軌道不平順譜密度分布研究

軌道不平順譜密度分布研究

隨著列車速度的提高，軌道不平方根對(duì)列車的動(dòng)態(tài)影響減弱。不同的軌道不平順類型對(duì)列車動(dòng)力作用的影響也不相同。不同的列車運(yùn)行條件,同一軌道不平順對(duì)車輛的動(dòng)力影響也不一樣。在不同運(yùn)行條件下,合理地控制軌道不平順類型、波長(zhǎng)和幅值,從而提高列車運(yùn)行品質(zhì),提高工務(wù)部門對(duì)線路的維修養(yǎng)護(hù)效率,是當(dāng)前鐵路工務(wù)部門需解決的重要問(wèn)題。1軌道不偏差軌道不平順按類型分為方向、高低、軌距和水平不平順。有些不平順并非獨(dú)立,而是相互依存。如方向不良的軌道,則一定存在軌距不平順;同樣,如果高低不平順的軌道,則也一定存在水平狀態(tài)不良。軌道不平順的兩個(gè)重要參數(shù)是幅值和波長(zhǎng)。目前在對(duì)軌道不平順的管理中,對(duì)幅值的控制較為重視,也有有效的措施,而對(duì)波長(zhǎng)的控制則顯得較為薄弱,在列車提速條件下,更為突出。不同波長(zhǎng)的軌道不平順對(duì)列車的運(yùn)行影響不相同。1.1加速度功率譜密度軌道不平順是車輛振動(dòng)的主要激振源。圖1是實(shí)測(cè)的軌道高低不平順功率譜,圖2是軌檢車車體垂向振動(dòng)加速度功率譜密度。從圖1和圖2可知,車體振動(dòng)加速度與軌道不平順有相同的頻率結(jié)構(gòu)。隨著列車速度的提高,如空間頻率不變,則時(shí)間頻率提高,所以軌道不平順對(duì)不同的列車速度影響不同。仿真計(jì)算和高速列車的運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)都表明,隨著列車速度的提高,對(duì)車輛振動(dòng)影響的軌道不平順不利波長(zhǎng)也隨之增長(zhǎng)。1.2軌軌噪聲的分布我國(guó)對(duì)鐵路噪聲的研究較少,美國(guó)聯(lián)邦運(yùn)輸管理局(TheFederalTransitAdministration)對(duì)車廂噪聲進(jìn)行的測(cè)量發(fā)現(xiàn),鋼軌打磨前后的噪聲水平最大相差15dB(A),如圖3所示。德國(guó)的鐵路專家也認(rèn)為,當(dāng)列車速度大于160km·h-1時(shí),鋼軌打磨前后的輪軌噪聲相差10dB(A)以上。輪軌噪聲分滾動(dòng)噪聲、沖擊噪聲和嘯叫噪聲,其中滾動(dòng)噪聲與軌面短波連續(xù)不平順具有密切關(guān)系。1.3列車速度的影響軌面不平順直接影響到輪軌動(dòng)力作用的大小。隨著列車速度的提高,對(duì)軌面的平順狀態(tài)要求更高,其中一個(gè)主要目的是減小輪軌的高頻沖擊力和低頻準(zhǔn)靜態(tài)力,提高軌道結(jié)構(gòu)部件和車輛部件的使用壽命。2軌道不期容量統(tǒng)計(jì)方法目前我國(guó)鐵路對(duì)軌道單獨(dú)不平順的評(píng)價(jià)采用Ⅰ～Ⅳ級(jí)扣分標(biāo)準(zhǔn),對(duì)連續(xù)不平順采用方差求和得出軌道質(zhì)量指數(shù)TQI,軌道不平順波長(zhǎng)在這兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有得到反映。研究表明,軌道不平順波長(zhǎng)對(duì)車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性有較大的影響。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家根據(jù)本國(guó)鐵路的等級(jí)和線路條件,以大量統(tǒng)計(jì)分析得出的軌道不平順標(biāo)準(zhǔn)功率譜密度對(duì)線路的不平順進(jìn)行控制。我國(guó)鐵道科學(xué)研究院也通過(guò)對(duì)我國(guó)鐵路干線的軌道不平順測(cè)量,得出我國(guó)鐵路軌道不平順的干線譜。近幾年,根據(jù)我國(guó)高速鐵路發(fā)展的需要,又提出了高速低干擾譜。對(duì)軌道不平順?lè)治龅哪康氖抢密墮z車測(cè)得的軌道不平順數(shù)據(jù),了解和掌握軌道不平順的波長(zhǎng)和幅值分布。軌道不平順?lè)治龅闹饕獌?nèi)容是,根據(jù)計(jì)算得到功率譜密度分布函數(shù),利用不平順功率譜來(lái)判別軌道的平順性,根據(jù)測(cè)得的車體振動(dòng)加速度確定引起車輛振動(dòng)加速度增大的不利波長(zhǎng),分析研究各波長(zhǎng)軌道不平順的發(fā)展趨勢(shì),軌道維修養(yǎng)護(hù)對(duì)減小軌道不平順的貢獻(xiàn)等。進(jìn)行各種類型軌道不平順計(jì)算功率譜結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)軌道不平順功率譜線的對(duì)比分析,各種類型軌道不平順的相干分析,各種類型軌道不平順與車體振動(dòng)加速度的相干分析等。根據(jù)對(duì)軌道不平順的分析研究,提出對(duì)線路的相應(yīng)整治措施,使線路符合列車以規(guī)定速度運(yùn)行的要求,提高工務(wù)部門對(duì)線路的維修養(yǎng)護(hù)效率。3自功率譜的計(jì)算功率譜密度函數(shù)和相干函數(shù)的計(jì)算核心是快速傅里葉變換(FFT),FFT是離散傅里葉變換(DFT)的快速計(jì)算方法,但數(shù)據(jù)長(zhǎng)度必須為2的整數(shù)次方。DFT的定義式為X(k)=∑n=0N?1x(n)WnkN?0≤k≤N?1(1)X(k)=∑n=0Ν-1x(n)WΝnk?0≤k≤Ν-1(1)式中:x(n)是輸入序列;N為每段數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);WN=e?j2πNWΝ=e-j2πΝ為復(fù)指數(shù)常數(shù)。則自功率譜為Gxx(k)=2T(1f|Xk|)2=2Nf|Xk|2(2)Gxx(k)=2Τ(1f|Xk|)2=2Νf|Xk|2(2)自功率譜的最終計(jì)算式如下:Gˉˉˉxx(k)=2SNf∑i=0S?1|Xi(k)|2(3)Gˉxx(k)=2SΝf∑i=0S-1|Xi(k)|2(3)式中:S為數(shù)據(jù)段數(shù)。平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程x(t)和y(t)的常相干函數(shù)為γ2xy(f)=|Sxy(f)|2Sx(f)Sy(f)(4)γxy2(f)=|Sxy(f)|2Sx(f)Sy(f)(4)式中:Sx(f),Sy(f)分別為系統(tǒng)輸入、輸出的雙邊譜;Sxy為系統(tǒng)輸入和輸出的雙邊互功率譜。對(duì)于理想的單輸入單輸出定常系數(shù)的常相干函數(shù)是1。而當(dāng)輸入輸出中沒(méi)有任何傳遞因素存在時(shí),互譜Sxy(f)=0,則γ2xyxy2(f)=0,輸入與輸出完全不相干。4數(shù)據(jù)的顯示、分析和結(jié)果4.1讀數(shù)據(jù)和顯示軌檢車測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件,也可轉(zhuǎn)換為ASCII碼文件。軌道不平順?lè)治鰧Ｓ密浖④壍啦黄巾槣y(cè)量數(shù)據(jù)讀入并顯示。4.2標(biāo)準(zhǔn)譜線相干分析根據(jù)實(shí)測(cè)軌道不平順的類型,如高低、方向等,進(jìn)行功率譜分析,然后選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軌道譜線、對(duì)數(shù)坐標(biāo)或是線性坐標(biāo)、坐標(biāo)的最大值、最小值等,選擇完成后,標(biāo)準(zhǔn)譜線自動(dòng)疊加在實(shí)測(cè)軌道不平順功率譜圖上,如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)譜線可用美國(guó)的6級(jí)軌道譜、英國(guó)譜或我國(guó)鐵路的標(biāo)準(zhǔn)軌道譜。通過(guò)兩者對(duì)照,就可判別目前軌道不平順功率譜密度函數(shù)值在哪一波長(zhǎng)范圍內(nèi)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)譜,哪一范圍內(nèi)小于標(biāo)準(zhǔn)譜,從而客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)軌道不平順的程度。對(duì)兩項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行相干分析,可確定兩者之間關(guān)系的密切程度。如車輛橫向振動(dòng)加速度和軌道方向不平順之間的相干函數(shù),可顯示車輛橫向振動(dòng)大小在多大程度上是由軌道方向不平順?biāo)鸬?。圖5是軌道左高低和右高低兩項(xiàng)軌道不平順之間的相干函數(shù),可見軌道左高低和右高低的不平順波長(zhǎng)越長(zhǎng),關(guān)系密切程度越高(最大達(dá)0.8以上),波長(zhǎng)越短,兩者之間關(guān)系的密切程度越低。4.3線路不順差情況將兩組軌道不平順的功率譜在同一圖中顯示,如圖6所示。通過(guò)對(duì)比分析,可確定某段線路的不平順情況與其他區(qū)段不平順情況的差別。圖7為相干函數(shù)波形。4.4據(jù)推導(dǎo)為了對(duì)軌道不平順的分析結(jié)果作進(jìn)一步的分析,需將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出。數(shù)據(jù)導(dǎo)出就是將當(dāng)前子窗口(或活動(dòng)窗口)圖形中的數(shù)據(jù)以文本文件的格式永久地儲(chǔ)存到磁盤上,以便于用其他相關(guān)軟件進(jìn)行研究分析、畫圖等。而圖形導(dǎo)出則是直接將當(dāng)前子窗口的內(nèi)容以圖片文件的形式保存起來(lái)。5線路狀態(tài)評(píng)估軌道不平順是客觀存在而不可能消滅,對(duì)于鐵路工務(wù)部門,為保證列車安全平穩(wěn)地運(yùn)行,則需保持線路和軌道結(jié)構(gòu)都處于良好狀態(tài),而要做到這一點(diǎn),則需做以下幾點(diǎn)工作:1)對(duì)軌道不平順進(jìn)行檢查和測(cè)量,測(cè)量分為人工測(cè)量和軌道檢查車測(cè)量;2)通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析研究,確定軌道狀態(tài),提出相應(yīng)的維修養(yǎng)護(hù)方案并實(shí)施;3)實(shí)施養(yǎng)護(hù)維修后線路狀態(tài)的監(jiān)測(cè),確認(rèn)線路養(yǎng)護(hù)維修后,線路和軌道結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài);4)對(duì)養(yǎng)護(hù)維修以后的線路和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估,對(duì)線路及軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修效果評(píng)估。在以上幾項(xiàng)工作中,重要的是運(yùn)用線路測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)線路狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。雖然測(cè)量數(shù)據(jù)類型及評(píng)估方法