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基于HHT的轨道不平顺信号分析 [关键词轨道不平顺;HHT;瞬时频率测量;频谱分析 中图分类号 TP206 Track Irregularity Analysis Based on HHT Abstract：Aiming at eliminate the adverse effect caused by the speed-instability of the measurement vehicle when analyzing the frequency spectrum of collected track irregularity signal, HHT was used to analyze the instantaneous frequency of the track irregularity signal. The calculated instantaneous frequency was used for interpolation to get the re–sampled signal, which is then Fourier–transformed to get disturbance-free frequency spectrum. This method improved the stability of track irregularity signal’s frequency spectrum analysis which was proved by simulation. Keywords: track irregularity; HHT; instantaneous frequency measurement; frequency spectrum analysis 铁路轨道不平顺不仅对列车运行的稳定性和舒适度会产生不良影响，而且作为机车车辆/轨道系统的激励源，将引起轮轨接触的动作用力，可能对设备造成破坏[1]，为此我们要对铁路轨道定期检查并保养。但对轨道表面平顺状态进行检测时，轨检车在运行中受诸多不确定因素影响，速度难以始终保持匀速，测量数据不可避免地受到车速变化的影响。若应用传统傅立叶变换（均匀采样数据）进行谱分析，则分析频谱与真实频谱之间必定存在畸变[2]，当车速变化较大时，这种误差将占主导地位。为消除列车变速对信号频谱分析的影响，西南交通大学的张洁博士应用锁相倍频电路[3]跟踪车轮转速的变化，在数据采样过程中随车速变化而随时调整采样率，实现变频采样。但其不足在于某些频率固定的振动分量会在频谱图中产生分散的现象，对状态监测及特征频谱辨识造成一定的困难。 近年来瞬时频率测量技术在理论和应用上的研究都有了较大的发展。西南交通大学的张洁博士将瞬时频率测量技术应用于轨道不平顺变信号的分析中，研究了一种基于小波变换的轨道不平顺变速测量信号分析方法[4]：首先，建立Haar小波系数与信号瞬时频率的关系；其次，由计算所得的瞬时频率对采样信号进行内插和重采样，消除了因变速引起的信号频谱的畸变。基于此理论，本文使用HHT求解轨道不平顺变信号的瞬时频率，而后由计算所得的瞬时频率对采样信号进行内插和重采样，提高轨道不平顺信号频谱测量的稳定性。1轨道不平顺信号分析 美国、英国以及德国等先后对轨道不平顺进行了测量和研究,并建立了统一标准的谱密度函数[5]。国内有关部门曾对个别线段的轨道不平顺进行过测量和分析,但发展相对滞后。 铁路轨道由钢轨、轨枕、联结零件、道床及道岔等主要部件组成，其作用是引导车辆运行。轨道各部分应有正确的几何形状以确保车辆的安全运行。轨道几何形状的变化是引起轨道不平顺的主要原因。 如图1所示，即使在线路的平直道区段，钢轨也并不是理想的平直状态，两根钢轨在高低左右方向上相对于理想的平直轨道呈现出某种波状变化而产生偏差，这种偏差就称为轨道的不平顺。 图1 轨道不平顺状态 从理论上讲轨道不平顺主要有四种类型高低不平顺、水平不平顺、方向不平顺和轨距不平顺[6]。轨道不平顺不仅对列车运行的稳定性和舒适度产生不良影响,而且对行车安全有莫大的关系。若不能对轨道梁的不平顺幅度进行非常严格的限制, 就不能保证在高速运行状态下列车的安全运行。 2基于HHT的瞬时频率测量 1998年，美籍华人Norden E. Huang等人在对瞬时频率的概念进行深入研究后，提出Hilbert-Huang变换，简称HHT。这一方法创造性地提出了IMF(Intrinsic Mode Function，又称本征模态函数)的概念以及如何将任意信号分解为IMF的方法——经验模式分解法(Empirical Mode Decomposition，EMD)，从而赋予瞬时频率合理的物理意义和求法，初步建立了以瞬时频率表征信号交