[发明专利]一种研究列车脱轨行为的仿真方法

说明书

本发明公开了一种研究列车脱轨行为的仿真方法，通过对于轨道车辆系统进行动力学仿真、脱轨情况设定，对车辆故障导致的列车脱轨行为进行仿真分析，获取列车正常运行、脱轨过程、脱轨之后车辆关键部件的振动信息。获取的振动信息可以用来评估脱轨对于车辆部件的影响，分析脱轨危害，及为脱轨检测系统提供理论依据。本发明提供的方法，主要通过仿真获取脱轨情况下的车辆振动特性，相比于实验方法，本发明所提出的方法成本低廉、可重复性高、可模拟工况多、仿真车辆运行速度高、可以考虑整车/整列车脱轨情况、风险概率为0。

技术领域

本发明涉及铁路运输安全监控领域，具体涉及一种研究列车脱轨行为的仿真方法。

背景技术

预防列车脱轨是轨道交通领域永恒的研究课题，虽然业内专家已经在该领域进行了长期、大量的科研工作，但现阶段科技水平还不能完全保证列车不出现脱轨事故。据统计，车辆故障仍是脱轨的主要原因之一，且列车脱轨事故并不一定都能及时被司机发现，如在澳大利亚出现过，无人货运尾部机车脱轨十几公里后头部列车司机才发现了尾部机车脱轨。

列车、轮对脱轨后的动力学行为研究具有较高的工程应用价值。例如，列车脱轨后车辆部件的振动特征，可以为车载脱轨监测系统提供理论依据，有效判断列车脱轨状态，及时提醒司机、无人驾驶系统以采取合理措施。然而，列车脱轨后动力学行为研究仍是世界性难题。现有的脱轨实验台架往往只能进行单转向架或单轮对的脱轨实验，且存在成本高昂、实验潜在风险大、能够测试的脱轨情况有限、测试速度较低等局限。

因此，如何建立一种能够分析整车、整列车在不同运行工况下，尤其是高速运行状态脱轨状态的研究方法，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了解决上述问题的一种研究列车脱轨行为的仿真方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种研究列车脱轨行为的仿真方法，包括如下步骤：

S1.根据研究车辆，建立所研究车辆的多体动力学模型，基于车辆动力学理论、结合所研究车辆的实际结构与参数，建立多体动力学模型，所述多体动力学模型由自行编程实现或使用商业动力学仿真软件实现，对研究车辆的关键车辆部件建立成为6自由度的刚体模型，在模型中可以适当省略车辆部件，所述关键车辆部件包括但不限于车体、构架、轮对和轴箱，同时对多体动力学模型中的特殊部件进行设置，用户可以根据自己的实际需要设置特殊部件为结构弹性的刚柔耦合模型。；

S2.在所述多体动力学模型中建立虚拟传感器，设置多体动力学模型中的轮轨关系为多点接触和弹性接触；

S3.在多体动力学模型中导入所建立的虚拟传感器的虚拟传感器采集数据，基于所述研究车辆，设置所述虚拟传感器的数据信息，所述虚拟传感器的数据信息包括但不限于检测部件、安装位置、采集信号方向、信号类型和采样频率；

S4.设置仿真运行工况，基于所述研究车辆进行车辆牵引状态设置、车辆运行速度设置、线路设置和轨道不平顺等级设置，在一般性的分析中，可以忽略轨道结构，也可以对轨道进行详细结构建模，将枕木等的结构建模，考虑成为间距固定的刚体，通过弹簧阻尼力元连接到轨道上，也可以考虑路基的结构弹性；

S5.在多体动力学模型中设置车辆故障，为多体动力学模型设置可以导致脱轨的车辆故障，包括轮对故障、悬挂系统故障等，如轮对多边形、踏面凹磨等；

S6.对多体动力学模型开始仿真，获取仿真脱轨过程中，虚拟传感器采集的信号，得到仿真结束的观察结果，设置仿真时间后，开始仿真，在仿真结束后，可以通过软件动画功能查看列车整个仿真过程中的车辆部件的形态、轮轨接触状态，观察列车从正常运行、发生脱轨、脱轨后的轮轨接触状态；