基于载荷辨识技术的轨道-车辆系统状态安全综合评判

孙善超，刘金朝

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

基于载荷辨识技术的轨道-车辆系统状态安全综合评判

孙善超，刘金朝

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

随着我国高速铁路的快速发展，如何对轨道-车辆安全运行状态进行评判是一个复杂课题。结合动力学仿真及数据分析，提出基于轮对抬升量及脱轨系数的综合指标对轨道-车辆安全运行状态进行实时监测、评估。考虑到车轮抬升量不好获取的问题，基于载荷辨识技术，提出车轮抬升量的辨识方法并提出整套轨道-车辆安全运行状态监测、评判流程。基于评判流程对轨道-车辆的安全运营状态进行初步评估。

车辆安全运行状态；接触参数辨识；车轮抬升量；安全综合评判

0 引言

随着我国高速铁路的快速发展，如何对轨道-车辆安全运行状态进行评判变得越来越重要，同时其也是一个较为复杂的课题。轨道-车辆系统状态安全评判方法主要有基于轨道几何参数的轨道系统状态评判方法、基于车辆响应的车辆系统状态评判方法以及轨道-车辆系统状态安全综合评判方法。轨道-车辆系统状态安全综合评判方法是轨道-车辆系统状态安全评判的发展趋势。

基于轨道几何参数的轨道系统状态评判方法主要有基于轨道几何幅值的评判和轨道质量指数（Track Quality Index，TQI）评判。TQI是指在一定长度的区段范围内轨道左右高低、左右轨向、水平、轨距和三角坑等7项不平顺检测数据综合组成的一个统计变量。基于轨道几何参数的轨道系统状态评判方法重点在于评价轨道，无法对轮轨间的相互作用进行评价，更无法对车辆状态进行评估，因此利用该方法对轨道-车辆系统的安全进行评估存在一定的局限性。

基于车辆响应的车辆系统状态评判主要有安全评判指标如脱轨系数、减载率、车轮抬升量，以及构架加速度、轴箱加速度评判指标等。利用该种方法评判经常出现车辆响应过大而现场轨道状态较好的情况，难以从更深层次解释轨道-车辆系统安全状态超限的根本原因。

轨道-车辆系统状态安全综合评判方法是当前发展的一大趋势。王卫东等[1]提出了综合评价轨道-车辆系统动态特性的广义能量法，给出了广义能量指标（Generalized Energy Index，GEI）。康熊等[2]结合轨道不平顺和车辆动态响应的特征量，基于可靠性、可用性、可维修性和安全性（RAMS），提出了高速铁路轨道平顺状态综合评价体系，采用轨道几何不平顺、TQI、车体加速度、广义能量指数来评价轨道平顺状态的可用性。

车轮抬升量可有效直接地判断轨道-车辆安全状态[3-4]，但车轮抬升量不容易测量，无法实时获取。基于前期的研究成果，提出实时识别车轮抬升量及轮轨接触参数的方法，并提出利用车轮抬升量及脱轨系数的综合指标评判轨道-车辆安全状态。利用该指标不仅可以评判轨道-车辆安全状态，而且可以实时监测轮轨接触状态，保障行车安全。提出整套轨道-车辆安全运行状态监测、评判流程。利用评判方法及流程对仿真实例进行综合评判。

1 轨道-车辆系统轮轨力和接触参数辨识方法

1.1 辨识方法

在二维平面内对轮轨参数进行辨识的过程中，会遇到平面内轮对运动方程数量与待辨识载荷不匹配的不适定问题（3个运动方程和4个待辨识力：左、右横向、垂向力）。引入轮轨滚动接触理论作为新的约束条件，消减不适定性。从轮轨横向动力学控制方程出发，运用轮轨滚动接触理论，基于横向力、垂向力与法向力、蠕滑力关系，蠕滑率与蠕滑力的关系，采用轮轨几何接触算法，将待辨识变量“轮轨左、右垂向力，左、右横向力”转化为“轮轨左、右法向力，轮对横移量”的函数，从而得到3个方程3个变量，消减了不适定性。最终创新性地建立基于轮轨滚动接触理论的轮对接触辨识模型，即RC轮轨力载荷辨识模型。该模型以轴箱加速度、构架加速度作为输入，利用Newmark积分方法和弦截法对模型进行求解，辨识得到轮轨接触参数（见图1）。

图1 轮轨接触参数辨识思路

1.2 模型验证

模型验证是一个过程，通过它人们可以相信模型能对实际系统进行正确的表达。一般来说，在验证模型时，总是将模型预测结果同试验结果相比较。一个有用的模型，其预测结果必须同试验结果相接近。对于辨识模型的验证，采用辨识载荷数据与正演模型（即动力学仿真模型）输入载荷数据（或试验数据）对比的方式进行，列出两条曲线，对其进行相关系数的计算。分别利用仿真数据和试验数据对辨识模型进行验证。首先是正演模型的验证，基于商业软件，建立了车辆动力学仿真模型，并利用实测数据对动力学仿真模型进行了直线、曲线性能验证。该动力学模型是所有正演模型验证的模型基础。利用联调联试的车辆响应数据，对轮轨作用力进行载荷辨识，并与测力轮对测试力进行对比验证。

1.3 辨识结果

基于虚拟样机技术，建立高速检测列车的动力学仿真模型，并以此模型作为正演模型，对载荷辨识模型进行验证。首先利用正演模型，仿真得到轮轨垂向力及轴箱垂向加速度、构架加速度。然后把轴箱垂向加速度、构架加速度作为输入，对轮轨接触参数进行辨识，辨识轮对横移量与仿真结果对比见图2、图3。

辨识结果与仿真曲线的相关系数达到0.7以上，辨识精度满足使用需要，可以利用该方法对轮轨接触参数进行辨识。

2 轨道-车辆系统状态安全综合评判模型

2.1 评判指标研究

为了对轨道-车辆系统状态安全评判指标进行深入研究，对单轮对脱轨机理进行仿真分析。首先进行横向力导致脱轨的仿真，仿真表明，随着横向力的增大，脱轨系数迅速增大，在脱轨系数达到1左右时，车轮爬上轨道。脱轨不可逆转，轮对脱轨。可见，当有一个持续外力时，脱轨系数达到1便可以迅速脱轨。进行蛇行失稳导致脱轨的仿真，结果表明，当轮对产生强烈的蛇行运动时，脱轨系数急剧增大，最大接近2.5。但轮对并不是在脱轨系数最大时脱轨，而是在能量积聚一段时间后脱轨。脱轨时和脱轨稍前的脱轨系数都不是最大值。两种仿真情况下，脱轨发生前，其车轮抬升量均较大。因此，可以结合脱轨系数及车轮抬升量对脱轨进行综合评判。脱轨系数及车轮抬升量均可以利用接触参数模型辨识得到。

图2 辨识轮对横移量与仿真结果对比

图3 辨识轮对横移量与仿真结果对比局部图

基于单轮对仿真结论，然后结合轮轨力辨识模型，提出结合脱轨系数及轮对抬升量的综合评判指标。利用该指标可以对轨道-车辆的安全状态进行综合评判。

结合脱轨系数与车轮抬升量进行综合评判。对于磨耗型踏面LMA，定义指标如下：

式中：xw为车轮抬升量。

在中间区域，结合脱轨系数进行评判，当脱轨系数小于0.8，认为安全，大于0.8认为达到危险状态。

2.2 评判实例

利用上述指标及轮轨接触参数辨识方法对实例进行评判。首先，对轨道-车辆系统进行动力学仿真，仿真输入轨道不平顺，输出车辆响应及轮轨力。轨道不平顺中的轨向不平顺见图4。

图4 输入轨向不平顺

仿真运行过程中的一轴左轮脱轨系数见图5，可以看出，脱轨系数在14 s附近超出安全范围，但是作用时间极短。

输出仿真的轮对横移量见图6，可以看出，轮对并未发生大幅度的横移，保持在稳定状态，在14 s附近也未有明显波动。

同时输出其车轮抬升量见图7，可以看出，车轮抬升量未超过8 mm，幅度较小，保持在稳定状态。

虽然由脱轨系数看出，脱轨系数超限。但结合轮对横移量可以看出，轮对并未发生较大横移。同时左右车轮抬升量均小于8 mm，在安全范围内，因此，可以判定该状态为安全状态。

可以基于综合评判指标及载荷辨识、轮轨接触参数辨识方法，最终给出轨道-车辆系统状态安全综合评判方法及流程见图8。

首先，由动力学参数及车辆响应测试数据，结合轮轨滚动接触理论及载荷辨识方法，建立轮轨接触参数辨识模型即载荷辨识模型。由载荷辨识模型辨识出车辆运行过程中轮轨接触参数如轮对横移量、接触角、车轮抬升量等，同时还可以辨识出轮轨作用力。由辨识量及综合评判指标，对轨道-车辆状态进行综合评判。该评判可以有效甄别冲击引起的安全指标过大的问题，在保障安全运营的条件下，提高评判的经济性。

图5 一轴左轮脱轨系数

图6 一轴轮对横移量

图7 车轮抬升量

图8 轨道-车辆系统状态安全综合评判流程

3 结束语

对轨道-车辆系统状态安全综合评判方法进行介绍。轨道-车辆系统状态安全综合评判方法是一大发展趋势。提出结合脱轨系数及车轮抬升量的轨道-车辆系统状态安全综合评判指标，在保证安全的情况下可以更经济地对轨道-车辆的安全状态进行综合评判。建立了轮轨接触参数辨识模型，利用车辆动态响应数据可实时得到车轮抬升量，突破了综合评判指标中车轮抬升量难以获取的难题。

[1]王卫东, 刘金朝, 梁志明. 综合评价车辆/轨道系 统动态特性的广义能量法[J]．中国铁道科学， 2009，30(5)：22-27.

[2]康熊，王卫东, 刘金朝. 基于RAMS的高速铁路轨道 平顺状态综合评价体系研究[J]. 中国铁道科学， 2013，34(2)：13-17.

[3]翟婉明，陈果. 根据车轮抬升量评判车辆脱轨的方 法与准则[J]. 铁道学报，2001，23(2)：17-26.

[4]杨春雷，翟婉明. 车辆动力学仿真中评判脱轨的直 接方法[J]. 交通运输工程学报，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

中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ121）；中国铁道科学研究院基础设施检测研究所基金课题（2017JJXM05）

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

责任编辑 杨晓莉

2017-08-02