轨道不平顺谱密度分布研究

轨道不平顺谱密度分布研究

随着列车速度的提高，轨道不平方根对列车的动态影响减弱。不同的轨道不平顺类型对列车动力作用的影响也不相同。不同的列车运行条件,同一轨道不平顺对车辆的动力影响也不一样。在不同运行条件下,合理地控制轨道不平顺类型、波长和幅值,从而提高列车运行品质,提高工务部门对线路的维修养护效率,是当前铁路工务部门需解决的重要问题。1轨道不偏差轨道不平顺按类型分为方向、高低、轨距和水平不平顺。有些不平顺并非独立,而是相互依存。如方向不良的轨道,则一定存在轨距不平顺;同样,如果高低不平顺的轨道,则也一定存在水平状态不良。轨道不平顺的两个重要参数是幅值和波长。目前在对轨道不平顺的管理中,对幅值的控制较为重视,也有有效的措施,而对波长的控制则显得较为薄弱,在列车提速条件下,更为突出。不同波长的轨道不平顺对列车的运行影响不相同。1.1加速度功率谱密度轨道不平顺是车辆振动的主要激振源。图1是实测的轨道高低不平顺功率谱,图2是轨检车车体垂向振动加速度功率谱密度。从图1和图2可知,车体振动加速度与轨道不平顺有相同的频率结构。随着列车速度的提高,如空间频率不变,则时间频率提高,所以轨道不平顺对不同的列车速度影响不同。仿真计算和高速列车的运行和现场实测都表明,随着列车速度的提高,对车辆振动影响的轨道不平顺不利波长也随之增长。1.2轨轨噪声的分布我国对铁路噪声的研究较少,美国联邦运输管理局(TheFederalTransitAdministration)对车厢噪声进行的测量发现,钢轨打磨前后的噪声水平最大相差15dB(A),如图3所示。德国的铁路专家也认为,当列车速度大于160km·h-1时,钢轨打磨前后的轮轨噪声相差10dB(A)以上。轮轨噪声分滚动噪声、冲击噪声和啸叫噪声,其中滚动噪声与轨面短波连续不平顺具有密切关系。1.3列车速度的影响轨面不平顺直接影响到轮轨动力作用的大小。随着列车速度的提高,对轨面的平顺状态要求更高,其中一个主要目的是减小轮轨的高频冲击力和低频准静态力,提高轨道结构部件和车辆部件的使用寿命。2轨道不期容量统计方法目前我国铁路对轨道单独不平顺的评价采用Ⅰ～Ⅳ级扣分标准,对连续不平顺采用方差求和得出轨道质量指数TQI,轨道不平顺波长在这两种评价指标没有得到反映。研究表明,轨道不平顺波长对车辆运行的平稳性和安全性有较大的影响。美国、英国、德国等国家根据本国铁路的等级和线路条件,以大量统计分析得出的轨道不平顺标准功率谱密度对线路的不平顺进行控制。我国铁道科学研究院也通过对我国铁路干线的轨道不平顺测量,得出我国铁路轨道不平顺的干线谱。近几年,根据我国高速铁路发展的需要,又提出了高速低干扰谱。对轨道不平顺分析的目的是利用轨检车测得的轨道不平顺数据,了解和掌握轨道不平顺的波长和幅值分布。轨道不平顺分析的主要内容是,根据计算得到功率谱密度分布函数,利用不平顺功率谱来判别轨道的平顺性,根据测得的车体振动加速度确定引起车辆振动加速度增大的不利波长,分析研究各波长轨道不平顺的发展趋势,轨道维修养护对减小轨道不平顺的贡献等。进行各种类型轨道不平顺计算功率谱结果与标准轨道不平顺功率谱线的对比分析,各种类型轨道不平顺的相干分析,各种类型轨道不平顺与车体振动加速度的相干分析等。根据对轨道不平顺的分析研究,提出对线路的相应整治措施,使线路符合列车以规定速度运行的要求,提高工务部门对线路的维修养护效率。3自功率谱的计算功率谱密度函数和相干函数的计算核心是快速傅里叶变换(FFT),FFT是离散傅里叶变换(DFT)的快速计算方法,但数据长度必须为2的整数次方。DFT的定义式为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)是输入序列;N为每段数据个数;WN=e−j2πNWΝ=e-j2πΝ为复指数常数。则自功率谱为Gxx(k)=2T(1f|Xk|)2=2Nf|Xk|2(2)Gxx(k)=2Τ(1f|Xk|)2=2Νf|Xk|2(2)自功率谱的最终计算式如下:G¯¯¯xx(k)=2SNf∑i=0S−1|Xi(k)|2(3)G¯xx(k)=2SΝf∑i=0S-1|Xi(k)|2(3)式中:S为数据段数。平稳随机过程x(t)和y(t)的常相干函数为γ2xy(f)=|Sxy(f)|2Sx(f)Sy(f)(4)γxy2(f)=|Sxy(f)|2Sx(f)Sy(f)(4)式中:Sx(f),Sy(f)分别为系统输入、输出的双边谱;Sxy为系统输入和输出的双边互功率谱。对于理想的单输入单输出定常系数的常相干函数是1。而当输入输出中没有任何传递因素存在时,互谱Sxy(f)=0,则γ2xyxy2(f)=0,输入与输出完全不相干。4数据的显示、分析和结果4.1读数据和显示轨检车测得的数据转换成二进制数据文件,也可转换为ASCII码文件。轨道不平顺分析专用软件将轨道不平顺测量数据读入并显示。4.2标准谱线相干分析根据实测轨道不平顺的类型,如高低、方向等,进行功率谱分析,然后选择相应的标准轨道谱线、对数坐标或是线性坐标、坐标的最大值、最小值等,选择完成后,标准谱线自动叠加在实测轨道不平顺功率谱图上,如图4所示。标准谱线可用美国的6级轨道谱、英国谱或我国铁路的标准轨道谱。通过两者对照,就可判别目前轨道不平顺功率谱密度函数值在哪一波长范围内超过标准谱,哪一范围内小于标准谱,从而客观、准确地评价轨道不平顺的程度。对两项测试数据进行相干分析,可确定两者之间关系的密切程度。如车辆横向振动加速度和轨道方向不平顺之间的相干函数,可显示车辆横向振动大小在多大程度上是由轨道方向不平顺所引起的。图5是轨道左高低和右高低两项轨道不平顺之间的相干函数,可见轨道左高低和右高低的不平顺波长越长,关系密切程度越高(最大达0.8以上),波长越短,两者之间关系的密切程度越低。4.3线路不顺差情况将两组轨道不平顺的功率谱在同一图中显示,如图6所示。通过对比分析,可确定某段线路的不平顺情况与其他区段不平顺情况的差别。图7为相干函数波形。4.4据推导为了对轨道不平顺的分析结果作进一步的分析,需将计算结果导出。数据导出就是将当前子窗口(或活动窗口)图形中的数据以文本文件的格式永久地储存到磁盘上,以便于用其他相关软件进行研究分析、画图等。而图形导出则是直接将当前子窗口的内容以图片文件的形式保存起来。5线路状态评估轨道不平顺是客观存在而不可能消灭,对于铁路工务部门,为保证列车安全平稳地运行,则需保持线路和轨道结构都处于良好状态,而要做到这一点,则需做以下几点工作:1)对轨道不平顺进行检查和测量,测量分为人工测量和轨道检查车测量;2)通过对测量数据的分析研究,确定轨道状态,提出相应的维修养护方案并实施;3)实施养护维修后线路状态的监测,确认线路养护维修后,线路和轨道结构所处的状态;4)对养护维修以后的线路和轨道结构状态评估,对线路及轨道结构养护维修效果评估。在以上几项工作中,重要的是运用线路测量数据对线路状态进行评估。虽然测量数据类型及评估方法