一種軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，具體為：將加速度傳感器粘貼在鋼軌底部，記錄列車(chē)通過(guò)時(shí)鋼軌的豎向振動(dòng)加速度，并根據(jù)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨列車(chē)行走距離的衰減率識(shí)別出扣件剛度和阻尼參數(shù)；確定車(chē)輛參數(shù)等，計(jì)算鋼軌導(dǎo)納、車(chē)輪導(dǎo)納以及輪軌接觸導(dǎo)納；利用計(jì)算出的扣件參數(shù)和各部分導(dǎo)納，根據(jù)輪軌位移協(xié)調(diào)條件計(jì)算單位粗糙度下的輪軌力及單個(gè)車(chē)輪引起的鋼軌振動(dòng)加速度，并按能量疊加原理計(jì)算單節(jié)編組列車(chē)激起的鋼軌空間平均振動(dòng)加速度；最后，根據(jù)列車(chē)通過(guò)時(shí)段鋼軌的時(shí)空平均振動(dòng)加速度與實(shí)際輪軌組合粗糙度的線(xiàn)性關(guān)系，用實(shí)測(cè)鋼軌振動(dòng)加速度頻譜除以單位粗糙度下鋼軌振動(dòng)加速度理論頻譜，即得到實(shí)際輪軌組合粗糙度譜。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于功率流模型和鋼軌加速度測(cè)試的軌道交通輪軌組合粗糙度 識(shí)別方法，適用于輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，屬于軌道交通振動(dòng)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注列車(chē)運(yùn)營(yíng)的舒 適性和安全性。輪軌組合粗糙度是激發(fā)車(chē)輛和鋼軌振動(dòng)的主要激振源，對(duì)行車(chē)安全、平穩(wěn)、 舒適性，和車(chē)輛、軌道部件的壽命以及環(huán)境噪聲等都有重要影響。輪軌組合粗糙度譜是描述 全線(xiàn)輪軌粗糙度的最有效形式，大部分發(fā)達(dá)國(guó)家都提出了各自的粗糙度譜。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者 對(duì)輪軌組合粗糙度的分布特征進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，針對(duì)某些干線(xiàn)鐵路的輪軌組合粗糙度進(jìn)行 譜分析，得出了其分布特征。
[0003] 輪軌組合粗糙度波形是由不同頻率、不同幅值、不同相位的簡(jiǎn)諧波疊加產(chǎn)生的復(fù) 雜的隨機(jī)波。大多數(shù)軌道的粗糙度都可以當(dāng)作平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程來(lái)處理。輪軌組合粗糙度測(cè)試 主要有兩種方法：一是直接測(cè)量，即直接對(duì)粗糙度位移進(jìn)行測(cè)量；二是間接測(cè)量，即對(duì)加速 度進(jìn)行測(cè)量，再換算為位移。間接測(cè)量又分為2種：一種獲取軌面上勻速移動(dòng)測(cè)試儀器的振 動(dòng)加速度；另一種是獲得移動(dòng)車(chē)輪作用下的鋼軌振動(dòng)加速度，即本發(fā)明方法。這種測(cè)試方法 精度稍低，但簡(jiǎn)單方便，可快速估算輪軌組合粗糙度水平。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種基于功率流模型和鋼軌加速度測(cè)試的軌道交通輪軌組 合粗糙度識(shí)別方法，以實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)的輪軌組合粗糙度識(shí)別。
[0005] 本發(fā)明的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，包括如下步驟： (1) 將加速度傳感器安裝于鋼軌底部，記錄列車(chē)通過(guò)時(shí)鋼軌的堅(jiān)向加速度時(shí)程曲線(xiàn)，利 用FFT變換將堅(jiān)向加速度時(shí)程曲線(xiàn)上的振動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為加速度頻譜； (2) 提取列車(chē)離開(kāi)測(cè)點(diǎn)后鋼軌的堅(jiān)向加速度時(shí)程，計(jì)算出鋼軌在不同頻率下的振動(dòng)衰 減率，建立衰減率曲線(xiàn)，根據(jù)此衰減率曲線(xiàn)，估算鋼軌上的扣件剛度和阻尼參數(shù)； (3) 根據(jù)鋼軌參數(shù)，結(jié)合步驟（2)中計(jì)算得到的扣件剛度和阻尼參數(shù)，建立鋼軌-路基 功率流模型，若有橋梁結(jié)構(gòu)，則應(yīng)建立鋼軌-橋梁功率流模型，計(jì)算鋼軌在不同頻率單位簡(jiǎn) 諧荷載作用下的振動(dòng)速度幅值，即鋼軌導(dǎo)納； (4) 根據(jù)輪軌位移協(xié)調(diào)條件，計(jì)算不同波長(zhǎng)單位粗糙度下的輪軌力，再結(jié)合步驟（3)得 到的不同頻率單位簡(jiǎn)諧力下的鋼軌振動(dòng)速度幅值，得到列車(chē)以某一速度運(yùn)行時(shí)單位粗糙度 下單輪激起的鋼軌振動(dòng)加速度譜，接著按能量疊加原理計(jì)算單節(jié)編組列車(chē)激起的鋼軌空間 平均振動(dòng)加速度譜； (5) 根據(jù)鋼軌振動(dòng)加速度與輪軌組合粗糙度的線(xiàn)性關(guān)系，將步驟（1)中得到的實(shí)測(cè)鋼軌 振動(dòng)加速度頻譜除以步驟（4)中得到的單位粗糙度下鋼軌的振動(dòng)加速度譜，即得到實(shí)際的 輪軌組合粗糙度譜。
[0006] 本發(fā)明中，所述步驟（2)中所述鋼軌的振動(dòng)衰減率是鋼軌振動(dòng)波數(shù)的函數(shù)，所述振 動(dòng)波數(shù)是扣件剛度、扣件阻尼、鋼軌密度和鋼軌抗彎剛度的函數(shù)，在確定的鋼軌條件下，可 通過(guò)鋼軌的振動(dòng)衰減率曲線(xiàn)推算得到扣件剛度和扣件阻尼。相關(guān)函數(shù)如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征在于具體步驟如下： (1) 將加速度傳感器安裝于鋼軌底部，記錄列車(chē)通過(guò)時(shí)鋼軌的堅(jiān)向加速度時(shí)程曲線(xiàn)，利 用FFT變換將堅(jiān)向加速度時(shí)程曲線(xiàn)上的振動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為加速度頻譜； (2) 提取列車(chē)離開(kāi)測(cè)點(diǎn)后鋼軌的堅(jiān)向加速度時(shí)程，計(jì)算出鋼軌在不同頻率下的振動(dòng)衰 減率，建立衰減率曲線(xiàn)，根據(jù)此衰減率曲線(xiàn)，估算鋼軌上的扣件剛度和阻尼參數(shù)； (3) 根據(jù)鋼軌參數(shù)，結(jié)合步驟（2)中計(jì)算得到的扣件剛度和阻尼參數(shù)，建立鋼軌-路基 功率流數(shù)值模型，若有橋梁結(jié)構(gòu)，則應(yīng)建立鋼軌-橋梁功率流數(shù)值模型，計(jì)算鋼軌在不同頻 率單位簡(jiǎn)諧荷載作用下的振動(dòng)速度幅值，即鋼軌導(dǎo)納； (4) 根據(jù)輪軌位移協(xié)調(diào)條件，計(jì)算不同波長(zhǎng)單位粗糙度下的輪軌力，再結(jié)合步驟（3)得 到的不同頻率單位簡(jiǎn)諧力下的鋼軌振動(dòng)速度幅值，得到列車(chē)以某一速度運(yùn)行時(shí)單位粗糙度 下單輪激起的鋼軌振動(dòng)加速度譜，接著按能量疊加原理計(jì)算單節(jié)編組列車(chē)激起的鋼軌空間 平均振動(dòng)加速度譜； (5) 根據(jù)鋼軌振動(dòng)加速度與輪軌組合粗糙度的線(xiàn)性關(guān)系，將步驟（1)中得到的實(shí)測(cè)鋼軌 振動(dòng)加速度頻譜除以步驟（4)中得到的單位粗糙度下鋼軌的振動(dòng)加速度譜，即得到實(shí)際的 輪軌組合粗糙度譜。
2. 如權(quán)利要求1所述的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征是：所述步驟（2)中 所述鋼軌的振動(dòng)衰減率是鋼軌振動(dòng)波數(shù)的函數(shù)，所述振動(dòng)波數(shù)是扣件剛度、扣件阻尼、鋼軌 密度和鋼軌抗彎剛度的函數(shù)，在確定的鋼軌條件下，可通過(guò)鋼軌的振動(dòng)衰減率曲線(xiàn)推算得 到扣件剛度和扣件阻尼。
3. 如權(quán)利要求2所述的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征是：所述步驟（2)中 所述，鋼軌的振動(dòng)衰減率計(jì)算公式為：
其中：Δ為衰減率，與頻率有關(guān)，單位為dB/m ; <為波數(shù)々的虛部,其關(guān)于扣件剛度和扣 件阻尼的公式為：
其中：K為單位長(zhǎng)度扣件剛度，C為相應(yīng)的阻尼系數(shù)，m為鋼軌線(xiàn)密度，EI為鋼軌抗彎剛 度。
4. 如權(quán)利要求2所述的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征是：所述步驟（2) 中，先根據(jù)扣件類(lèi)型選擇合理的扣件剛度和阻尼參數(shù)范圍，然后以逼近不同頻段下的鋼軌 振動(dòng)衰減率為目標(biāo)優(yōu)化扣件剛度與阻尼參數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征是：所述步驟（3) 中，功率流數(shù)值模型中，鋼軌用無(wú)限長(zhǎng)歐拉梁模擬，鋼軌與地面或鋼軌與橋梁之間的扣件 采用彈簧單元模擬，以彈簧力（包括回復(fù)力和阻尼力）為基本未知量建立鋼軌-路基或鋼 軌-橋梁系統(tǒng)力法方程，計(jì)算不同頻率單位簡(jiǎn)諧荷載作用下鋼軌的振動(dòng)速度幅值。
6. 如權(quán)利要求5所述的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征是：所述步驟（3) 中，在鋼軌上某車(chē)輪位置作用堅(jiān)向單位正弦荷載，各彈簧處的位移協(xié)調(diào)方程為：
其中：?Ι為單位正弦荷載圓頻率；為未知彈簧力列向量；為單位正弦荷載 引起的彈簧壓縮位移列向量；為結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度矩陣；為彈簧動(dòng)柔度矩陣；解此方 程得各彈簧力，進(jìn)而可求出各彈簧節(jié)點(diǎn)的位移；然后，根據(jù)位移和速度的關(guān)系，計(jì)算出鋼軌 上與彈簧相連的各節(jié)點(diǎn)得速度，即鋼軌導(dǎo)納&。
7. 如權(quán)利要求1所述的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征是：所述步驟（4)中 所述，不同波長(zhǎng)單位粗糙度下的輪軌力計(jì)算公式為：
其中：j為虛數(shù)單位；a為圓頻率；f為單位輪軌組合粗糙度
分別為車(chē)輪速 度導(dǎo)納、輪軌接觸導(dǎo)納和輪軌接觸點(diǎn)鋼軌速度導(dǎo)納。
8. 如權(quán)利要求1所述的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征是：所述步驟（4)中 所述，考慮單節(jié)車(chē)輛長(zhǎng)度￡范圍內(nèi)F個(gè)車(chē)輪的共同作用，按能量疊加原理單節(jié)編組列車(chē)激 起的鋼軌空間平均振動(dòng)加速度均方根值為：
其中：
！為單節(jié)車(chē)輛長(zhǎng)度范圍內(nèi)的鋼軌節(jié)點(diǎn)振動(dòng)加速度，可利用已算得的輪軌力 巧和鋼軌導(dǎo)納ζ求得，：
為單節(jié)車(chē)輛長(zhǎng)度范圍內(nèi)鋼軌的節(jié)點(diǎn)個(gè) 數(shù)。
9. 如權(quán)利要求1所述的軌道交通輪軌組合粗糙度識(shí)別方法，其特征是：所述步驟（5)中 所述，實(shí)際的輪軌組合粗糙度譜計(jì)算公式為：
其中：
為步驟（1)中實(shí)測(cè)的鋼軌加速度譜值；
為步驟（4)中計(jì)算的單 位粗糙度激勵(lì)下的鋼軌加速度譜值。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104063543SQ201410284439
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】李奇, 勵(lì)吾千, 吳定俊, 于貞波 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)