【摘 要】
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随着列车速度的增加,为了满足行车安全性和运行稳定性要求,我国铁路广泛采用无缝钢轨。由于无缝钢轨被扣件牢牢固定在道床上,不能自由伸缩,钢轨内部会产生温度力。温度力过大会有断轨或跑道的危险。现有温度力测量方法不能精确测得局部区间钢轨温度力的绝对值。如何精准测量钢轨内部的温度力,成为铁路部门亟需解决的重大问题。本文基于钢轨振动特性研究钢轨高阶振动模态和温度力间的映射关系,主要研究内容如下:(1)建立了钢
【基金项目】
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国家自然科学基金青年基金“基于非参数化模型的高铁钢轨振动系统实时识别研究”(批准号:51705340);
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随着列车速度的增加,为了满足行车安全性和运行稳定性要求,我国铁路广泛采用无缝钢轨。由于无缝钢轨被扣件牢牢固定在道床上,不能自由伸缩,钢轨内部会产生温度力。温度力过大会有断轨或跑道的危险。现有温度力测量方法不能精确测得局部区间钢轨温度力的绝对值。如何精准测量钢轨内部的温度力,成为铁路部门亟需解决的重大问题。本文基于钢轨振动特性研究钢轨高阶振动模态和温度力间的映射关系,主要研究内容如下:(1)建立了钢轨-扣件-轨道板有限元模型,理论研究了轨道参数对钢轨单阶模态的变化规律。通过理论分析典型频率与温度力、扣件间距、扣件刚度和弹性模量间关系。结果表明,钢轨模态与温度力间呈线性关系,温度升高,频率降低;扣件间距、扣件刚度和钢轨弹性模量均会对钢轨模态产生影响,由弹性模量引起的模态频率变化最大,由扣件间距引起的模态频率变化次之,由扣件刚度引起的模态频率变化最小。(2)理论研究了 500Hz-3000Hz范围内多阶频率变化统计性特征与轨道参数间的关系。通过理论分析恒定轨道参数和正态分布轨道参数对钢轨模态的影响,结果表明,多阶频率变化统计性特征可以明显降低扣件间距和扣件刚度对钢轨模态的影响;钢轨弹性模量改变会使得多阶频率变化统计性均值趋向平稳。(3)推导出基于贝叶斯的轨道自振频率均值和方差置信区间的数学表达式。假定测得的频率服从正态分布,频率的方差服从逆伽马分布,均值是以方差为条件概率的正态分布,基于贝叶斯框架推导出均值和方差的数学表达式。仿真和试验均表明,利用所得公式可提高参数估计精度,能够在小样本条件下,精准测得轨道自振频率。(4)实验研究利用钢轨高阶模态统计性特征测量锁定轨温方法的可行性。通过在钢轨综合实验平台开展拉伸和日照实验,结果表明:多阶频率的统计性特征可以抵消轨道参数对频率的影响;多阶频率均值和温度力间呈线性关系,线性敏感系数为0.7Hz/℃。本文理论和实验证明了利用钢轨高阶模态统计性特征可以忽略轨道参数对模态变化的影响,测得钢轨锁定轨温,阐明了解决无缝钢轨温度力测量问题的有效技术途径,具有重大的工程应用价值。
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