货物列车脱轨实时可靠停车控制方法

摘要

货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，是基于列车脱轨能量随机分析理论，针对各种典型的明确原因导致的脱轨工况进行模拟，建立各种典型原因条件下的计算模型；实现货物列车在各种明确原因条件下的脱轨全过程计算，全面总结明确原因条件下货物列车在脱轨瞬间的轮轨接触状态、轮轨相对位置和尺寸关系等，获得车轮悬浮量、钢轨横向相对位移等关键数据；从而确定货物列车车轮脱轨掉道检测装置的最小尺寸及安装位置，确保该装置既能克服车辆底部空间狭小的影响，又能使其在列车脱轨掉道第一时间准确触碰钢轨，控制列车刹车系统实时工作，实现及时停车。该方法可为研发机械式、电子式的列车车轮脱轨掉道检测装置提供重要的理论依据和合理的基础数据。

主权项

货物列车脱轨实时可靠停车控制方法，包括下述步骤：第一步：建立货物列车空间振动计算模型1.1、边界条件设定：车体、转向架和轮对作为绝对刚体；弹簧为线性弹簧，阻尼按粘性阻尼计算；1.2、根据列车脱轨能量随机分析理论，建立货物列车空间振动位移模式列阵，如式(1)：式1中，—车体纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；—前转向架的纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；—后转向架的纵向、横摆、浮沉、侧滚、点头、摇头位移；x_w1,x_w2,x_w3,x_w4—各轮对的纵向位移；y_w1,y_w2,y_w3,y_w4—各轮对的横向位移；1.3、根据式(1)的货物列车空间振动位移模式，建立第i辆车空间振动势能Π_Vi，如式(2)：Π_Vi＝U_Ei+U_Gi+U_Ki+U_Ci+U_Pi+U_Fi……(2)式(2)中：U_Ei—第i辆车的惯性力势能；U_Gi—第i辆车的重力势能和离心力势能；U_Ki—第i辆车的弹簧变形能；U_Ci—第i辆车的阻尼力势能；U_Pi—第i辆车的重力刚度势能；U_Fi—第i辆车的蠕滑力势能；第二步：建立钢轨空间振动计算模型2.1、边界条件设定：将轨道结构离散为N个轨段单元，针对有砟轨道，将每个轨段单元划分为两层，上层为钢轨与轨枕通过扣件连接，下层为轨枕放置与弹性道床上；钢轨与轨枕之间的扣件采用线性弹簧及粘滞阻尼器进行模拟；轨枕视为弹性变形体，但不计其轴向变 形和扭转变形；轨枕放置于弹性道床上，轨枕与弹性道床之间采用线性弹簧及粘滞阻尼器进行模拟，但不考虑道床本身的振动；钢轨视为连续弹性基础Euler梁，采用空间梁单元进行模拟；2.2、轨道结构空间振动位移模型根据列车脱轨能量随机分析理论，建立轨道结构空间振动位移模式列阵，如式(3)：式(3)中δ＝δ₀+δ₁+δ₂；式(3)中，δ₁、δ₂分别表示轨段单元的左端和右端节点位移模式，且左端和右端节点的振动位移模式列阵分别如式(4)、(5)：式(4)、(5)中：上标T表示钢轨的位移，上标S表示轨枕的位移；下标R表示右侧轨段，下标L表示左侧轨段；U、V、W、θ分别表示轨段沿X、Y、Z三个方向的线位移和转角位移；分别为第1根轨枕在Y方向上的位移，以及第1根轨枕在右边、左边与钢轨联接点在Z方向上的位移；分别为第e根轨枕在Y方向上的位移，以及第e根轨枕在右边、左边与钢轨联接点在Z方向上的位移；为钢轨沿X方向的翘曲变形；2.3、根据式(3)的轨道结构空间振动位移模式，建立第j个轨段单元空间振动势能Π_Tj，如式(6)：式(6)中：—第j个轨段单元中钢轨I的弹性应变能；—第j个轨段单元中钢轨II的弹性应变能；U_Sj—第j个轨段单元中轨枕总的变形能；U_Kj—第j个轨段单元中总的弹簧变形能；U_Cj—第j个轨段单元中总的阻尼力势能；—第j个轨段单元中钢轨I的惯性力势能；—第j个轨段单元中钢轨II的惯性力势能；—第j个轨段单元中轨枕总的惯性力势能；第三步：建立列车‑轨道系统空间振动方程3.1、设在时刻t时,有m辆车运行在轨道结构上，该时刻列车空间振动总势能如(7)式所示：3.2、轨道结构空间振动总势能Π_T，计算式如式(8)所示：3.3、列车‑轨道系统空间振动方程根据列车脱轨能量随机分析理论，将列车系统和轨道系统作为一个整体；轮轨衔接条件：考虑轮轨横向、竖向相对位移，考虑轮轨“游间”影响；得到列车‑轨道系统空间振动总势能Π，如式(9)：Π＝Π_V+Π_T       ……(9)根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则，根据车辆类型属性、轨道类型属性，得到列车‑轨道系统在时刻t时的总体刚度矩阵[K]、总体质量矩阵[M]、总体阻尼矩阵[C]及总体荷载列阵{P}以及列车‑轨道系统在时刻t的空间振动矩阵方程如式(10)：式(10)中δ＝δ₀+δ₁+δ₂；为对δ求时间的一阶导数；为对δ求时间的二阶导数；式(10)中，所述车辆类型属性是：车体与转向架间的纵向、横向和竖向弹簧刚度K_2x、K_2y、K_2z；车体与转向架间的纵向、横向和竖向阻尼系数C_2x、C_2y、C_2z；转向架与轮对间的纵向、横向和竖向弹簧刚度K_1x、K_1y、K_1z；转向架与轮对间的纵向、横向和竖向阻尼系数C_2x、C_2y、C_2z；车体全长之半L；车辆前后转向架中心距之半l；同一转向架所属二轮对轴距之半L₁；轮对两滚动圆间距之半B；轴箱弹簧横向间距之半B₁；车体中央弹簧横向间距之半B₂；转向架中央纵向弹簧横向间距之半B₃；轴箱纵向弹簧横向间距之半B₄；车体中心到中央横向弹簧的距离H₁；转向架中心到中央横向弹簧的距离H₂；轮对重心到转向架重心的距离H₃；列车时速V；山体滑坡力F_HP；横向风力F₂；所述轨道类型属性是：道床竖向、横向弹性系数K1、K2；道床竖向、横向阻尼系数C1、C2；道床纵向弹性系数和阻尼系数K3、C3；钢轨与轨枕之间的竖向、横向弹性系数K4、K5；钢轨与轨枕之间的竖向、横向阻尼系数C4、C5；第四步：解式(10)，得到时刻t时的：车轮悬浮量Δz；转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt；第五步：当Δz≥25mm时，得到时刻t时对应的转向架与钢轨横向相对位移Δ_tt＝y_t‑V^Ι,ΙΙ‑y_ior，其中：y_t为转向架横向位移；V^Ι,ΙΙ钢轨I或钢对II与转向架对应位置的横向位移；y_ior为采用正弦函数模拟的轨道横向不平顺；第六步：在车辆转向架上设置列车车轮脱轨掉道检测装置，所述列车车轮脱轨掉道检测装置通过一碰块控制车辆刹车系统，所述碰块以钢轨轴线为对称轴安装在钢轨上方，碰块垂直于钢轨轴线方向的长度至少为转向架与钢轨横向相对位移|Δ_tt|的2.5‑3倍，碰块距钢轨的竖向距离小于等于钢轨的高度。