基于多源检测数据分析与模型仿真的道岔状态分析及评价研究

来源 :中国铁道科学研究院 | 被引量 : 2次 | 上传用户:wolfcner
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作为轨道结构中的重要组成部分,道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路设备,其集成了轨道结构中的各项薄弱环节,是公认的反映铁道工程行业技术水平的重要标志。据统计,截至2019年末,中国高速铁路总里程达3.5万公里,共计铺设八至九千余组正线道岔,其中国产道岔占比大约为80%,总体运营状况良好。但道岔区的结构损伤及机械性故障等病害问题也偶有发生,给乘车的舒适性及列车运行的稳定性造成了不良影响。目前,铁路技术发达的国家相继研制开发了大型轨道检测设备对轨道进行质量检测及状态评价,使得利用数据分析手段智能化综合评价道岔状态成为可能。基于此,本文利用道岔-车辆动力学仿真以及数据分析手段,基于多源检测数据对道岔结构状态评价方法进行研究。针对道岔区段复杂的轮轨关系问题,提出融合三维曲面轮廓投影、FFTCONTACT算法的道岔区段轮轨滚动接触计算方法。该方法综合利用迹线法、曲面轮廓投影以及法向量迭代修正的手段求解道岔区段三维轮轨型面接触几何问题,并以边界元理论为基础,针对描述接触位移与接触力关系的Bossinesq和Cerruti公式,利用Fourier变换与共轭梯度算法相结合的方法在频域内对轮轨接触力进行求解。在保证轮轨接触力计算准确性的前提下显著提高了计算效率,并在此基础上利用道岔-车辆系统动力学仿真模型研究了列车在道岔区段的动态响应特性。针对线路实际里程与不同检测系统所测得的里程之间的不一致问题,提出了基于5点迭代算法(Five Point Iteration Method,FPIM)的里程偏差快速修正方法,并以此为基础构建了轨道几何(Track Geometry Measurement,TGM)、车辆动态响应(Vehicle Dynamic Measurement,VDM)以及移动式线路动态加载车(Track Loading Vehicle,TLV)的里程偏差修正模型。通过对比传统逐点计算方法与FPIM的计算效率,选择某次由于外部环境导致综合里程定位系统无法接受里程信息的检测数据进行验证,实例中修正后的VDM数据里程与真实里程接近,误差在3 m以内。同时相比于传统相关性分析方法,在保证里程偏差修正准确性的前提下节省计算时间达85%以上,效果显著,为大量检测数据里程偏差修正的快速工程分析提供了一个切实可行的手段。针对频率成分复杂信号的时频分析问题,提出了基于集合经验模态分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)的自适应同步压缩短时Fourier变换方法。该方法首先利用EEMD将信号分解为多个固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF);之后通过利用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform,STFT)求解每个IMF的Renyi熵,确定其最佳窗长;最后以该窗长对各个IMF进行同步压缩短时Fourier变换(Synchrosqueezing Short Time Fourier Transform,SSTFT),获得各个IMF的时频分布。该方法有效提高了时频分析方法的分辨率,使频率成分复杂的轨道检测数据中的各个信号成分能够清晰呈现。经车辆动态响应数据验证,道岔区段轴箱振动加速度数据能够很好地反映岔区各焊接接头、尖轨以及心轨等典型结构处的高频振动冲击特性,其响应频率主要集中分布于200~350Hz,同时伴随部分能量分布于550~600Hz范围内;而轮轴横向力能够更好地反映轮对在道岔转辙区及辙叉区等不同区段的较低频振动特性。同时,相比于转辙区,辙叉区轮对会产生相对更高频率的横向振动,其响应频率分布于50~60Hz、125Hz以及160~180Hz范围内。在对道岔钢轨状态进行诊断评价过程中,可根据实际的问题需要选择适当的检测数据对其进行分析。针对道岔的通过性能评价,综合轨距、单边轨距、速度以及曲率信息,实现了对道岔尖轨尖及心轨尖的精确定位,以及对道岔开向和列车的通过方式(直向/侧向)的准确判断;结合车体、构架及轮对在道岔区段的动态响应数据统计学特性,提出基于道岔通过指数(Turnout Passing Index,TPI)的道岔通过性能综合评价方法。经实测数据及现场复核验证,该方法能够有效提高病害道岔的识别准确率,为道岔的养护维修提供科学的参考依据。针对TLV所测得的轨道变形数据,提出了基于多分辨率分析的自适应信号平滑方法。在保留反映轨下结构的中长波成分的基础上有效消除由于焊接接头高频冲击特性所造成的数据高频冲击成分的影响。通过对高速无砟铁路、普速有砟铁路以及重载铁路典型道岔区段轨道刚度检测数据的时频分析,发现高速无砟铁路道岔区段轨道刚度不平顺检测数据的主要能量成分分布于0.15-2(1/m)范围内,其中以道岔板所对应的波长为主;普速有砟铁路与重载铁路轨道刚度不平顺检测数据中主要能量成分分别分布于0.05-0.4(1/m)和0.03-0.4(1/m)范围内,推测主要由道砟等轨下结构的刚度变化所导致。在此基础上,提出了轨道刚度能量指数,用于评价道岔区段包括扣件、道岔板、有砟道床等结构的轨道刚度状态评价指标。经过对实测数据的分析以及现场反馈存在病害道岔的验证,轨道刚度能量指数能够很好地反映道岔区段轨下结构相关的病害问题,为道岔状态的全面诊断提供可靠依据。
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