用小波分析轨道刚度变化对轴箱加速度的影响

钢轨、轨下垫层、道床的状态对客车的运行具有很大的影响 ,也是最主要的三个因素 .据此运用车辆 -轨道垂向系统统一模型对不同轨道刚度情况下引起的车辆和轨道响应进行了仿真计算 ,并对计算结果进行小波分析和功率谱处理 ,主要分析了钢轨、轨下垫层、道床刚度的变化对客车轴箱加速度的影响 ,同时对用客车轴箱加速度的变化反推道床的刚度状态进行了探索 .结果表明 ,小波分析在检测道床状态中显示了其优越性 .

基于Hilbert-Huang变换的轨道车辆轴箱加速度信号分析

轨道不平顺是影响列车快速、安全运行的重要原因,同时轨道不平顺所引起的列车轴箱加速度变化能够反映轨道不平顺的状态信息。通过希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)对采集到的列车轴箱垂向加速度进行分析,利用HHT能够准确地描述非线性、非平稳信号的时变特征,分析轨道不平顺引起轴箱加速度变化的主要特征频率分布。对轴箱垂向加速度信号EMD分解后时频分析,能够有效地对轨道存在的不平顺位置进行定位,实现轨道区段内一定程度的短波不平顺检测。

便携式轴箱加速度检测系统研制与应用

为了提高轴箱加速度检测系统应用的灵活性,研制了便携式轴箱加速度检测系统。该检测系统能够实时检测线路状态,具有体积小、集成度高、配置灵活、维护方便等优点。便携式采集装置可在高速动态条件下实现加速度传感器信号的高速高精度采集和信号预处理,获取轴箱高频振动响应数据。数据处理平台用于检测项目设置、参数配置、数据处理及波形输出。经现场验证,便携式轴箱加速度检测系统可以满足现场检测平台快速搭建需求,能够有效地检测出车辆轴箱振动加速度,进而分析出轨道短波质量状态,为线路养护维修提供科学依据。

基于轴箱加速度时频域特征的车轮多边形故障识别

机车车轮的多边形化会在轮轨接触的位置引起异常振动,通过轴箱振动加速度的时频特征可以检测出这种异常振动,从而实现对车轮多边形的故障识别。本文首先构建了考虑轮对柔性的刚柔耦合动力学模型,拟合了不同主导阶次的随机多边形车轮多边形样本,样本径跳值均为0.2 mm。其次在频域内对不同阶次的多边形的频谱进行了分析,在时域内对轴箱加速度的均方根值和时域包络谱的峭度值进行了统计,得出了车轮多边形激励下的轴箱加速度时域特征与频域特征。最后在时频与频域特征的基础上提出了一种车轮多边形故障识别流程。经实测轴箱加速度数据验证,该故障识别流程可以有效检测出车轮多边形的阶次,并能有效识别出车轮多边形化的发展程度。

高速铁路钢轨波磨地段轴箱振动加速度时频特征分析

钢轨波磨是一种常见的高速铁路轨道病害。为了研究钢轨波磨参数与轴箱加速度响应时频特征之间的对应关系,从理论上探索通过轴箱振动加速度识别钢轨波磨的可行性,基于车辆-轨道耦合动力学理论建立了考虑车辆主要部件柔性化的刚柔耦合动力学模型。通过与实测数据的对比,验证了模型的准确性;在研究了钢轨波磨参数与轴箱振动加速度时域信号之间因应关系的基础上提出了一种基于VMD-SPWVD的钢轨波磨时频分析方法,并验证了该方法的有效性。研究结果表明,钢轨波磨会对轴箱振动加速度信号产生较大影响;不同波深和波长下的轴箱振动加速度最大值在时域信号中的位置具有随机性;钢轨波磨参数与轴箱振动加速度均方根之间的规律性较为明显,但其作为一种时域指标无法准确定位波磨区段的位置和严重程度;相较于时域分析方法,本文提出的基于VMD-SPWVD的时频分析方法能有效反映钢轨波磨参数与轴箱振动加速度之间的因应关系,时频分析结果能准确得到钢轨波磨的特征频率且不存在干扰成分,能量幅值与钢轨波磨波深之间呈正相关,该方法可以定位波磨存在的区段并能够体现同一区段不同位置波磨的严重程度。最后采用该方法对实测数据进行分析,进一步验证了本文所述方法通过轴箱振动加速度信号识别钢轨波磨的有效性。

基于轴箱垂向振动加速度的波磨谷深值估算方法及应用

针对利用轴箱垂向振动加速度虽可定性、但不可定量评价波磨的问题,结合中国以波磨谷深值作为波磨整治依据的现状,基于中国高铁线路和典型服役车辆参数建立轮轨动力学模型,并采用实测轴箱垂向振动加速度数据进行验证;定义波磨谷深值与波长比值为轨面变化率ξ,统计轴箱垂向振动加速度上包络线累积概率99.73百分位数作为波磨状态表征量A,采用非线性最小二乘法和有理式方程,拟合300 km·h^(-1)速度下40~180 mm波长波磨激励下A与ξ关系式;推导基于高速综合检测列车轴箱垂向振动加速度的谷深值估算式,并在高铁线路上应用谷深估算值评价波磨状态。结果表明:基于实测轴箱垂向加速度得到的谷深估算值与谷深实测值相关系数为0.95,两者均方误差为0.016 mm;采用谷深估算值进行波磨整治决策时的误判率约为9.73%;应用基于高速综合检测列车轴箱垂向振动加速度估算的谷深值既能定性、又能定量地评价波磨状态,还能为波磨整治决策提供技术手段。

铁路轨检车轴箱振动加速度消趋方法的比较

振动测量数据中往往包含了趋势项,这些趋势项对数据的分析会产生很大的影响,尤其在积分过程中,这种影响会进一步放大,所以消除趋势项是数据分析的基本前提。对包含在轴箱加速度中的趋势项进行消除,并进行双积分以达到与轨面高低不平顺进行比较的目的,采用了三种消趋方法进行对比分析的方式,三种消除趋势项的方法(多项式拟合消趋,滤波消趋及小波消趋)对实测数据的分析结果为:多项式拟合消趋不适于轴箱加速度的积分分析,而滤波消趋与小波消趋能适于这种分析,进一步,从波形包络来看,小波消趋与原波形最接近。最后提出了适合于轴箱加速度分析的消趋方法及其相关参数值。

基于轴箱垂向加速度中高频轮轨垂向力软测量模型

利用谱方法和相干函数分析轴箱垂向加速度与轮轨垂向力的频率特性。根据轴箱垂向加速度与轮轨垂向力在波形上具有相似性的特点,采用H1传递函数估计方法和傅立叶变换及傅立叶逆变换,导出轴箱垂向加速度与中高频轮轨垂向力关联的传递函数,建立用于预测中高频轮轨垂向力的软测量模型,并根据相干系数确定了轮轨垂向力软测量模型的适用频率范围为55～90Hz。利用实测的轴箱垂向加速度和轮轨垂向力数据对轮轨垂向力软测量模型进行验证的结果表明,基于轴箱垂向加速度的中高频轮轨垂向力软测量模型具有较高的预测精度,而且简单实用,为诊断和控制轮轨垂向力大值提供了新的分析手段。

基于轴箱振动加速度的钢轨波磨评价方法及应用

通过分析匀速和变速区段不同钢轨波磨状态下轴箱振动加速度数据特征,发现匀速区段轴箱振动加速度响应频率恒定、变速区段响应频率曲线与车辆经过该区段的速度曲线波形呈现相关性。在此基础上,提出基于时间-能量信息的波磨指数和能量因子双指标联合评价方法,用于评价高速铁路钢轨波磨。首先,将轴箱振动加速度进行高通滤波,去除焊接接头区域数据,根据波磨波长分布范围计算钢轨波磨指数;其次,通过钢轨波磨指数筛选出高频振动区段,计算其能量因子;然后,采用1-范数计算钢轨波磨波长;最后,采用快速傅里叶变换对轴箱振动加速度进行滤波,通过频域积分计算钢轨波磨幅值。应用此方法评价某高铁线路钢轨波磨,结果表明:轴箱垂向加速度采样频率在5~10 kHz时,该评价方法对钢轨波磨波长、幅值的定量评价与地面静态测量结果吻合较好。

车轮踏面擦伤形状对轴箱加速度影响的评价

评估车轮踏面擦伤对轴箱加速度的影响是非常重要的。为了弄清旋转车轮与轨道轮在失去接触后发生冲击的机理,首先对装有擦伤轮对的转向架进行台架试验,然后建立仿真模型,并将仿真结果与试验结果进行对比验证。介绍了车轮擦伤的棱边形状对轴箱垂向加速度的影响。

基于振动加速度模态分解与重构的轨道局部不平顺分析方法

低地板轻轨列车的异常振动信号多为非平稳非线性信号,针对传统时频分析方法在非平稳非线性信号处理上的局限,提出将Hilbert-Huang变换(HHT)应用于低地板轻轨列车的异常振动分析研究。针对经典HHT采用的EMD方法存在的模态混叠等困境,提出了先利用完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)对振动数据进行分解,再通过相关系数法剔除趋势项分量,利用小波阈值法对高频含噪分量去噪,对去噪后的高频分量和低频信息分量进行加权重构,最后进行Hilbert-Huang变换的优化处理流程。以某型低地板轻轨列车为研究对象,通过HHT得到轴箱垂向加速度的Hilbert谱,获取时间—瞬时频率—瞬时能量对应关系并实现冲击点定位,结合边际谱分析振动特征计算质量指数,判断低地板轻轨列车的异常振动原因及故障模式,结果表明该方法对低地板轻轨列车振动的特征提取与振动冲击分析有效可行。

轴箱对轨道不平顺的响应及其可测性分析

轨道不平顺会加剧轮轨的动态作用,引起轮轨部件损坏、噪声等问题,一直是铁路维护工作的重点。考虑到维护的成本,对轨道不平顺程度的实时监测显得尤为重要,其中轴箱加速度信号的二次积分是使用较多的方法。然而轴箱加速度包含的成分复杂,为了更深入地认识轴箱加速度的测量结果,建立多车轮与轨道相互作用模型,详细分析轨道不平顺激励下的轴箱与转向架的动态位移响应,重点关注轴箱响应对轨道不平顺的可测性,并给出了扩大测量频率范围的建议。结果显示:低频(长波长)情况下轴箱对轨道不平顺的响应接近理想,但是高频的位移响应受到多车轮耦合作用的影响,呈现很大的不确定性。

关于机车轴箱振动轨道安全检测研究

在列车轨道安全检测优化的研究中,局部不平顺是影响机车安全、快速运行的重要原因,而当前的轨道检测系统难以评判局部不平顺对行车安全的影响。机车轴箱振动可以直接反映轨道局部不平顺所引起的激扰力对车辆动力学的影响。为提高评判手段,提出一种获取局部不平顺作用下轴箱振动信息的方法,弥补综合检测车和轨检车等检测周期内局部不平顺无法评判的不足。根据谐波型模型和多体动力学车辆模型,研究轨头压陷和焊接凹陷两类局部不平顺条件下轴箱加速度。仿真结果表明,改进方法能够提供局部不平顺条件下轴箱振动信息,为轨道病害检测和状态评估提供数据补充。

便携式轨检仪轨道中短波高低不平顺检测方法研究

根据便携式轨检仪解算轨道高低不平顺的原理,推导出姿态角解算轨道高低不平顺的有效波长范围。针对姿态角在中短波范围解算的不足,在便携式轨检仪中安装加速度计。参照轴箱加速度积分法原理,建立了轨道高低不平顺激励的车-轨耦合模型,分析了波长和车速对轴箱加速度解算精度的影响,结合仿真结果,提出基于轴箱加速度的轨道中短波高低不平顺检测方法,包括时域积分算法、趋势项消除方法、粗误差消除方法。为验证该方法的准确性,应用GCYⅡ-300型轨道车在准池铁路高家堡站—八里铺站进行了现场试验。采用上述方法对实测数据进行处理,得到试验区间轨道的高低不平顺幅值大部分在±10 mm以内,最高峰值为12 mm,与轨检数据近似。研究结果表明,在中短波范围内,轴箱垂向加速度可以准确反映轨道高低不平顺特征,便携式轨检仪检测精度满足相关技术要求。

基于CEEMDAN–MPE算法的地铁短波长钢轨波磨识别

针对地铁钢轨波磨检测效率低、准确率低等问题,提出一种基于自适应噪声完备集合经验模态分解–多尺度排列熵的地铁短波长钢轨波磨识别方法。首先采用自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)方法将轴箱振动加速度信号逐级分解为多个不同特征时间尺度相对平稳的固有模态函数(IMF);引入多尺度排列熵(MPE)分析各IMF在不同尺度上的熵均值,计算各IMF的相关系数,然后将随机程度较大或信噪比较低的分量剔除,计算剩余IMF的能量值及总能量值,通过设定阈值判断是否存在钢轨波磨,最后对能量值超过阈值的分量进行小波包时频分析,提取振动中心频率确定钢轨波磨波长。结果表明:(1)基于CEEMDAN–MPE算法可通过轴箱振动加速度准确识别短波长钢轨波磨及发生区域;(2)该方法在识别短波长波磨的准确性上优于EEMD能量值和小波包能量熵方法,并且能够较为准确地提取短波长波磨不平顺导致的振动响应,便于针对波磨的波深做进一步分析。

扣件弹性垫层劣化对高速列车-道岔系统动力特性的影响

随着高速铁路运营时长的增加,道岔区扣件弹性垫层会发生劣化,对列车过岔的动力学性能产生不利影响。为研究扣件弹性垫层劣化对高速列车道岔系统动力特性的影响,考虑道岔区钢轨的柔性变形,以高速铁路18号无砟道岔为研究对象,建立车辆-道岔刚柔耦合动力学模型,通过时域和频域分析,研究扣件弹性垫层劣化位置、劣化程度、劣化个数及行车速度对列车道岔系统动力特性的影响。研究结果表明:扣件弹性垫层劣化位置影响较大,其中尖轨顶宽40 mm处为扣件弹性垫层劣化的最不利位置;随劣化程度的增加,车岔系统各动力学指标呈增大趋势,其中垂向指标影响更为显著;扣件弹性垫层劣化个数的增加对尖轨尖端的横向动力学指标产生不利影响,9组扣件连续劣化时横向力较1组扣件弹性垫层劣化时增大21.3%;当车辆以250 km/h速度过岔时,扣件弹性垫层劣化对列车道岔系统动力特性的影响最为显著。轴箱振动加速度对扣件弹性垫层劣化较敏感,可在一定程度上反映扣件弹性垫层的劣化。研究成果可为道岔区刚度优化和养护维修提供一定的理论指导。

变速工况下基于WSST的地铁钢轨波磨检测

地铁列车由于制动和启动较为频繁会出现钢轨波磨,对列车运行造成安全隐患,有效地检测变速工况下钢轨波磨的产生有助于提升地铁轨道车辆的安全性和运营舒适性。利用多体动力学仿真软件SIMPACK构建地铁车辆动力学分析模型,并将钢轨波磨仿真信号输入轨道,以获得变速工况下的轴箱加速度数据。针对变速工况下波磨产生的非平稳调频信号,采用优化的同步压缩连续小波变换(wavelet synchrosqueezing transform,WSST)的方法对该数据进行时频分析。通过使用钢轨波磨仿真信号进行分析验证,结果表明:所提出的诊断方法可以有效对牵引及制动工况下的钢轨波磨进行诊断,实现故障频率的准确定位,且具有较高的频率分辨率以及抗干扰性能,具有一定的普适应用价值。

小波能量谱在铁路轨道检测中的应用

列车振动能量突变是判断轨道病害及状态恶化的重要依据之一。基于连续小波变换细致的时间-尺度网格划分性能,结合概率方法,通过对轨道不平顺和列车振动信号的能量计算与分析,建立列车振动响应和轨道不平顺信号的时间、尺度和时间-尺度小波能量谱,并进行联合诊断。通过沪宁客运专线和朔黄重载铁路的轨检数据分析,表明此方法能够有效提取轨道结构中微弱病害的类型、损伤程度和空间位置,并实现整体不平顺状态的评估。这为铁路轨道病害诊断和状态评价提供了新的技术途径。

基于共振解调技术的高速铁路焊接接头状态评判方法

基于广义共振原理,利用共振解调方法将钢轨焊接接头对车辆—轨道系统的低频周期性冲击特征的分析转换为对其高频共振的分析。对轴箱垂向加速度实测数据进行带通滤波,然后利用希尔伯特变换得到轴箱垂向加速度包络,并采用离散时间傅里叶变换对包络进行分析得到细化包络谱。利用细化包络谱第1主频能量与其0～5Hz内的总能量之百分比反映钢轨焊接接头对车辆-轨道系统的周期性冲击特性,并根据该百分比与滤波频率的关系曲线的峰值确定带通滤波截止频率,由此得到带通滤波的频率范围是20～450Hz。结合钢轨焊接接头处轴箱垂向加速度有效值出现大值的位置和钢轨焊接接头周期性间距近似为100m的性质,对钢轨焊接接头进行精确定位。根据300km.h-1速度级高速铁路钢轨焊接接头处轴箱垂向加速度移动有效值的分布规律,确定其阈值为50m.s-2,依此作为评判钢轨焊接接头状态的依据。在此基础上,给出了300km.h-1速度级高速铁路焊接接头状态动态评判方法和实现方式。

基于EMD和Cohen核的轨道不平顺信号分析方法

针对非平稳信号时-频分析中单独使用Cohen核计算二次分布时出现交叉项的实际情况,提出了一种基于EMD和Cohen核的时-频分析方法。首先将信号进行经验模态分解(EMD),然后将分解后的多个固有模态函数(IMF)分别进行Cohen核分布的时-频变换。将仿真信号与理想的仿真结果进行比较,证明此方法能够有效的抑制二次分布中的交叉项。将此方法应用到基于轴箱加速度信号的轨道不平顺分析中,得到的结论与利用轨检车得到的轨道不平顺信息一致,并明显优于常规应用于列车走行部信号分析的频谱分析以及包络线分析方法。此方法对于弥补轨检车的各种不足,高速高密度的进行轨道不平顺的在线监测具有重要应用价值。