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原文传递轨道-车辆系统轮轨力辨识及应用研究

论文题名：	轨道-车辆系统轮轨力辨识及应用研究
关键词：	轨道-车辆系统;轮轨力;载荷辨识;综合评判指标
摘要：	轮轨作用力是评价铁路运行安全性的重要参数，为保障高速铁路的运行安全，对运行中的轮轨力进行监测并基于监测数据对轨道-车辆系统进行状态评判十分必要，这不仅要解决测试方法问题，还涉及一系列基础理论问题，是高速铁路关键技术之一。考虑到监测的经济性，易于维护性等因素，发展基于车辆响应的轮轨作用力辨识技术具有较大的理论意义和实用价值。　　基于杜哈密积分，在时域内推导了动载荷反演方法，并建立了单车轮和轮对垂向力辨识模型。该方法可以做到在线实时辨识。将辨识结果与正演结果进行对比，单车轮辨识轮轨力与正演模型中力的相关系数达到0.81，轮对模型辨识轮轨力与正演模型力的相关系数达到0.9，具有良好的相关性。　　为了解决二维平面内轮对运动方程数不足的不适定问题，基于蠕滑理论、车辆动力学模型和轮轨几何接触关系，创新性地建立基于滚动接触理论的轮对横向力辨识模型，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，辨识得到轮轨横向作用力，并探索出一套轮轨接触参数动态辨识方法。辨识结果表明:轮对横向力、轮对横移量及其它轮轨接触参数的辨识精度均达到0.7以上。　　为了解决测量不足的不适定问题，基于最优控制理论推导了整车轮轨力辨识模型，即OC轮轨力载荷辨识模型。该模型首先对动力学系统方程进行变换，将其转换成空间状态方程的形式;然后基于最优控制理论，将载荷看作最优控制策略，以测试加速度作为理想输出，设计最优控制器，推导了载荷辨识方法。该方法本质上是一个反问题，为不适定问题，利用SVD分解技术进行奇异值分解，解决了矩阵求逆的奇异性问题及收敛性问题。引入卡尔曼滤波技术，利用实测加速度对辨识轮轨力进行了正向修正，提高辨识精度，优化了辨识结果。　　结合RC和OC轮轨力载荷辨识模型，建立全信息的轮轨力载荷辨识模型，即RCOC模型，可以实现对轨道-车辆系统全部轮轨力的辨识:首先基于车辆动力学理论，列出动力学运动方程，建立车辆系统状态空间方程;然后结合OC轮轨力载荷辨识模型辨识出车辆-轨道系统的轮轴力及轮轨垂向接触力;然后基于RC轮轨力载荷辨识模型，辨识出车辆系统左右轮轨横向力。横向力与垂向力的辨识结果与正演模型输入力的相关系数分别达到0.65及0.8以上。　　分别利用仿真数据和实测数据对辨识模型进行了验证。首先基于商业软件，建立了CRH3型车辆动力学仿真模型，并利用武广、郑西实测数据对其进行了直线、曲线性能验证。利用盘营联调联试的车辆响应数据，对轮轨作用力进行了载荷辨识，并与测力轮对测试力进行了对比验证。横向、垂向辨识载荷与实测载荷的相关系数分别达到0.51，0.69以上。　　多指标综合评判是轨道-车辆安全状态评判的一大发展趋势。对单轮对脱轨机理进行了仿真分析，然后结合轮轨力辨识模型，提出了结合脱轨系数及轮对抬升量的综合评判指标。最后利用该指标对轨道-车辆的安全状态进行了综合评判，结果表明:利用综合指标对轨道-车辆的安全状态进行综合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。
作者：	孙善超
专业：	载运工具运用工程
导师：	王卫东
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2016
正文语种：	中文