高速列车脱轨监测关键算法研究

基于轨道不平顺检测技术的发展,根据轮轨几何关系脱轨理论,设计一种能够工程实施的脱轨监测方案,采用轮轨横向、垂向相对位移近似替代轮对接触点位移和车轮抬升量来判断列车脱轨。针对测控方案中关键参数轴箱振动位移测量困难、测量误差大的问题,使用卡尔曼滤波设计一种估计算法,实时计算轴箱横向、垂向位移;观测噪声方差变化会导致卡尔曼滤波发散,采用小波变换在线估计噪声方差,提高卡尔曼滤波算法鲁棒性。仿真表明:该算法能够通过加速度信号精确计算轴箱振动位移,误差在10%以内,为高速列车脱轨在线监测提供一种思路。     

地铁轮轨耦合不平顺激励对轨道振动影响分析

轮轨动态输入激励直接影响车辆-轨道耦合模型的计算结果。目前在地铁列车环境振动振源研究中,大多只考虑了轨道不平顺的激励而忽略了车轮不圆顺的影响。为了构建地铁轮轨耦合不平顺激励、综合分析轨道不平顺以及车轮、钢轨的磨耗状态对轨道动力响应的影响,对一列地铁列车进行了车轮不圆顺的现场测试,同时对一段区间隧道内的轨道不平顺和钢轨粗糙度均进行了测试。基于车辆-轨道耦合频域解析模型计算了轨道动力响应,比较了不同轮轨激励模式对计算结果的影响。同时,在同一区间隧道内实测了钢轨振动响应,用以验证不同激励模式计算结果的准确性。结果表明:美国谱和Sato谱会低估车轮不圆顺典型波长控制频段的振动响应,从而难以准确获得8 Hz~200 Hz频段的振动响应;按能量叠加方法获得的轮轨耦合不平顺谱可反映完备的轮轨激励信息,以此作为激励,在8 Hz~200 Hz频段,可计算获得与实测值更相近的模拟计算结果。     

轨道随机不平顺影响下高速铁路地基动力分析模型

考虑轨道随机不平顺影响,建立了移动车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。模型中,将虚拟激励法和解析的波数-频率域法有效结合起来,直接由轨道不平顺的功率谱密度得到准确的动态轮轨力功率谱。将移动列车轴荷载和轨道随机不平顺引起的动态轮轨力考虑为傅里叶级数表示的谐波叠加形式,根据线性系统叠加原理,求得地基动力响应功率谱估计值与时程结果。利用在波数域内直接计算位移频谱、划分合适谐波区间等技术,显著提高了随机振动响应功率谱和时程的计算效率。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度时程与频谱的理论计算与现场实测结果,证明了本文模型的合理性。     

地震作用下高速列车与桥梁耦合振动分析

摘要: 为了研究地震作用下高速列车与桥梁耦合振动特性,通过分析JR300系列轮轨高速列车与高架桥在地震作用下的耦合振动,对轨道不平顺、不同地震波对耦合振动响应的影响进行比较研究。结果表明：轨道竖向不平顺会加大车体振动竖向加速度,在地震作用下,车体加速度会接近或超过规定限值;桥梁在地震与列车作用下,考虑轨道的竖向不平顺对桥梁的竖向响应影响较小;不同地震波激励对车桥振动响应影响有较大不同。     

冲击载荷对铁路轴箱轴承塑料保持架动态性能影响研究

铁路客车轴箱轴承除了承受来自于一系悬挂之上车体及构架的直接压力,还承受因为轨道不平顺轮对冲击传递而来的冲击作用,由于冲击而造成的保持架过梁断裂是轴承提前失效的主要因素之一。分析车轮扁疤对车系统产生的冲击并将其作为轴承动力学的边界条件输入,采用离散单元法建立柔性保持架,研究了冲击载荷对铁路轴箱轴承保持架动态性能、滚子与保持架之间作用力以及保持架应力分布的影响。研究结果表明:随着冲击加速度的增加,滚子与保持架之间碰撞作用力和频次显著增加,加速保持架的疲劳失效。通过对保持架过梁的强度分析可以判断,较大的轮轨冲击加速度会造成保持架过梁的直接断裂。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

不平顺条件下高速铁路轨道振动的解析研究

为了分析不平顺条件下高速铁路轨道结构振动,推导了移动车辆在轮对处和轨道结构在轮轨接触点处的柔度矩阵,考虑移动轴荷载和轨道不平顺,建立了移动车辆-轨道垂向耦合振动的解析模型.模型中,移动车辆考虑为弹簧和阻尼器连接的多刚体系统;有碴轨道结构模拟为连续弹性3层梁;轮轨间考虑为线性赫兹接触.算例分析了单台TGV高速动车引起的有碴轨道结构振动,得到轨道不平顺引起的动态轮轨力和轨道各部分的最大振动加速度,研究了列车速度、轨道不平顺以及轨下垫板及扣件、道床和路基等轨下基础刚度对轨道振动的影响.计算表明:随着列车速度和轨道不平顺的增加,轨道结构的振动响应不断增大;轨下基础刚度对轨枕和道床的振动影响较大,对钢轨振动的影响较小.     

一种逆结构滤波法的轨道车辆轮轨力识别

轮轨动态接触力对车辆运行安全性和稳定性至关重要,考虑到在实际运行条件下,轮轨力很难测量的难题,基于离散时间和动力学状态空间方程,提出了一种逆结构滤波的时域载荷识别方法。该方法以结构响应参数为输入,可实现对非最小相、非并置结构的载荷预测,解决了由于非并置逆系统的不稳定性带来的载荷识别困难。以某轨道车辆为研究对象,以轴箱位置加速度为输入条件,分别建立了10自由度的垂向振动模型和17自由度的横向振动模型,对车辆的轮轨垂向载荷和横向载荷进行了识别。识别结果与具有完全相同动力学参数的SIMPACK仿真模型结果对比,结果表明:反演模型识别出的轮轨垂向力和横向力与SIMPACK仿真结果趋势一致,且均有较强的相关性,识别精度较高;通过滚动振动试验台试验,利用一组测得的垂向加速度响应和垂向位移响应对车辆轴箱的加速度响应进行了识别,并与测得的结果进行对比,相关系数达到0.9756,为极强相关,方法能够用于运行列车轮轨力的监测和安全评估。     

“车体-多边形化车轮-轨道”耦合系统动力分析及多边形车轮识别

列车车轮多边形是铁路车辆中最常见的一种车轮失圆形态。车轮多边形是车轮沿圆周方向出现不平顺的现象,能够引发轮轨冲击荷载,从而对轨道结构各部件产生严重影响。本文基于有限元法建立了“车体-多边形化车轮-轨道”耦合系统动力学有限元模型,研究了不同波深、车速和多边形阶数对轮轨力及轨道结构动力响应的影响。最后,将实测数据进行拟合,得到锯齿波函数,实现对多边形车轮的有效识别。     

高速列车作用下简支梁车桥耦合振动随机响应分析

以三跨简支梁为例,进行车桥系统空间非平稳随机分析。将系统在确定性荷载作用下得到的响应作为均值,采用虚拟激励法将轨道高低、方向和左右轨高差不平顺转化为一系列简谐荷载,将系统在虚拟荷载作用下的响应的自功率谱密度积分得到均方差,运用3 准则确定系统响应的最大、最小值,取其绝对值的较大值做为响应的代表值,讨论系统响应在不同车速下的变化趋势。研究表明：车体加速度、桥梁跨中横向响应和轮对受到横向轮轨力的随机性较大,轨道不平顺是其主要影响因素,桥梁跨中垂向响应及垂向轮轨力主要由确定性荷载引起。桥梁响应并不随车速的增加而单调增加,车体响应以及轮轨力随车速的增加而单调增加     

重载机车车轮擦伤下的轮轨动态响应

车轮踏面擦伤会造成剧烈的轮轨冲击作用,加剧车辆和轨道结构部件的疲劳破坏。为揭示实际车轮擦伤状态下的重载机车-轨道耦合振动响应特征,基于车轮擦伤的现场实测数据,拟合出了车轮擦伤模型。采用重载机车-轨道耦合动力学模型,详细考虑了钢轨垫层与扣件弹条相互作用,分别从时域和频域角度仿真计算了机车车轮擦伤引起的轮轨动态响应。研究结果表明:实际车轮擦伤呈不对称的几何形状;车轮擦伤激起的冲击力对轨道部件影响较大;车轮擦伤可能引发钢轨与扣件系统的短暂分离。研究结果可为踏面损伤识别、轨道部件检修提供理论参考。     

地铁列车运行引起的振动对精密仪器的影响研究

采用一种数值模型,并结合现场振动实测,对北京地铁4号线列车运行引起的振动对北京大学物理实验室内精密仪器的影响问题进行了研究,并对地铁4号线隧道内浮置板轨道的减振效果进行了探讨。该模型根据移动荷载作用下的动力响应解,把地铁列车运行引起的振动问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上。传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算,移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下的轮轨接触力。现场振动实测包括地铁列车与公交车单独引起的振动及两者的合振动测试。结果表明:浮置板轨道是一种有效的减振措施,在其工作频段内有显著的减振效果;在低频段,地铁列车单独引起的振动可能对精密仪器正常工作造成影响,公交车流单独引起的振动以及与地铁列车叠加的振动会对精密仪器的正常工作造成影响,仪器基座处应采取相应的隔振措施来减小这部分振动。     

车轮状态变化对重载货车轮轨作用力影响

重载货车在实际的生产及服役条件下,轮轨之间的相互作用不仅受各种轨道不平顺激励的影响,也会受到车轮状态变化的激励作用。从车轮运行状态的角度研究重载货车轮轨间相互作用,分别以车轮磨耗前后踏面形状、车轮多边形化、车轮质量偏心和轮对结构变形四种车轮运行状态来模拟分析车轮各状态参数与轮轨垂向作用力的关系,并总结其影响规律。研究表明：车轮踏面形状主要影响轮轨接触斑面积以及接触应力分布,磨耗后车轮比新轮的接触应力分布范围更广泛;在不同速度下,车轮多边形化的波深、相位差及谐波阶数对轮轨垂向力产生不同程度的影响;车轮质量偏心对轮轨产生周期性垂向冲击,但振动幅度并不大;轮对挠度的动态变化对轮轨动态接触载荷影响比较显著,尤其是轮对结构弯曲振动加剧了轮轨垂向动作用力。     

轨道减振器与弹性支承块或浮置板轨道组合的隔振性能分析

轨道交通运行引起的地面振动或高架轨道的高架桥结构振动源于轨道结构振动，对于几十赫兹到几百赫兹频率范围的轨道结构振动，应用轨道减振器、弹性支承块和浮置板可以得到比较好的减振降噪效果。本文在频域建立了轨道结构模型和车辆一轨道系统相对位移激励模型，分析计算了钢轨垫片／轨道减振器一弹性支承块／浮置板轨道结构的隔振性能，以及相对位移激励下轮轨间动载荷和传递给基础的力。结果表明，与垫片一弹性支承块／浮置板轨道相比，轨道减振器一弹性支承块／浮置板轨道组合可以在中频范围大大降低轮轨动态作用力，并且在中、高频段具有更好的隔振性能。     

考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究

在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。     

车辆-轨道非线性耦合动力学的精细积分法及其应用

提出精细积分法求解移动质量与结构相互作用的新的计算方法。分析焊接接头不平顺和轨枕悬空对轮轨力和轨道部件之间相互作用力的影响。该方法采用非齐次项的Duhamel积分的精细积分算法,避免状态空间下系统矩阵求逆。通过Lagrange插值多项式获得移动质量与结构相互作用的载荷项外插公式,无需迭代求解移动质量和结构非线性相互的动态响应。系统矩阵具有时不变性,无需反复计算指数矩阵。在每个积分步内,利用Euler梁的形函数分解移动载荷项,获得移动载荷与结构相互作用时间和空间连续变化的情况。计算结果表明,轮轨力的第一个峰值主要由于焊接接头不平顺造成,轨枕悬空主要影响轮轨力第二峰值。焊接接头不平顺区易出现轨枕悬空。轨枕悬空出现后,悬空区有扩大的趋势。     

浮置板轨道参数激励振动研究

浮置板轨道结构中,浮置板布置的周期性和不连续性导致轨道刚度的周期性变化。车辆行驶在浮置板轨道上时,轨道刚度的周期性变化会引起参数激励振动。为了研究该问题,将钢轨和浮置板视为模态梁,钢轨扣件和隔振器视为线性弹簧-阻尼器;车辆采用相邻车厢距离最近的两台转向架模型,建立了车辆-浮置板轨道耦合动力学模型。应用该模型分析了浮置板轨道参数激励振动的形成机理及影响因素,提出了减小参数激励振动的控制措施。计算结果表明:振动的频率成分主要为车轮通过浮置板的频率及其倍频;轮轨作用力随着车辆速度的提高而增加,随着隔振固有频率的减小而增加;调整浮置板下隔振器的位置和刚度可以降低参数激励振动引起的轮轨作用力。     

Stress intensity factors evaluation for through-transverse crack in slab track system under vehicle dynamic load

The stress intensity factors (SIFs) for through-transverse crack in the China Railway Track System (CRTS II) slab track system under vehicle dynamic load are evaluated in this paper. A coupled dynamic model of a half-vehicle and the slab track is presented in which the half-vehicle is treated as a 18-degree-of-freedom multi-body system. The slab track is modeled as two continuous Bernoulli–Euler beams supported by a series of elastic rectangle plates on a viscoelastic foundation. The model is applied to calculate the vertical and lateral dynamic wheel–rail forces. A three-dimensional finite element model of the slab track system is then established in which the through-transverse crack at the bottom of concrete base is created by using extended finite element method (XFEM). The wheel–rail forces obtained by the vehicle-track dynamics calculation are utilized as the inputs to finite element model, and then the values of dynamic SIFs at the crack-tip are extracted from the XFEM solution by domain based interaction integral approach. The influences of subgrade modulus, crack length, crack angle, friction coefficient between cracked surfaces, and friction coefficient between faces of concrete base and subgrade on dynamic SIFs are investigated in detail. The analysis indicates that the subgrade modulus, crack length and crack angle have great effects on dynamic SIFs at the crack-tip, while both of the friction coefficients have negligible influences on variations of dynamic SIFs. Also the statistical characteristics of varying SIFs due to random wheel–rail forces are studied and results reveal that the distributions of dynamic SIFs follow an approximately Gaussian distribution with different mean values and standard deviations. The numerical results obtained are very useful in the maintenance of the slab track system.     

Effects of maintenance operations on railway track's mechanical behaviour by field load testing

Deterioration of track causes variations in different mechanical parameters such as value and distribution of track vertical stiffness, which would change the way track mechanical components behave in service condition or maintenance operations. As a result, studying deterioration effects and that of maintenance operations such as tamping and dynamic stabilisation on the mechanical behaviour of both standard and deteriorated tracks could give a better picture of track condition and effectiveness of maintenance operations. In this paper, by carrying out static and dynamic tests and using 89 measurement sensors, the influence of mechanised maintenance operations on mechanical behaviours (strain, acceleration and displacement of rail and sleeper) of a high-deteriorated track and a low-deteriorated track is investigated. The tests were carried out in three different stages (before tamping, after tamping and after track dynamic stabilisation) under a passing train (a 6-axle locomotive and a 4-axle wagon) with 20-ton axle load. Observations indicate that track deterioration causes non-uniform track stiffness and load distribution along the track, such that rail heel strain time history under train loading changes from maximum tensional pattern under the wheels to maximum compressive pattern between two wheels of a bogie. Tamping and dynamic stabilisation cause a more uniform load distribution, which reduces strain and increases acceleration in rail and sleeper. Effects of these maintenance operations on sleepers are far more than that of rail. Deteriorated track is stiffer than low-deteriorated track; stiffness distribution is less uniform and its rails are subjected to less strain and acceleration.