基于道旁监测的高速列车失圆车轮识别与评估方法

Wheel-rail contact force induced by out-of-round wheels in High-Speed railway will influence the comfort of trains, reduce service life of both train and track components, increase maintenance costs. In this project, both field test and numerical simulation will be used to develop a wheel-rail contact force testing method based on wayside monitoring technique. An detailed vehicle-track numerical model will be developed to analyze dynamic response of track structure, a verification study of the test method will be conducted by using this model. Using moving load identification method and track dynamic theory, the identification method of wheel-rail contact force higher than 300Hz will be studied, method verification study will be carried out by numerical analysis as well as field testing. The transfer characteristic between wheel-rail contact force in frequency domain and geometrical features of out-of-round wheels will be studied, the influence of track irregularity, dynamic property of track components will be involved in the research, then the assessment method of wheel geometrical state will developed. Analyzing the dynamic response of high-speed railway fastening, develop the assessment method of out-of-round wheel in frequency domain. The results of this project will be helpful to understanding the distribution of rail-wheel contact force of China high speed railway, the occurrence probability and development of out-of-round wheel, provide reference for railway vehicle and track maintenance.

高速铁路失圆车轮产生的轮轨力会影响列车运行的舒适度，降低车辆轨道部件的服役寿命，增加养护维修成本。本项目拟提出基于道旁监测的轮轨力测量方法，结合现场测试和数值仿真计算，对失圆车轮的识别与评价方法展开研究。建立精细化车辆-轨道动力学有限元模型，分析失圆车轮作用下轨道结构动力响应，结合现场测试验证方法的可行性和准确性。运用移动荷载识别和轨道动力学的基本原理，研究300Hz以上高频轮轨力的识别理论和方法。研究轮轨力频域特征与车轮空间几何特征的传递关系，分析车速、轨道几何不平顺及轨道结构动力特性对轮轨力的影响，提出基于轮轨力测试数据的失圆车轮状态评价方法。分析高速铁路扣件在高频轮轨力激励下的动力特性，提出轮轨力频域评价方法。本项目的研究将有利于掌握我国高速铁路轮轨力特征、失圆车轮产生概率和发展规律，为铁路车辆轨道维修提供参考。

高速铁路失圆车轮产生的轮轨力会严重影响行车舒适度，降低车辆轨道部件的服役寿命，增加养护维修成本。课题组围绕高速铁路失圆车轮识别问题的相关问题，开展了为期四年的研究工作。项目完成的主要工作如下：.（1）针对传统方法无法识别300Hz以上高频轮轨力的问题，将移动荷载识别方法与轨道动力学模型结合，提出了波数域轮轨力识别算法、周期轨道结构高频轮轨力识别算法和基于Newmark法的有限元轮轨力识别算法识别方法。.波数域轮轨力识别方法是利用连续支撑轨道模型，建立轮轨力与轨道动态响应与移动轮轨力间的传递关系，将正则化方法引入病态矩阵逆向求解中。该方法具有计算速度快，识别准确的特点。周期轨道结构高频轮轨力算法是针对连续支撑模型在高频力识别中精度差的问题，将模型进一步改进为离散支撑的铁摩辛柯梁，该方法能够更为准确的识别高频轮轨力。基于有限元的轮轨力识别算法具有更强的适用性，可以应用于浮置板、减振轨道、高架轨道等各类结构的轮轨力识别，也可以用于车辆变速等工况的分析计算。.（2）基于轮轨力识别算法和现场试验数据，提出了车轮失圆识别方法及轮轨力联合粗糙度识别算法，这些方法可以应用于车轮伤损识别和钢轨波磨识别中。.课题组在重载铁路、城市轨道交通线路上进行了大量的现场试验，利用轮轨力识别算法获得了车轮通过轨道的轮轨力波形曲线，基于轮轨力的频域特征，提出了失圆车轮的识别和严重程度判别的方法。基于轨道的导纳特征，提出了轮轨力联合粗糙度的识别算法，实测数据表明该方法可应用于钢轨波磨的监测。.（3）研发了可重复使用的钢轨应变传感器阵列，开发了失圆车轮道旁监测系统，实现了包括轮轨力、轨道振动、噪声、变形在内的轨道动力响应实时监测平台。该平台结合了边缘计算、云端数据库、实时数据查看等技术，目前该系统平台已经在广州地铁开始使用。