轨道交通无砟轨道不平顺谱的拟合与特性分析

以上海轨道交通实测的无砟轨道不平顺数据作为样本,利用经典周期图法计算其轨道不平顺谱,进而得到原始轨道平均谱。基于轨道不平顺七参数拟合谱模型,利用非线性最小二乘法对原始轨道平均谱进行拟合,得出轨道谱的拟合参数。最后,将计算所得的无砟轨道谱拟合曲线与美国6级谱、德国高低干扰谱和中国七参数谱对比分析,结果表明:在中长波范围内,轨距、水平和高低不平顺状态较为优良,低于美国6级谱、德国高低干扰谱和中国干线轨道谱,而轨向不平顺谱则与美国6级谱水平相当;在短波范围内则无砟轨道谱谱值较大。     

大机捣固养修作业计划多目标决策模型

提出一种以轨道几何状态和养护维修作业成本为子目标函数的大机捣固养护维修作业计划多目标决策模型,其中轨道几何状态最优子目标函数依据轨道高低不平顺恶化模型及恢复模型建立,养护维修作业成本最优子目标函数包括计划性养护费用、固定费用、事后养护费用、舒适性损失费用。采用改进的NSGA-Ⅱ算法对模型进行求解,并编写了相应的MATLAB程序,选取一沪昆上行线区段对模型及算法进行了验证分析。结果表明:所提出的大机捣固养护维修作业计划多目标决策模型能够提供多个养护维修维护计划方案,且对于初始高低不平顺较大且轨道结构状态恶化较快的区段优先安排养护维修作业;对于初始高低不平顺较小且轨道结构状态恶化较慢的区段,将其维修安排在年度计划的后期,或者不予安排维修作业。     

变残留率的有砟轨道高低不平顺恢复模型

大机捣固与钢轨打磨可以显著改善轨道几何不平顺,在不同作业方式、不同线形状态下,轨道几何不平顺的改善效果是不同的.为了合理的安排养护维修作业计划,准确预测养修作业后轨道几何状态的改善状况,基于沪昆线捣固与打磨作业实践,分析了不同养修作业方式下的轨道不平顺恢复效果,以捣固作业为例,分别建立了直线、曲线和桥隧3种线形区段下的轨道不平顺恢复预测模型,最后根据现场实测数据对模型进行了验证,结果表明:模型在直线和曲线区段预测的相对误差均值在7%左右,在桥隧区段预测的相对误差均值在9%左右,预测效果良好.     

轨道不平顺预测随机模型的SVM-MC求解方法

实现铁路轨道科学管理的前提是对轨道几何不平顺的发展趋势进行有效预测,预测模型从确定性向随机性模型转变,其重点是如何进行模型的求解。论文对轨道高低不平顺的预测随机模型建立了一种支持向量机—蒙特卡洛(SVM-MC)两阶段求解方法,第一阶段利用ε-SVM算法确定属于小样本集的模型参数,第二阶段运用蒙特卡洛模拟对随机过程进行仿真,得到高低不平顺标准差的预测值。与以往的轨道不平顺预测方法相比,所建立的两阶段求解方法解决了预测中小样本、非线性的问题,且预测精度在计算机容量和速度足够时可以得到保证。在沪昆有砟线路的应用表明,所提出的随机预测方法及求解算法,预测效果良好,平均相对误差为4.63%,可满足现场的工程应用,为养护维修计划决策提供技术支持。     

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.      

沪宁城际铁路轨道高低不平顺状态分析

为分析轨道高低不平顺对沪宁城际铁路列车运行动力学性能的影响,建立了车辆轨道耦合模型,计算得到不同轨道谱激扰下的列车动力学性能指标,包括沪宁城际铁路实测轨道不平顺、秦沈有砟、无砟谱和德国高干扰、低干扰谱.经对比分析,结论如下：沪宁城际轨道谱实测不平顺激扰下,列车各项动力学性能指标均为最优值,且满足相应限值要求,反映出沪宁城际轨道良好的平顺性;其他4种轨道谱激扰下列车各项动力学性能指标也均满足相应限值要求,能够保证列车舒适度及行车安全.研究成果可为沪宁城际铁路养护维修中轨道高低不平顺管理提供参考.     

有砟轨道下沉与高低不平顺关系分析

检验了六分之一模型的适用性,并对该模型进行修正,提出有砟轨道下沉与高低不平顺恶化关系的修正计算模型.得出六分之一模型能在一定程度上反映两者之间的关系,但当高低不平顺数据不服从正态分布或时间间隔跨度较小时,会出现偏离程度相对较大的情况;修正模型比六分之一模型的适用性更好,准确度更高.     

关于轨道谱面积与TQI指标关系的研究

根据沪昆和金温两条不同线路的轨道不平顺检测数据,利用Matlab编程分别进行功率谱和TQI分析。然后利用梯形积分公式对各项轨道不平顺谱值进行积分,得出TQI单项指数与各轨道不平顺谱面积值具有很好的相关性,特别是在高低和轨向不平顺上,相关系数达到了0．91以上,从而验证了用轨道不平顺功率谱方法来控制和管理轨道平顺性的可靠性。最后建议将轨道不平顺功率谱作为控制提速线路轨道质量的主要指标之一。     

轨道综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺改善效果

根据高速铁路有砟轨道综合作业前后的轨道几何状态检测数据, 分析了以大机作业、人工精调和钢轨打磨为主的综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺的改善情况。分析结果表明: 大机作业、人工精调和钢轨打磨的综合作业可联合改善轨道几何不平顺, 其中, 大机作业对高低、水平、三角坑不平顺的改善率分别为20.95%、12.90%和13.16%, 人工精调对高低、水平、三角坑和轨距不平顺的改善率分别为11.97%、5.56%、7.43%和6.12%, 钢轨打磨对高低和轨向不平顺的改善率分别为4.85%和3.88%, 轨道质量指数在大机作业、人工精调、钢轨打磨后的改善率分别为11.54%、6.91%和1.10%, 因此, 大机作业和人工精调对各个单项不平顺改善效果明显, 大机作业的贡献最大, 而人工精调可在一定程度上改善轨距不平顺, 钢轨打磨对高低不平顺和轨向不平顺进一步改善, 但对水平不平顺、轨距不平顺和三角坑不平顺等改善效果不明显; 经过综合作业, 单项不平顺与轨道质量指数均呈下降趋势, 其中轨道质量指数、高低不平顺、水平不平顺、右轨向不平顺近似呈幂函数趋势降低, 左轨向不平顺近似呈线性函数趋势降低, 三角坑不平顺近似呈对数函数趋势降低, 反映了大机作业对轨道几何状态改善程度高, 人工精调、钢轨打磨进一步改善部分单项不平顺的情况。      

基于马尔可夫决策过程的轨道不平顺维修策略研究

为有效判别轨道几何状态、适应高速铁路养护状态修，开展轨道不平顺维修策略优化研究。选取马尔可夫决策过程，设置轨道状态等级、维修动作空间和维修动作成本等模型参数，利用价值迭代算法进行求解，实现高速铁路线路维修计划的有效制定。以华东地区某有砟高速铁路线路为例，结合典型劣化速度的轨道单元区段特征，分析马尔可夫决策模型的维修决策优化过程并验证效果，同时探究轨道单元区段在每个决策时刻的最优维修决策，利用蒙特卡洛法模拟规划周期内的维修总成本并与实际维修成本进行对比。结果表明：基于马尔可夫决策过程的轨道不平顺维修决策，能够充分考虑轨道单元区段不平顺劣化的异质性，可以根据轨道单元区段的实际状态和劣化规律科学安排维修活动，提高维修作业的空间分辨率，规划周期内维修决策的优化效果显著，在保证线路高平顺性的同时减少维修成本，对铁路线路轨道养护维修具有指导作用。     

客运专线有砟轨道轨面凹坑整治措施研究

道砟击伤形成的轨面凹坑已成为客运专线有砟轨道轨面伤损形式之一。通过对合武客运专线有砟轨道道砟击伤形成的轨面凹坑特征进行统计分析,认为检测区段轨面凹坑的深度符合正态分布,轨面凹坑深度平均值为0．33mm。借鉴欧洲铁路在研究轮轨噪声时制定的轨面粗糙度水平标准和钢轨打磨、铣磨作业标准,利用1／3倍频和各波长范围的幅值统计,对铣磨后轨面不平顺状态进行评价。结果表明铣磨是消除轨面凹坑的有效措施,并且极大的改善了轨面的不平顺状态。     

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。      

轨道不平顺概率模型

为了高效选取轨道不平顺随机样本, 以满足车辆-轨道系统随机动力与可靠度分析中的激振源遍历性要求, 依据轨道随机不平顺的弱平稳与谱相似特征, 提出了一种轨道不平顺概率模型; 采用离散概率积分和统计方法, 在时域中将大量轨道不平顺检测信号分成若干个时程序列, 对每个序列采用谱分析法计算其统计功率谱密度分布; 采用矩阵法对轨道不平顺功率谱密度函数进行集合表征, 视每条谱线在不同频率点的功率谱密度概率具有累加性, 采用单一频率下的功率谱密度概率分布推知整条谱线的出现概率; 采用通用随机模拟方法选取代表性轨道谱, 并反演随机不平顺序列; 实测了某高速铁路约269km的轨道高低和方向不平顺, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 从轨道不平顺模拟幅值与车辆-轨道系统动力响应的概率密度分布出发, 对比了轨道不平顺概率模型与轨道不平顺随机模型的计算结果, 以验证轨道不平顺概率模型的正确性和高效性。计算结果表明: 以2种模型生成的轨道随机不平顺为激振源, 获得的车辆-轨道系统动力响应分布熵差异小于2%, 2种模型均能准确表达不平顺激扰特性; 为保证模拟与实测不平顺的概率密度分布一致, 采用随机模型和概率模型分别需要生成131和33个随机样本, 概率模型具有更高的分析效率; 在给定计算工况下, 轮轨力和车体加速度的幅值分别为38~152kN和-0.042g~0.043g (g为重力加速度), 均未超过《高速铁路设计规范》 (TB 10621—2014) 中的限值(轮轨力为170kN, 车体加速度为0.25g), 表明此高速铁路轨道不平顺状态较优, 行车安全性和舒适性可以得到保证。      

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。     

合武客专无砟轨道曲线段不平顺谱分析

以合武客运专线动检车实测轨道不平顺数据为统计样本,采用轨道不平顺变化率和线性插值方法以及经验模态分解法对轨道不平顺异常值和趋势项进行处理,并运用经典周期图法对统计样本进行空间谱估计,同时采用最小二乘法对轨道不平顺功率谱进行拟合。研究结果表明,不平顺功率谱谱线普遍低于美国6级谱,在长波波段能量较低,但存在周期性成分,同时温度力对无缝线路影响显著。缓和曲线与圆曲线的分析结果都表明内轨平顺状况优于外轨。     

动静态轨道不平顺评价差异及动态弦测法特性

中点弦测法能够有效控制影响行车安全性和舒适性的指定波段轨道不平顺,主要用于测量轨道静态不平顺,但其较低的测量效率制约着轨道“状态修”的发展.针对上述问题,将轨道动态不平顺按中点弦测输出,分析动静态弦测值差异与弦长和不平顺波长的关联关系,提出能够评价轨道动态平顺性的动态弦测法,研究动态不平顺与静态不平顺间的映射关系.研究结果表明：42 m和70 m动态高通滤波幅值分别与10 m弦和20 m弦测值变化规律相当;当不平顺波长大于70 m时,120 m动态高通滤波幅值与40 m弦测值变化规律基本对应;截止波长为42、70、120 m的轨道动态不平顺,分别与弦长为20、30～40、30～60 m的动态弦测波形相关性最优,对应的动态弦测法最大合理弦长分别为20、30、40 m,通过路基和简支梁区段实测数据验证了动态弦测法的适应性;在路基沉降区段,弦长为60 m时,静态弦测值明显朝负方向偏离动态弦测值的处所为沉降点,相邻两侧朝正方向偏离动态弦测值的处所为沉降区段起终点.     

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.