基于貨車TPDS系統(tǒng)的鐵路客車動力學(xué)性能分析

譚佳豐

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081）

基于貨車TPDS系統(tǒng)的鐵路客車動力學(xué)性能分析

譚佳豐

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

貨車運(yùn)行品質(zhì)軌旁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS系統(tǒng)）提供了一種新的輪軌力測試方法，其利用整體框架結(jié)構(gòu)檢測平臺不間斷測量鐵道車輛輪軌力，并對車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評判。本文利用既有貨車TPDS系統(tǒng)的高平順平臺，對青藏線部分客車輪軌力進(jìn)行測試分析，推算出青藏線客車的脫軌系數(shù)及分類特征點，并結(jié)合客車的運(yùn)行特點，對青藏線客車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了初步評判，找出需要重點關(guān)注和追蹤的列車，從而利用貨車TPDS系統(tǒng)對客車動力學(xué)性能進(jìn)行了探索性研究。

TPDS系統(tǒng)；鐵路客車；輪軌力；脫軌系數(shù)；動力學(xué)性能

列車在線路上運(yùn)行時應(yīng)具有良好的橫向穩(wěn)定性，在低速至最高速度范圍內(nèi)不容許發(fā)生蛇行失穩(wěn)。如發(fā)生劇烈蛇行失穩(wěn)，會產(chǎn)生很大的橫向輪軌作用力，對線路造成破壞，甚至?xí)霈F(xiàn)脫軌事故，嚴(yán)重影響運(yùn)行安全［1］。因此，鐵道車輛的動力學(xué)性能一直是鐵道車輛研究的重點［2］。

近年來，基于輪軌力測量的貨車運(yùn)行品質(zhì)軌旁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS系統(tǒng)）在全路安裝、運(yùn)用，使得鐵道車輛動力學(xué)性能的地面監(jiān)測技術(shù)有了很大的發(fā)展［3-4］。貨車TPDS系統(tǒng)提供了一種新的輪軌力測試方法，利用設(shè)在正線軌道上的整體框架結(jié)構(gòu)高平順檢測平臺，實時測量并評估列車輪軌間的橫向力、垂向力及其導(dǎo)出參數(shù)，從而實現(xiàn)對列車運(yùn)行時動力學(xué)性能的監(jiān)測［5-7］。本文利用既有貨車 TPDS系統(tǒng)的高平順平臺，對青藏線部分客車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了測試分析，并結(jié)合客車的運(yùn)行特點，對客車的動力學(xué)性能進(jìn)行了探索。

1　TPDS系統(tǒng)原理及運(yùn)用情況

1）TPDS系統(tǒng)測試原理

貨車空車的脫軌事故在20世紀(jì)90年代頻發(fā)，針對貨車臨界速度的蛇行失穩(wěn)問題，開發(fā)了TPDS系統(tǒng)。車輛的運(yùn)行特性研究中車輛輪軌力測量最為關(guān)鍵，但傳統(tǒng)地對車測試方法中測區(qū)長度短，難以消除諸如軌道不平順等引起的附加動荷載誤差。貨車TPDS系統(tǒng)則采用了全新的方法，在既有線路條件下設(shè)置整體框架式的高平順測試平臺，增加了測區(qū)長度，剪力傳感器和雙向板式傳感器交叉布置于平臺，構(gòu)成近5 m的有效測區(qū)，剪力測試數(shù)據(jù)和板式傳感器數(shù)據(jù)通過算法合成，得到車輛通過測區(qū)時連續(xù)不間斷的輪軌力。TPDS輪軌力測試方法示意如圖1。該方法克服了傳統(tǒng)方法測區(qū)短，只能得到瞬時波動的缺點，極大地提高了對車輛動力學(xué)性能的把握。

圖1　TPDS系統(tǒng)輪軌力測試方法示意

2）TPDS系統(tǒng)動力學(xué)分析方法

貨車TPDS系統(tǒng)監(jiān)測的輪軌動力學(xué)指標(biāo)及處理方法是采用FRA 213軌道安全標(biāo)準(zhǔn)中的監(jiān)測指標(biāo)及處理方法。脫軌系數(shù)的計算公式為

式中：Q1為作用于輪緣上的橫向力；P1為作用于車輪上的垂直力；a1為通過輪緣圓弧面上的拐點所作切線與水平線的夾角；μ1為輪緣與鋼軌間的摩擦系數(shù)［8］。

式（1）是最基本的脫軌系數(shù)計算公式，實際情況中，脫軌系數(shù)的計算往往十分復(fù)雜，影響因素很多［9］。貨車TPDS系統(tǒng)在路內(nèi)運(yùn)用10多年，目前積累了大量的數(shù)據(jù)，TPDS系統(tǒng)脫軌系數(shù)參數(shù)來源于海量測試數(shù)據(jù)的經(jīng)驗值［10］。

3）貨車TPDS系統(tǒng)應(yīng)用情況

鐵道部運(yùn)輸局自2003年開始建立全路車輛安全防范、預(yù)警5T系統(tǒng)，TPDS是5T系統(tǒng)的重要組成部分，近年逐步形成了覆蓋全路的 TPDS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。貨車TPDS在大秦線貨車運(yùn)行狀態(tài)研究中已經(jīng)取得很大成果，TPDS系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)很好地為貨車檢修提供了參考。隨著對TPDS系統(tǒng)的進(jìn)一步深入研究，TPDS系統(tǒng)逐步被應(yīng)用于對客車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

2　青藏公司客車動力學(xué)分析

青藏線運(yùn)行線路長，線路復(fù)雜，對客車的整體性能要求很高，對進(jìn)藏客車動力學(xué)性能的研究十分重要。本文選取了2015年9月1日到10月13日格爾木東TPDS系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對青藏公司擔(dān)當(dāng)?shù)?K9803，K9805列車的 51輛客車的動力學(xué)情況進(jìn)行了分析。由于數(shù)據(jù)采集時TPDS系統(tǒng)配套的AEI設(shè)備還不具備探測客車車號的功能，下文中的車號利用 KMIS系統(tǒng)的交路信息匹配得到，匹配時默認(rèn)KMIS開行信息中的車輛順位與TPDS監(jiān)測到的前進(jìn)方向順序一致。

根據(jù)格爾木東TPDS系統(tǒng)采集的過車數(shù)據(jù)，分析處理步驟如下述。

1）提取有效樣本

格爾木東 TPDS測點客車通過速度在 55～100 km/h之間（如圖2所示），總樣本數(shù)1 442個。鑒于主要考察車輛動力學(xué)性能，本文提取了速度≥90 km/h 的627個樣本進(jìn)行分析。

2）處理樣本波形得到脫軌系數(shù)及分類點

格爾木東 TPDS測點客車取得有效樣本627個，將樣本的垂直力和水平力波形提取后，通過經(jīng)驗公式計算出51輛車共627個樣本的一、二、三、四軸脫軌系數(shù)，三維分布如圖3～圖6所示，其中x坐標(biāo)為客車序號，y坐標(biāo)為軸脫軌系數(shù)，z坐標(biāo)為分布概率。

圖2　格爾木東TPDS測點客車速度分布

圖3　樣本中一軸脫軌系數(shù)分布

圖4　樣本中二軸脫軌系數(shù)分布

圖5　樣本中三軸脫軌系數(shù)分布

627個樣本前后轉(zhuǎn)向架一、二、三、四軸共2 508個脫軌系數(shù)，見圖7。從脫軌系數(shù)的分布可以看出，采樣客車前后轉(zhuǎn)向架的軸脫軌系數(shù)都較低，采樣客車的整體情況比較好，根據(jù)樣本軸脫軌系數(shù)數(shù)據(jù)的分布，樣本的分類特征點定為0.038。

圖6　樣本中四軸脫軌系數(shù)分布

圖7　樣本軸脫軌系數(shù)分布

3）提取動力學(xué)性能較差的客車并匹配車號

以分類特征點為限界，按軸位具體分析樣本中列車的情況，找出列車一、二、三、四軸脫軌系數(shù)超過分類特征點的列車，再根據(jù)過車時間、車輛位置，在KMIS信息中將車號匹配上，結(jié)果見表1～表4。

表1　樣本中一軸脫軌系數(shù)較大的典型車輛

將一、二、三、四軸脫軌系數(shù)中大于分類特征點且比例超過50%的車定為重點列車。從表中可以看到，車號 為 352090，352102，352695，352739，354424，554863，683857的列車脫軌系數(shù)相對較大，需重點關(guān)注和追蹤。

表2　樣本中二軸脫軌系數(shù)較大的典型車輛

表3　樣本中三軸脫軌系數(shù)較大的典型車輛

表4　樣本中四軸脫軌系數(shù)較大的典型車輛

3　結(jié)論及建議

通過TPDS系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對青藏公司部分客車的動力學(xué)性能進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1）被監(jiān)測車輛以90 km/h以上速度通過格爾木東TPDS測點時，未見明顯蛇行運(yùn)動，動力學(xué)性能相對較差的車 輛有 352090，352102，352695，352739，354424，554863，683857。應(yīng)對這些車輛進(jìn)行重點關(guān)注和跟蹤。

2）由于既有貨車TPDS系統(tǒng)測區(qū)長度不能覆蓋客車的半個蛇行波，TPDS設(shè)備及車號升級后，建議結(jié)合客貨通用TPDS系統(tǒng)的推廣，切實推進(jìn)客車運(yùn)行狀態(tài)評判研究。

［1］曾京，鄔平波.高速列車的穩(wěn)定性［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2005，5（6）：1-4.

［2］王福天.車輛系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［3］曾宇清，王衛(wèi)東，舒興高，等.車輛脫軌安全評判的動態(tài)限度［J］.中國鐵道科學(xué)，1999，20（4）：70-77.

［4］王衛(wèi)東，曾宇清，于衛(wèi)東，等.環(huán)形線貨物列車直線段脫軌試驗報告［R］.北京：鐵道部科學(xué)研究院，2000：5-28.

［5］翟婉明.貨物列車動力學(xué)性能評定標(biāo)準(zhǔn)的研究與建議方案——防脫軌安全性評定標(biāo)準(zhǔn)［J］.鐵道車輛，2002，40 （1）：13-181.

［6］翟婉明.貨物列車動力學(xué)性能評定標(biāo)準(zhǔn)的研究與建議方案——輪軌橫向力評定標(biāo)準(zhǔn)［J］.鐵道車輛，2002，40（2）：9-101.

［7］翟婉明.貨物列車動力學(xué)性能評定標(biāo)準(zhǔn)的研究與建議方案——輪軌垂向力及車鉤力的評定標(biāo)準(zhǔn)［J］.鐵道車輛，2002，40（3）：10-131.

［8］國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB 5599—1985鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

［9］鞠在云.談車輛動力學(xué)《規(guī)范》的修訂［J］.鐵道車輛，2002 （5）：25-271.

［10］鄔平波，曾京.確定車輛系統(tǒng)線性和非線性臨界速度的新方法［J］.鐵道車輛，2000，38（5）：1-4.

（責(zé)任審編周彥彥）

Dynamic Performance Analysis of Railway Passenger Vehicle Based on Freight Truck Performance Detection System（TPDS）

TAN Jiafeng
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Freight T ruck Performance Detection System（T PDS）presents a new test method of wheel-rail force，which continuously measures the wheel-rail force of railway vehicles by using integral frame structure detection platform and makes comprehensive evaluations for the train running state.By using high regularity platform of existing freight T PDS，wheel-rail force of partial passenger vehicle in Qinghai-T ibet line was analyzed，derailment coefficient and the classification feature point of passenger vehicle in Qinghai-T ibet line were calculated，the preliminary evaluation of passenger vehicle running state was carried out by combing with the running characteristics of passenger vehicle，and the passenger vehicles which need to be focused and tracked were determined，that means the freight T PDS should be used for exploratory study of the passenger vehicle dynamic performance.

T ruck Performance Detection System（T PDS）；Railway passenger vehicle；W heel-rail force；Derailment coefficient；Dynamic performance

譚佳豐（1978—— ），男，助理研究員，碩士。

U260.11+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.30

1003-1995（2016）07-0123-04

2016-02-24；

2016-04-19