基于1D-CNN的无砟轨道CA砂浆脱空识别

为解决水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)脱空位置识别的难题,提出考虑CA砂浆脱空的无砟轨道模型建模与计算方案。首先,基于CRTS I型板式无砟轨道“梁-板-板”建模理论,使用非线性弹簧模拟CA砂浆脱空病害,输入扣件支点反力作为模型的激励,得到监测点位的垂向加速度数据集。其次,通过对数据集缩放、添加噪声的方式进行数据增强,增强数据集的差异,以增强识别模型的泛化性,获得更加准确的识别结果。最后,建立脱空病害的识别方法,搭建一维卷积神经网络(1D-CNN)进行CA砂浆的脱空位置识别,构建准确率、查准率和查全率等评价指标评估识别结果,使用t-SNE降维算法对结果进行可视化。对比其他3种神经网络的表现,探讨1D-CNN应用于CA砂浆脱空位置识别的优势。研究结果表明:“梁-板-板”模型反映了无砟轨道的力学本征,用于CA砂浆脱空问题的仿真模拟是可行的;通过对数据集信号缩放、添加噪声的方式进行数据增强可提高深度学习模型的性能;从深度学习的角度来看,CA砂浆脱空发生在板中造成的危害较小,应重点关注板端CA砂浆脱空的养护与维修问题;1D-CNN相比其他3种模型运算时间短,在CA砂浆脱空位置识别数据集上优势更大,识别准确率可达95%以上。研究结果为进一步提高无砟轨道结构监测的自动化和智能化水平提供参考。

高速铁路0.01~1 m波段高低轨道不平顺特性分析

随着我国高速铁路发展规模的不断扩大及运营速度的不断提升,轨道短波不平顺引起的振动与噪声问题日益严重。深入研究高速铁路短波不平顺的时域、频域与时频域特征,对精准掌握高速铁路轨道短波平顺状态及其引起的车-轨系统振动、伤损等一系列问题具有重要的参考价值。以某高速铁路实测0.01~1 m波段轨面高低不平顺数据为研究对象,经过数据预处理剔除异常值并消除趋势项后,对实测不平顺数据进行时域分析,得到该高铁线路短波不平顺数据的统计与分布特性。采用平均周期图法计算该高铁线路轨道短波不平顺功率谱密度,应用非线性最小二乘拟合优化算法进行拟合,提出高速铁路轨道短波不平顺谱。从时频域角度对该段数据进行经验模态分解与希尔伯特变换,分析该高铁线路短波不平顺的希尔伯特谱与边际谱。研究结果表明:该高铁线路轨道短波不平顺数据各统计量幅值都较小,且近似服从正态分布;该高铁线路轨道短波不平顺功率谱密度存在与钢轨波磨有关的多个周期性成分,提出的高速铁路短波不平顺谱函数能够很好地对实测功率谱密度进行拟合,且拟合效果优于经典的SATO建议的短波谱与50 kg/m钢轨的短波谱;对该高铁线路轨道可能存在的短波病害进行识别与定位,时频域分析的方法可以较好地应用于高速铁路轨道平顺性的分析与日常的管理维护。

基于离散元的有砟道床防震加固措施研究

地震对轨道结构构成了巨大而不可避免的威胁,因此需要采取创新的方法来减轻地震对有砟道床的不利影响。提出一种在道床表面铺设土工格栅网,在道床底部0.5 m厚度范围内添加道砟胶的加固方法,该方法可以有效改善轨道系统的抗震性能,减小地震造成的损害。首先,基于离散元法建立有砟轨道模型,可计算获得道床的横向阻力和垂向刚度,并与现场试验结果对比,验证所构建道床离散元模型的准确性。其次,在准确的模型基础上实施加固措施,通过给道床表面添加粒径相同的球体颗粒来模拟土工格栅,同时将道床底部0.5 m范围内的道砟颗粒黏结模型修改为平行黏结模型,据此构建道床加固后的离散元模型。详细对比加固前后道床的力学性能。结果表明:提出的加固措施显著提高了道床的垂向刚度,使得道床在地震时更能够抵抗竖向振动力,虽然对道床横向阻力的提升较少,但这一结果仍具有积极意义,尤其在地震冲击下;加固后的道床在横向和纵向位移以及应力方面都有明显改善,降低了道砟颗粒粉化的可能性,提高了道床的整体稳定性;道砟胶的黏结作用减小了底部道砟的竖向位移和竖向速度,有助于减小地震引起的损害。研究为减小地震对有砟道床的不利影响提供了有力的科学依据,加固措施在提高道床的抗震性能方面有较好的效果。

基于离散元研究裂缝对轨枕动力特性的影响

为研究具有内部缺陷的混凝土轨枕对轨道结构动力特性的影响,采用PFC软件建立二维混凝土轨枕模型,对其施加正弦循环荷载。在左侧钢轨下方的轨枕内部中心线设置横向、竖向裂缝,并考虑3个不同幅值荷载的作用,对比不同内部缺陷和幅值荷载下钢轨、轨枕的动力响应。研究结果表明:对于均匀弹性基础上的轨枕,钢轨下方区域轨枕内部缺陷对钢轨的动力响应几乎无影响;只有裂缝周围的轨枕局部动力特性会受到影响,横向裂缝会导致裂缝下方轨枕的位移减小,竖向裂缝会导致裂缝周围局部位移增大,但影响很小;裂缝区域轨枕速度差别不大,但裂缝区域轨枕加速度幅值有突变,最大值约为无裂缝轨枕加速度的1.5倍,并且横裂缝轨枕的局部加速度幅值比竖裂缝的大;随着荷载幅值增加,裂缝对轨枕局部动力响应的影响加剧;采用离散元构建的非均质混凝土轨枕模型可以模拟带缺陷混凝土轨枕的相关问题,其得到的数值解可靠。

不同累积概率不平顺状态下轨道板离缝损伤研究

为明晰线弹性模型与非线性损伤塑性模型在无砟轨道不同状态下的适用范围,研究层间离缝纵向扩展过程中轨道板在列车动荷载作用下的损伤萌生扩展规律,基于ABAQUS有限元软件建立CRTSⅠ型板式无砟轨道空间实体模型,以不同累积概率不平顺状态下的扣件支点压力作为荷载激励,分别采用线弹性模型与非线性损伤塑性模型描述轨道板混凝土应力-应变关系,对比分析整体轨道板在2种本构模型下的受力状态,分析其在轨道板-CA砂浆层层间离缝状态下的动力损伤规律。研究结果表明:在轨道结构正常状态下,各累积概率不平顺状态下的轨道板纵、横向拉应力水平较低,可采用线弹性模型简化计算;层间离缝状态下,轨道板上表面将承受较大拉应力而使轨道板受力进入塑性软化阶段,此时可采用非线性损伤塑性模型描述轨道板损伤的萌生、扩展过程。10%~90%累积概率不平顺状态下,轨道板损伤萌生所需离缝纵向长度处于820~890 mm之间,99%累积概率下仅需580 mm。轨道板损伤首先产生于第2组承轨台周围的轨下对应区域,随离缝纵向发展同时向板中与板边扩展直至贯通;轨道不平顺状态越差,轨道板损伤萌生与达到最大拉伸损伤所需离缝纵向长度越小。损伤所产生的塑性应变将引起轨道板几何状态的改变,进一步恶化轨道不平顺状态,造成轨道板损伤-轨道不平顺加剧的恶性循环。

高速铁路0.01~120 m波段轨道不平顺功率谱密度函数的构建

目前国内外铁路轨道不平顺功率谱密度(power spectral density, PSD)函数的表达式多种多样,但因检测仪器有效测量范围有限,其表征波段范围往往较窄,常以短波、中波或中长波等形式呈现,因此,开展更宽波段轨道不平顺功率谱密度函数的研究对铁道工程领域的科学研究和工程应用具有参考价值。本文对波磨小车与综合检测列车测得的高速铁路轨道(面)不平顺数据进行预处理,采用改进的周期图方法计算和分析其功率谱密度,总结其宽带和周期性成分特征;基于计算所获得的中位轨道不平顺功率谱密度,提出短波[0.01,1) m、中长波[1,120] m以及更宽波段0.01~120 m的轨道不平顺功率谱密度函数的拟合公式,并将本文提出的拟合谱与既有的典型谱进行比对分析。研究结果表明:高速铁路功率谱密度存在多个周期性成分,短波不平顺周期性成分主要与钢轨接头以及波磨相关,中长波不平顺周期性成分主要与无砟轨道结构和32 m简支梁桥的构造形式有关;所提出的短、中长波以及0.01~120 m波段的拟合公式能够很好地表征轨道不平顺功率谱密度的宽带波长特性,且参数少,形式简洁,适用性强。

循环直剪试验对道砟剪切性能影响的研究

研究目的:为研究循环剪切对道砟颗粒的影响,采用离散元法对道砟进行大型直剪试验仿真,根据试验数据验证模型的正确性,并在此基础上对其进行双向循环剪切,模拟并分析循环剪切、法向荷载、脏污程度等各种工况对道砟应力应变、剪胀、接触力分布各向异性等性能的影响。研究结论:(1)道砟的剪切应力随法向荷载的增大而增大,随污染程度的增大而减小;(2)循环剪切后,道砟颗粒的分布更加密集,即经过循环剪切的道砟集料体积压缩量随法向荷载、污染程度、循环次数的增多而加大;(3)不同循环次数、不同脏污程度下,道砟颗粒间法向接触力分布呈“8”字形、切向接触力分布呈“X”形;(4)法向和切向平均接触力大小均与法向加载力呈正比,与脏污程度和循环次数呈反比,即道砟脏污和循环作用会降低颗粒间的法向和切向接触力,弱化道砟颗粒的力学性能,增加其恶化的可能性;(5)本研究结论可应用于有砟轨道方面的研究。

基于离散元法的钢轨粗糙型面构造及其分形特性

铁路中常用的钢轨由于制作工艺、轮轨相互作用、腐蚀等多方面的因素,导致其表面是粗糙而非光滑的。为了更加精确地表征钢轨的粗糙程度,提出一种基于离散元法构建钢轨粗糙外表型面的方法。首先,通过钢材抗拉强度试验仿真验证选取的离散元力学参数和模型的可靠性,根据规范绘制钢轨的几何轮廓,并在此基础上用不同粒径的球体颗粒填充钢轨的几何图形,实现对钢轨粗糙型面的离散元模拟。其次,对具有粗糙型面的钢轨离散元模型进行图像处理,识别钢轨的粗糙轮廓线。然后,对钢轨轮廓线进行数据提取和坐标标定,获得钢轨粗糙轮廓线的坐标数据,以便进行后续的分析和处理;最后,构造轮轨接触区钢轨顶面的凸峰高度曲线,选定评定长度(40 mm)和取样长度(8 mm),分析其范围内外表型面的粗糙度和分形维度。研究结果表明,运用离散元法建立的具有粗糙型面的钢轨模型具有分形特性;从评定长度和取样长度2方面计算得到的钢轨粗糙度和分形维数分别相差1.46%和0.15%。运用离散元法可以模拟钢轨的粗糙型面,并且该方法是可行的。基于离散元法模拟钢轨的粗糙轮廓的方法,为进一步研究提供了新的思路,具有一定的参考价值和工程意义。

基于离散元法的钢轨力学性能定性分析

为了更好地了解钢轨的本质特征,分析钢轨在列车荷载作用下的响应以及裂纹的萌生与变化规律,采用离散元法构建钢轨静力学分析模型并研究其静力学特性。通过抗拉强度试验仿真,验证离散元力学参数的可行性;在此基础上,对横纵断面钢轨的最不利状态进行静力加载分析,并进一步探究车轮垂向位移对钢轨裂纹演变规律的影响。研究结果表明:静力加载时,轮轨接触力主要由作用点附近的钢轨颗粒承担,距离作用点较远的钢轨内部颗粒承担的荷载较小;随车轮向下移动,初始阶段钢轨轨头出现小量倾斜,接触面增大而接触应力减小;随车轮位移增加,钢轨轨头和轨腰逐渐出现裂纹,并且裂纹不断扩展;在纵断面钢轨接头处,随车轮垂向位移增加,钢轨承担的荷载由轨头转向轨腰,轨底所承担的轮轨接触力较小;当车轮通过钢轨接头时,由于其对轨缝两侧钢轨分配的荷载不均匀,接头容易产生病害。

改进弹性支承块式无砟轨道力学性能研究

受列车振动与温差、风雨洗刷作用,弹性支承块式无砟轨道出现橡胶套靴老化离缝、轨枕破损及翻浆冒泥等病害。为加强结构界面黏结整体稳定性并降低破损劣化,提出采用“双层非线性减振扣件+预制短轨枕”进行弹性短轨枕结构原位换铺的道床改造方案,将道床减振改造为扣件减振并简述了轨道结构整治施工工艺。在此基础上,进行换铺前后轨道结构振动力学性能研究与受力特性分析,结合运营实际总结了整治效果。研究结果表明:采用预制短轨枕方案进行原位换铺的施工工艺为拆除破损弹性短轨枕、道床坑凿毛、安装新预制短轨枕及减振扣件、钻孔植筋、除尘灌浆等序列工序,可保证铺设精度,加快施工进度;采用具有枕下橡胶垫层的弹性短轨枕轨道结构其减振性能更为优良,但枕下弹性橡胶垫层易老化失效,应重点维护橡胶套靴与道床坑结合面黏结密封性,避免短轨枕-橡胶套靴-混凝土道床之间剥离而造成结构松动;改造后采用双层非线性减振扣件的轨道各结构垂向位移均有所减小,轨道结构线路形位更为优良,但道床板结构的垂向加速度增幅86.9%;改造后的轨道结构采用扣件减振整治方案可实施性强,轨道主要结构形位保持能力强,可有效解决弹性短轨枕轨道的相关病害问题。

我国干线铁路通用轨道谱的研究

在对比和分析欧美铁路的轨道谱拟合公式及我国专家学者研究成果的基础上,结合对我国主要干线铁路大量轨道不平顺检测数据的分析和计算,研究并给出能较好表征我国干线铁路轨道不平顺特征的通用轨道谱拟合公式以及通用轨道谱的表达方式。由于我国干线铁路的建设标准差异比较大,采用平均轨道谱表达方式不能很好地表征我国干线铁路的轨道质量状况,而采用分级形式的轨道谱则能够更好地表征我国众多干线铁路的轨道不平顺特征;根据我国干线铁路的行车速度,建议将我国干线铁路轨道谱划分为3个等级,即200km.h-1等级提速线路轨道谱、160 km.h-1等级提速线路轨道谱和120 km.h-1及以下普通线路轨道谱。

秦沈客运专线轨道谱评判方法的研究

基于2004年1月至2005年4月轨道不平顺检测数据,利用Welch改进周期图算法,分析了秦沈客运专线轨道不平顺的功率谱密度,得出平均意义上的最大值、建议值和最小值。参考国内外成熟的轨道谱线表达形式,结合试算结果,得到表达秦沈客运专线轨道谱的拟合曲线公式,并应用非线性最小二乘拟合优化算法,获得拟合轨道谱表达式的参数。据此,提出秦沈客运专线轨道不平顺功率谱质量的评判方法。该方法将轨道谱图划分成A、B、C、D4个区域,依次定义为优秀、良好、合格和不合格轨道谱线区域。这样,对于一条给定的轨道谱线,就可依此方法来评定其质量,如落入A区的部分谱线为优秀轨道谱,落入B区的部分谱线为良好轨道谱等。

我国干线铁路轨道平顺性评判方法的研究

基于近年大量轨道不平顺检测数据得出铁路线路的轨道不平顺功率谱密度(PSD),从定性和定量2个方面对轨道不平顺性的评判方法进行研究。基于按我国干线铁路运行速度等级建立通用PSD的思路,研究并提出我国200,160 km.h-1等级提速线路和120 km.h-1普通线路的轨道平顺性的定性评判方法,将计算得到的线路PSD的上下包络谱定义为上下限界谱,所需评价线路的PSD谱线越靠近下限界谱,则该轨道的平顺性越好,反之,则越差。由于不同线路及不同区段的轨道质量参差不齐,PSD谱线的分布范围非常大,基于轨道谱分级管理的方法,研究并给出定量评判我国干线铁路轨道平顺性的方法,通过分析计算干线铁路5级PSD谱线,将干线铁路PSD谱图从下向上依次划分为A—F共6个区域,并对应定义为优秀、良好、较好、一般、较差和极差PSD谱线区的等级。

用于铁路轨道不平顺预测的综合因子法

根据轨道结构存在的不平顺特征及其形成原因,提出基于数字统计理论、信号处理理论和轨道不平顺检测数据的综合因子法,对各类轨道不平顺的发展趋势进行预测,为铁路线路的维修提供参考依据。方法的核心思想是基于对同一地段轨道不平顺变化规律相近的认知,即轨道在线路脆弱的地方会更脆弱,在不平顺幅值较大的地方其不平顺发展也相应较大。综合考虑影响轨道不平顺发展的众多因素,如轨道系统各部件的材料影响、铁路施工以及各种运营条件、环境因素等,将这些影响因素共同作用后的整体效果反映在构建的预测模型中,给出相应的综合因子和随机量的参数矩阵,并建立轨道不平顺管理的分级概念。计算结果表明,综合因子法能够较好地预测轨道不平顺的变化。

中国干线铁路轨道谱的拟合方法

为获得能够合理表征中国干线铁路轨道不平顺特征的轨道谱,提出了一种轨道谱拟合方法。根据轨道不平顺检测数据计算实测轨道谱,对实测轨道谱进行平滑与插值预处理,采用直接剔除法、三点逐段平均法和包络平均法消除计算轨道谱波形上出现的较大凸凹波形,应用3次样条插值法提高拟合的精度,利用非线性最小二乘优化算法拟合轨道谱。拟合结果表明:所提出的拟合方法是可行的,拟合谱能够较好地反映中国干线铁路轨道的不平顺特征。

基于小波分析理论的轨道不平顺分析

研究目的:利用非平稳信号处理方法——小波分析方法分析局部轨道不平顺特殊波型、轨道不平顺病害的识别以及轨道不平顺功率谱分析等,以深化对轨道不平顺特性的认识。研究结果:利用小波分析方法可以较好地辨识轨道随机性不平顺中隐含的有规律的波形,如正弦、三角形波等;利用小波分析方法可以较好地对轨道局部发生的高频病害进行检测;通过小波分解,可以识别不同波长范围内突出的不平顺(特征不平顺),为进而提取这些不平顺做深入研究提供了便利。由此可见,利用小波分析理论从时频角度分析轨道不平顺,是一条保障铁路安全运营的新技术途径。

武广客运专线通用轨道谱及其反演简化算法

基于铁路轨道精细化管理的需要,针对武广客运专线2013年全年的轨道不平顺检测数据进行功率谱密度的计算与统计处理,采用新的4参数拟合公式,建立武广客运专线上、下界限谱和建议谱的通用谱结构及拟合参数。同时,出于车-轨(桥)系统动力仿真的需要,基于国内已较为成熟的谱密度反演算法,考虑谱密度时频域转化的统一性,提出在获得谱密度结构及拟合参数的基础上,直接模拟任意波段及长度的轨道不平顺空间序列的简化算法。

高速铁路(京沪、沪宁、沪杭线)轨道不平顺谱分析

利用改进的Welch周期图法计算了京沪、沪杭、沪宁等高速铁路的轨道不平顺功率谱密度,从波长和幅值2个角度分析其轨道不平顺特征,并对成因进行探析;利用相干理论对轨道不平顺与车体振动加速度进行分析,探讨高速线路轨道不平顺引起的车体不利波长。研究结果表明:京沪、沪杭、沪宁高速铁路普遍存在2.8～2.9,6.45～6.5,24～25和32～33m不利波长范围的周期性轨道不平顺;高速铁路高低不平顺对车体垂向加速度影响显著;各高铁线水平和扭曲不平顺对车体垂、横向振动不利波长主要为2.0～3.5m窄带周期性波长。

秦沈客运专线轨道谱的研究

基于2004年和2005年前4个月秦沈客运专线轨道不平顺检测数据,利用Welch改进周期图算法,进行了功率谱密度(Power Spectrum Density)分析计算,获得了秦沈客运专线轨道不平顺的功率谱密度。参考国内外成熟轨道谱线,提出了轨道不平顺功率谱的拟合谱,采用最小二乘拟合优化算法,求得拟合谱表达式的参数。

青藏铁路轨道不平顺谱研究

利用较为完备的青藏铁路轨道不平顺实测数据,将概率论方法较为系统的用于青藏铁路轨道不平顺谱研究,对不同波长的功率谱密度样本进行广义极值分布函数拟合、参数估计及假设检验分析。在此基础上,对青藏铁路的线路几何状态及轨道不平顺谱线特征进行分析;采用Levenberg-Marquardt法及铁科院7参数公式对青藏铁路轨道不平顺统计平均值谱进行公式拟合及参数提取;结合广义极值分布函数的参数估计值,提出由轨道不平顺统计平均值谱向任意百分位谱转换的方法。研究结果表明:青藏铁路轨道不平顺不同波长下的谱密度值均服从广义极值Ⅱ型分布(Frechet分布);轨道高低和轨向不平顺谱线呈现复杂的窄带和周期波谱特征,其轨距不平顺状态基本处于德国高干扰谱和美国六级谱之间,应该作为重点关注的不平顺类型;结合不同波长谱密度的概率分布规律,建议在统计平均值谱的基础上,融合尖峰谱线特征,以便提供更为合理的动力仿真激励输入谱。