[發明專利]基于輪軌激勵的鐵路無砟軌道鋼軌模態頻率的識別方法

在審

• 申請號: 202010086530.8
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111368642A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 高亮;安博倫;辛濤;王繼;向國榮;馬超智;肖宏;楚金輝
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06F30/20;G01P15/097
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 黃曉軍

本發明提供了一種基于輪軌激勵的鐵路無砟軌道鋼軌模態頻率的識別方法。該方法包括：獲取鐵路無砟軌道鋼軌的振動加速度數據，提取所述振動加速度數據的功率譜密度；利用matlab融合經驗模態分解、小波變換、變分模態分解和同步擠壓小波變換對所述振動加速度數據進行處理，得到鋼軌加速度數據中的各階瞬時頻率；結合振動加速度數據的功率譜密度的峰值、谷值以及各階瞬時頻率的分布情況，選擇模態頻率穩定軸作為鐵路無砟軌道鋼軌的各階模態頻率。本發明的方法能夠較為準確地對高速鐵路無砟軌道鋼軌的模態頻率進行識別，可以利用現有的高鐵無砟軌道監測系統中鋼軌加速度傳感數據，對鋼軌模態頻率進行較高精度的識別。

技術領域

本發明涉及鐵路軌道振動分析技術領域，尤其涉及一種基于輪軌激勵的鐵路無砟軌道 鋼軌模態頻率的識別方法。

背景技術

高速鐵路以高速度、大容量、低污染、安全可靠、舒適方便等著稱，是現代化鐵路運輸的必然選擇和核心技術。目前，我國高速鐵路總里程已超過3.5萬公里，占世界高速鐵路總里程的70％以上，擁有了全世界最大規模以及最高運營速度的高速鐵路網，我國的高鐵速 度代表了世界高鐵的速度。

高速列車運行時的安全問題，是鐵路交通運輸的根本問題。隨著高速鐵路全面鋪設和 大規模運營，影響乘坐舒適和運營安全的問題越來越多。這些問題嚴重降低了高鐵列車的 舒適性，長期發展下去甚至會導致車輛脫軌等嚴重后果，對高速鐵路安全運營極為不利。

根據調研，這些安全性問題主要是來自于高鐵輪軌病害。反映在車輛上，有車輪扁疤、踏面異常凹陷以及車輪嘯叫等；反映在軌道上，主要有鋼軌光帶異常、鋼軌表面魚鱗 紋和凹陷等。針對這些問題，國內外研究人員通過病害機理研究，提出了針對性的整治維 修方法，如廓形優化、打磨鏇修、增強車輪硬度和優化車輛懸掛參數等，取得了良好的成 效。

然而，隨著運營里程增加、運營條件復雜化，高速鐵路又出現了大量新的輪軌相關病 害。如車輪多邊形不圓順、鋼軌異常波磨和扣件彈條折斷等。由于對這些異常病害產生和 發展機理認識不清，其整治維修措施主要為被動的打磨、鏇修和更換。措施在實施后的短 期內效果較好，但隨著運營里程的增加，病害又會反復出現甚至加劇。這種現象嚴重影響 了列車的安全運行，極大增加了鐵路工作人員的養護維修工作量和成本，縮短了車輛、軌 道部件的使用壽命。

通過大量的現場調研，科研人員發現這些病害的發生與線路狀況息息相關。如以CRTS I型縱連雙塊式無砟軌道為主的武廣線，多邊形不圓順病害的發生比例明顯較采用其他軌道 類型的線路高；武廣線CRH3C型車的車輪平均鏇修周期較京津線(CRTS II型板式無砟軌 道)上相同車輛的短約3-5萬公里；此外，武廣線大瑤山附近也出現了扣件彈條連續折斷， 而此類問題在采用相同車輛、不同軌道的京津線則沒有出現。在貴廣線(CRTS I型雙塊式 無砟軌道)運營的CRH2A動車組中，動車運營里程5萬公里左右車輪不圓順的比例就達到了 13％，其產生速度明顯快于南廣線的相同車輛。這表明無砟軌道類型的差異會導致輪軌關系 呈現出完全不同的表現。

雖然我國高速鐵路主要采用無砟軌道，但是由于類型多樣，軌道尺寸、質量、參數等 存在明顯不同，力學行為也有較大差異。在車輛的高頻率、高強度的沖擊下，其在整個頻域范圍內的振動和能量分布明顯不同，狀態惡化及發展也因此不同。模態是結構體系的固有振動特性，為了研究無砟軌道對輪軌關系的影響規律，首先需要掌握真實的無砟軌道參數，進行模態參數的辨識。無砟軌道模態頻率和模態振型體現了結構體系各主振頻率下的振動響應，特定頻率的無砟軌道振動會對輪軌關系造成不利影響。

高速鐵路在運營過程中出現了階數各異的車輪多邊形和波長不等的鋼軌波磨。當車輪 在鋼軌上高速運動時，多種病害之間相互干擾相互疊加，使得輪軌之間產生了高頻振動。 這些輪軌高頻振動會激發無砟軌道局部或整體的某些“敏感模態”，導致模態振型大幅度 增大，產生額外的輪軌高頻不平順，進而造成高頻輪軌動力作用倍增，引起扣件彈條折斷 等結構部件的破壞、車輪多邊形和鋼軌波磨的加劇。因此，識別無砟軌道的模態參數，對于解決輪軌病害極為重要。