铁道建筑 2016年第7期 Railway Engineering 文章编号:1003-1995(2016)07-0001-05 轨道周期性几何不平顺诊断和评价方法 刘金朝 中国铁道科学研究院基础设施检测研究所,北京100081) 摘要结合描述转向架蛇行失稳的连续多波和广乂能量方法,提岀一种轨道周期性凡何不平顺的诊 断和评价方法。首先利用过零点的连续区段轨道几何不平顺极大值和极小值诊断周期性几何不平顺 并采用高通滤波方法对几何不平顺信号进行处理,避免偏移或趋势项对诊断结果的影响。然后引入敏 感波长反映周期性几何不平顺的基波,提出利用广义能量指数评价周期性几何不平顺的状态。计算广 义能量指数需要用到的关键参数——能量权系数由同步模型和线性回归分析联合产生的放大系数归 化后得到。与传统的评价轨道几何不平顺的标准差指标相比,广义能量指数与车辆动态响应标准差之 间具有更强的相关性,避免了在波长非敏感条件下出现车辆动态响应与输入系统的轨道不平顺能量大 小不对应的现象。利用某线预设不平顺试验实测的轨道不平顺和车体加速度毅据对模型和方法进行验 证,结果表明新的诊断方法能准确有效地找岀分布在随机信号中的周期性几何不平顺,同时能较好地评 价周期性几何不平顺状态,并反映其对车辆动态响应的影响随速度变化而变化的特性。 关键词轨道周期性几何不平顺;广义能量指数;轨道质量指数;能量权系数;敏感频率 中图分类号U211.5文献标识码ADOl:10.3969/j.isn.1003-1995.2016.07.01 作为轮轨系统的激扰源,轨道几何不平顺是引发但是如何描述轨道几何周期性不平顺的特征并定量分 机车车辆振动和产生轮轨动作用力的主要原因。其对析其对轨道车辆系统动力学性能的影响的报道还非 车辆和轨道部件的寿命、列车运行的安全性、平稳性、常少。黎国清等通过对简支梁徐变上拱成因及其 舒适性以及环境噪声等均有重要影响。目前国内外对引起的轨面高低不平顺变化特性的分析,发现在开通 轨道几何不平顺的管理主要采用幅值管理和轨道质量运营后的前2年桥上高低不平顺幅值年均变化量较大 指数(TQD管理;有些国家还利用车辆动态响应,而后期逐渐缩小。杨飞等2结合统计方法和动力学 包括车体加速度和(或)轮轨作用力辅助评判轨道平仿真技术对成灌城际铁路桥上周期性不平顺的成因和 顺性状态。从发展趋势看,结合轨道几何不平顺和车发展规律进行了分析,发现混凝土的收缩、徐变以及桥 辆动态响应评判轨道状态越来越受到重视1。 梁刚度偏弱是产生桥上周期性高低不平顺的主要原因。 按照轨道几何不平顺的谐波特征,可将其分为周 相比于轨道随机几何不平顺,对于周期性几何不 期性不平顺和非周期性不平顺2种。周期性不平顺的平顺的评价,除了要考虑幅值的大小外,还需要考虑轨 特征是多波连续,基波的波长相同,幅值具有随机性。道几何不平顺的波形结构特征。由波长、速度和频率 非周期性不平顺的波长各不相同,无明显的基波。等的换算关系可计算得到周期性轨道几何不平顺的特征 跨度多跨桥梁挠曲变形、有缝线路低接头、无缝线路焊频率,当其与车辆的敏感频率相等时将导致机车车辆 缝不平等引起的高低不平顺均具有幅值随机变化均值产生较剧烈的周期性振动。文献[13-14]借鉴能量集 不为0的周期性不平顺特征。轨道几何周期性不平顺中率的思想,提出综合评价轨道车辆系统动态特性的 的基波在功率谱图中显示为突出的尖峰。 广义能量指数(GE/),并引入能量权系数表征不平顺 利用轨道几何不平顺幅值和TQ/已开展了大量评的敏感波长成分对轨道车辆系统动力学性能的影响 价轨道随机几何不平顺并指导养护维修的研究0,并成功应用于钢轨波浪弯曲不平顺分析和车辆异常振 动原因诊断 收稿日期:201603-10:修回日期:201645-10 本文借鉴转向架蛇行稳定性的评判方法,给出 基金项目:国家国际科技合作专项(2015DFA81780):中国铁路总公司 种周期性几何不平顺的自动诊断方法。然后引人 科技研究开发计划(2015T003-);中国铁道科学研究院基 GE/定量评价周期性几何不平顺对轨道车辆系统动 作者简介:刘金朝(1971—),男,研究员,博士 力学性能的影响。最后,利用某线预设不平顺试验高书 2016 年第 7 期 铁 道 建 筑 Railway Engineering 文章编号: 1003-1995( 2016) 07-0001-05 轨道周期性几何不平顺诊断和评价方法 刘金朝 ( 中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081) 摘 要 结合描述转向架蛇行失稳的连续多波和广义能量方法，提出一种轨道周期性几何不平顺的诊 断和评价方法。首先利用过零点的连续区段轨道几何不平顺极大值和极小值诊断周期性几何不平顺， 并采用高通滤波方法对几何不平顺信号进行处理，避免偏移或趋势项对诊断结果的影响。然后引入敏 感波长反映周期性几何不平顺的基波，提出利用广义能量指数评价周期性几何不平顺的状态。计算广 义能量指数需要用到的关键参数———能量权系数由同步模型和线性回归分析联合产生的放大系数归一 化后得到。与传统的评价轨道几何不平顺的标准差指标相比，广义能量指数与车辆动态响应标准差之 间具有更强的相关性，避免了在波长非敏感条件下出现车辆动态响应与输入系统的轨道不平顺能量大 小不对应的现象。利用某线预设不平顺试验实测的轨道不平顺和车体加速度数据对模型和方法进行验 证，结果表明新的诊断方法能准确有效地找出分布在随机信号中的周期性几何不平顺，同时能较好地评 价周期性几何不平顺状态，并反映其对车辆动态响应的影响随速度变化而变化的特性。 关键词 轨道周期性几何不平顺; 广义能量指数; 轨道质量指数; 能量权系数; 敏感频率 中图分类号 U211． 5 文献标识码 A DOI: 10． 3969 /j． issn． 1003-1995． 2016． 07． 01 收稿日期: 2016-03-10; 修回日期: 2016-05-10 基金项目: 国家国际科技合作专项( 2015DFA81780 ) ; 中国铁路总公司 科技研究开发计划( 2015T003-B) ; 中国铁道科学研究院基金 ( 2014YJ056) 作者简介: 刘金朝( 1971— ) ，男，研究员，博士。 作为轮轨系统的激扰源，轨道几何不平顺是引发 机车车辆振动和产生轮轨动作用力的主要原因。其对 车辆和轨道部件的寿命、列车运行的安全性、平稳性、 舒适性以及环境噪声等均有重要影响。目前国内外对 轨道几何不平顺的管理主要采用幅值管理和轨道质量 指数( TQI) 管理［1-4］ ; 有些国家还利用车辆动态响应， 包括车体加速度和( 或) 轮轨作用力辅助评判轨道平 顺性状态。从发展趋势看，结合轨道几何不平顺和车 辆动态响应评判轨道状态越来越受到重视［5-8］。 按照轨道几何不平顺的谐波特征，可将其分为周 期性不平顺和非周期性不平顺 2 种。周期性不平顺的 特征是多波连续，基波的波长相同，幅值具有随机性。 非周期性不平顺的波长各不相同，无明显的基波。等 跨度多跨桥梁挠曲变形、有缝线路低接头、无缝线路焊 缝不平等引起的高低不平顺均具有幅值随机变化均值 不为 0 的周期性不平顺特征。轨道几何周期性不平顺 的基波在功率谱图中显示为突出的尖峰。 利用轨道几何不平顺幅值和 TQI 已开展了大量评 价轨道随机几何不平顺并指导养护维修的研究［9-10］， 但是如何描述轨道几何周期性不平顺的特征并定量分 析其对轨道-车辆系统动力学性能的影响的报道还非 常少。黎国清等［11］ 通过对简支梁徐变上拱成因及其 引起的轨面高低不平顺变化特性的分析，发现在开通 运营后的前 2 年桥上高低不平顺幅值年均变化量较大 而后期逐渐缩小。杨飞等［12］ 结合统计方法和动力学 仿真技术对成灌城际铁路桥上周期性不平顺的成因和 发展规律进行了分析，发现混凝土的收缩、徐变以及桥 梁刚度偏弱是产生桥上周期性高低不平顺的主要原因。 相比于轨道随机几何不平顺，对于周期性几何不 平顺的评价，除了要考虑幅值的大小外，还需要考虑轨 道几何不平顺的波形结构特征。由波长、速度和频率 的换算关系可计算得到周期性轨道几何不平顺的特征 频率，当其与车辆的敏感频率相等时将导致机车车辆 产生较剧烈的周期性振动。文献［13-14］借鉴能量集 中率的思想，提出综合评价轨道-车辆系统动态特性的 广义能量指数( GEI) ，并引入能量权系数表征不平顺 的敏感波长成分对轨道-车辆系统动力学性能的影响， 并成功应用于钢轨波浪弯曲不平顺分析和车辆异常振 动原因诊断。 本文借鉴转向架蛇行稳定性的评判方法［15］，给出 一种周期性几何不平顺的自动诊断方法。然后引入 GEI 定量评价周期性几何不平顺对轨道-车辆系统动 力学性能的影响。最后，利用某线预设不平顺试验高 1