軌道不平順對列車動態性能的影響

中北大學機械與動力工程學院 劉 波 劉廣璞

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軌道不平順對列車動態性能的影響

中北大學機械與動力工程學院 劉 波 劉廣璞

【摘 要】通過軌道不平順的分析，并添加不平順信號，對車體的加速度進行分析，為后續研究軌道故障診斷提供數據支持。

【關鍵詞】軌道不平順；軌道不平順功率譜（PSD）；故障信號

1 引言

高速鐵路的運輸主要是以安全、舒適為服務標準，而就輪軌系統而言，由于列車與軌道的相互作用，勢必會引起軌道幾何形位的不斷變化，這種變化即軌道幾何不平順，反過來又會影響列車快速行駛的舒適性和安全性。

軌道不平順是使車輛產生振動的一個主要的外部激勵，軌道局部不平順則會引起機車車輛產生強烈的瞬時振動。因此，要及時把握軌道的不平順，以便更好的為列車的舒適性提供依據。

2 軌道不平順概述

因為軌道不斷承受列車載荷的重復性和隨機性，再加上雨雪、氣溫等自然環境的作用，使暴露在這種條件下的軌道發生變形，形成了軌道不平順，不平順主要包括4種［1］：高低不平順、水平不平順、方向不平順、軌距不平順。

但由于在鐵道線路的幾何形狀在實際運用過程中，受眾多因素的影響往往表現出明顯的隨機性。對于隨機過程需要用統計函數來加以描述，而功率譜密度函數PSD則是表述作為平穩隨機過程的軌道不平順的最重要和最常用的統計函數。它可以清楚地表明軌道不平順的大小隨頻率的變化關系、組成軌道不平順隨機波形中各個波長的成分等特性。

3 典型軌道譜的時域分析

在求解車輛系統隨機振動響應的時候，如果系統參數具有較強的非線性特征，那么就無法運用傳統的傳遞函數求解振動方程。唯一有效的求解方法是時域數值積分。所以必須將軌道不平順功率譜轉換為時域的激擾函數，再用此隨機激擾作為系統的輸入并運用時域積分進行求解［2］。

以美國6級譜為例，用頻域功率譜采樣的數值模擬方法分別得到高低、方向、水平和軌距不平順的時域模擬樣本。

圖1 美國6級軌道譜高低不平順時頻轉換時域信號

圖2 美國6級軌道譜方向不平順時頻轉換時域信號

圖3 正常信號

圖4 方向故障不平順信號

圖5 高低故障不平順信號

圖6 仿真y、z方向正常的振動加速度信號

4 軌道不平順的仿真

由于軌道不平順是引起車體振動的主要隨機激擾源，現在將上述美國6級譜作為標準譜，將其轉化成時域信號后分別疊加正弦信號得到高低、方向兩種故障信號，利用SIMPACK軟件將其轉化為軌道譜文件，作為故障不平順信號加載到軌道上，并得到正常與故

障信號如圖3、圖4、圖5所示。

圖7 仿真y、z方向高低故障不平順的振動加速度信號

圖8 仿真y、z方向方向故障不平順的振動加速度信號

為了獲得車體在如上不平順狀況下的運行狀態，以車體加速度信號為特征值，觀察車體的情況，如圖6、圖7、圖8所示。

對比y、z兩方向的加速度信號在正常與故障不平順的情況下，可以發現高低不平順主要影響垂向振動加速度信號；方向不平順對垂向、橫向都有影響，但都影響不大。

5 小結

這種基于多體動力學建立的車輛軌道模型，以軌道譜轉化的時域信號作為激勵測得的振動加速度信號避免了實測線路隨機不平順帶來的不利因素，為軌道故障的理論研究提供了便利，為后續繼續分析加速度信號，以研究軌道的故障提供了數據支持。

參考文獻

［1］肖守訥，陽光武，張衛華，趙永祥.基于譜密度函數的軌道隨機不平順仿真［J］.中國鐵道科學，2008，29（2）﹕28-32.

［2］繆炳榮，肖守訥，金鼎昌.應用Simpack對復雜機車多體系統建模與分析方法的研究［J］.機械科學與技術，2007，25（7）﹕813-816.