我国铁路轨道不平顺功率谱密度函数结构及其应用的研究

吸收既有轨道不平顺功率谱密度的研究成果，借助信号分析、数值模拟、理论分析三种手段研究能够反映我国轨道平顺状态的轨道不平顺功率谱密度函数及其在实际工程中的应用方法。利用Welch、Burg和ARMA等谱分析方法研究由轨检车得到的轨道结构几何形位动态时变特性随线路结构和运营条件不同而变化的规律，提出我国轨道不平顺的标准功率谱密度函数结构形式。以所得谱密度函数所代表的轨道不平顺作为激励输入，利用有限元数值模拟分析其所引起的典型列车和线路的动力响应；建立基于局部不平顺幅值超限评分法、轨道质量指数评价法和轨道不平顺功率谱密度三种方法的轨道平顺状态综合评估方法。在该线路平顺状态综合评估方法的基础上，运用小波、HHT分析方法，建立轨道结构的病害识别方法。本项目研究成果可为铁路行业动力分析的激励输入和线路养护维修计划的制定提供技术支持。

在我国铁路建设的过程中，如何有效控制轨道不平顺是面临的主要技术难题之一。因为轨道不平顺对轮轨系统有着至关重要的影响，是轮轨系统的激扰源，是引起机车车辆产生振动和轮轨动作用力的主要原因，对行车安全、平稳、舒适性、车辆和轨道部件的寿命以及环境噪声等都有重要影响。轨道不平顺功率谱密度函数（简称轨道谱）能够从波长和幅值两个方面反应轨道不平顺的特征，是进行机车车辆－轨道系统动力计算和评价轨道不平顺程度的重要指标之一。目前我国尚未形成得以广泛应用的通用轨道谱，所以使得我国各方面的研究迫不得已只能参考欧美国家的轨道谱。但是，我国铁路不同于欧美国家的铁路，欧美的轨道谱并不能很好地表征我国铁路的不平顺特征，所以，深入研究我国铁路轨道的不平顺特征，确定并推广我国干线铁路通用的轨道谱、全面科学的分析评价轨道平顺性是一项急需解决的课题。本课题在总结和吸收前人研究成果的基础上，从轨道谱、轨道不平顺的时频分析和动力分析等方面对轨道不平顺进行了研究，主要研究内容如下：.（1）对我国较为典型的重载及高速铁路线路的轨道不平顺进行分析，在既有研究成果的基础上，形成一套可供我国铁路领域使用的通用的标准轨道不平顺功率谱密度函数的结构体系。.（2）从时域、频域及其动力分析角度对所形成的通用轨道谱和常用的美国6级轨道谱、德国高速轨道谱进行比较分析。.（3）全面比较分析目前常用的轨道不平顺时域样本数值模拟方法，结果表明三角级数法模拟效果较好，可用于我国铁路轨道不平顺功率谱度的时域模拟。.（4）提出了EEMD-Wigner-Ville分布轨道不平顺时频分析方法。同时，基于MI理论能有效的进行IMF分量择优，采用EEMD-互Wigner-Ville分布的轨道不平顺不利波长提取及时频分析方法。.（5）提出了基于小波—Wigner-Hough变换算法，可以较大程度的抑制或消除多分量信号在某些频段的交叉干扰项，能更准确提取轨道结构中高能量不平顺的波长成分。.（6）提出通过轴箱振动加速度的时间-小波能量谱提取轨道故障类型、损伤程度信息并进行准确定位的方法，即使在轨道不平顺信号中并无显著波幅特征的情况下，也能提取轨道的轻微病害信息。.（7）构造了车体振动状态的PCA-SVM综合分类器，结合其他轨道不平顺预测方法，输入铁路线路轨道几何不平顺信号，可以实现机车车体振动不同评价指标所处状态的预测。