重载列车平稳操作评测系统研究

1　引言

重载列车具有编组长、轴重大的特点，在制动条件下会引起较大的纵向冲动，容易导致车钩缓冲器装置和车辆结构及其零部件的损坏。列车的冲动，是列车在调速过程中在较短的时间里因为一个较大的加速度（或加速度变化率）对列车所造成的影响。从列车运行来看，表现为相邻车辆之间的冲击；在列车的启动、刹车、加速时通常会有这种状况。从冲动的方向来分，主要分为纵向冲动和横向冲动。纵向冲动为与列车前进方向一致的冲动，是列车的主冲动；横向冲动为水平面上垂直于列车前进方向上的冲动。

列车在运行期间的平稳性是衡量列车振动的一个重要指标，列车冲动不仅影响列车正点到达和造成车厢之间的冲击，严重的有可能造成车厢脱钩，引发安全事故。因此检测列车的冲动、分析列车冲动的原因并提出改进措施十分必要。针对客运列车提速后纵向冲动有所加剧的问题，铁道部组织铁道部科学研究院等单位曾展开过专题研究来分析纵向冲动的原因和解决方案。在2万t重载组合列车中，机车的电力牵引、电制动和列车的空气制动分别具有分散和迟滞等特点，因此车辆之间的纵向冲动并非陆续依次传递。在列车运行试验过程中，制动工况（尤其是紧急制动，是产生异常纵向冲动的重要场景）不仅是列车系统运行安全性能的主要考核条件，而且也是钩缓装置性能以及车辆承载部件结构强度的评定依据。

目前我国在评测列车的垂直振动、纵向冲动、横向冲动和曲线通过等指标上，基本是参考国外标准。对于重载列车的运行平稳性，目前业界还没有专门的评测标准，是急需解决的一个问题。

2　重载列车平稳性指标

2.1　GB5595-85平稳性指标

总的来说，对列车平稳性衡量的指标由很多种，我国主要参考Sperling标准，同时结合国内实际情况，对平稳性以数量级的形式进行描述，对重载列车运行的平稳性描述可以通过下列公式进行运算：

式中，W为平稳性指标；A为振动加速度，g=9.8m/s²；f为振动频率，单位为Hz；F（f）为频率修正系数。根据相关数值，可以计算出W的大小，而W值同客车稳定性的关系为：W在0～2.5时，平稳性等级为1，评定结果为优秀；W在2.5～2.65时，平稳性等级为2，结果为良好；W为2.6～3.0时，平稳性等级为3，评定结果为合格；W为3.0～4.0时，平稳性等级为4，评定结果为不舒适；当W值超过4.0时，平稳性等级最差，为5级，代表评定结果为无法忍受。平稳性不仅关系到舒适度，更重的是会影响运输过程中的安全性。

2.2　GB5599-1985纵向加速度实验标准

铁道部运输局参照GB5599-1985的要求，进行列车纵向加速度测试的实验表明:人体有明显感觉的最小纵向加速度值为0.25g（g为重力加速度），当纵向加速度值达到0.5g以上时，人就难以站稳。而国外旅客列车纵向舒适性标准为:当纵向加速度值低于0.1g时性能良好，0.3g为允许达到的数值，高于0.5g时则对旅客有明显的损害。

2.3　TB/T2370-1993操作标准

TB/T2370-1993明确要求在旅客列车制动时，纵向加（减）速度的评定指标为：

（1）列车启动、调速及常用制动时，纵向平均加速度或减速度的绝对值不应超过0.08g。

（2）列车紧急制动时的平均减速度不应超过0.12g，但在初速40km/h以下时允许可不超过0.14g。

（3）列车紧急制动时的最大减速度不应超过0.34g。

上述标准是我国80年代以来特别是扩编旅客列车试验和仿真研究的结果，具有可靠的实用性和可靠性，也是衡量机车稳定性的重要标准，不仅具有重要的理论意义，还具有显著的现实意义。

3　平稳性测评需求分析

3.1　传感器类型选择

在测定列车平稳性时，传感器种类的选择十分重要，考虑到重载列车发生纵向冲动时，列车在三个方向都可能有剧烈的冲击，因此采用三轴加速度传感器来监测列车纵向冲动。对此，太原铁路局科研所进行了深入研究，在大秦线进行了类似的试验。该实验在承担2万t的重载列车上进行，通过高精度、广范围的动态加速度传感器，对列车运行过程的冲动数据进行收集，主要数据包括机车所对应的速度、公里标、时间等信息。通过用MatLab数学模型分析软件，对重载列车运行过程中的加速度变化进行显示，可以得到中部机车的纵向加速度最大为0.18g，横向最大加速度为0.065g，垂直方向的最大加速度为0.1g。从大秦线的研究资料来看，纵向加速度最大的情况有10～20g，因此需要加速度传感器能覆盖此量程，并留有一定的余量；综合考虑，采用30g量程的加速度传感器。

3.2　重载列车纵向冲动信号频率

不论是客运机车，还是货运机车，最重要的便是车厢，国外重要用舒适度来表示，而国内的评价标准则是平稳性指标。对于机车结构而言，乘客最关心的是车厢。由于车厢是通过多级减震处理的，在测量过程中，所选取的信号频率比较低，一般是100Hz以下。而对于重载列车来说，随处环境比较复杂，存在的纵向冲动明显要大、剧烈很多，也就是说，剧烈的纵向冲动信号频率可能会比较高。目前先考虑使用带宽为1kHz的传感器，采样频率暂定为10kHz的数采进行信号采样，可根据实际情况调整采样频率。

3.3　重载列车纵向冲动测量要求

3.3.1　采集内容

重载列车产生纵向冲动的原因很多，纵向冲动大小和许多因素有关系。比如列车载荷大小，轨道坡度（上下坡）、轨道转弯半径、天气原因、司机操控方式等；因此要客观地评测列车纵向冲动，并找出异常（大）纵向冲动的原因，需要同时记录除列车三轴加速度以外的相关值。同时采集的内容还包括：三轴加速度（横向、纵向、垂向）、时间、车次、司机（副司机）号、公里标、实时速度、列车荷载总量、机车号、列车管压、机车工况（制动、牵引、手柄级位）等多种信息。

3.3.2　软件需求

由于可选择软件种类繁多，因而在选择过程中要注重软件的可靠性和实用性，同时软件的界面要灵活，相应的刻度能够被调节，具体情况见表1。

表1

4　方案介绍

4.1　整体方案

4.1.1　传感器安装位置

在测评整体方案中，以车载数据采集、分析、存储主机为中心，主机通过模拟信号和加速度传感器连接，而列车信号又将主机同TAXII箱连接，具体示意图如图1所示。

图1　系统拓扑

在得到系统示意图后，对相关系统进行安装，主要包括传感器安装位置等信息。我们认为车钩和车体是一个刚体。考虑到监测列车冲动的效果，传感器安装在车体上是比较合适的，可如实地监测列车3个方向的振动（冲动）状况。综合考虑，暂定安装位置为机车机械间车厢顶部，综合柜附件。总体来说，传感器结构较小，不会对列车运行过程产生影响，同时准确度高，能够实时监测相关信息。

4.1.2　传感器及主机安装步骤

（1）传感器安装工艺：需要用螺丝（螺栓）固定；传感器安装的X方位和机车中轴线一致，Y方向水平；传感器和安装部件通过绝缘底座隔离；屏蔽线缆通过护管接到车厢主机。一方面是线缆物理防护，另一方面是绝缘，避免机车噪声干扰信号。

（2）主机安装：机车设备柜（综合柜）可以安装系统主机。主机主要完成传感信号的采集、存储和分析；如有车地传输功能，地面可实时监测机车纵向冲动情况。

4.2　传感器种类

实验用传感器最终选择三轴传感器，具体参数见表2。

表2　三轴传感器参数表

相应的测试环境由信号分析界面、传感器、采集器构成，同时将传感器放置于振动台上，可以对列车运行过程进行模拟，场地要求不高，一般办公室便能满足要求。就振动台而言，传感器放到振动台上进行性能测试。振动台设定5G的振动加速度，振动前后波形对比：12对应0G，上幅值4.5（折算加速度为5.6G），下振4（5G），与振动台设定冲击幅值基本一致。

5　结论

本文对朔黄铁路发展有限公司的重载列车现场运行实际需求进行了整理，通过理论分析、实际系统搭建、实验室测试，提出了一种重载列车平稳操作评测方案，并在实验室做了实际测试，达到了预期指标。本评测系统可以精确地测量重载列车纵向冲动、横向冲动以及垂直振动，为重载列车平稳操作提供原始的评判数据，为提升重载列车安全运行水平做出了有益探索。该评测系统结构简单可靠、操作灵活多变，能够对重载列车的运行情况进行详细描述，为相关工作的顺利实现提供可靠的数据来源。

参考文献

[1]孙树磊，丁军君，周张义，等．重载列车纵向冲动动力学分析及试验研究[J]．机械工程学报，2017，53（8）.

[2]陆小红，郑木火，林宏泉．重载列车智能化操控算法研究与实现[J]．铁道学报，2017，39（1）.

[3]徐倩，王悦明，倪纯双．重载列车纵向冲动分布试验研究[J]．中国铁道科学，2013，34（4）.

[4]马卫华，宋荣荣，揭长安，等．缓冲器阻抗特性对重载列车动力学性能的影响[J]．交通运输工程学报，2011，11（2）.

[5]耿志修，李学峰，张波．大秦线重载列车运行仿真计算研究[J]．中国铁道科学，2008，（2）.

收稿日期：2018-04-07

作者简介：唐永康（1965-），男，四川营山人，朔黄铁路发展有限责任公司高级工程师，研究方向：科研管理、电传动。