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摘要：综合考虑监测的经济性、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。基于蠕滑理论、车辆动力学模型和轮轨几何接触关系，利用最优控制理论，建立全信息的轮轨力载荷辨识模型并进行试验验证。该模型可实现对轨道-车辆系统全部轮轨力的辨识，利用辨识结果可对轨道-车辆安全状态进行综合评判。
关键词：轮轨力；综合评判；载荷辨识；轮轨蠕滑；最优控制
1概述
轮轨力测量最直接的方法是测力轮对。中国铁道科学研究院集团有限公司在多列综合检测列车上安装了测力轮对，可以在高速运行条件下对横向和垂向力进行实时测量。轮轨作用力同振动加速度一样，受行车速度、车辆、轨道状态等影响。测力轮对的制作需要专门的标定装置，安装维护比较复杂。我国轮轨力系统主要应用于联调联试，目前正在尝试用于日常检测。
获取轮轨力比较有效的方法是动力学仿真方法及载荷辨识方法。动力学仿真方法发展相对成熟，主要利用自编或商业动力学软件，建立动车组的动力学模型，把轨道不平顺作为仿真输入，进行仿真分析，获取轮轨动态作用力。目前该领域常用的商业动力学软件主要有VI-Rail、Simpack、Nucars以及Vampire等。
在获取线路轨道不平顺数据的情况下，可以采用该方法对轮轨力进行计算。但计算结果的准确度对轨道结构参数（如轨道刚度、阻尼等）的选取有较大依赖，而轨道结构参数很大程度上靠经验选取，因此该方法存在一定局限性。
利用载荷辨识方法获取轮轨作用力，既可克服测力轮对价格较高、维修不便的缺点，又可克服动力学仿真需要轨道几何不平顺作为输入，避免对轨道结构参数的选取存在依赖性，是获取轮轨作用力的有效途径。近年来，随着计算机技术的日益提高以及新兴学科的持续涌现，载荷辨识技术取得长足进步，辨识的精度越来越高，速度越来越快，这为动态轮轨力的辨识可行性提供了理论基础。
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。载荷辨识属于结构动力学的第二类反问题。目前较为流行的载荷辨识算法尚不能直接应用于车载轮轨力快速辨识中。因为轮轨力是非线性较强的变量，其大小随着轨道不平顺、时间、运行速度等因素发生较大的变化，同时轮轨力的接触点未知，且随着列车的运行不断变化因此，从保障国内高速铁路安全的角度出发，需要根据车辆/轨道系统的特点，发展一套成熟的轮轨力辨识模型。
2轮轨力辨识技术进展
通用载荷辨识算法不能直接应用于车载轮轨力快速辨识中。首先，轮轨作用力特别是轮轨横向作用力是一个非线性较大的变量，其值随轨道不平顺、列车运行速度等呈现非线性变化；其次，轮轨作用力的接触点未知，且随着列车的运行不断发生变化，存在不适定性；再次，由于列车运行速度较高，为实现车载轮轨力快速辨识、保障运行安全，需要一种快速的在线高精度算法。
2004年日本的Furukawa利用系统辨识理论，建立了车辆系统的状态空间方程，利用轨道不平顺对车辆的响应及轮轨力进行了辨识。2007年UhL利用贝尔曼原理对车辆运行过程中的轮轨力进行辨识，并进行了试验验证，辨识结果与测试结果的相关系数约为0.7。2007—2008年，Xia等提出了一种基于车体加速度的铁路货车反演模型，包括白箱翻译模型及灰箱翻译模型，并利用动力学仿真软件Vampire对辨识结果进行验证。郭等提出一种基于多节点L1/2-SpasePCA-ELM神经网络的轮轨力载荷辨识数据建模方法，并利用仿真及实测对辨识结果进行验证。
3关键技术
在进行轮轨力辨识过程中，需解决平面内轮轨运动方程数量与待辨识载荷不匹配的不适定问题，因此需要引入新的约束条件。考虑到轮轨滚动接触理论相对成熟，因此利用该理论增加约束，从而消减不适定性。在动力学测试中，由于测试条件及经济性的限制，无法对所有的响应数据进行监测，因此也存在不适定性。为解决该问题，引入最优控制理论，从而辨识出轮轨力的最优解。
3.1轮轨滚动接触理论
在二维平面内进行轮轨力辨识过程中，需要解决平面内轮轨运动方程数量与待辨识载荷不匹配的不适定问题，因此需要引入轮轨滚动接触理论作为新的约束条件，消减不适定性。从轮轨横向动力学控制方程出发，运用轮轨滚动接触理论，基于横向力、垂向力与法向力、蠕滑力关系，蠕滑率与蠕滑力的关系，轮轨几何接触方法，将待辨识变量“轮轨左右垂向力，左右横向力”转化为“轮轨左右垂向力，轮对横移量”的函数，从而消减不适定性。最后利用非线性迭代方法，求解出“轮轨左右垂向力，轮对横移量”，进而求解出“轮轨左右垂向力，左右横向力”蠕滑率。
3.2最优控制理论
动力学测试中，由于测试条件及经济性的限制，无法对所有的响应数据进行监测。如何基于有限的测试数据，识别出更多的轮轨力，是另外一个不适定问题。基于最优控制理论，将载荷辨识问题看作最优跟踪器的设计问题，从而得出最优控制率即待辨识载荷，是行之有效的途径。由于轨道-车辆系统的特殊性，横向力是不可观的，因此需要结合轮轨接触理论，对轮轨左右横向力进行辨识。轨道-车辆轮轨力辨识流程见图1。
图1 轨道-车辆轮轨力辨识流程
4轮轨力辨识及其应用
基于辨识模型，可对轮轨作用力进行辨识。结合脱轨系数、减载率等评判指标，可对车辆脱轨安全性进行评判。由于本模型还可辨识出轮轨作用参数，对轮对运动姿态进行评估，从而结合车轮抬升量等其他综合评判指标，对轨道-车辆系统安全状态进行综合评判。轨道-车辆系统状态综合评判流程见图2。
图2 轨道-车辆系统状态综合评判流程
5结论与展望
（1）提出整套轮轨力辨识模型，涉及到轮轨滚动接触理论，但会遇到如惯性力的影响、共形接触等问题。因此，如何结合现有的、最新的轮轨力计算模型，完善整套轮轨力辨识模型，需进一步研究。
（2）将整套辨识方法不断完善，并逐渐将其应用于轨道-车辆系统的安全评
参考文献
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论文作者:杜平海
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/16
标签：轨道论文; 车辆论文; 载荷论文; 动力学论文; 作用力论文; 平顺论文; 理论论文; 《防护工程》2018年第36期论文;