[发明专利]一种基于运营列车振动响应预测轨道不平顺及其传感器优化配置的分析方法

说明书

本发明公开了一种基于运营列车振动响应预测轨道不平顺及其传感器优化配置的分析方法，涉及铁路轨道工程领域，对轨道的设计、施工和维护均有很强应用性。本发明利用传感器技术，并设计一种新的算法对传感器所采集的列车响应信号进行分离，实现轨道不平顺的识别，包括建立车桥耦合系统，利用Newmark‑β法获得车体响应输入表达式，利用传感器测得的列车响应建立输出响应表达式，从而获得荷载向量，最终实现轨道不平顺的识别。

技术领域

本发明涉及铁路轨道工程领域，具体涉及一种基于运营列车振动响应预测轨道不平顺及其传感器优化配置的分析方法。

背景技术

轨道不平顺是列车振动的重要干扰源，直接影响列车行驶的平稳度、舒适性和安全性，也是控制列车最高速度的重要因素，能否获得良好的轨道不平顺性是决定高速铁路成败问题的关键问题之一。

近几十年来，由于列车轴重增加、交通量和运行速度提高以及气候变化，轨道面正在以更快的速度恶化，因此需要更加快速且频繁的检测轨道健康状况。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于运营列车振动响应预测轨道不平顺及其传感器优化配置的分析方法，以解决轨道不平顺的检测问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于运营列车振动响应预测轨道不平顺及其传感器优化配置的分析方法，包括以下步骤：

1)构建车辆轨道桥梁桥耦合系统；其中，所述车辆轨道桥梁桥耦合系统包括检测列车和桥梁，检测列车上设有传感器；

2)建立车体运动方程，并计算车辆模型的质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵C；

3)利用Newmark-β法求解列车行驶的位移响应表达式、速度响应表达式和加速度响应表达式，作为振动输入响应；

4)采集检测列车在桥梁上行驶时的振动响应，作为振动输出响应，并建立系统输出响应方程；其中，所述振动响应包括位移响应、速度响应和加速度响应；

5)构建输入响应和输出响应方程的关系，获得车体系统的荷载矩阵P与输出响应Y关系的理论表达式；

6)利用Tikhonov正则化方法解决输出响应Y的病态问题，将步骤5)中获得的表达式引入正则化项，将不适定问题转化为适定问题；

7)得到荷载矩阵的正则化解，利用荷载与轨道不平顺关系计算出轨道不平顺。

进一步，在步骤1)所述车辆轨道桥梁桥耦合系统中，检测列车被简化为由一个车体和两个轮对组成的4个自由度车辆模型，车体包括转向架和车轮以上所有车体部件，检测列车的参数包括车体质量m_v、车体转动惯量I_v、车体转动角度θ_v、车体竖向位移y_v、前轮质量m₁、车体与前轮连接刚度K_s1、阻尼C_s1、前轮竖向位移y₁、前轮与轨道接触点横坐标x₁、前轮刚度K_t1、后轮质量m₂、车体与后轮连接刚度K_s2、阻尼C_s2、后轮竖向位移y₂、后轮与轨道接触点横坐标x₂、后轮刚度K_t2、列车行驶速度v、轮对间距S和描述车体质心位置的a₁与a₂。

进一步，步骤2)中建立的车体运动方程为：

式中：M、C、K分别为车辆结构体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，P(t)为结构上的外力向量，L为输入的映射矩阵，X(t)分别为车体体系的加速度、速度和位移向量；

其中：