高速铁路周期性轨道几何不平顺动态演变机制与评价方法研究

There are a large number of periodic line structures in the high-speed railway, which causes the periodic components in the track geometric irregularity. However, most of the current researches were focus on random irregularity. The spectrum characteristics and dynamic evolution law of periodic track geometric irregularity have not been well perceived in the current study. Based on the periodicity of line structures in the high-speed railway, this project is going to establish a high efficient dynamic analysis model of vehicle-track-foundation coupling system by combining transfer matrix method, spectral element method and pseudo excitation method. The spectrum characteristics of periodic track geometric irregularity, and the influence of periodic line structure service state on track geometric irregularity are explored. The dynamic evolution mechanism of the periodic track geometric irregularity are revealed. Then based on the quantitative relationship between periodic track geometric irregularities and vehicle operating safety and comfort index, the evaluation method of periodic track geometric irregularity are put forward. The research results of this project are able to provide theoretical reference for scientific evaluation and maintenance management of track geometric irregularity in China's high-speed railway.

高速铁路中包含大量周期性线路结构，导致轨道几何不平顺中出现大量周期性不平顺。而当前已有的研究工作主要是针对轨道随机不平顺开展的，对于周期性轨道几何不平顺的频谱特性及其动态演变规律的认识不足，缺少针对周期性轨道几何不平顺的科学评价方法。本项目根据高速铁路周期性线路结构的特点，拟结合传递矩阵法、波谱单元法、虚拟激励法建立车辆-轨道-基础耦合振动的高效分析模型；研究不同类型线路结构区段上周期性轨道几何不平顺的频谱特性，以及线路结构服役状态对周期性轨道几何不平顺的影响，揭示周期性轨道几何不平顺的动态演变机制；通过研究周期性轨道几何不平顺与车辆运行安全性、舒适性指标之间的定量关系，提出周期性轨道几何不平顺的评价方法。本课题的研究成果可为我国高速铁路轨道几何平顺性的科学评价和养护维修管理提供理论参考。

随着我国大量高速铁路的建成并投入使用，我国高速铁路已经从大规模建造阶段进入长期运营维护阶段。在运营维护方面，轨道几何平顺状态的评估与控制，是确保高速铁路安全平稳运营的关键。与普速铁路线路相比，高速铁路中存在大量的周期性结构，导致轨道几何不平顺中存在以周期结构单元长度为波长的周期性不平顺，例如，在连续等跨简支梁桥区段上会形成波长为简支梁跨度的周期性不平顺，有砟轨道区段存在波长为扣件间距的周期性不平顺，板式无砟轨道区段存在波长为轨道板长度的周期性不平顺。.高速铁路中最为常见的周期性基础结构是简支桥梁，本课题利用多体动力学软件UM和有限元软件ANSYS建立了高速车辆-轨道-简支桥梁刚柔耦合动力学模型，并利用虚拟检测方法，测量了周期性桥梁区段上的轨道动态不平顺，研究了周期性简支梁桥上轨道几何不平顺的频谱特性，以及线路结构参数对轨道几何不平顺的影响。基于动检车长期历史检测数据，应用多次滑动平均滤波方法识别并提取了周期性简支梁桥梁的变形曲线，并分析其波形、幅值特征及发展演变规律，建立了温度-时间-变形的数学模型，并提出了一种基于数据驱动的预测方法。基于车辆-轨道-桥梁刚柔耦合动力学模型，分析了轨道几何不平顺与车辆运行状态之间的定量关系，计算得到了周期性简支桥梁区段轨道几何不平顺的波长权重，利用数字滤波方法对轨道不平顺进行加权计算，进而提出了基于轮轨系统振动传递特性的轨道几何不平顺评价新指标：轨道加权质量指数，该评价指标既包含了轨道几何不平顺的幅值、波长、位置三方面信息，又能够反映出高速车辆的运行状态。课题的研究成果可为我国高速铁路轨道几何不平顺的科学评定和养护维修管理提供理论参考。