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Development and engineering application of integrated safety monitoring systems for China’s high-speed trains

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Transportation Safety and Environment 2024年第2期6卷 36-44页

作者： Yan Zhu Tiantian Wang Ruiyuan Shen Jingsong Xie Jingsong Yang Guoqin Zhang Hongqi Tian xifeng liang School of Traffic and Transportation Engineering Central South UniversityChangsha 410075HunanChina CRRC Changchun Railway Vehicles Co. LtdChangchun 130062JilinChina China State Railway Group Co. Ltd.Beijing 100084China

With the improvement of the running speed of China’s high-speed trains,the demands for running status monitoring and security assurance of High-speed Electric Multiple Units(EMU)have increased significantly.However,the current safety monitoring systems are independent,which is not conducive to the comprehensive monitoring and information sharing of the whole vehicle.The temperature monitoring of running gear is insensitive to early failures.How to develop a train operation safety monitoring system with strong engineering implementation and high integration is a key problem to be solved.For the monitoring of running stationarity,frame stability and running gear health of China’s high-speed trains,an integrated safety monitoring system framework is designed,and the logic and algorithm for the diagnosis of stationarity,stability and health states of rotating parts are constructed.Monitoring software which fused the temperature,high and low frequency vibration data is developed,and the design and installation of the vibration temperature composite sensors are completed.The research results have realized the integration and comprehensive processing of multiple monitoring systems,completed the improvement from single component and vehicle-level safety monitoring to multi-system,train-level and interactive monitoring.In the process of real vehicle application,the developed monitoring system acquires the vehicle operation status data accurately and in real time.The constructed diagnosis algorithm and logic evaluates the vehicle operation status accurately and in a timely manner,and avoids the progression from fault to accident.The research results show that the integrated safety monitoring system can provide technical support for train operation safety.

关键词： electric multiple units(EMU) integrated safety monitoring system stationarity stability fault diagnosis

时速120 km地铁快线空气动力学试验研究

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铁道科学与工程学报 2024年第3期21卷 1156-1167页

作者：陈勇李杨左建勇梁习锋同济大学上海201804 中车株洲电力机车有限公司湖南株洲412001 中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075

为探明设计时速120 km快速地铁列车在多区段桥隧衔接线路运行时的气动效应和气密性能,采用实车试验的方法,在武汉某多区段桥隧衔接地铁快线对某4车编组的新研A型密封性地铁列车开展空气动力学测试。实验测试系统采用LL-250-15A型Kulite... 详细信息

为探明设计时速120 km快速地铁列车在多区段桥隧衔接线路运行时的气动效应和气密性能,采用实车试验的方法,在武汉某多区段桥隧衔接地铁快线对某4车编组的新研A型密封性地铁列车开展空气动力学测试。实验测试系统采用LL-250-15A型Kulite压力传感器,通过测量列车外部和内部的瞬态压力变化,分析全线路车外压力波动特性,对比沿列车长度方向不同测点位置的压力变化幅值,并分析不同空调状态下的车内压力舒适性。经过3次实验测试分析,该实验的结果具有可重复性。研究结果表明:全线路运行时,列车在隧道段内加减速导致车外压力变化幅值明显大于高架段,气动效应最恶劣的位置为地下段人防门变截面处,列车上行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为1 071 Pa,下行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为905 Pa;相对于下行线全线路,上行线车外任意3 s内压力变化幅值大18.3%;列车正线运营时压力波保护阀会在压力变化剧烈区段进行动作响应,列车上行时,空调开启、压力波保护阀正常启用状态下,车内任意3 s内压力变化幅值相对于压力波保护阀打开未启用时减少了16%,下行时,减少了28%,空调压力波保护阀能够有效降低车外压力波动对车内气压变化的影响。本文研究成果可为快速地铁线路设计、地铁列车运营及地铁气密性优化提供参考依据。

关键词：地铁快线桥隧衔接实车试验压力波气密性

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滩涂土壤离散元接触模型优化与现场铲削试验

农业工程学报 2024年第8期40卷 107-115页

作者：梁喜凤胡泽郑立文王永维中国计量大学机电工程学院杭州310000 朝阳师范高等专科学校朝阳122000 浙江大学生物系统工程与食品科学学院杭州310000

为解决现有离散元接触模型对滩涂土壤特性表征准确性差的问题,该研究基于离散元仿真软件EDEM的API二次开发功能,以Hertz-Mindlin接触模型为基础,通过增加塑性、粘附特征并更改切向滑动摩擦力,得到优化后的高湿黏弹塑性(moist elasto-pla... 详细信息

为解决现有离散元接触模型对滩涂土壤特性表征准确性差的问题,该研究基于离散元仿真软件EDEM的API二次开发功能,以Hertz-Mindlin接触模型为基础,通过增加塑性、粘附特征并更改切向滑动摩擦力,得到优化后的高湿黏弹塑性(moist elasto-plastic adhesion,MEPA)模型。通过模拟活塞拔出试验,结合Plackett-Burman试验筛选出影响标定指标的显著参数,完成接触模型参数标定。搭建了铲削试验平台进行现场铲削试验,对比分析了MEPA模型、JKR模型、EEPA模型以及Bonding模型的土壤特性表征效果。试验结果表明,在铲削阻力方面,MEPA模型较JKR模型、EEPA模型和Bonding模型的仿真精度分别提升约65.957%、74.206%和59.326%;相较于现场试验结果,MEPA模型的堆积厚度与侧边距相对误差分别为5.598%和6.362%,两者均保持在10%以内,能够较好地模拟滩涂土壤,对滩涂工作装置的工况模拟和优化设计具有重要意义。

关键词：土壤模型试验离散元法 EDEM二次开发铲削阻力

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外置转向架包覆对高速列车气动阻力影响

铁道科学与工程学报 2024年第1期21卷 26-37页

作者：邓海丁艳思向南燊项涛张洁梁习锋中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075 中车长春轨道客车股份有限公司总体研发部吉林长春130062

转向架作为高速列车大面积裸露在外且外形复杂的运行部件受到列车底部气流的直接作用,区域气动外形结构对高速列车整车气动阻力具有重要影响。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了轴箱外置式转向架不同包覆方式... 详细信息

转向架作为高速列车大面积裸露在外且外形复杂的运行部件受到列车底部气流的直接作用,区域气动外形结构对高速列车整车气动阻力具有重要影响。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了轴箱外置式转向架不同包覆方式对高速列车气动性能的影响。研究了转向架区域安装小裙板、半包裙板、全包裙板、全包裙板+小底板以及全包裙板+大底板等5种方案下的高速列车气动性能,比较了不同方案下高速列车气动阻力的变化规律,阐明了高速转向架包覆方式对整车气动阻力、车底流动特性以及列车表面压力分布的影响。研究结果表明:随着转向架裙板包覆面积的增加,转向架腔后端板受到的气流冲击逐渐减弱,后端板上的正压分布降低,列车转向架区域周围的边界层厚度逐渐减小,转向架区域内的压力分布差异性逐渐减小,从而实现了列车整车气动阻力系数的降低。与小裙板模型相比,半包裙板、全包裙板、全包裙板+小底板以及全包裙板+大底板模型的列车气动阻力系数分别降低了5.2%、8.65%、10.3%、11.1%。对于轴箱外置式转向架来说,全包裙板+大底板方案可有效改善转向架区域流场,降低整车气动阻力。研究得到的转向架包覆方式将为新一代高速列车气动减阻设计提供有利支撑,实现列车气动节能。

关键词：轴箱外置式转向架高速列车包覆方式气动减阻流场结构

不同含水率与静置时间下滩涂土壤流变特性试验

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农业工程学报 2024年第1期40卷 182-190页

作者：梁喜凤史延楠秦叶波姚莹张慧王永维中国计量大学机电工程学院杭州310018 浙江省农业技术推广中心杭州310000 浙江大学生物系统工程与食品科学学院杭州310058

为了研究贝类养殖的滩涂土壤的流变属性和结构稳定性,采用旋转流变仪对不同含水率和不同静置时间的滩涂土壤进行了流变试验,通过单因素试验研究了各因素对滩涂土壤流变特性的影响,并分析了土壤剪切过程中的变化机理。同时,通过Response ... 详细信息

为了研究贝类养殖的滩涂土壤的流变属性和结构稳定性,采用旋转流变仪对不同含水率和不同静置时间的滩涂土壤进行了流变试验,通过单因素试验研究了各因素对滩涂土壤流变特性的影响,并分析了土壤剪切过程中的变化机理。同时,通过Response Surface Methodology中的Central Composite Design试验建立了屈服应力与含水率和静置时间之间的数值模型,并比较了含水率和静置时间对屈服应力产生的影响。结果表明:1)剪切过程中滩涂试样经过了弹塑性阶段、固液转化阶段和流体阶段,滩涂土壤表现出了静置时间越长,固液转化阶段就越长的性质,且剪切过程中表现出剪切稀化的性质。2)静置时间的增加会导致整体剪切应力和屈服应力同时增加,含水率的增加会导致整体剪切应力和屈服应力的降低,且滩涂土壤存在一个含水率分界点,此含水率分界点在64.5%~67.0%之间,当超过这个含水率分界点的试样的静置时间超过31 h时,试样的屈服应力基本不会再发生较大的波动,大小在2240~4380 Pa之间,此外,静置时间在0~53 h之间且含水率在62.0%~69.5%之间的试样的屈服应力在1870~5410 Pa之间。3)含水率对屈服应力的影响比静置时间的影响更加显著,模型的R^(2)为0.9534,并且在验证试验中,屈服应力的测量值与预测值之间的误差在15.0%以内,都说明了数值模型的可靠性。研究定性和定量地表征了滩涂土壤的流变特性,为滩涂贝类采收机械的研发和优化提供参考。

关键词：含水率响应面试验静置时间滩涂土壤流变特性屈服应力

基于多孔介质的高速铁路透风式挡风墙关键参数研究

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铁道科学与工程学报 2024年第3期21卷 882-890页

作者：钟睦王田天梁习锋鲁寨军闫宏凯乐天晗刘东润中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075 中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司新疆乌鲁木齐830011 广州地铁设计研究院股份有限公司广东广州510010

合理的匹配参数是风区铁路沿线防风设施研究的关键问题。针对风区铁路沿线部分区段混凝土实心挡风墙出现的环境风越过挡风墙顶导致严重的弓网离线、无法正常升弓,危及铁路行车安全问题,提出改“堵”为“疏”,通过一定的透风率来调控挡... 详细信息

合理的匹配参数是风区铁路沿线防风设施研究的关键问题。针对风区铁路沿线部分区段混凝土实心挡风墙出现的环境风越过挡风墙顶导致严重的弓网离线、无法正常升弓,危及铁路行车安全问题,提出改“堵”为“疏”,通过一定的透风率来调控挡风墙后的线路风场,从而为缓解上述现象提供一种新思路,其关键问题在于透风式挡风墙关键参数与防风效果的合理匹配。为此,基于多孔介质的自身特性,提出一种基于多孔介质的挡风墙风场新研究方法,将挡风墙透风率与防风效果的合理匹配问题转化为多孔介质的阻力系数与列车气动载荷的关系研究。首先,通过比较数值模拟结果与兰新高铁挡风墙风场现场试验结果,修正并验证数值模拟方法的准确性。然后,通过数值模拟研究进一步探究多孔介质阻力参数与挡风墙透风率之间的关系,获得风区铁路沿线透风式挡风墙关键参数最优区间。研究结果表明:可以采用多孔介质代替挡风墙几何进行挡风墙风场研究,能够显著提升研究效率;多孔介质的黏性阻力系数在挡风墙风场研究中可以忽略,多孔介质的惯性阻力系数与挡风墙的透风率呈幂函数关系;风区铁路沿线透风式挡风墙高度为3.5 m,透风率在24.4%~28.7%区间时,对一线、二线列车的防风效果最好。

关键词：高速铁路挡风墙多孔介质透风率气动性能

新风量对地铁客室咳嗽飞沫传播影响的数值模拟研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 1691-1701页

作者：李恒奎伍钒梁习锋董航李旋中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266109 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075

优化通风系统参数以降低乘客呼吸道传染病的感染风险是创造安全、舒适的地铁客室出行环境的重要途径。利用欧拉−拉格朗日数值模拟方法对地铁客室中呼吸道飞沫传播进行模拟,研究不同送风量下乘客咳嗽释放的飞沫扩散规律和时空分布特性。... 详细信息

优化通风系统参数以降低乘客呼吸道传染病的感染风险是创造安全、舒适的地铁客室出行环境的重要途径。利用欧拉−拉格朗日数值模拟方法对地铁客室中呼吸道飞沫传播进行模拟,研究不同送风量下乘客咳嗽释放的飞沫扩散规律和时空分布特性。研究结果表明:随着新风量增加,车厢通风系统对飞沫粒子的清除速度和效率也相应提高;当新风量为2000 m3/h时,仅有3.9%的飞沫在30 s内进入废排口;而当新风量为8000 m3/h时,在10 s内38.9%的粒子进入废排口;车厢内悬浮的粒子数量并非呈线性下降,而是随新风量的增加呈现复杂的变化;随着新风量提高,车厢内主导飞沫运动的气流逐渐由回风产生的气流转变为废排口产生的气流,同时,废排口气流在车厢内形成的涡流区域逐渐增大,导致部分未能快速进入废排口的部分飞沫在车厢内的悬浮时间延长;废排口附近乘客摄入粒子的比例随着新风量的增加表现出显著的差异;随着新风量的增加,在感染乘客同侧区域的乘客被感染风险逐渐减小,而在感染乘客面对区域的乘客被感染风险随着新风量的增加先增加后减小。研究结果可为制定预防地铁客室内呼吸道传染病毒空气传播的控制策略提供参考。

关键词：地铁列车新风量咳嗽飞沫数值模拟

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桥上脱轨列车姿态演变行为与倾覆风险研究

中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 1912-1921页

作者：钟睦周伟闫宏凯梁习锋鲁寨军刘东润中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075 中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司新疆乌鲁木齐830011

针对高速列车桥上脱轨后的车体姿态演变行为与倾覆风险问题,通过多体动力学方法,建立八编组整车−桥梁防护墙多体动力学模型并开展数值研究。首先,通过相同工况下多体动力学结果与有限元方法结果,对比验证本文模型的正确性。然后,通过数... 详细信息

针对高速列车桥上脱轨后的车体姿态演变行为与倾覆风险问题,通过多体动力学方法,建立八编组整车−桥梁防护墙多体动力学模型并开展数值研究。首先,通过相同工况下多体动力学结果与有限元方法结果,对比验证本文模型的正确性。然后,通过数值模拟分别研究直线空载高速列车、直线满载高速列车、曲线不同离心加速度下高速列车脱轨后的动力学演变行为。研究结果表明:桥上脱轨列车与防护墙发生撞击后,会出现明显的车轮跳起和车体大幅度侧滚现象,各车存在极大从右后向左前翻滚到线路外侧坠落的风险;桥梁曲线脱轨比直线脱轨更加危险,会出现明显的甩尾现象,离心加速度越大,甩尾现象越明显。

关键词：高速列车脱轨桥梁防护墙动力学行为多体动力学

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低真空管道磁浮列车交会激波流场特性分析

中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 1793-1805页

作者：黄尊地伊严严常宁梁习锋周镇斌刘夕语五邑大学轨道交通学院广东江门529020 中南大学交通运输工程学院湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075

为了解决管道列车高速运行时产生的激波等气动效应问题,通过建立三维仿真模型,针对不同阻塞比、线间距和列车外形,基于DES湍流模型,开展非稳态数值模拟研究,分析列车在低真空管道内交会时的激波流场结构、管道壁面压力、列车表面压力。... 详细信息

为了解决管道列车高速运行时产生的激波等气动效应问题,通过建立三维仿真模型,针对不同阻塞比、线间距和列车外形,基于DES湍流模型,开展非稳态数值模拟研究,分析列车在低真空管道内交会时的激波流场结构、管道壁面压力、列车表面压力。研究结果表明:随阻塞比的增大,列车前端壅塞长度增加,且正压区域压力增大,激波反射更加剧烈,尾流激波反射强度增大,激波串长度加长;阻塞比增大有助于增大激波和膨胀波的入射角,从而增大激波和膨胀波的反射次数。随线间距的增大,管道内压力波动幅度相对增大,但改变线间距对管道内激波流场结构、管道壁面压力、列车表面压力的影响不大。列车头部压力和尾部激波强度与流线型长度存在一定的关系,随着列车流线型长度的增加,列车前端壅塞长度缩短,车头前端高压区壅塞强度和车尾末端尾流区域激波反射强度均减小。

关键词：低真空管道列车交会阻塞比线间距列车外形