輪軌垂向載荷連續(xù)測量與識別方法研究.pdf

1、對鐵道車輛的運行狀態(tài)監(jiān)測、診斷和預(yù)警是保障車輛行車安全的重要手段。通過輪軌力的監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)列車設(shè)備的各種異常并做出診斷和預(yù)測，提出必要的整改措施，從而實現(xiàn)車輛的“狀態(tài)修”，提高車輛及其設(shè)備的運用質(zhì)量和使用效率。目前已經(jīng)有很多不同的監(jiān)測輪軌力的商業(yè)系統(tǒng)，但多數(shù)都只是峰值載荷的測試工具，或是需要對現(xiàn)有的軌道結(jié)構(gòu)進行很大的改變才能實現(xiàn)連續(xù)輪軌力的測量與識別。基于這種狀況，本文主要研究在不改變軌道結(jié)構(gòu)的情況下連續(xù)測量與識別輪軌垂向載荷的方法

2、。
　　 本文從軌道分析模型入手，介紹了軌道分析模型在列車輪載作用下的響應(yīng)，分析和研究鋼軌在垂直載荷作用下的應(yīng)力與變形，為有效測量輪軌垂直力提供理論依據(jù)。隨之介紹了基于地面測量輪軌垂直力各種方法的力學(xué)原理和實現(xiàn)方法。分析不同方法對于軌道支撐狀態(tài)的依賴性或敏感性，指出了它們存在的缺點和適用性。利用有限元分析軟件建立起了鋼軌有限元模型。通過對模型的加載與解算得到鋼軌模型上節(jié)點對于移動的垂直荷載作用時的響應(yīng)變化規(guī)律，具體分析了鋼軌中性

3、軸上的節(jié)點在載荷點移動變化時的剪應(yīng)力的變化情況。通過對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，找出了布置剪力傳感器的最優(yōu)的節(jié)點位置，并仿真計算了布點之后輸出的靈敏性和線性度。仿真計算了同一鋼軌截面上不同橫向位置荷載時對測試系統(tǒng)響應(yīng)輸出的影響以及橫向力對垂直力測試系統(tǒng)輸出的影響。計算結(jié)果表明同一截面上荷載點位置的變化不影響測試系統(tǒng)的輸出，當鋼軌兩側(cè)的布點完全對稱時，橫向力對垂向力測試電橋輸出的影響為零。為了驗證有限元仿真分析的結(jié)果，實施了室內(nèi)加載實驗。試驗的

4、結(jié)果分析出，仿真分析與試驗的結(jié)果得到了相識的波形，但在幅值上存在一定的差異。分析了出現(xiàn)幅值差異的原因。
　　 針對輪軌垂直力測量數(shù)據(jù)中可能存在的基線漂移的干擾，本文詳細研究比對了曲線擬合方法，移動中值濾波，數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器和小波閾值去噪方法在去除基線漂移的效果，分析不同方法存在的缺點并提出了改進的意見與方案。結(jié)合輪軌垂直力信號的特點，提出針對平衡往復(fù)型的信號去除基線漂移的經(jīng)驗性的新方法，通過對分段數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性檢驗和對中值及方差的最

5、近距離聚類，篩選出能夠體現(xiàn)基線漂移走勢的分段數(shù)據(jù)中值作為基線漂移基點，再基點進行曲線擬合得到基線。與簡單的曲線擬合方法相比，本文通過數(shù)據(jù)分段的辦法，盡可能多地增加了基點的數(shù)量，從而能夠更細致地表達真實的基線。相比于移動中值濾波和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波，雖然這幾種方法的本質(zhì)都基于順序濾波器，但由于本文的方法對于其他非基線的噪聲對提取的基線的干擾有篩選的過程，使得其相對于另外兩者有更好的表現(xiàn)。由于經(jīng)過數(shù)據(jù)分段處理，使得整個過程的計算量大大地縮小，最

6、后介紹了通過與小波濾波組合的方案來抑制提取的基線中含有其他干擾成分，從而獲得了更好的消除效果。
　　 本文最后部分提出一種連續(xù)測量和識別輪軌垂直力的方法。本方法基于梁格原理，將測試期間內(nèi)的鋼軌分成數(shù)量有限的梁單元，同時在鋼軌上布置多組觀測點。假設(shè)載荷點位于梁元內(nèi)的任何位置時，所布置的所有觀測點的觀測值不變，而在不同的梁元上施加載荷時，所有觀測值組成的響應(yīng)向量肯定不同，由此可通過理論計算或現(xiàn)場測試的方法得到單位荷載下或固定荷載下所

7、有觀測點對于載荷位置在所有劃分的梁單元上移動時得到標準的響應(yīng)向量庫。通過將單點載荷位置對應(yīng)多觀測點響應(yīng)向單測點響應(yīng)對應(yīng)一群組載荷位置點的響應(yīng)轉(zhuǎn)換分析和驗證了響應(yīng)向量的適定性要求。在已獲得標準響應(yīng)向量庫的情況下，利用相似性測度研究了實測任意時刻下的觀測點的響應(yīng)與響應(yīng)向量庫的每個向量的關(guān)系。比較研究了歐氏距離，夾角余弦和皮爾森相關(guān)系數(shù)三種多維空間向量相似性測度對于噪聲的敏感性，以便于從中選取適當測度作為隸屬函數(shù)。最后使用最大隸屬度識別法認定