[发明专利]基于轮轨激励的铁路无砟轨道钢轨模态频率的识别方法

说明书

本发明提供了一种基于轮轨激励的铁路无砟轨道钢轨模态频率的识别方法。该方法包括：获取铁路无砟轨道钢轨的振动加速度数据，提取所述振动加速度数据的功率谱密度；利用matlab融合经验模态分解、小波变换、变分模态分解和同步挤压小波变换对所述振动加速度数据进行处理，得到钢轨加速度数据中的各阶瞬时频率；结合振动加速度数据的功率谱密度的峰值、谷值以及各阶瞬时频率的分布情况，选择模态频率稳定轴作为铁路无砟轨道钢轨的各阶模态频率。本发明的方法能够较为准确地对高速铁路无砟轨道钢轨的模态频率进行识别，可以利用现有的高铁无砟轨道监测系统中钢轨加速度传感数据，对钢轨模态频率进行较高精度的识别。

技术领域

本发明涉及铁路轨道振动分析技术领域，尤其涉及一种基于轮轨激励的铁路无砟轨道 钢轨模态频率的识别方法。

背景技术

高速铁路以高速度、大容量、低污染、安全可靠、舒适方便等著称，是现代化铁路运输的必然选择和核心技术。目前，我国高速铁路总里程已超过3.5万公里，占世界高速铁路总里程的70％以上，拥有了全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，我国的高铁速 度代表了世界高铁的速度。

高速列车运行时的安全问题，是铁路交通运输的根本问题。随着高速铁路全面铺设和 大规模运营，影响乘坐舒适和运营安全的问题越来越多。这些问题严重降低了高铁列车的 舒适性，长期发展下去甚至会导致车辆脱轨等严重后果，对高速铁路安全运营极为不利。

根据调研，这些安全性问题主要是来自于高铁轮轨病害。反映在车辆上，有车轮扁疤、踏面异常凹陷以及车轮啸叫等；反映在轨道上，主要有钢轨光带异常、钢轨表面鱼鳞 纹和凹陷等。针对这些问题，国内外研究人员通过病害机理研究，提出了针对性的整治维 修方法，如廓形优化、打磨镟修、增强车轮硬度和优化车辆悬挂参数等，取得了良好的成 效。

然而，随着运营里程增加、运营条件复杂化，高速铁路又出现了大量新的轮轨相关病 害。如车轮多边形不圆顺、钢轨异常波磨和扣件弹条折断等。由于对这些异常病害产生和 发展机理认识不清，其整治维修措施主要为被动的打磨、镟修和更换。措施在实施后的短 期内效果较好，但随着运营里程的增加，病害又会反复出现甚至加剧。这种现象严重影响 了列车的安全运行，极大增加了铁路工作人员的养护维修工作量和成本，缩短了车辆、轨 道部件的使用寿命。

通过大量的现场调研，科研人员发现这些病害的发生与线路状况息息相关。如以CRTS I型纵连双块式无砟轨道为主的武广线，多边形不圆顺病害的发生比例明显较采用其他轨道 类型的线路高；武广线CRH3C型车的车轮平均镟修周期较京津线(CRTS II型板式无砟轨 道)上相同车辆的短约3-5万公里；此外，武广线大瑶山附近也出现了扣件弹条连续折断， 而此类问题在采用相同车辆、不同轨道的京津线则没有出现。在贵广线(CRTS I型双块式 无砟轨道)运营的CRH2A动车组中，动车运营里程5万公里左右车轮不圆顺的比例就达到了 13％，其产生速度明显快于南广线的相同车辆。这表明无砟轨道类型的差异会导致轮轨关系 呈现出完全不同的表现。

虽然我国高速铁路主要采用无砟轨道，但是由于类型多样，轨道尺寸、质量、参数等 存在明显不同，力学行为也有较大差异。在车辆的高频率、高强度的冲击下，其在整个频域范围内的振动和能量分布明显不同，状态恶化及发展也因此不同。模态是结构体系的固有振动特性，为了研究无砟轨道对轮轨关系的影响规律，首先需要掌握真实的无砟轨道参数，进行模态参数的辨识。无砟轨道模态频率和模态振型体现了结构体系各主振频率下的振动响应，特定频率的无砟轨道振动会对轮轨关系造成不利影响。

高速铁路在运营过程中出现了阶数各异的车轮多边形和波长不等的钢轨波磨。当车轮 在钢轨上高速运动时，多种病害之间相互干扰相互叠加，使得轮轨之间产生了高频振动。 这些轮轨高频振动会激发无砟轨道局部或整体的某些“敏感模态”，导致模态振型大幅度 增大，产生额外的轮轨高频不平顺，进而造成高频轮轨动力作用倍增，引起扣件弹条折断 等结构部件的破坏、车轮多边形和钢轨波磨的加剧。因此，识别无砟轨道的模态参数，对于解决轮轨病害极为重要。