Page 17 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 11 期 熊 芯，等：车载数据驱动下重载列车纵向力实时预测方法 2475

操纵不慎轻则导致中途停车，严重影响运输效率；重 下坡区段进行算例分析，并基于列车纵向动力学计
则直接导致列车断钩、脱轨事故的发生，威胁运输 算特点全面评价列车运行速度、纵向力和缓冲器位
安全。针对这一问题，最为有效的方法是在列车运 移等列车纵向动力学指标，以期为车载场景下的列
行时明确重载列车的全列纵向冲动变化，这有助于 车纵向动力学计算，重载列车在线安全监测和辅助
司机了解列车全列受力情况，及时改善列车操纵，提 驾驶技术迭代等提供一种有效的计算解决方案。

高运行品质。
由于传统列车纵向动力学仿真方法是列车运行 1 基 于 车 载 数 据 的 列 车 纵 向 力 实 时 预 测
事后分析，并不能直接帮助司机及时改善关键地段
精 确 方 法
或地点的操纵，目前国内也并无适用于车载计算工
况的列车纵向动力学计算的成熟产品，因此本文建
在传统列车纵向动力学仿真理论的基础上，实
立基于车载数据的列车纵向冲动在线预测精确和简
现精确的重载列车纵向冲动预测并兼顾列车纵向动
化计算两类方法。车载精确计算方法兼顾计算精度
力学仿真精度与速度的关键有如下方面 [15] ：
与实时性，利用实时车载数据实现对关键模型参数
（1）实现对重载列车编组各主要子系统工作特
的自适应调整，有效实时预测计算重载列车全列纵
性（如机车牵引电制特性、空气制动系统工作特性和
向冲动变化状态，帮助司机改进关键操纵；车载简化
钩缓装置工作特性等）的准确模拟而不显著增加算
方法则可与精确方法在不同运行工况和计算条件下
力需求 [16] ；
相互补充，提高对车载计算场景的适应性。
（2）正确处理列车各子系统的耦合控制关系（如
在列车纵向动力学仿真理论研究方面，COLE 等 [2] 组合列车动力分布无线控制系统的指令延时传递过
通过对常见的钩缓系统类型的仿真对比，对其纵向
程、无线控制系统与空气制动系统的耦合控制过
动力学性能和疲劳磨损等表现进行了深入分析和说
程等） [17] ；
明。WU 等 [3] 将润滑摩擦模型引入摩擦缓冲器模型 （3）高精度多体动力学数值积分方法和编程求
化方法中，此后对胶泥缓冲器的动力学特性进行了
解优化方法；
细致研究。常崇义等 [4] 通过建立重载列车纵向动力
（4）合理有效的动力学计算结果评估。
学仿真模型，对 2 万吨组合列车纵向力在不同延迟 基于以上要求，从列车纵向动力学计算原理出
时 间 和 制 动 初 速 下 的 变 化 规 律 进 行 了 研 究， 对 发，结合车载数据建立一种重载列车纵向力实时预
4 万~12 万吨 [5] 重载列车在编组长度、机车无线同步
测精确方法。

控制延迟时间和长大下坡道的坡度差等因素影响下
的纵向力规律进行了分析。魏伟等 [6] 通过建立列车 1.1 基于车载数据实时更新机车牵引力/电制力
空气制动系统与列车纵向动力学联合仿真模型，对
基于实时车载数据动态更新机车牵引力或电制
3 万吨组合列车纵向力在不同从控机车滞后时间下 力，可在列车纵向动力学计算中获得最准确的机车
的规律以及循环制动过程进行了研究；又利用联合 信息输入，避免传统列车纵向动力学仿真中由于对
仿真模型，研究了列尾装置对 2 万吨组合列车的影 机车牵引电机工作特性不确定或受外部因素（指令
响 [7-8] 。在试验研究方面，中国铁道科学研究院在大 时间、温升、网压波动等）随机影响而造成的误差积
秦 [9-10] 、瓦日 [11] 、唐呼 [12] 、朔黄 [13] 和晋中南通道 [14] 等 累。图 1 为在中国某段平均坡度为−10‰的长大下
多条重载铁路开展了系列重载列车综合试验，采用 坡循环制动时的机车牵引力/电制力变化曲线，可见
无线网络传输的分布测量方式检测了关键断面的车 在级位转换时实际电制力有较大的波动或冲击，可
钩力、车体加速度等动态响应，研究了不同编组方 达到 50~100 kN，影响编组中机车及其相邻货车的纵
式、牵引制动工况、速度和线路条件下的列车纵向 向冲动计算精度。

动力学性能，为深入研究纵向动力学作用机理提供
1.2 车钩缓冲装置模型
了宝贵的试验数据。
本文通过分析列车纵向动力学计算的关键子系 在列车纵向力实时预测精确方法中，通过货车
统模型化方法与模型输入数据来源，比选经验模型 单车冲击试验确定车钩缓冲装置滞回特性曲线，如
与流体空气制动系统模型的计算效率和计算精度， 图 2 和 3 所示，其中胶泥缓冲器比钢摩擦缓冲器在
使用遗传算法自适应调整基本阻力系数，建立基于 加载过程中更易出现局部的震荡，主要是由胶泥高
车载数据的列车纵向动力学计算精确方法；此外为 分子特性和胶泥缓冲器结构导致 [18] 。在试验数据的
进一步提高计算效率，建立使用 Duhamel 积分求解 基础上，针对不同类型的缓冲器，进一步考虑黏滞区
振动响应的列车纵向力简化计算方法。在典型长大 域摩擦力尖峰、静压弹性性能和速度阻尼效应等特