基于四点弦测法的轨面不平顺检测及复原方法

为了实现轨面不平顺的在线连续检测,并进一步提高弦测法的检测精度,提出了一种四点弦测法。通过理论推导其传递函数,并基于快速傅里叶（FFT）变换利用MATLAB建立了其自动复原算法。为更加合理地确定四点弦测法各参数,用20个随机产生的正弦波叠加模拟轨面不平顺并选用复原误差的最大值、平均值和标准差3个指标来进行复原精度比选。在最优参数的基础上,对上海地铁一段长30 m的实测数据进行复原,其结果与对应形式下三点弦测法的复原结果对比,结果表明四点弦测法的复原精度能控制在微米级,且相对于三点弦测法误差平均值和标准差均改善了50%以上,最大值改善了70%以上。     

三点偏弦法复原轨面不平顺波形的理论及研究

弦测法是目前常用的轨面不平顺检测方法之一,通过研究30mm+300mm弦三点偏弦法的传递函数特性,给出幅频及相频关系,并利用傅立叶级数展开、合成的数学模型,实现弦测法对轨面不平顺波形的复原.单一频率下的正弦波调试验证了传递函数及傅立叶变换思路的准确性;通过比较正矢法及上海地铁波磨小车数据,分析其复原精度及可靠性,并针对...     

基于不平顺谱的轨道不平顺状态评价与识别探讨

线路不同区段轨道质量参差不齐,但其幅频差异能很好地在各区段轨道不平顺功率谱密度（PSD）曲线上得到表征。基于此,结合沪宁客运专线轨检数据,从识别和评价两个方面对轨道平顺状态进行了研究。基于不同区段轨道谱存在幅频特性差异,提出以200m为一研究单元,通过分频段离散各单元轨道谱幅频信息,以三维图的形式进行不平顺的时频域识别分析。借鉴轨道谱分级管理的方法,同时综合波段整体不平顺和波段内各波长幅值波动程度两项指标,研究并给出了评价各里程单元平顺性的方法,将综合评价后各区段所属不平顺状态等级划分为优秀、良好、合格、失格。     

线路不平顺波长对提速列车横向舒适性影响

为提高列车在提速区段的乘坐舒适性,借助于现场试验测试数据,运用车辆-轨道耦合动力学理论,通过轨道随机不平顺功率谱变换得到不同波长的不平顺,研究了线路不平顺波长对列车运行平稳性及乘坐舒适性的影响及规律。分析结果表明:提速机车以150km.h-1速度在直线轨道上运行时,如果线路不平顺波长为1～20m,则车体振动主频主要集中在2.20～4.00Hz,避开了人体正常敏感频率,平稳性指标属优级;如果线路不平顺波长为20～30m,则车体振动主频降低至1.50Hz左右,正好处于人体敏感频率范围,乘坐舒适性大大降低,平稳性指标值增加了20%多;更长的波长(大于30m)对机车运行平稳性影响较小,指标与1～20m波长的相应值处于相同等级。可见,对于既有提速线路,必须严格控制不平顺的20～30m波长,虽然该波段的不平顺幅值很小,但对列车在提速区段车体横向振动影响甚大。     

余弦型路基沉降对纵连板式无砟轨道变形与层间接触性状的影响

基于前期开发的高速铁路基础变形诱发轨道结构变形与层间接触性状演变的通用表征模型，引入余弦型路基沉降描述函数，引入用以刻画轨道-路基间接触非线性的Heaviside函数，推导余弦型路基沉降下纵连板式无砟轨道各层结构的变形方程，利用渐进性接近法求解含接触非线性的超静定方程，进而分析余弦型路基沉降对轨道各层结构变形和层间接触性状演变的影响规律。结果表明：在余弦型路基沉降区域内，轨道随路基沉降发生“跟随性”变形，当路基沉降波长一定时，轨道下沉和上拱均随路基沉降幅值的增加而增大，当沉降幅值一定时，轨道下沉随路基沉降波长的增加而增大，但上拱却减小；轨道-路基间的脱空区域及轨道的受力曲线呈左右对称，轨道整体刚度影响脱空长度和高度；当路基沉降波长为10 m时，随路基沉降幅值的增加，脱空高度和长度增长的同时，还会整体向远离沉降区方向“偏移”；当路基沉降幅值为10 mm时，需要重点关注沉降波长小于20 m的不均匀沉降。     

高速铁路路基不均匀沉降的动力学识别

高速铁路路基不均匀沉降直接影响列车的动力特性.本文建立了车辆轨道路基空间耦合动力学模型,对沉降区车体振动、轮轨力、钢轨加速度和轨道板加速度等动力特性进行了分析.在车辆动力响应和轨道动力响应中,车体垂向振动加速度受路基不均匀沉降影响最为明显,且最有规律可循.将车体垂向振动加速度作为输入量,基于RBF神经网络对路基不均匀沉降的弦长和幅值进行识别,通过网络逼近性能和输出结果的训练不断优化神经网络模型,最后可得预测效果误差小于2％,可用于路基不均匀沉降的识别.     

板式无砟轨道轨面变形与路基沉降的映射关系

为研究路基沉降对板式轨道轨面几何变形的影响,基于无拉力Winkler地基叠合梁理论,针对纵连式、单元式两种板式轨道,提出了考虑板底脱空的路基沉降与轨面变形间静态映射关系的计算方法,并对由不同沉降型式引起的两种轨道轨面变形特征及变化规律进行了对比分析.结果表明:纵连板式轨道对基础变形的适应力较单元板式轨道欠佳,底座板与路基间易形成大范围脱空;自重效应下沉降引起的两种轨道轨面变形随基础沉降量的增大差异加剧,且对路基沉降波长极为敏感,当沉降波长达到20 m后,轨下板底脱空现象明显缓解,轨面几何不平顺基本可与路基变形保持一致;路基折角型沉降对轨面平顺性的影响相对平缓,错台型沉降不仅使轨面剧烈弯折,还会导致板底严重脱空,10 mm差异沉降即可引发轨道与路基结构间约8 mm的空吊,给列车运营质量和轨道结构疲劳特性均造成不利影响.     

高速铁路板式无碎轨道轨面垂向变形与路基不均匀沉降的映射关系

为研究路基沉降对板式轨道轨面几何变形的影响，基于无拉力Winkler地基叠合梁理论，针对纵连式、单元式两种板式轨道，提出了考虑板底脱空的路基沉降与轨面变形间静态映射关系的计算方法，对由不同沉降型式引起的两种轨道轨面变形特征及变化规律进行了对比.结果表明:纵连板式轨道对基础变形的适应力较单元板式轨道欠佳，底座板与路基间易形成大范围脱空;自重效应下沉降引起的两种轨道轨面变形随基础沉降量的增大差异加剧，且对路基沉降波长极为敏感，当沉降波长达到20m后，轨下板底脱空现象明显缓解，轨面几何不平顺基本可与路基变形保持一致;路基折角型沉降对轨面平顺性的影响相对平缓;错台型沉降不仅使轨面剧烈弯折，还会导致板底严重脱空，10mm差异沉降即可引发轨道与路基结构间约8mm的空吊，给列车运营质量和轨道结构疲劳特性均造成不利影响.     

基于经验模态分解的轨道不平顺时频特征分析

高速铁路轨道不平顺测量值是由许多不同频率、不同幅值的单分量信号叠加而成的复杂随机过程.为分析轨道不平顺在空间域和频率域的分布特性,利用希尔伯特-黄变换方法提取轨道不平顺在时-频域的能量分布,为从幅值和波长两个方面综合评价轨道几何状态提供一种新的分析方法.首先,利用多元经验模态分解基于数据驱动的滤波特性,将轨道不平顺数据同时分解为不同尺度下的幅值-频率调制的多元本征模态函数;然后,通过希尔伯特变换计算各尺度下本征模态函数的瞬时频率,分析各层本征模态函数的频率和能量分布特征.通过对轨道检查车的实测轨道不平顺数据解算与分析表明:轨道不平顺的频率分布呈现出近似二进滤波特性,并且每个尺度下的频率带宽较窄;多元经验模态分解尺度图能确定轨道不平顺在各尺度下的能量分布及对应的波长特征;样本轨道不平顺数据中,轨距和水平不平顺的能量主要分布在中长波波段,轨向和高低的能量主要集中在空间波长4~36 m范围;扭曲的能量分布在波长为4.9 m和7.6 m的两个尺度内.      

有砟轨道高低不平顺概率分布的时空特征

为研究有砟轨道不同线形区段上高低不平顺标准差所服从的最优概率分布函数及其时空特征, 采用三参数概率分布函数拟合有砟轨道高低不平顺标准差峰值及尾部特性, 选取了5种三参数理论分布函数, 并确定了最优概率分布函数的选择原则; 以既有沪昆线为例, 拟合了有砟轨道上6种不同线形区段上高低不平顺标准差服从的最优概率分布函数; 分析了高低不平顺标准差的时间特征, 采用非线性函数拟合了分布函数参数随时间的变化情况; 分析了高低不平顺标准差的空间特征, 比较了轨道质量状态在空间维度上的不同。分析结果表明: 在高低不平顺标准差大值区域, 三参数Lognormal分布理论值与实际值的相对误差小于5%, 而正态分布理论值与实际值的相对误差则大于50%, 因此, 采用三参数概率分布函数能有效解决两参数概率分布函数理论值在此区域与实际值发生偏离的问题; 在描述线形区段的统计分布特性时, 不同线形区段应选择不同的分布函数, 同一线形区段宜选取同一种分布函数; 既有沪昆线桥隧区段上, Burr分布有5次是最优概率分布, 且P值之差的均值和标准差分别为0.09和0.12;各区段高低不平顺标准差所服从分布的3个参数用非线性函数拟合的优度均大于0.6, 因此, 采用非线性函数可有效拟合3个参数随时间的变化规律; 维修与养护作业前后桥隧区段高低不平顺标准差的超限百分比都小于3%, 圆曲线、缓和曲线和直线区段上高低不平顺标准差的超限百分比为3.5%~12.8%, 而限速区段和道岔区段上均大于25%。确定的最优概率分布函数选择原则可应用于轨道不平顺概率分布特征研究。      

无砟轨道路基不均匀沉降区高速列车动力特性

为研究路基不均匀沉降对无砟轨道损伤及高速列车动力响应的影响，基于混凝土塑性损伤理论，建立了可考虑无砟道床混凝土损伤行为的车辆-无砟轨道-路基耦合动力学模型，并与线弹性模型计算结果进行对比，分析路基不均匀沉降波长、幅值及行车速度对高速列车动力学特性的影响.结果表明：路基不均匀沉降会造成无砟道床损伤，塑性损伤模型计算结果更能反映轨道服役状态；在各车辆动力学指标中，车体垂向加速度受路基沉降幅值影响最大；车辆动力学响应对波长20 m以下的路基不均匀沉降较为敏感，应对其重点关注；行车速度的增大会增加车辆动力响应，使轮轨作用力明显提升，车辆平稳性指标呈现接近线性的增长趋势.     

有轨电车嵌入式轨道路基荷载动应力特性分析

掌握有轨电车交通荷载下路基动力响应特性是设计嵌入式轨道路基结构的关键技术前提.首先，考虑车体间铰接形式、轨道支承特点与路基阻尼影响，构建有轨电车-嵌入式轨道-土质路基耦合动力学模型；然后，以中国普通干线铁路轨道谱为激励，进行动力学仿真；最后，分析路基面承受车辆荷载特点，并讨论动应力放大系数的概率分布特征与沿深度衰减规律.研究表明：嵌入式轨道结构路基面动应力的幅值受轨道随机不平顺影响服从正态分布规律；在有轨电车轴重11 t、设计速度100 km/h、90%干线轨道谱条件下，路基面动应力放大系数服从正态分布N(1.008, 0.100²)，超越概率30%的常遇动力系数为1.058，保证率为99.9%的极限动力系数为1.308；受路基材料阻尼影响，动应力放大系数沿深度线性衰减，阻尼增大，衰减趋势加剧；随着深度增加，动应力放大系数均值逐渐减小，由动力作用增大区略大于1过渡到动力作用减弱区小于1.     

高速铁路路基结构空间时变系统耦合动力分析

考虑高速线路的实际工况,建立了包括轨道结构和车辆的路基结构空间时变动力系统分析模型.将线路结构及车辆离散为不同的单元,采用能量原理导出了系统动力方程,进一步建立了系统动力矩阵.作为模型的验证,对连续谐波不平顺条件下系统动力响应进行了分析,得出了车辆走行过程中的车体加速度、动轮载以及基床动应力、基床动变形等动态响应结果.计算结果表明,本文中的计算模型是合理的.     

基于列车振动的高速铁路桥墩沉降控制阈值

为保障高速铁路桥墩沉降区域的列车运行安全平稳性,提出了一种基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论的高速铁路桥墩沉降控制阈值研究方法;探讨了既有标准中的桥墩沉降限值,并确定了影响桥墩沉降控制阈值的关键因素;基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,考虑轨道随机不平顺、轮轨非线性接触关系等非线性因素,建立了考虑桥墩沉降和多影响因素的高速列车-轨道-桥梁耦合动力学模型;在此基础上,研究了多因素条件下桥墩沉降对列车-轨道-桥梁系统的影响,并从保证列车安全平稳运营的角度提出了适用于中国高速铁路桥墩沉降的控制阈值。研究结果表明:研究高速铁路桥墩沉降控制阈值时不能忽略轨道随机不平顺、温度作用、混凝土收缩徐变等因素的影响;随着桥梁跨度的增大,混凝土收缩徐变和温度作用导致车体垂向加速度和轮重减载率增大,桥墩沉降则导致上述指标减小;考虑多因素后,车体垂向加速度和轮重减载率与不考虑这些影响因素相比明显增大;随着桥墩沉降的增大,列车通过不同不平顺样本时车体垂向加速度和轮重减载率均超标;为保证列车运行安全性与乘坐舒适性,高速铁路桥墩沉降控制阈值建议为10 mm;在本文得到的控制阈值基础上进一步考虑施工误差等其他因素即可得到准确的标准限值,研究结果可为桥墩沉降限值的最终确定提供研究方法和数据支撑。      

动态检测数据在转体桥挠曲变形监测中的应用

基于沪杭高铁转体桥的挠曲变形监测数据及上部轨道的动态检测数据,对比分析了转体桥挠曲变形幅值与动态检测长波高低不平顺幅值的关系,结果表明：挠曲变形幅值与长波高低不平顺幅值存在差异,但在主跨中心与边跨中心的变形趋势相同;在主跨中心与边跨中心处,挠曲变形幅值与长波高低不平顺幅值间的相关系数均超过0.97,呈现出高度相关性。根据动态检测长波高低数据,对转体桥主跨中心和两边跨中心处一年内的挠曲变形幅值进行估算,并与实际值对比,平均误差仅为1.7 mm。研究认为利用动态检测长波数据对转体桥挠曲变形进行推算,快速准确,是一种有效的辅助监测手段。     

钢轨轧制不平顺激扰下的动车组动力响应特性

以某有砟客运专线中出现波长为3.2 m的轨道周期性高低不平顺、继而引起“抖车”现象的线路区段为对象,基于同步压缩小波变换提取了轨道几何动、静态检测数据在大机捣固前后的时频分布特征,并结合钢轨轧制流程的梳理分析,明确了轨道周期性高低不平顺的成因,即可能由钢轨轧制过程中复合矫直工艺不良引起. 在此基础上,探究了钢轨轧制不平顺与车辆各部件振动加速度以及轮轨接触力的关联关系,获取了钢轨轧制不平顺对车辆动力响应的影响规律. 结果表明:轧制不平顺使得轴箱、转向架、车体垂向加速度的相干函数分别达到0.97、0.96和0.76,较正常区段分别增长了5%、25%和300%;轮轨垂向力相干函数增长42%,达到0.94,说明轧制不平顺与车辆各部件的振动响应和轮轨接触力密切相关;轧制不平顺将轴箱和车体垂向加速度均方根（root mean square,RMS）值分别放大1.00 m/s2和0.05 m/s2左右;轧制不平顺与轴箱垂向加速度和轮轨垂向力RMS值线性相关性最强,相关系数分别达到0.9和0.8.      

车辆-轨道耦合动力学在轨道下沉研究中的应用

将车辆-轨道耦合振动模型和轨道累积下沉计算模型相结合,以轨道结构动力学响应参量和轨面高低不平顺状态变化作为两者间的联结纽带,从车辆-轨道耦合动力学角度研究了轨道的下沉变形特性.研究结果表明,随着轨道动荷载重复作用次数的增加,轨道下沉量逐渐累积;轨面初始不平顺对轨道下沉变化影响较大;受轨道累积下沉的影响,轮轨力、轨道结构响应加大.     

有砟高铁捣固作业轨向平顺性控制方法

为了提升有砟高铁捣固作业质量以满足平顺性控制要求，根据大机作业特征分析了拨道效果影响因素，研究了拨道量范围、拨道策略、拨道量顺坡率、设备精度与作业效果之间的影响关系；结合影响因素分析结果，基于中长波平顺性控制理论建立了拨道方案优化模型，提出了基于拨道量相关性的拨道效果评价方法，实现拨道效果影响因素与拨道方案制定过程的有效结合；在某高速铁路有砟轨道捣固作业之中，验证了轨向平顺性控制方法的有效性。研究结果表明:拨道量过大或过小、拨道量顺坡率超标、拨道策略不利、设备精度不良均容易造成大机拨道作业效果不佳，需在拨道方案制定过程中加强对这些因素的控制和管理；通过在轨向平顺性控制中引入拨道量调整系数，并有效控制中长波不平顺、拨道量限值等参数，可提高计算模型对捣固车固有作业特性的适应能力；基于该方法制定了某作业区段的拨道方案，方案满足轨道平顺性管理要求，符合大机作业特点；采用该方案实施作业后，轨向30 m矢距差降至2 mm，300 m矢距差降至7 mm，降幅分别达到50%和48%；静态轨道质量指数由0.89降至0.64，降幅28%，实践证明提出的轨向平顺性控制方法可有效提升高速铁路有砟轨道平顺性。