（通信与信息系统专业论文）基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究.pdf

兰州交通大学硕士学位论文 摘要 随着铁路客运的高速化发展，列车通过弯道时产生的离心力成为影响列车安全运行 的重要因素。因此如何降低离心力对高速列车的影响，是本文研究的主要内容，并在此 基础上对轨道的不平顺和侧风等不利因素进行了具体分析，提出了基于电磁控制方式的 列车安全运行解决方案列车电磁控制系统。 列车电磁控制系统采用主动控制方式，实现了列车在通过弯道、轨道不平顺以及有 侧风等区段上的安全高效运行。它是通过在列车上安装相应的加速度传感器、涡流测距 传感器等对现场的加速度、轮轨间距以及侧风大小等数据进行实时采集，并传送到中央 控制模块。通过中央控制模块对数据进行运算处理，得出列车轮轨间的受力情况。然后 由中心控制模块产生相应的控制信息，通过m v b 总线传送到各执行模块，由执行模块来 控制电磁铁的电流，使左右轮轨间受力趋于平衡。当输出的电磁力过大或过小时，通过 执行模块进行实时调整，使其达到安全控制的目的。本文的研究工作主要有以下两个方 面： ( 1 ) 分析列车在弯道、轨道不平顺以及有侧风等情况下的受力。根据铁道部颁发的 g b 5 5 9 9 1 9 8 5 标准对安全性和舒适性的评判指标，详细分析了列车电磁控制系统的系统 结构、工作原理和约束条件等。 ( 2 ) 模拟系统的搭建，实现列车电磁控制系统的动态模拟。本文从模拟系统的硬件 和软件两个方面展开来说明的。本模拟系统是利用a r m 电路板作为中央控制模块，a v r 电路板作为驱动采集模块，并通过编写相应的软件来实现系统的动态模拟。文中对提高 弯道通过能力和减小侧风影响进行了模拟试验。在相同模拟环境下，通过对关闭和开启 列车电磁控制系统的结果比较，可以发现列车电磁控制系统使模拟小车的脱轨系数降 低，安全性提高，列车的整体性能得到明显改善。 列车电磁控制系统是一种安全、高效的人工智能控制系统。本文在理论方案提出的 基础上进行了模拟试验，模拟结果验证了数学模型的理论值和模拟试验的数据具有很好 的一致性。本系统的提出与模拟为今后进一步的研究打下了一定的基础。 关键词：列车；安全运行；电磁控制；系统；模拟 论文类型：应用研究 兰州交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fr a i l w a yp a s s e n g e r , w h e nt h et r a i np a s sc u r v e ，t h e c e n t r i f u g a lf o r c ea f f e c t st r a i no p e r a t i o ns a f e t ya n db e c o m e st h ei m p o r t a n tf a c t o r t h e r e f o r e h o wt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fh i g h s p e e dt r a i nc e n t r i f u g a lf o r c eb e c o m e st h em a i nc o n t e n to f t h i ss t u d y b a s e do nt h es t u d y ，t h ep a p e ra n a l y z e sc r o s s w i n do r b i ta n dp u t sf o r w a r dt h et r a i n e l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o ls y s t e ms o l u t i o n sb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cc o n t r 0 1 t r a i ne l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o ls y s t e mu s e st h ea c t i v ec o n t r o lm o d ea n dr e a l i z e st h a tt h e t r a i nt i d e s i nc o m e r s n o to r b i t a ls a f e l ya n de f j f i c i e n t l y i tu s e sc o r r e s p o n d i n ga c c e l e r a t i o n s e n s o r s ，e d d yc u r r e n tr a n g e - f i n d i n gs e n s o r st oa c q u i r er e a l t i m ed a t ao nt h ea c c e l e r a t i o n ，t h e w h e e l r a i ls p a c i n ga n dc r o s s w i n ds i z e n 把d a t ai st r a n s m i t t e dt ot h ec e n t r a lc o n t r o lm o d u l e t h r o u g ht h ec e n t r a lc o n t r o lm o d u l et oc o m p u t ed a t a , t h es t r e s so ft h es i t u a t i o nb e t w e e nt h e w h e e l r a i lh a sb e e nd e c i d e d t h e nc e n t e re o n t r o lm o d u l ep r o d u c e sc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l i n f o r m a t i o na n dt r a n s m i t st oe a c he x e c u t i v em o d u l et h r o u g hm v bb u s t h ee x e c u t i n gm o d u l e c o n t r o l st h ec u r r e n ta n dm a k e se l e c t r o m a g n e t sf o r c ee q u i l i b r i u mb e t w e e nt h ew h e e l r a i l e a c h e x e c u t i v em o d u l eu s e sp i da l g o r i t h mt oc o n t r o lm a g n e t i ce f f e c t i v e l y 。l 饧e nt h eo u t p u to ft h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei st o ol a r g eo rt o os m a l l ，e x e c u t i n gm o d u l em a k e sr e a l - t i m ea d j u s t m e n t c o n t r o ls a f e l y t h es t u d yi sm a i n l yi nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ： ( 1 ) 1 1 1 ep a p e ra n a l y s e st h ef o r c ei nt h ef o l l o w i n gf a c t o r s ：t h et r a i ni nc o m e r s ，r a i l i r r e g u l a r i t i e s ，a n dc r o s s w i n d a c c o r d i n gt og b 5 5 9 9 - 19 8 5s t a n d a r d so nt h ej u d g i n gi n d e x e so f s a f e t ya n dc o m f o r t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h et r a i ne l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o ls y s t e m ，t h es y s t e m s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，e t cc a r e f u l l y ( 2 ) b ys i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rr e a l i z e st h ec o n s t r u c t i o no ft h et r a i ne l e c t r o m a g n e t i c c o n t r o ls y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o n t 1 1 i sa r t i c l ea n a l y s e st h es y s t e mo nt h ea n a l o gs y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c t s t h i ss i m u l a t i o ns y s t e mi sb a s e do nt h ea r m s y s t e ma st h e c e n t r a lc o n t r o lm o d u l e a v ra sd r i v i n ga c q u i s i t i o ns y s t e m t h es y s t e ms i m u l a t i o ni sr e a l i z e d b yw r i t i n gc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e i nt h i sp a p e r , s i m u l a t e dt e s t sh a v e b e e nd o n ei nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：i m p r o v i n gs i d ec o m e r sc a p a c i t y ，r e d u c i n gt h ec r o s s w i n dw i n da f f e c t s s i m u l a t e dt e s t sa r eb a s e do nt h es a m er o t a t i n gs p e e di nt h es i m u l a t i o np l a t f o r m i nt h es a m e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h er e s u l t so fc l o s i n ga n do p e n i n ge l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o ls y s t e m h a v eb e e nc o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt r a i ne l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o ls y s t e mc a nr e d u c e t h ed e r a i l m e n tc o e f f i c i e n t ss i m u l a t e do ft h et r a i na n de n h a n c et h es a f e t y o v e r a l ip e r f o r m a n c e o ft h et r a i nh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d t h ep a p e r a n a l y s e st e s t i n gr e s u l t su n d e r t h ec o n d i t i o n s o ft h ec l o s i n ga n do p e n i n gt h et r a i ne l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o ls y s t e m 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a t t r a i ne l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o ls y s t e mm a k e st h es i m u l a t e dc a l d e r a i l m e n tc o e f ! f i c i e n t sr e d u c e d s h a r p l y n l et r a i ns a f e t yi n d e x e sh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，a n do p e r a t i o nq u a l i t yh a sb e e n i i 基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究 i m p r o v e do b v i o u s l y t r a i ne l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o ls y s t e mi sas a f ea n de f f i c i e n ta r t i f i c i a l l yi n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e m t h ep a p e rp r e s e n t se x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o no nt h eb a s eo ft h e o r ya n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h ec o n s i s t e n c yb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lv a l u e sa n ds i m u l a t i o nt e s td a mi sg o o d t h es y s t e ma n di t ss i m u l a t i o nl a yac e r t a i nf o u n d a t i o no nt h ef u t u r ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：t r a i n ，s a f e t yo p e r a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o l ，s y s t e m ，s i m u l a t i o n i i i 兰州交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 铁路交通作为我国的经济大动脉，随着经济和社会的发展，铁路运输与社会需求之 间的矛盾日益突出。国家及时做出了调整，加大对铁路的投资力度，特别是在高速铁路 方面，预计在未来几年，全国铁路将发展形成八纵八横的格局和四纵四横的快速通道。 京津城际、武广高铁、郑西高铁和沪杭高铁的开通标志着我国正式迈入了高铁时代。在 去年的1 2 月3 日，我国自行研制的c r h 3 8 0 a 新一代高速列车在京沪线的先导段跑出了 4 8 6 1 k m h 的“高铁奇迹 ，再一次刷新了世界铁路运营最高速度。 在这样的背景下，提高列车运行速度，保证行车安全就变成了当前急需解决的问题， 也是国内外学者们研究的重点。而列车运行速度的提高势必会带来许多问题，例如高速 运行情况下列车的稳定性会降低，轨道不平顺所产生的激扰能量会增大，通过曲线时的 离心力会加大，侧风的影响会更加明显，雨雪的影响也不容忽视、突发状况( 桥面断裂、 泥石流、地震等) 对列车安全运行构成威胁。这些都可能引起列车脱轨、倾覆或线路变 形，造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，如何降低甚至消除上述情况对列车安全运 行的影响成为我国铁路发展过程中急需解决的问题。 我国通过引进的技术和已有的成熟经验相结合提出了一些解决方式。在路面工程方 面采用更高标准的铁路线路，如铺设整体道床，采用高平顺轨面，增大曲线半径，合理 布置外轨超高等方式。在列车系统中，升级优化列车使其满足在不同工况，不同速度等 级下安全运行，如采用摆式列车。但这些措施仍存在一些问题，例如整体道床的铺设， 可以提高列车的运行速度，但由于地形地势或自然环境等原因，长期的使用会出现翻浆 冒泥或线路变形的情况。增大曲线半径，要综合考虑建设成本、运能运量、经济效益、 日常维护等，特别是对于地形复杂的西南地区显然是不可行的。设置外轨超高可提高曲 线通过速度，但存在过超高和欠超高的问题，尤其是列车低速通过或停在弯道处时，太 大的外轨超高可能造成货物倾泻或乘车人员的不舒适感，甚至导致列车脱轨。摆式系统 可以提高曲线通过能力，但它最初设计采用的是被动悬挂方式，在列车运行过程中不能 自动调节，不适用于复杂线路，因此这种控制方式正在被逐步取代。而最新研制并以投 入运营的摆式系统采用主动控制方式，有效地提高了列车通过曲线时的安全性和运行速 度，但它结构复杂，造价昂贵，并未得到广泛应用。提高曲线通过速度的另一种措施就 是在轮缘与钢轨接触面上喷洒润滑脂，减缓曲线钢轨侧面磨耗。但它的长效性差，通过 几列列车后就容易磨掉。长期使用还易产生油嵌，加速钢轨剥离掉块，并且还会对线路 基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究 造成一定的污染【卜3 1 。 列车电磁控制系统就是在电磁控制方式基础上提出的解决列车在更安全的前提下 以较高的速度通过弯道。同时综合了列车在运行过程中遇到的各种状况，如轨道不平顺、 侧风、地震干扰以及列车自身结构特性等，提出的系统设计方案。系统采用智能闭环控 制方式，使列车安全高效运行。 1 2 国内外研究进展 国内外研究机构研究表明，在铁路线路方面，影响列车安全、高效运行的主要因素 是曲线通过能力和线路上的轨道平顺性。弯道上运行的列车受到离心力的作用，它和速 度的平方成正比，当速度达到一定值时有可能导致列车脱轨，造成巨大的人员伤亡和财 产损，因此如何能使列车高速、安全的通过曲线地段一直是列车提速迫切希望解决的难 题之一。轨道平顺性是影响列车运行速度的主要因素，如果轨道的平顺状态不良，则由 它激起的轮轨作用力和列车振动就会随着车速的提高而急剧增大，甚至导致列车的脱 轨、掉道、倾覆等，严重影响列车运行的稳定性和安全性。针对目前大力修建的高铁， 影响更为严重，因此高铁中的轨道不平顺标准将远高于传统的线路不平顺标准。保障高 速列车运行安全性不仅要克服列车提速后带来的一系列问题，还要考虑恶劣环境或各种 突发状况对列车运行的影响。 1 2 1 国外现状 在国外，许多国家相当重视铁路列车运行安全的研究与应用。在日本，一些学者对 于如何消除轨道不平顺和地震对铁路的影响都做了大量的研究，提出了一些可行的方 案，其中最具有代表性的研究者佐藤吉彦。他对轨道破坏理论，轨道不平顺的检测、产 生和复原理论做了大量的研究，并很好地解决了日本新干线上的货车脱轨和噪声振动。 在意大利、瑞典、西班牙等国相继研制的摆式列车，能在保障乘坐舒适性的前提下提高 曲线通过速度。 1 2 2 国内现状 在我国现阶段为提高列车通过曲线的速度，铁路上普遍使用轮轨润滑脂。为解决的 列车平稳性、安全性和乘客舒适性等方面的问题，我们通过自主创新和技术引进、吸收、 再创新两条腿走路的大方针下，研究解决列车在弯道或路况差的情况下高速安全通过。 并攻克了各项关键技术研制成功了具有自主知识产权的摆式列车，现在已处于综合试验 阶段。另外一方面，通过加大弯道的半径，利用外轨超高，在弯道处涂润滑脂等方式解 决列车在整条线路上高速安全运行。例如现在运行的京津城际正线最小曲线半径一般地 兰州交通大学硕士学位论文 段为7 0 0 0 m 、困难地段为5 5 0 0 m ，还有武广高铁、郑西高铁和今年六月份即将通车的京 沪高铁都使用了大曲线半径来提高列车通过时的速度【4 】。但这样存在的问题就是建路成 本的大幅增加，特别是在多山地区像中国的西南部，有些地段很难做到大半径，不得不 利用其它方式提高列车的运行速度。 国内有一些学者在利用电磁控制方式控制列车制动方面做了一些研究，但只是涉及 到其中的一部分功能，即只是起到紧急制动的作用。 1 3 论文的主要内容及创新点 文中提出的列车电磁控制系统是基于电磁控制方式的，用来保障行车安全、提高列 车的运行效率的人工智能控制系统。在列车运行控制系统中，它既可以作为一个封闭系 统单独使用，通过和车载设备的通信，控制列车安全高效运行。本系统也可以嵌入到车 载系统中，作为其中的子系统使用。 本论文的主要的研究内容包括以下四点： ( 1 ) 列车电磁控制系统的研究：本章对控制系统对列车结构的影响和实现功能做了 详细论述。对列车在各种情况下的受力进行分析，以及对轨道不平顺、侧风、地震等情 况下的受力情况进行了详细分析。并且还分析了影响列车的各种安全指标。最后详细论 述了系统的设计思路，设计指标，设计方案和实现功能。 ( 2 ) 列车电磁控制系统的硬件设计：列车电磁控制系统通过进行动态模拟，证明了 系统的可行性和先进性，为进一步研究打下基础。本章是从模拟系统的硬件着手，先介 绍核心控制系统，再介绍外围控制系统，最后到系统集成。 ( 3 ) 列车电磁控制系统的软件设计：软件方面详细论述了系统各功能实现的工作流 程，算法设计，设备通信等。最后进行模拟系统的联调，实现列车电磁控制系统模拟的 整体设计。 ( 4 ) 模拟结果及分析：结果分析是从系统的实现功能入手，对其进行动态模拟，并 对所得数据进行分析、对比，完成对系统性能的试验论证。 本文的创新点为： ( 1 ) 用列车电磁控制系统提高列车安全性和运行效率。 ( 2 ) 采用前向预测控制与应答器信息相结合的控制方式。 基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究 2 列车电磁控制系统的研究 列车电磁控制系统是在电磁控制方式的基础上提出列车安全运行防护系统。它作为 控制系统的一部分，应充分考虑它的综合设计指标。文中首先对列车电磁控制系统所能 实现的功能和在弯道、轨道不平顺和侧风情况下的受力进行分析，然后结合对列车运行 所要求的安全性、舒适性、速度以及节能环保等等要求，根据其理论公式计算来设计出 更为优化的控制方案。 2 1 实现功能 列车在平直路面和通过弯道时的受力完全不同。当列车在运行过程中受到风的作用 力时，其安全性势必受到影响，甚至要求列车降速运行。若列车通过弯道、轨道不平顺 区段时导致安全性和舒适性降低，直接影响运行效率【5 6 1 。根据这些因素提出了基于电 磁控制方式的列车电磁控制系统。 本系统的主要作用是保障列车安全、高效运行。具体功能如下： ( 1 ) 提高列车曲线安全通过能力； ( 2 ) 降低侧风对列车运行速度的影响； ( 3 ) 减小轨道不平顺对列车运行安全的影响： ( 4 ) 实现紧急情况下列车降速； ( 5 ) 降低列车的蛇形运动； ( 6 ) 减小轮轨内侧单边磨损； ( 7 ) 保障轻、中度地震发生时的行车安全。 2 1 1 提高曲线通过能力 当列车静止的情况下，列车在平直路面上只受到一对向下垂直的重力和地面对它向 上的支撑力的作用，如下图2 1 所示。重力g 与地面的支撑力f 相抵消了，因此列车能 够平稳的立在那里。当列车通过弯道上时受力情况就发生很大的变化。 当列车通过弯道时受力分析如图2 2 所示。重力g 和轨道面的支撑力凡在列车处 于曲线运动中，离心力的作用不可忽略。因此有了外轨超高的设计思路。尸离心力被一 部分重力g 和支撑力f 的合力相抵消，由此提高了列车通过弯道时的速度，而不会发 生脱轨的危险。其离心力的计算公式如式( 2 1 ) 所示。 9 尼：肌刑2 ：m v - ( 2 1 ) 一 ， 由上式可知，离心力是和列车速度的平方成正比，和曲线半径成反比，方向沿曲线 兰州交通大学硕士学位论文 半径向外。离心力会随着列车速度的提高或曲线半径的减小而增大，当离心力形成的力 矩超过倾覆力矩的临界值时，就会导致列车倾覆【7 1 。 图2 i 列车在正常情况下的受力分析图2 2 列车通过弯道时的受力情况 当列车通过弯道时，受到以下这几方面的限制： ( 1 ) 同一弯道要通过不同时速的列车，对一次成型的弯道不能全面很好的照顾到各 个等级： ( 2 ) 列车通过时的脱轨系数： ( 3 ) 没有被外轨超高平衡去的离心加速度的变化率： ( 4 ) 由于外轨超高形成列车倾斜的角速度的变化率： 其中( 3 ) ( 4 ) 对列车的舒适性影响最大，( 2 ) 是列车的安全性的评判指标。 目前，提高列车通过弯道的方法主要有：降低运行速度，增大曲线半径，设置外轨 超高，喷洒润滑脂，采用摆式系统等。但这些方法都存在它的一些局限性，例如降低运 行速度与铁路大提速相悖；增大曲线半径，对于既有线的提速改造区段或多山且地势相 对复杂的西南地区不太可行；外轨超高的设置是根据列车的平均通过速度计算得到的 ( 一旦确定不能改变) ，存在欠超高和过超高，不能适应实际运行中的速度变化，严重 时可能导致脱轨【8 】。轨面上铺洒润滑脂可以减小曲线通过时轮轨间的摩擦力，但对钢轨 线路的污染较大，长期使用还容易导致钢轨的剥离掉块，而且作用效果也不明显【9 1 。新 型的摆式系统可以提高列车的平稳性，但它的结构相当复杂，势必会降低列车运行的安 全性，而且造价昂贵。 基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究 而列车电磁控制系统是采用自适应的主动控制方式，通过对横向力、垂向力、轨距、 轮轨横移量等的测定和接受地面应答器传来的前方线路状况相结合的方式，得到轮轨间 受力情况和未被平衡的离心力值，由中央控制单元进行计算，并产生控制信息，经驱动 采集系统进行实时调控。列车在运行过程中，列车电磁控制系统对现场数据进行实时采 集，判断当前控制执行情况，整个过程实现闭环控制。当本系统接收到车载设备传来的 控制信息时，列车电磁控制系统经过内部运算，实现对电磁力的控制，可以自动适应现 场状况实施控制。 列车电磁控制系统的使用，可以显著提高列车通过曲线的能力。如果将本系统和摆 式列车相结合使用，或将本系统和传统设置的外轨超高相结合使用，甚至可以使列车在 不减速的情况下安全通过弯道。这对列车整体运行速度的提高非常有利，为铁路建设提 供了更多的可行性方案，尤其是对于地势复杂地区。通过减小弯道对列车运行的影响， 可以有效地提高运行速度。 2 1 2 提高有侧风下的行车效率 随着运行速度的提高，侧风对高速列车产生的强大气动力是导致脱轨系数增大的主 要原因之一。尤其是侧风与离心力共同作用时，极易导致脱轨或倾覆，对列车的安全运 行造成严重威胁。 在列车运行过程中，当有侧风的情况下，由此引起列车的受力情况发生了根本性的 变化。侧风吹到列车上形成了气动升力、气动横向力和列车的倾覆力矩。它们对列车运 行的安全性最为敏感，因此，我们应该从这几个力上入手来分析侧风对列车的运行影响。 假定风的方向是由内测向外侧垂直吹向列车( 过弯道时列车向着圆心的一侧为内 侧) ，气动升力和气动阻力将作用在列车的重心。气动横向力在理想的情看下，对列车 的影响为0 ( 前后相互抵消了) ，列车的受力情况如图2 3 所示。图中：乃为气动升力； 乃为气动阻力；m 为气动倾覆力矩；f 沩列车所受的总合力总体；c 1 为气动升力系数； o 为气动阻力系数；g 为列车倾覆的力矩系数；p 为空气密度；么为列车侧面积；，为 列车运行速度；u 侧风风速；m 为列车质量；a 为离心加速度；g 为重力加速度；日为列 车重心高度；2 l 为钢轨中心间距；d 为合力通过钢轨面距钢轨中心线间的距离；r 为曲 线半径；口为合力与重力的夹角；s 为安全系数。 则由上图可知，a 的计算公式如下式( 2 2 ) 所示。 t a i l 口：互：旱 ( 2 2 ) m g 以 安全系数s 的表达式如( 2 3 ) 所示。 兰州交通大学硕士学位论文 s = 1 a ( 2 3 ) 从( 2 2 ) ( 2 3 ) 的公式中可得知安全系数与气动升力成反比，即气动升力越大，危险性 就越大。 外 侧 一：2 i 严- j 图2 3 侧风情况下列车的受力情况 基于准静态理论，根据伯努利方程式，我们可以得知气动升力、气动阻力和列车倾 覆的力矩可以表达式为： 巧= c f 【o 5 p ( v 2 + ”2 ) 彳】 ( 2 4 ) 乃= c o 5 p ( v 2 + “2 ) 彳】 ( 2 5 ) m = c 0 o 5 p ( v 2 + “2 ) a h 】 ( 2 6 ) 由式( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 可知气动升力、气动阻力以及气动倾覆力矩都与横风速度的平方 成正比，并随着横风速度增大呈现更加强劲的趋势。 列车电磁控制系统的设计就是确保列车在侧风环境下安全高效的运行。系统根据风 力的大小，产生相应的磁力，作用于钢轨，防止列车发生倾覆，确保在侧风情况下列车 的安全运行 1 0 - 1 3 】。 列车电磁控制系统中，风力的测定是通过信息采集单元获得。当列车获得风力信息 后，送入中央控制模块和列控车载设备，通过中央控制模块运算得出相应控制电磁铁的 电流，保证列车安全高效运行。而对于长期处于风口处的线路区段，对风口位置、风力 等级、运行速度等信息是通过车载设备获得。系统将车体所受的风力信息传到处理控制 基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究 单元，经电磁模块进行自动调节，确保列车在特定风速下的正常、减速或紧急制动。与 未安装本系统的列车运行情况相比，列车电磁控制系统的使用保证了列车在相同运行速 度下具有更高的安全性，在相同的安全等级下具有更高的运行效率。 2 1 3 减小轨道不平顺的影响 由于外部激扰、地基沉降和使用过程中轮轨间的磨损等，造成了高低、轨距、方向、 水平、扭矩等的不平顺。当列车通过这些不平顺区段时，就会使运行中的列车产生沉浮、 横摆、点头、摇头、横移、侧滚等振动，由此引发的一系列复杂的运动。这些都是评价 列车的舒适性的重要指标。具体形象的振动如图2 4 所示。列车发生振动的主要原因是 轨道几何形状发生了变化，使车辆偏离了直线轮对的运行【1 4 1 。 l 沉浮 丫 图2 4 车体振动情况 横摆 在理想情况下，轨道应该铺设成一条直线，但由于在现实中铺设的钢轨难免出现垂 向、横向、弯曲等误差，或是由于路基沉降，接头错牙，钢轨磨损等使用过程中出现的 情况，就会产生轨道的不平顺的情况。在直线区段，轨道不平顺主要有以下四种，具体 情况如图2 5 所示。用左右钢轨的垂向和横向误差( z ，z r ，y t ，y ，) 来表示【i 5 1 。 ( 1 ) 垂直方向不平顺z = ( z t 吲2 。通常是由于道床、路基的不均匀沉降，弹性不均 或永久变形，以及轨面不均匀磨耗引起的。垂向不平顺是引起车辆点头和沉浮振动的主 要原因。它对列车运行的影响主要是增大垂向加速度，并且在一定波长范m ( 5 。3 0 m ) 对增 大轮重偏载率有较大的影响，而对其他各项动力指标的影响较小，可忽略不计。 ( 2 ) 水平不平顺z = 斫z p 通常是由于钢轨铺设时的水平误差引起的，或是由于单侧 道床或路基变形引起的。它是造成车辆侧滚和摇头振动的主要原因。水平不平顺对列车 动力学的影响主要是增大车体横向加速度。 兰州交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 方向不平顺y = y z + y ，。常常由于施工或维修过程中，对轨道中心线的测量误差 引起的，或是由于在使用过程中引起的轨道变形等方式形成了轨道不平顺。通常它可以 导致列车左右摆动式的振动。 图2 5 垂向、水平、方向、轨距不平顺示意图 ( 4 ) 轨距不平顺y = y r y , 。由于轨道横向刚度不一致或在使用过程中列车对轨道的挤 压引起的固件损坏、轨道变形等方式引起的轨距不平顺。轨距不平顺会引起列车横向摆 动的振动，严重时会引起列车的脱轨。因此它对列车的车轮和钢轨都会有很大的磨损， 特别是对列车的舒适性及安全性造成严重的影响【l 6 j 。 除了以上说的四种外，它们的综合起来的因素形成的轨道不平顺的幅值、波长、变 化率等波形特征对列车的舒适性和列车的整个系统都有很大的影响，尤其是不同波长的 不平顺对列车运行的动力响应差异很大，波长很短的轨面不平顺，即使幅值不大也会激 起转向架的剧烈振动，使轮轨之间产生剧烈冲击，造成大量的能量消耗，加剧了轨道的 变形，损害列车的相关部件。波长较长的不平顺主要影响列车的舒适性和整车的寿命， 幅值较大，该幅值相应的平均变化率也大的不平顺，会引起车体剧烈振动。幅值虽大而 平均变化率小的不平顺引起的列车的舒适性系数并不大，但对列车的损害是比较大的， 增加了列车的轮对与轨道面的磨损【l 7 1 8 j 。 轨道不平顺是列车在运行过程中产生各种振动的主要根源，是限制行车速度和影响 列车舒适性的主要原因。轨距不平顺是导致轮对掉道和卡轨的主要原因；水平不平顺引 起的轮对横移是导致脱轨的主因【1 9 】。因此，要保证列车的安全运行，就要尽可能的减小 轨道不平顺对列车运行所带来的影响。本系统就是通过对轨道不平顺的实时测定，控制 执行机构进行实时调节，减小它对列车运行的影响，使列车在不平顺区段可安全、舒适、 高速的通过。 在本系统中，列车的振动主要是通过信息采集层的各类传感器进行测定【2 0 - 2 1 1 。加速 度传感器测量垂向和水平不平顺，测距传感器测定轨距不平顺。中央处理单元对不平顺 基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究 波形的波长、幅值和列车运行的平稳性进行分析运算和前向预测，对不平顺产生的列车 运行振动进行实时调控，使轮对间的受力趋于平衡，使列车可以高速、平稳地通过不平 顺区段。 2 1 4 其它功z 日, , 匕l a 的实现 列车电磁控制系统还可以减轻列车的蛇形运动。蛇形运动就是指列车在直线轨道上 运行时，由于轮对的踏面和钢轨的轨面独特的特殊的样貌，当车轮踏面在平直轨道上面 运行时，就会产生一种振幅有增大趋势的运动。就像蛇一样弯弯曲曲的运行，因此形象 叫它为蛇形运动。当轨道出现不平顺时就加剧了蛇形运动的振动振幅，同时它对列车的 轮子和轨道都会造成一定的磨损，甚至导致列车的脱轨。如图2 6 所示，蛇形运动这种 情况是当速度越大，影响就越明显【2 3 j 。 图2 6 蛇形运动时轮轨的情形 列车电磁控制系统通过压力传感器、测距传感器测得轮轨间的受力情况和轮轨蠕滑 量，经中央控制模块处理后，控制执行模块进行调整，通过调节轮轨间的作用力，使轮 对尽可能的沿着平直轨面滚动，以此减轻列车的蛇形运动，减d , y 单边磨损【2 4 】。蛇形运 动控制方式如图2 7 所示。 蛇 形 运 动 轨 迹 图2 7 蛇形运动控制方式 钢 轨 列车电磁控制系统还可以保障等级较低地震发生时的行车安全。列车在运行过程中 兰州交通大学硕士学位论文 突然发生地震时，中央处理单元将采集单元传来的横、纵波的信息进行分析和前向预测， 控制电磁模块采取相应措施。地震震级较小时，通过本系统可以实现列车的安全运行。 当震级较大时则采取减速停车或紧急制动措施，降低列车出轨和侧翻的可能性【2 5 1 。 列车电磁控制系统通过控制电流的大小来控制电磁模块的作用力，电力供应可直接 从铁路电网获得，系统不仅使用过程中不会产生排放物，而且还在节约用电方面效果显 - i 1 - - 看o 2 2 列车评价指标 列车的评价指标包括诸多方面，文中主要以安全性、舒适性以及防灾等评价指标展 开叙述。其中安全性评价指标主要分析了脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数等。 2 2 1 安全性 列车电磁控制系统方案的提出就是以铁道部颁发的标准铁道车辆动力学性能评定 和试验鉴定规范g b 5 5 9 9 1 9 8 5 为依据，评价列车电磁控制系统对列车安全性的影响。 评价的标准主要包括：轮重减载率、脱轨系数和倾覆系数等 2 6 , 2 7 】。通过对这几个评价 标准进行分析，以此为后面系统的设计提供参考。 ( 1 ) 脱轨系数的分析 乃l 上尼 i h j i - - - p 3 强 o2 力j l l ，n 2 z 三杉 ”一 一 e 7 、o 局17 |易， r 图2 8 轮子与轨道面的受力关系图 脱轨系数就是评价列车车轮轮缘在横向力的作用下是否会因逐渐爬上轨头而发生 脱轨评价指标。评价列车在运行过程中的防止脱轨方式是应用了法国科学家n a d a l 的脱 轨系数方程式，即某一时刻作用在车轮上的横向力q 与垂直方向的力p 的比值q p 。 如图2 8 所示为车轮处于临界状态时的轮轨受力的受力情况( 正常情况下蠕滑力丁 基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究 训。由此可以列出车轮出轨的方程式为： 丑s i n a l q lc o s a l = “m ( 2 7 ) l = 互c o s c z l + qs i n a l ( 2 8 ) 在式中：q j 为越轨侧轮子对轨道的横向作用力，单位k n ；p j 为越轨侧轮子对轨道 的垂直作用力，单位k n ；a l 为最大轮缘倾角( 固定值的轮缘角) ；，为轮缘与钢轨的摩 擦系数；由此可得脱轨临界值： 鱼：塑竺! 二丝 ( 2 9 ) _ 互1 + h t a n g l 当横向力q j 作用时间大于0 0 5 s 时，评定侧滑量运行安全的合格标准的第一限度( 容 许值) 为： 兰l 1 2( 2 1 0 ) 互 当作用时间t 大于0 0 5 s 时，脱轨系数是以0 8 作为标准值，当作用时间小于0 0 5 s 时，用q 尸0 0 4 t 作为标准值以及q 1 p i p ，时， 列车有可能会因一侧车轮减载过大而导致脱轨。这种情况下继续利用脱轨系数来评价列 车的安全性，就会产生出不容忽视的误差。此时就得重新来分析了，假设尸为左右车轮 的平均轮重，则卢( 尸，+ p 2 ) 2 ，彳尸为轮重减载量，则a p = ( p 2 - p 1 ) 2 ，则越轨侧车轮的轮 重减载率的定义为彳胛。根据我国g b 5 5 9 9 1 9 8 5 规定轮重减载率彳聊的限度值2 9 1 ， 它有以下两种限度值：第一限度值和第二限度值。 第一限度( 容许值) 也就是是在准静态的情况下： 竺o 6 5( 2 1 1 ) 一- 、 i，_i- p 第二限度( 安全值) ： i a p 0 6 0 ( 2 1 2 ) 一i ， p 列车运行的状态下： 兰州交通大学硕士学位论文 竺o 8( 2 1 3 ) p 这也是评价列车安全性的重要评价指标。由于货物列车常常在运行过程中出现偏 载，因此在货物列车上我们常常用到，但在旅客列车上这种情况基本不可能出现，因此 就以脱轨系数来评判。每次高铁开通前在试车中一般公布的列车安全性指标中都是在讲 脱轨系数，而很少提轮重减载率。但它在我们得研究中还是不容忽视的。 ( 3 ) 倾覆系数分析 列车的倾覆系数与线路的状况( 曲线半径、外轨超高、轨道不平顺) 、列车自身特 征( 重心高度、悬挂系统性能和设置) 以及车体所受侧向风力等因素息息相关。通常列 车的倾覆系数只与线路的状况以及列车的侧风有关。因此研究倾覆系数就把重点放在这 两方面来进行。倾覆系数就是用来表示列车在有侧向风力、离心力、横向振动惯性力所 形成的合力的作用下是否会导致列车的倾覆的情况。倾覆系数d 定义的公式如下式所示： d ：曼：垒生( 2 1 4 ) 己最+ 互 在式中：乃代表火车轮子在运行状态下所能承载的力，单位k n ；以为火车的轮子 在静止状态下所能承载的力，单位k n ；p j 为在火车的内侧的车轮对股道的压力，单位 k n ；岛为列车j b 倾u 的车轮对股道的压力，单位k n 。在g b 5 5 9 9 1 9 8 5 中的定义中d 的 值应该小于0 8 才算安全。 ( 4 ) 其它方面的评价指标分析 由于列车在运行过程中因横向力过大而造成轨距扩宽、道钉拔起而使轨道的严重变 形等情况的发生，因此对轮轨间横向力做了限制，对于现在高铁上比较流行的整体道床 的变形限度也做了详细合理的规定，其推导的表达式如下所示： p上p h 0 8 5 ( 1 5 + 土址盐1 ( 2 1 5 ) 2 式中：日为轮轴的横向力，单位k n ：p s i 、只口为车轮的静载荷，单位k n 。根 据此理论公式来指导轨道设计方案，以及评判所建轨道合格与否。 以上这些几方面的评价指标是通过公式推导计算出的，它仅是这些系数的一个理论 值。理论值是在各种外界理想情况下得出的，而现实中的这些系数是都是需要通过现场 的试验取得的，不过理论与试验值相差不大。这些理论计算公式的研究在科研过程中起 着重要的作用。 脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数是检验列车安全运行的关键指标。以下就举一个 例子来进行说明。在2 0 1 0 年1 2 月3 日中国南车集团四方车辆厂在c r h 2 3 0 0 的基础上 基于电磁控制方式的列车安全运行防护技术的研究 自主研制的c r h 3 8 0 a 新一代高速列车在京沪线山东和江苏境内的先导段试跑中，创造 了4 8 6 1 公里的“高铁奇迹”。根据试验测算脱轨系数为0 1 3 ，远低于规定的标准限度值 o 8 ( 而当时理论计算时是小于0 1 的) 。同时测得轮轴横向力为1 6 ( 限制为4 8 ) ，轮重 减载率小于o 6 ( 限制为o 8 ) 。这些只是其中的评价安全性的一些最重要的基本指标， 另外还有其它的一下评判指标，这里就不详细叙说了。 2 2 2 舒适性 列车作为我们现代化的交通工具，随着人们生活水平的提高，在舒适方面的要求会 越来越高。也就是说在安全、可靠的前提下，速度与舒适性一直是我们不懈的追