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基于机理建模的铁路轨道质量评估方法 　　摘要：文章提出基于机理模型的轨道几何评估方法，通过计算预测车辆响应。应用了车辆和轨道的耦合理论，建立了垂直车辆-轨道耦合机理模型，采用轨道高低不平顺静态遍历高斯随机过程。结果表明，几何参数不是很大的情况下仍然会导致过大的轮轨力，影响到车辆的安全运行。　　关键词：铁路轨道质量；机理建模；评估方法　　中图分类号：TP183 文献标识码：A 文章编号：1009--0092-03　　轨道不平顺是车辆最重要的激励参数之一。轨道受到车辆的激励导致高强度振动，反过来又作用于运动中的车辆。这种相互作用力会导致安全问题，并增加轨道负荷以及加速轨道老化。　　轨道质量评估是养护工作中不可或缺的环节。养护工作的目的是尽量降低由轨道几何不平顺引起的车辆作用力，因此需要评估车辆作用力的大小。　　轮轨接触力在保证车辆直线行驶的稳定性和弯道行驶的平滑性上起了重要作用。　　随车记录轮轨接触面的实时受力信息是非常必要的。这些信息会显示出车辆运行时的异常状态，并可以用来评价车辆轨道系统的性能。目前可以通过几种方法得出轮轨接触力：直接测量、仿真，智能系统方法，以及机理模型等。只要车体响应和轨道不平顺的激励方程已知，就可以建立车辆/轨道耦合模型来预测轮轨接触力。　　1 轨道几何评估方法　　轨道维修过程如图1所示：　　图1 维修过程概述和提出的轨道几何评估方法　　EN 13848-5标准定义了轨道几何质量的最低要求，并指定了每个轨道几何参数的安全阈值。而需要注意轨道不平顺会产生连续的偏值，因为它们可能产生共振，不同方向的轨道不平顺的偏值可能会在同一位置叠加。由于这种叠加效果会导致相当大的车辆反馈力，致使轨道几何形状和车辆反馈力之间的相关性不强。　　相关性较差的原因是这种方法既没有考虑车辆运行状况，也没有将轨道几何参数加入到评估体系里。因此，基于纯几何评估的轨道质量评估方法是不够的。本文提出的方法不仅使用了轨道几何参数，并且将测量的车辆响应力作为评估指标。　　2 单向轨道不平顺数值模拟　　图2 轨道不平顺仿真序列　　速度不稳定不会导致轨道车辆和车头振动，车辆的振动主要是受轨道不平顺激励而产生的受迫振动。大量测试工作表明轨道不平顺是随距离变化的随机过程。在本文中，认为轨道不平顺是静态遍历高斯随机过程。所以可以描述它的统计特征为频域的功率谱密度。我们提出一种在仿真中更加简洁有效的方法，把轨道不平顺从频域变换到时域，并通过数值积分方法倒推出车辆和轨道的随机振动的激励方程。　　图3 数值对比　　本文采用的方法如下，首先根据轨道随机不平顺性获得振幅和随机相位谱，然后得到轨道不平顺的时域仿真样本。本文以美国6级轨道高低不平顺频谱为例，轨道不平顺的时域仿真序列如图2所示。由图2的仿真结果和图3所示的周期图分析得到功率谱的仿真值。可以看出分析值和模拟值的波形有很强的相关性。　　3 垂直车辆/轨道耦合模型　　三件式转向架货车包括一个车体、两个转向架、四个框架和四个车轮，组装方式如图4所示。为了简化模型，认为转向架是固定在车体上的。车辆系统在垂面里有10个自由度。　　图4 车辆垂向系统力学模型　　为了建立车辆振动方程，必须分析车辆系统各部件之间的受力。图5是车辆系统中各部件之间垂向力的示意图。　　图8 轮轨垂向接触力　　图7显示轨道激励的输入值低于欧洲标准EN 里的轨道几何质量标准的阈值，图8中在19～20s时，仿真的轮轨垂向力超出了安全范围。因此轨道几何不平顺不超过阈值也可能导致较高的轮轨向应力。　　5 结语　　本文证明了用于评价轨道质量的纯几何参数指标与车辆响应相关性较差。轨道几何不平顺小于阈值时也会导致过高的车辆响应力。这些过高的作用力会引起安全问题，加重轨道负荷和加速轨道老化。因此这种方法对于养护工作来说不够实用。我们的方法采用典型动态行为来分析轨道质量，通过车辆/轨道机制模型来分析动态行为。基于该机理模型，可以在短时间内预测车辆响应力。　　后期的工作将建立纵向和横向车辆/轨道耦合模型，在该模型中，轨道横向和纵向不平顺共同作为输入，并考虑不同类型车辆和轮轨接触几何的影响。