌道不平順中的軌向不平順見圖4。

圖4 輸入軌向不平順

仿真運行過程中的一軸左輪脫軌系數(shù)見圖5，可以看出，脫軌系數(shù)在14 s附近超出安全范圍，但是作用時間極短。

輸出仿真的輪對橫移量見圖6，可以看出，輪對并未發(fā)生大幅度的橫移，保持在穩(wěn)定狀態(tài)，在14 s附近也未有明顯波動。

同時輸出其車輪抬升量見圖7，可以看出，車輪抬升量未超過8 mm，幅度較小，保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

雖然由脫軌系數(shù)看出，脫軌系數(shù)超限。但結(jié)合輪對橫移量可以看出，輪對并未發(fā)生較大橫移。同時左右車輪抬升量均小于8 mm，在安全范圍內(nèi)，因此，可以判定該狀態(tài)為安全狀態(tài)。

可以基于綜合評判指標(biāo)及載荷辨識、輪軌接觸參數(shù)辨識方法，最終給出軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判方法及流程見圖8。

首先，由動力學(xué)參數(shù)及車輛響應(yīng)測試數(shù)據(jù)，結(jié)合輪軌滾動接觸理論及載荷辨識方法，建立輪軌接觸參數(shù)辨識模型即載荷辨識模型。由載荷辨識模型辨識出車輛運行過程中輪軌接觸參數(shù)如輪對橫移量、接觸角、車輪抬升量等，同時還可以辨識出輪軌作用力。由辨識量及綜合評判指標(biāo)，對軌道-車輛狀態(tài)進(jìn)行綜合評判。該評判可以有效甄別沖擊引起的安全指標(biāo)過大的問題，在保障安全運營的條件下，提高評判的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 一軸左輪脫軌系數(shù)

圖6 一軸輪對橫移量

圖7 車輪抬升量

圖8 軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判流程

3 結(jié)束語

對軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判方法進(jìn)行介紹。軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判方法是一大發(fā)展趨勢。提出結(jié)合脫軌系數(shù)及車輪抬升量的軌道-車輛系統(tǒng)狀態(tài)安全綜合評判指標(biāo)，在保證安全的情況下可以更經(jīng)濟(jì)地對軌道-車輛的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評判。建立了輪軌接觸參數(shù)辨識模型，利用車輛動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)可實時得到車輪抬升量，突破了綜合評判指標(biāo)中車輪抬升量難以獲取的難題。

[1]王衛(wèi)東, 劉金朝, 梁志明. 綜合評價車輛/軌道系 統(tǒng)動態(tài)特性的廣義能量法[J]．中國鐵道科學(xué)， 2009，30(5)：22-27.

[2]康熊，王衛(wèi)東, 劉金朝. 基于RAMS的高速鐵路軌道 平順狀態(tài)綜合評價體系研究[J]. 中國鐵道科學(xué)， 2013，34(2)：13-17.

[3]翟婉明，陳果. 根據(jù)車輪抬升量評判車輛脫軌的方 法與準(zhǔn)則[J]. 鐵道學(xué)報，2001，23(2)：17-26.

[4]楊春雷，翟婉明. 車輛動力學(xué)仿真中評判脫軌的直 接方法[J]. 交通運輸工程學(xué)報，2002，2(3)：23-26.

Comprehensive Assessment on Track-Vehicle System Safety Status Based on Load ldentification Technology

SUN Shanchao，LIU Jinzhao
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

With the rapid development of high-speed railways in China, how to assess the track-vehicle safe operation status has become a complex issue. Upon dynamic simulation and data analysis, comprehensive indicators based on wheel set uplift and derailment coefficient have been put forth to carry out real-time monitoring and assessment on track-vehicle safe operation status. In consideration of difficulty in getting the wheel uplift, the wheel uplift identification method and a complete package of process flow for track-vehicle safe operation status monitoring and assessment have been worked out based on the load identification method. The track-vehicle safe operation status has been preliminarily assessed according to the assessment process flow.

vehicle safe operation status；contact parameter identification；wheel uplift；comprehensive safety assessment

U279.5

A

1001-683X（2017）10-0011-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.011

中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2015YJ121）；中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所基金課題（2017JJXM05）

孫善超（1979―），男，副研究員。E-mail: scschina@sina.com

責(zé)任編輯 楊曉莉

2017-08-02