中北大学机械与动力工程学院 刘 波 刘广璞



轨道不平顺对列车动态性能的影响

中北大学机械与动力工程学院 刘 波 刘广璞

【摘 要】通过轨道不平顺的分析，并添加不平顺信号，对车体的加速度进行分析，为后续研究轨道故障诊断提供数据支持。

【关键词】轨道不平顺；轨道不平顺功率谱（PSD）；故障信号

1 引言

高速铁路的运输主要是以安全、舒适为服务标准，而就轮轨系统而言，由于列车与轨道的相互作用，势必会引起轨道几何形位的不断变化，这种变化即轨道几何不平顺，反过来又会影响列车快速行驶的舒适性和安全性。

轨道不平顺是使车辆产生振动的一个主要的外部激励，轨道局部不平顺则会引起机车车辆产生强烈的瞬时振动。因此，要及时把握轨道的不平顺，以便更好的为列车的舒适性提供依据。

2 轨道不平顺概述

因为轨道不断承受列车载荷的重复性和随机性，再加上雨雪、气温等自然环境的作用，使暴露在这种条件下的轨道发生变形，形成了轨道不平顺，不平顺主要包括4种［1］：高低不平顺、水平不平顺、方向不平顺、轨距不平顺。

但由于在铁道线路的几何形状在实际运用过程中，受众多因素的影响往往表现出明显的随机性。对于随机过程需要用统计函数来加以描述，而功率谱密度函数PSD则是表述作为平稳随机过程的轨道不平顺的最重要和最常用的统计函数。它可以清楚地表明轨道不平顺的大小随频率的变化关系、组成轨道不平顺随机波形中各个波长的成分等特性。

3 典型轨道谱的时域分析

在求解车辆系统随机振动响应的时候，如果系统参数具有较强的非线性特征，那么就无法运用传统的传递函数求解振动方程。唯一有效的求解方法是时域数值积分。所以必须将轨道不平顺功率谱转换为时域的激扰函数，再用此随机激扰作为系统的输入并运用时域积分进行求解［2］。

以美国6级谱为例，用频域功率谱采样的数值模拟方法分别得到高低、方向、水平和轨距不平顺的时域模拟样本。

图1 美国6级轨道谱高低不平顺时频转换时域信号

图2 美国6级轨道谱方向不平顺时频转换时域信号

图3 正常信号

图4 方向故障不平顺信号

图5 高低故障不平顺信号

图6 仿真y、z方向正常的振动加速度信号

4 轨道不平顺的仿真

由于轨道不平顺是引起车体振动的主要随机激扰源，现在将上述美国6级谱作为标准谱，将其转化成时域信号后分别叠加正弦信号得到高低、方向两种故障信号，利用SIMPACK软件将其转化为轨道谱文件，作为故障不平顺信号加载到轨道上，并得到正常与故

障信号如图3、图4、图5所示。

图7 仿真y、z方向高低故障不平顺的振动加速度信号

图8 仿真y、z方向方向故障不平顺的振动加速度信号

为了获得车体在如上不平顺状况下的运行状态，以车体加速度信号为特征值，观察车体的情况，如图6、图7、图8所示。

对比y、z两方向的加速度信号在正常与故障不平顺的情况下，可以发现高低不平顺主要影响垂向振动加速度信号；方向不平顺对垂向、横向都有影响，但都影响不大。

5 小结

这种基于多体动力学建立的车辆轨道模型，以轨道谱转化的时域信号作为激励测得的振动加速度信号避免了实测线路随机不平顺带来的不利因素，为轨道故障的理论研究提供了便利，为后续继续分析加速度信号，以研究轨道的故障提供了数据支持。

参考文献

［1］肖守讷，阳光武，张卫华，赵永祥.基于谱密度函数的轨道随机不平顺仿真［J］.中国铁道科学，2008，29（2）﹕28-32.

［2］缪炳荣，肖守讷，金鼎昌.应用Simpack对复杂机车多体系统建模与分析方法的研究［J］.机械科学与技术，2007，25（7）﹕813-816.