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基于高频轮轨接触模型的轨道短波不平顺敏感波长特性分析

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机械工程学报 2019年第8期55卷 173-182页

作者：牛留斌刘金朝中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081

轨道短波不平顺是引起轨道-车辆系统高频振动的主要根源,造成轮轨之间剧烈的相互作用力。利用ABAQUS计算软件显式模块建立的轮轨接触有限元模型,用于求解车辆高速运行时轨道短波不平顺作用条件下的高频轮轨接触力。该模型采用轮轨的真... 详细信息

轨道短波不平顺是引起轨道-车辆系统高频振动的主要根源,造成轮轨之间剧烈的相互作用力。利用ABAQUS计算软件显式模块建立的轮轨接触有限元模型,用于求解车辆高速运行时轨道短波不平顺作用条件下的高频轮轨接触力。该模型采用轮轨的真实形状建模,并且可引入任意形状的轨道短波不平顺及轨道状态参数。以某高铁线路上实测轨道短波不平顺作为输入,接触模型仿真输出的轮轨垂向力与高速综合检测列车在对应区段上实测轮轨垂向力数据之间的相关系数为0.82,验证了所建模型的正确性。利用高频轮轨模型计算不同速度条件下不同参数的余弦型轨道短波不平顺引起的动态轮轨垂向力,对比分析计算结果表明:动态轮轨垂向力不仅与轨道短波不平顺的幅值有关,还车辆与轨道短波不平顺波长敏感程度有关,在车辆运行速度不低于200 km/h的条件下,车辆对轨道短波不平顺的敏感波长分布在100～200 mm。

关键词：轨道短波不平顺高频轮轨接触模型显式瞬态分析轮轨接触力

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基于多弦模型的轨道短波不平顺测量研究

振动与冲击 2017年第14期36卷 178-182,193页

作者：殷华朱洪涛王志勇吴维军金哲民南昌大学机电工程学院南昌330096 江西农业大学软件学院南昌330045

弦测是目前铁道工务中对钢轨不平顺检查广泛使用的一种手段,但理论上的缺陷制约了其对较短波长的响应。在分析中点弦测法频域特性的基础上,提出了多弦测量理论及数据补偿方法。根据不平顺波段的不同找到合适的弦长组合避免了幅值增益为... 详细信息

弦测是目前铁道工务中对钢轨不平顺检查广泛使用的一种手段,但理论上的缺陷制约了其对较短波长的响应。在分析中点弦测法频域特性的基础上,提出了多弦测量理论及数据补偿方法。根据不平顺波段的不同找到合适的弦长组合避免了幅值增益为零;利用傅里叶变换在频域对测量结果进行补偿可得到原始值。数据仿真及实际线路测试结果表明,该方法能够准确的计算出轨道短波不平顺幅度,适合工程中的应用。

关键词：中点弦模型轨道短波不平顺频域分析弦测法

评判高铁轨道短波不平顺病害的轨道冲击指数法

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中国铁道科学 2016年第4期37卷 34-41页

作者：刘金朝陈东生赵钢刘伶萍孙善超郭剑峰梁志明中国铁道科学研究院基础设施检测研究所北京100081

基于轴箱垂向振动加速度能有效刻画轨道短波不平顺引起轮轨之间高频冲击的特性,提出基于带通滤波后轴箱垂向振动加速度的轨道冲击指数,评判高速铁路轨道短波不平顺病害;相对以轴箱垂向振动加速度幅值为指标的传统评价方法,用轨道冲击指... 详细信息

基于轴箱垂向振动加速度能有效刻画轨道短波不平顺引起轮轨之间高频冲击的特性,提出基于带通滤波后轴箱垂向振动加速度的轨道冲击指数,评判高速铁路轨道短波不平顺病害;相对以轴箱垂向振动加速度幅值为指标的传统评价方法,用轨道冲击指数评判轨道的短波不平顺病害,可以有效减少钢轨接头焊缝、道岔以及钢轨不均匀磨耗、波浪和波纹磨耗等各种随机因素对评判结果的影响。针对传统的轴箱垂向振动加速度移动有效值计算方法效率低的问题,通过挖掘相邻2个移动有效值的递推关系,设计出轴箱垂向振动加速度移动有效值快速计算方法。采用轨道冲击指数法和实测的轴箱垂向振动加速度评判轨道短波平顺状态,并与轮轨力检测结果对比。结果表明:用轨道冲击指数能更有效评判轨道短波不平顺病害,而且具有很好的重复性;用给出的轴箱垂向振动加速度移动有效值快速算法有效解决了传统算法计算量过大的问题,满足了工程在线应用的要求。

关键词：轨道冲击指数轨道短波不平顺轴箱垂向振动加速度移动有效值高速铁路

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轮轨力在轨道短波不平顺检测中的应用

铁道建筑 2019年第8期59卷 133-139页

作者：牛留斌李谷刘金朝祖宏林中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所北京100081

轨道良好的平顺性是车辆运行舒适安全的保证。轨道短波不平顺的波长短、幅值小,但在高速条件下能够引起轨道-车辆系统高频振动,降低轨道-车辆系统部件的使用寿命,目前尚无有效的轨道短波不平顺检测技术手段。根据轨道短波不平顺引起动... 详细信息

轨道良好的平顺性是车辆运行舒适安全的保证。轨道短波不平顺的波长短、幅值小,但在高速条件下能够引起轨道-车辆系统高频振动,降低轨道-车辆系统部件的使用寿命,目前尚无有效的轨道短波不平顺检测技术手段。根据轨道短波不平顺引起动态轮轨力响应特征,在分析轮轨力检测数据的基础上,提出从轮轨动态作用"能量"的角度评价轨道短波不平顺的方法,达到准确高效查找轨道短波不平顺病害的目的。该研究成果可为高速铁路轨道短波不平顺的整修管理提供参考依据。

关键词：轮轨力轨道短波不平顺轨道检测功率谱密度

钢轨波磨区轨道短波不平顺与轮轨垂向力的关系

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铁道建筑 2020年第12期60卷 113-116,125页

作者：牛留斌中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081

为研究车辆通过钢轨波磨区段时轨道短波不平顺对轮轨垂向力的影响特征,建立了三维轮轨接触有限元模型,计算并分析不同运行速度条件下不同波长、幅值的轨道短波不平顺引起的轮轨垂向力的响应特点及分布规律,并得出各速度级下的轮轨垂向... 详细信息

为研究车辆通过钢轨波磨区段时轨道短波不平顺对轮轨垂向力的影响特征,建立了三维轮轨接触有限元模型,计算并分析不同运行速度条件下不同波长、幅值的轨道短波不平顺引起的轮轨垂向力的响应特点及分布规律,并得出各速度级下的轮轨垂向力基准值(120 kN)等势线。结果表明:运行速度相同时,轮轨垂向力随轨道短波不平顺幅值的增加而增大,随波长的增加先增大后减小;轮轨垂向力与轨道短波不平顺的形状参数(幅值与波长的比值)有关,形状参数小于0.003时,轮轨垂向力与形状参数近似成线性关系,其斜率与波长、车速正相关;随着车速的增加,引起大于轮轨垂向力基准值的轨道短波不平顺波长范围逐步扩大。管理轨道短波不平顺时须考虑线路的设计时速,时速300 km的线路应严格控制波长小于325 mm、幅值大于0.15 mm的轨道短波不平顺。

关键词：高速铁路轨道短波不平顺数值模拟显式瞬态分析轮轨垂向力形状参数

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基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别方法研究

基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别方法研究

作者：张伟北京交通大学

学位级别：硕士

随着行车速度的提高,轨道短波不平顺对轮轨动作用力的影响,成为快速、高速线路十分重要的问题。而当前的传统轨道检测方法、专用的轨道检测车、轻型轨道不平顺检测小车等不太适应高速高密度线路的频繁测量,因此,需要研究其它检测轨道短... 详细信息

随着行车速度的提高,轨道短波不平顺对轮轨动作用力的影响,成为快速、高速线路十分重要的问题。而当前的传统轨道检测方法、专用的轨道检测车、轻型轨道不平顺检测小车等不太适应高速高密度线路的频繁测量,因此,需要研究其它检测轨道短波不平顺的辅助手段。本文首次将机械故障诊断理论运用于轨道短波不平顺诊断识别的领域,提出了基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别方法。与目前各国从位移角度检测轨道不平顺方法的不同,此方法从频率的角度来检测分析轨道短波不平顺。课题的研究目的是:通过对轴箱加速度信号的处理和分析总结出信号特征和相应轨道短波不平顺状态的对于关系,即利用轴箱加速度信号识别轨道短波不平顺类型和状态。本文基于系统动力学理论,建立了谐波型不平顺模型、集总参数的简单轮轨模型和引入轨道不平顺的轮轨模型,推导了谐波型轨道不平顺频率与轴箱加速度频率的相等关系;同时运用信号处理理论,对实验数据进行预处理、滤波器滤波处理和比较识别。从理论计算和实验数据处理两方面证明了:轨道出现短波不平顺故障将导致轴箱加速度信号的变化,运用基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别方法,实现对波形磨耗、焊缝凹陷、轨枕空吊等类型的轨道短波不平顺状态的识别是可行的。

关键词：故障诊断轨道短波不平顺轴箱谱轮轨模型检测系统滤波器

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惯性位移法轨道短波不平顺测量系统设计

惯性位移法轨道短波不平顺测量系统设计

作者：余振华南昌大学

学位级别：硕士

铁路运输作为当前重要的运输方式,在国民经济的发展中扮演着重要角色。轨道不平顺影响着列车行驶的平稳性与安全性,而轨道短波不平顺作为轨道不平顺的一种,是引起行车振动、轮轨冲击、滚动噪声的主要因素,严重影响着乘车的舒适性、钢轨... 详细信息

铁路运输作为当前重要的运输方式,在国民经济的发展中扮演着重要角色。轨道不平顺影响着列车行驶的平稳性与安全性,而轨道短波不平顺作为轨道不平顺的一种,是引起行车振动、轮轨冲击、滚动噪声的主要因素,严重影响着乘车的舒适性、钢轨的使用寿命以及行车安全性。但目前国内外对于短波不平顺的测量存在着手段落后、方法陈旧、设备缺乏等问题。本文首先分析了当前国内外轨道短波不平顺的研究现状,提出了基于惯性位移法的轨道短波不平顺测量方案,完成了机械装置和电子电路的硬件设计,并根据振动信号处理理论设计了一套将加速度转换到位移的处理方法,建立了机械动力学模型,对影响测量系统精度的关键参数进行了理论分析,确定了轨道短波不平顺波长、幅值、采样频率、测量起始位置、小车推行速度等对系统的影响规律,根据短波不平顺原理设计了一套基于偏心激振机构的实验台架,并通过大量实验获得了环境噪声、采样频率、推行速度对于本测量系统的影响,对轨道短波不平顺波长、幅值、采样频率、测量的起始位置、小车推行速度等对系统的影响规律进行了验证。结果表明:(1)环境噪声经数据处理后会对测量结果产生0.002.004mm左右的偏差,满足测量系统误差的要求。(2)在其它参数满足测量精度要求且为定值的情况下,采样频率在2000Hz000Hz之间测量值与理论值之间偏差较小,即具有很好的测量精度。当采样频率小于2000Hz或大于6000Hz时测量值与理论值之间的偏差较大。(3)由于不平顺引起的振动频率为小车推行速度与不平顺的波长的比值,故在波长为定值时,小车推行速度越小,测量值与理论值偏差越大。(4)在正常步行范围内,小车推行速度越大,测量值越精确。在对实验所得数据的误差分析的基础上,得出本测量系统在人推行小车检测时可测得最大的波长约为1.3m,精度约为0.07mm,适合工程应用。

关键词：轨道短波不平顺惯性位移法测量系统实验台

高速铁路轨道短波健康状态动态诊断模型和方法

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铁道学报 2021年第10期43卷 69-74页

作者：刘金朝徐晓迪牛留斌孙善超张二永赵钢中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081 中国铁道科学研究院集团有限公司铁路基础设施检测中心北京100081

高速铁路钢轨波磨、焊接接头凸凹、翼轨堆高等短波病害虽然幅值较小,但会产生较大的振动冲击响应,增加轮轨系统部件的损伤。结合轴箱加速度和轮轨力高频车辆动态响应,提出集成轨道冲击指数(TII)和波磨指数(RCI)的高速铁路轨道短波健康... 详细信息

高速铁路钢轨波磨、焊接接头凸凹、翼轨堆高等短波病害虽然幅值较小,但会产生较大的振动冲击响应,增加轮轨系统部件的损伤。结合轴箱加速度和轮轨力高频车辆动态响应,提出集成轨道冲击指数(TII)和波磨指数(RCI)的高速铁路轨道短波健康状态动态诊断方法,以及基于改进同步压缩短时傅里叶变换(SSTFT)的时频特征挖掘算法和轨道-轮对系统高频仿真模型。新的动态诊断方法利用安装在高速综合检测列车上的传感器采集的车辆动态响应数据,计算带通滤波后数据的加窗能量信号用以代替原始振动信号,在保留轨道短波病害引起的高频振动特性的前提下,将轨道短波冲击引起的振动特性从高频解调到低频,保证了结果的高稳定性,解决了利用幅值进行评判时诊断结果随机性较强的难题。分析结果和现场复核结果表明,新的评判方法能有效诊断钢轨波磨、焊接接头凸凹等短波病害。

关键词：轨道冲击指数波磨指数轨道短波不平顺轴箱振动加速度高速铁路

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轨道短波匹配算法的研究与应用

轨道短波匹配算法的研究与应用

作者：李姗南昌大学

学位级别：硕士

轨道不平顺中的短波不平顺,对列车的行车安全具有重要影响。快速而又高效地检测短波不平顺,全面掌握轨道不平顺状态及变化趋势,保证列车安全、高效运行,是我国发展高速铁路、地铁及城铁等所面临的一个重大的挑战。轨道短波不平顺测量通... 详细信息

轨道不平顺中的短波不平顺,对列车的行车安全具有重要影响。快速而又高效地检测短波不平顺,全面掌握轨道不平顺状态及变化趋势,保证列车安全、高效运行,是我国发展高速铁路、地铁及城铁等所面临的一个重大的挑战。轨道短波不平顺测量通常分为动态测量和静态测量。动态测量主要利用BMY、RMF、CAT等测量小车,通过检测波长、波深等短波不平顺的频域特征,获取连续测量波形,但对打磨不平顺、剥落掉块等局部平直度缺陷的检测能力不足;静态检测通常利用SED-RC、GEISMAR等平直度测量仪(简称平直尺)来完成,通过检测平直度等短波不平顺的时域特征,获取与测量装置尺寸相对应的分段测量波形,但对连续多波的短波不平顺频域特征的测量能力受到限制。本文针对轨道短波不平顺静态检测的多次、分段测量数据,通过波形匹配技术进行整合和拼接,形成能够客观显示轨道短波不平顺时域、频域特征的新的测量方法。为此,本文将成熟运用在语音识别等模式识别领域中的算法——动态时间弯曲算法(Dynamic Time Warping,简称DTW)引入轨道短波不平顺波形匹配领域,将待匹配的波形数据存放在时间序列中,利用时间序列的相似性搜索,对轨道短波匹配的最佳区域进行确定,以保证后续短波波形匹配效果的良好进行。同时,搭建了轨道短波不平顺测量的实验平台,对测量系统总体结构、数据采集以及应用软件进行设计,对实验平台的测量精度和稳定性进行测试和分析以保证其测量的准确性和可靠性,并将其所测的不在同一个坐标系的分段数据,通过二维坐标转换公式旋转和平移后,统一到同一坐标系下。基于此运用DTW算法,通过对横坐标时间轴的弯曲和变形,发现相似波形并构造累积代价矩阵;利用递归思想,计算两条曲线的最短弯曲路径。计算最短弯曲路径的过程实质上是两时间序列相互匹配的过程,但匹配后的两时间序列存在两种状态,即单点匹配状态和多点匹配状态。针对多点匹配,提出了二次拟合的方法,将多点匹配状态下的时间序列转变为精准的单点匹配。根据DTW值的大小对匹配效果的好坏进行评价。文中将基于区域的传统匹配算法与DTW匹配算法进行了比较,实验结果表明,利用动态时间弯曲法可实现短波的动态匹配,匹配精度比传统匹配算法提高约10倍,匹配误差较小,稳定性较好。

关键词：轨道短波不平顺时间序列动态时间弯曲波形匹配