一种制动大蠕滑工况下轮轨黏着控制方法及装置

本发明涉及轨道车辆轮轨黏着领域，尤其涉及一种制动大蠕滑工况下轮轨黏着控制方法及装置。

背景技术：

1、当前轨道车辆大多采用黏着制动方式，制动性能受限于轮轨间黏着力，轮轨黏着问题是保障列车运行安全和牵引制动性能的基础性和关键性问题。当列车运行在存在水、油等第三介质污染的轨面时，轮轨间所能提供的黏着力有限，极易发生滑行，严重时甚至会抱死，造成车轮踏面和轨面出现擦伤和剥离等损伤，降低了车轮和钢轨的使用寿命，极大地增加了维护成本。此外，黏着力不足会导致列车制动距离延长，无法在规定距离内停车，甚至会发生列车停车冒进、脱轨等重大事故，严重影响列车运行安全性、经济性、舒适性和准点率。

2、铁路是一个开放性的系统，不可避免地会受到风霜雨雪等恶劣环境影响，水介质作为轮轨间最常见的第三介质，列车经过时会形成一层水膜，导致轮轨黏着的降低，影响列车运行性能。目前关于水介质条件下轮轨黏着系数值主要通过试验测试和数值仿真这两种手段得到。通过对水介质条件下不同工况实际列车或模拟试验机进行试验，并采用扭矩仪等测量设备记录试验数据，可间接推算不同时刻的轮轨黏着系数值，但黏着系数的准确性很大程度依赖于测量设备的精度，且试验中很难做到对水介质量的精确控制，因此试验测试得到的黏着系数准确度较低。对于轮轨黏着数值仿真，当前主要通过研究轮轨接触摩擦学过程，综合考虑粗糙度、水介质和边界润滑等表面条件，建立数值仿真模型并计算得到轮轨黏着系数值，但复杂的模型需要进行大量计算，且现有数值仿真模型并未考虑温度和轮轨材料特性、流体介质性能之间的相互耦合关系以及制动过程中温度和材料特性的动态变化过程。

3、现有评估轮轨黏着系数的方法，例如：申请号为cn202011319133.7的的中国专利，公开了一种评估轮轨黏着系数的方法，其首先根据机车和轨道的实际结构建立机车三维模型和轨道三维模型，然后建立能实现机车三维模型和轨道三维模型动态耦合的轮轨空间相互作用模型，基于建立的轮轨空间相互作用模型计算得到轮轨法向力fn、轮轨横向蠕滑力tx和轮轨纵向蠕滑力ty，然后计算得出轮轨黏着系数，最后根据轮轨黏着系数评估机车运行情况。因此本发明能够准确计算机车在既定设计方案线路上的轮轨力的动态变化情况，及时检测出空转或滑行前的异常状态，可以提前采取措施，防止事故发生。该轮轨黏着系数的评估方法通过建立机车三维模型和轨道三维模型动态耦合的相互作用模型，仿真计算轮轨黏着系数的方法，但该技术中的实施方案并未考虑轮轨界面温度和材料特性的相互耦合关系对轮轨黏着系数的影响，且需提前建立仿真模型，工作量较大且较为繁琐。

4、为此，本发明提供了一种制动大蠕滑工况下轮轨黏着控制方法及装置。

技术实现思路

1、针对现有水介质条件下的轮轨黏着计算方法计算过程复杂，且由于未考虑轮轨界面温度与材料特性间的相互耦合关系导致的计算精度较低，无法较为真实地反映列车制动时轮轨相对滑动导致的界面温度和材料特性的动态变化过程等技术问题，提供一种制动大蠕滑工况下轮轨黏着控制方法及装置，以实现黏着制动下对列车的防滑控制，避免防滑误动作而造成制动力损失。

2、根据本发明的一方面，提供一种制动大蠕滑工况下轮轨黏着控制方法，包括：

3、获取车辆参数、材料特性参数、初始轮轨温度参数和初始水膜厚度参数，其中，所述材料特性参数包括轮轨固体材料特性参数和轮轨间流体介质材料特性参数；

4、基于轮轨接触区微观固液承载机制，考虑温度和材料特性参数的相互耦合关系，采用zmc模型，迭代计算轮轨固体材料承担压力，采用简化的n-s方程，迭代计算轮轨间流体介质材料承担压力；

5、计算轮轨固体材料承担压力和轮轨间流体介质材料承担压力的压力之和，并将压力之和与列车轴重进行比较，判定基于固液协同承载机制下的轮轨接触界面摩擦系数是否需要重新进行迭代计算，得到比较结果；其中，若比较结果为压力之和等于列车轴重时，确定基于固液协同承载机制下的轮轨接触界面摩擦系数不需要重新进行迭代计算，相应状态下的轮轨固体材料承担压力和轮轨间流体介质材料承担压力分别为列车制动过程中的固体承载量和液体承载量，并计算相应状态下的轮轨接触界面摩擦系数；若比较结果为压力之和不等于列车轴重时，调整刚体位移量以改变水膜厚度，确定基于固液协同承载机制下的轮轨接触界面摩擦系数需要重新进行迭代计算，直至压力之和等于列车轴重为止，并计算相应状态下的轮轨接触界面摩擦系数；

6、将轮轨接触界面摩擦系数输入至fastsim轮轨切向力计算模型中，得到水介质条件下的轮轨黏着系数；

7、根据得到的水介质条件下的轮轨黏着系数，计算不同工况下的列车制动减速度，以进行防滑控制。

8、可选地，所述基于轮轨接触区微观固液承载机制，考虑温度和材料特性参数的相互耦合关系，采用zmc模型，迭代计算轮轨固体材料承担压力，采用简化的n-s方程，迭代计算轮轨间流体介质材料承担压力，具体包括：基于轮轨接触区微观固液承载机制，考虑轮轨固体材料特性参数与轮轨表面温度之间的相互耦合关系，采用zmc模型，迭代计算轮轨固体材料承担压力，考虑轮轨间流体介质材料特性参数及水膜厚度与流体温度之间的相互耦合关系，采用简化的n-s方程，迭代计算轮轨间流体介质材料承担压力。

9、可选地，所述轮轨固体材料承担压力为轮轨表面微凸体接触压力，根据轮轨表面微凸体整个接触变形过程包括弹性接触、弹塑性接触和塑性接触的总和，计算固体材料承担压力，固体材料承担压力的计算公式如下：

10、式中：为平均弹性接触压力，为平均弹塑性接触压力，为塑性接触压力，为轮轨固体材料弹性模量，为微凸体面分布密度，为名义接触面积，为微凸体顶圆半径，为刚性平面与微凸体基础面的距离，为高斯分布函数，，为轮轨固体材料硬度，为微凸体产生完全塑性变形的临界变形量，为微凸体开始进入塑性接触的临界变形量，为zmc模型塑性变形系数。

11、可选地，所述轮轨间流体介质材料承担压力的计算公式如下：

12、式中：和分别为轮轨间流体介质材料在和方向上的质量流量，为轮轨间流体介质材料密度，为轮轨间流体介质材料纵向可流动面积，为轮轨间流体介质材料横向可流动面积，和分别为和方向上轮轨间流体介质材料流动阻力系数，为水膜厚度，为轮轨间流体介质材料承担压力，为轮轨间流体介质材料黏度，为车轮滚动速度；

13、将轮轨间流体介质材料在和方向上的质量流量计算公式代入流体连续性方程，计算轮轨间流体介质材料承担压力，流体连续性方程的计算公式如下：。

14、可选地，所述轮轨接触界面摩擦系数的计算公式如下：

15、式中：为轮轨固体材料承担压力，为轮轨间流体介质材料承担压力，为轮轨固体材料摩擦系数，为轮轨间流体介质材料摩擦系数。

16、可选地，所述将轮轨接触界面摩擦系数输入至fastsim轮轨切向力计算模型中，得到水介质条件下的轮轨黏着系数，具体包括：将轮轨接触界面摩擦系数输入至fastsim轮轨切向力计算模型中，并将轮轨接触斑离散为若干单元，基于接触椭圆半轴比和等效泊松比表，得到每个单元的切向刚度，并计算接触区上的弹性变形场，基于每个单元的切向刚度，得到接触区上的切向应力场，通过对切向应力场的切向应力进行积分，计算轮轨黏着力，基于轮轨黏着力与列车轴重的比值，得到水介质条件下的轮轨黏着系数。

17、根据本发明的另一方面，提供一种制动大蠕滑工况下轮轨黏着控制装置，包括：

18、参数获取模块，用于获取车辆参数、材料特性参数、初始轮轨温度参数和初始水膜厚度参数，其中，所述材料特性参数包括轮轨固体材料特性参数和轮轨间流体介质材料特性参数；

19、轮轨固体材料承担压力计算模块，用于基于轮轨接触区微观固液承载机制，考虑温度和材料特性参数的相互耦合关系，采用zmc模型，迭代计算轮轨固体材料承担压力；

20、轮轨间流体介质材料承担压力计算模块，用于基于轮轨接触区微观固液承载机制，考虑温度和材料特性参数的相互耦合关系，采用简化的n-s方程，迭代计算轮轨间流体介质材料承担压力；

21、比较模块，用于计算轮轨固体材料承担压力和轮轨间流体介质材料承担压力的压力之和，并将压力之和与列车轴重进行比较，得到比较结果；

22、判定模块，用于基于比较结果，判定基于固液协同承载机制下的轮轨接触界面摩擦系数是否需要重新进行迭代计算；

23、轮轨接触界面摩擦系数计算模块，用于基于判定结果，计算相应状态下的轮轨接触界面摩擦系数；

24、轮轨黏着系数计算模块，用于将轮轨接触界面摩擦系数输入至fastsim轮轨切向力计算模型中，得到水介质条件下的轮轨黏着系数；

25、列车制动减速度计算模块，用于根据得到的水介质条件下的轮轨黏着系数，计算不同工况下的列车制动减速度，以进行防滑控制。

26、可选地，若所述比较结果为压力之和等于列车轴重时，确定基于固液协同承载机制下的轮轨接触界面摩擦系数不需要重新进行迭代计算，相应状态下的轮轨固体材料承担压力和轮轨间流体介质材料承担压力分别为列车制动过程中的固体承载量和液体承载量，并计算相应状态下的轮轨接触界面摩擦系数；若所述比较结果为压力之和不等于列车轴重时，调整刚体位移量以改变水膜厚度，确定基于固液协同承载机制下的轮轨接触界面摩擦系数需要重新进行迭代计算，直至压力之和等于列车轴重为止，并计算相应状态下的轮轨接触界面摩擦系数。

27、根据本发明的另一方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并且可以在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

28、根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

29、本发明的优点及有益效果在于：

30、本发明提供的一种制动大蠕滑工况下轮轨黏着控制方法及装置，该方法分别采用zmc模型和简化的n-s方程计算轮轨固体材料承担压力和轮轨间流体介质材料承担压力，通过对轮轨固体材料特性参数与轮轨表面温度以及轮轨间流体介质材料特性参数及水膜厚度与流体温度之间的相互耦合关系进行分析，建立温度和材料特性参数耦合迭代计算内循环，根据轮轨固体材料承担压力和轮轨间流体介质材料总和是否等于列车轴重这一判断条件，建立基于固液协同承载机制下的轮轨接触界面摩擦系数迭代计算外循环，计算出轮轨接触界面摩擦系数，基于fastsim轮轨切向力计算模型得到水介质条件下的轮轨黏着系数，能够实现轮轨黏着系数的快速与精确计算，最后根据得到的水介质条件下的轮轨黏着系数，计算不同工况下的列车制动减速度，达到防滑保护的目的，实现列车的黏着制动的运用，保障车辆运营安全，并且通过双层迭代计算反映制动过程中温度和材料特性参数的动态变化过程，且求解速度较快，计算得到的数据可为列车在不同工况下的轮轨黏着特性及利用情况提供理论依据和数据支撑，对水介质条件下的轮轨增黏和黏着控制技术的优化具有重要意义，进而为列车运行安全提供技术保障。