輪軌垂向載荷連續(xù)測(cè)量與識(shí)別方法研究.pdf

1、對(duì)鐵道車輛的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警是保障車輛行車安全的重要手段。通過(guò)輪軌力的監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)列車設(shè)備的各種異常并做出診斷和預(yù)測(cè)，提出必要的整改措施，從而實(shí)現(xiàn)車輛的“狀態(tài)修”，提高車輛及其設(shè)備的運(yùn)用質(zhì)量和使用效率。目前已經(jīng)有很多不同的監(jiān)測(cè)輪軌力的商業(yè)系統(tǒng)，但多數(shù)都只是峰值載荷的測(cè)試工具，或是需要對(duì)現(xiàn)有的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行很大的改變才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)輪軌力的測(cè)量與識(shí)別?；谶@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(cè)量與識(shí)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(cè)量輪軌垂直力提供理論依據(jù)。隨之介紹了基于地面測(cè)量輪軌垂直力各種方法的力學(xué)原理和實(shí)現(xiàn)方法。分析不同方法對(duì)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(diǎn)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(guò)對(duì)模型的加載與解算得到鋼軌模型上節(jié)點(diǎn)對(duì)于移動(dòng)的垂直荷載作用時(shí)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(diǎn)在載荷點(diǎn)移動(dòng)變化時(shí)的剪應(yīng)力的變化情況。通過(guò)對(duì)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(diǎn)位置，并仿真計(jì)算了布點(diǎn)之后輸出的靈敏性和線性度。仿真計(jì)算了同一鋼軌截面上不同橫向位置荷載時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)輸出的影響以及橫向力對(duì)垂直力測(cè)試系統(tǒng)輸出的影響。計(jì)算結(jié)果表明同一截面上荷載點(diǎn)位置的變化不影響測(cè)試系統(tǒng)的輸出，當(dāng)鋼軌兩側(cè)的布點(diǎn)完全對(duì)稱時(shí)，橫向力對(duì)垂向力測(cè)試電橋輸出的影響為零。為了驗(yàn)證有限元仿真分析的結(jié)果，實(shí)施了室內(nèi)加載實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)的

4、結(jié)果分析出，仿真分析與試驗(yàn)的結(jié)果得到了相識(shí)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(duì)輪軌垂直力測(cè)量數(shù)據(jù)中可能存在的基線漂移的干擾，本文詳細(xì)研究比對(duì)了曲線擬合方法，移動(dòng)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(diǎn)并提出了改進(jìn)的意見(jiàn)與方案。結(jié)合輪軌垂直力信號(hào)的特點(diǎn)，提出針對(duì)平衡往復(fù)型的信號(hào)去除基線漂移的經(jīng)驗(yàn)性的新方法，通過(guò)對(duì)分段數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性檢驗(yàn)和對(duì)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(shì)的分段數(shù)據(jù)中值作為基線漂移基點(diǎn)，再基點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合得到基線。與簡(jiǎn)單的曲線擬合方法相比，本文通過(guò)數(shù)據(jù)分段的辦法，盡可能多地增加了基點(diǎn)的數(shù)量，從而能夠更細(xì)致地表達(dá)真實(shí)的基線。相比于移動(dòng)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?yàn)V波器，但由于本文的方法對(duì)于其他非基線的噪聲對(duì)提取的基線的干擾有篩選的過(guò)程，使得其相對(duì)于另外兩者有更好的表現(xiàn)。由于經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分段處理，使得整個(gè)過(guò)程的計(jì)算量大大地縮小，最

6、后介紹了通過(guò)與小波濾波組合的方案來(lái)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(cè)量和識(shí)別輪軌垂直力的方法。本方法基于梁格原理，將測(cè)試期間內(nèi)的鋼軌分成數(shù)量有限的梁?jiǎn)卧?，同時(shí)在鋼軌上布置多組觀測(cè)點(diǎn)。假設(shè)載荷點(diǎn)位于梁元內(nèi)的任何位置時(shí)，所布置的所有觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值不變，而在不同的梁元上施加載荷時(shí)，所有觀測(cè)值組成的響應(yīng)向量肯定不同，由此可通過(guò)理論計(jì)算或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法得到單位荷載下或固定荷載下所

7、有觀測(cè)點(diǎn)對(duì)于載荷位置在所有劃分的梁?jiǎn)卧弦苿?dòng)時(shí)得到標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)向量庫(kù)。通過(guò)將單點(diǎn)載荷位置對(duì)應(yīng)多觀測(cè)點(diǎn)響應(yīng)向單測(cè)點(diǎn)響應(yīng)對(duì)應(yīng)一群組載荷位置點(diǎn)的響應(yīng)轉(zhuǎn)換分析和驗(yàn)證了響應(yīng)向量的適定性要求。在已獲得標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)向量庫(kù)的情況下，利用相似性測(cè)度研究了實(shí)測(cè)任意時(shí)刻下的觀測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)與響應(yīng)向量庫(kù)的每個(gè)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(cè)度對(duì)于噪聲的敏感性，以便于從中選取適當(dāng)測(cè)度作為隸屬函數(shù)。最后使用最大隸屬度識(shí)別法認(rèn)定