[发明专利]一种轨道交通轮轨组合粗糙度识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于功率流模型和钢轨加速度测试的轨道交通轮轨组合粗糙度识别方法，适用于轮轨组合粗糙度识别方法，属于轨道交通振动领域。

背景技术

随着我国城市轨道交通运营里程的不断增加，人们越来越多地关注列车运营的舒适性和安全性。轮轨组合粗糙度是激发车辆和钢轨振动的主要激振源，对行车安全、平稳、舒适性，和车辆、轨道部件的寿命以及环境噪声等都有重要影响。轮轨组合粗糙度谱是描述全线轮轨粗糙度的最有效形式，大部分发达国家都提出了各自的粗糙度谱。国内一些学者对轮轨组合粗糙度的分布特征进行了长期研究，针对某些干线铁路的轮轨组合粗糙度进行谱分析，得出了其分布特征。

轮轨组合粗糙度波形是由不同频率、不同幅值、不同相位的简谐波叠加产生的复杂的随机波。大多数轨道的粗糙度都可以当作平稳随机过程来处理。轮轨组合粗糙度测试主要有两种方法：一是直接测量，即直接对粗糙度位移进行测量；二是间接测量，即对加速度进行测量，再换算为位移。间接测量又分为2种：一种获取轨面上匀速移动测试仪器的振动加速度；另一种是获得移动车轮作用下的钢轨振动加速度，即本发明方法。这种测试方法精度稍低，但简单方便，可快速估算轮轨组合粗糙度水平。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于功率流模型和钢轨加速度测试的轨道交通轮轨组合粗糙度识别方法，以实现快速实时的轮轨组合粗糙度识别。

本发明的轨道交通轮轨组合粗糙度识别方法，包括如下步骤：

（1）将加速度传感器安装于钢轨底部，记录列车通过时钢轨的竖向加速度时程曲线，利用FFT变换将竖向加速度时程曲线上的振动数据转换为加速度频谱；

（2）提取列车离开测点后钢轨的竖向加速度时程，计算出钢轨在不同频率下的振动衰减率，建立衰减率曲线，根据此衰减率曲线，估算钢轨上的扣件刚度和阻尼参数；

（3）根据钢轨参数，结合步骤（2）中计算得到的扣件刚度和阻尼参数，建立钢轨-路基功率流模型，若有桥梁结构，则应建立钢轨-桥梁功率流模型，计算钢轨在不同频率单位简谐荷载作用下的振动速度幅值，即钢轨导纳；

（4）根据轮轨位移协调条件，计算不同波长单位粗糙度下的轮轨力，再结合步骤(3)得到的不同频率单位简谐力下的钢轨振动速度幅值，得到列车以某一速度运行时单位粗糙度下单轮激起的钢轨振动加速度谱，接着按能量叠加原理计算单节编组列车激起的钢轨空间平均振动加速度谱；

（5）根据钢轨振动加速度与轮轨组合粗糙度的线性关系，将步骤（1）中得到的实测钢轨振动加速度频谱除以步骤（4）中得到的单位粗糙度下钢轨的振动加速度谱，即得到实际的轮轨组合粗糙度谱。

本发明中，所述步骤（2）中所述钢轨的振动衰减率是钢轨振动波数的函数，所述振动波数是扣件刚度、扣件阻尼、钢轨密度和钢轨抗弯刚度的函数，在确定的钢轨条件下，可通过钢轨的振动衰减率曲线推算得到扣件刚度和扣件阻尼。相关函数如下：

其中：为衰减率，与频率有关，单位为dB/m；为波数k的虚部；K为单位长度扣件刚度，C为相应的阻尼系数，m为钢轨线密度，EI为钢轨抗弯刚度。

本发明中，所述步骤（2）中，先根据扣件类型选择合理的扣件刚度或阻尼参数范围，然后以逼近不同频段下的钢轨振动衰减率为目标优化扣件刚度与阻尼参数。

本发明中，所述步骤（3）中，功率流数值模型中，钢轨用无限长欧拉梁模拟，钢轨与地面或钢轨与桥梁之间的扣件采用弹簧单元模拟，以弹簧力（包括回复力和阻尼力）为基本未知量建立钢轨-路基或钢轨-桥梁系统力法方程。在钢轨上某车轮位置作用竖向单位正弦荷载，各弹簧处的位移协调方程为：

其中：为单位正弦荷载圆频率；为未知弹簧力列向量；为单位正弦荷载引起的弹簧压缩位移列向量；为结构动柔度矩阵；为弹簧动柔度矩阵。解此方程即可得各弹簧力，进而求出各弹簧节点的位移。然后，根据位移和速度的关系，计算出钢轨上与弹簧相连的各节点速度，即钢轨导纳。

本发明中，所述步骤（4）中，不同波长单位粗糙度下的轮轨力计算公式为：

其中：j为虚数单位；为圆频率；为单位轮轨组合粗糙度；、、分别为车轮速度导纳、轮轨接触导纳和轮轨接触点钢轨速度导纳。然后，考虑单节车辆长度范围内有个车轮共同作用，则按能量叠加原理单节编组列车激起的钢轨空间平均振动加速度均方根值为：