方格,吳天行,彭志科,王譽(yù)蓉
(上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)
軸箱對(duì)軌道不平順的響應(yīng)及其可測(cè)性分析
方格,吳天行,彭志科,王譽(yù)蓉
(上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)
軌道不平順會(huì)加劇輪軌的動(dòng)態(tài)作用,引起輪軌部件損壞、噪聲等問(wèn)題,一直是鐵路維護(hù)工作的重點(diǎn)。考慮到維護(hù)的成本,對(duì)軌道不平順程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要,其中軸箱加速度信號(hào)的二次積分是使用較多的方法。然而軸箱加速度包含的成分復(fù)雜,為了更深入地認(rèn)識(shí)軸箱加速度的測(cè)量結(jié)果,建立多車輪與軌道相互作用模型,詳細(xì)分析軌道不平順激勵(lì)下的軸箱與轉(zhuǎn)向架的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng),重點(diǎn)關(guān)注軸箱響應(yīng)對(duì)軌道不平順的可測(cè)性,并給出了擴(kuò)大測(cè)量頻率范圍的建議。結(jié)果顯示:低頻(長(zhǎng)波長(zhǎng))情況下軸箱對(duì)軌道不平順的響應(yīng)接近理想,但是高頻的位移響應(yīng)受到多車輪耦合作用的影響,呈現(xiàn)很大的不確定性。
振動(dòng)與波;軌道不平順;軸箱加速度;多車輪作用;駐波
鋼軌不平順是車輛和軌道振動(dòng)的主要激振源,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼軌以及車輛部件受損和輪軌噪聲等問(wèn)題,因而一直是軌道維護(hù)的重點(diǎn)對(duì)象。維護(hù)策略的制定依賴于軌道表面狀態(tài)的檢測(cè)。目前測(cè)量較短波長(zhǎng)的不平順主要采用手推式軌檢車[1],但是它不適合用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)波長(zhǎng)的不平順。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌不平順的長(zhǎng)距離檢測(cè),列車正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的軸箱加速度信號(hào)成為研究熱點(diǎn)[2–4]。
采用裝在運(yùn)營(yíng)車輛上的慣性傳感器如加速度計(jì)和陀螺儀來(lái)測(cè)量鋼軌不平順由于設(shè)備簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng),引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Weston使用軸箱加速度計(jì)和轉(zhuǎn)向架陀螺儀來(lái)測(cè)量軌道的垂向不平順,并考慮了速度對(duì)二次積分的影響[5]。Lee提出了一種混合濾波的方法,將加速度信號(hào)的濾波和積分過(guò)程綜合起來(lái)考慮[6]。Tsunahinma和Naganuma運(yùn)用卡爾曼濾波的方法根據(jù)車體的加速度信號(hào)得到鋼軌不平順[7]。Li通過(guò)有限元模擬方法得到輪軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征,并基于此提出采用軸箱加速度計(jì)檢測(cè)軌道局部缺陷的算法[8–9]。這些方法本質(zhì)上都是基于車軌系統(tǒng)在鋼軌不平順激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),因而事先仔細(xì)分析響應(yīng)特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的理解和具體算法的設(shè)計(jì)都尤為重要。
Wei采用整車模型分析轉(zhuǎn)向架和車體的響應(yīng),但是未考慮軌道的振動(dòng)[10]。Grassie分析單個(gè)車輪與軌道作用時(shí)軸箱加速度的響應(yīng)特性,但是此模型未考慮多個(gè)車輪耦合作用的影響[11]。本文旨在彌補(bǔ)已有結(jié)論的不足,考慮多車輪與軌道的相互作用,得到更完善的車輛系統(tǒng)位移響應(yīng)特性,以指導(dǎo)鋼軌不平順的測(cè)量。
基于Wu的多車輪模型,推廣單車輪作用下軸箱位移與鋼軌不平順間的響應(yīng)關(guān)系,可得到多輸入多輸出形式的響應(yīng)關(guān)系[12]。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析多車輪作用下軸箱位移響應(yīng)的主要性質(zhì),重點(diǎn)關(guān)注軸箱位移響應(yīng)對(duì)軌道不平順的反應(yīng)情況,提出可以改善測(cè)量效果的建議,得到的結(jié)論有一定的參考價(jià)值。
1.1 多車輪與軌道作用
多個(gè)車輪與軌道相互作用的模型如圖1所示,僅考慮垂向運(yùn)動(dòng),車輪、軌道位移以及鋼軌不平順均以向下為正。該模型只是為了表示輪軌的作用關(guān)系,車輪以上的轉(zhuǎn)向架和車體部分以及軌道以下的支撐部分均未顯示。
圖1 多車輪與軌道相互作用模型
假設(shè)車輪與軌道始終保持接觸,那么車輪和軌道的位移滿足如下的約束關(guān)系
其中xw=[xw1xw2xw3xw4]T和xr=[xr1xr2xr3xr4]T分別代表四個(gè)車輪和軌道在四個(gè)車輪處的位移向量,xc=[xc1xc2xc3xc4]T表示四個(gè)輪軌接觸赫茲彈簧相對(duì)平衡位置的壓縮量,r=[r1r2r3r4]T是鋼軌不平順向量。
將軌道的動(dòng)柔度矩陣記為αr=[αrij]4×4,其中元素αrij代表在車輪j處作用單位簡(jiǎn)諧力,軌道在車輪i處的位移響應(yīng)。同樣的,四個(gè)車輪以及對(duì)應(yīng)的接觸彈簧的動(dòng)柔度矩陣可以定義為αw=[αwij]4×4和 αc=[αcij]4×4。根據(jù)圖1不難看出αc不存在交叉項(xiàng),是對(duì)角陣。但是軌道動(dòng)柔度存在交叉項(xiàng),意味著不同車輪間存在耦合關(guān)系,這是與單輪作用的區(qū)別所在。動(dòng)柔度的具體計(jì)算方法將在后續(xù)部分詳細(xì)介紹。
將四個(gè)車輪處的輪軌作用力記為Ft=[Ft1Ft2Ft3Ft4]T,則可以得到車輪、軌道位移以及接觸彈簧的形變量分別為xw=-αwFt,xr=αrFt,xc=αcFt.代入式(1),可以得到車輪位移作為輸出和鋼軌不平順作為輸入的響應(yīng)關(guān)系。
實(shí)際上,根據(jù)輪軌作用力表達(dá)式(3),也可以方便地計(jì)算出其他輸出如轉(zhuǎn)向架位移xb、軌道位移xr與鋼軌不平順輸入的響應(yīng)關(guān)系,如
其中αb為轉(zhuǎn)向架動(dòng)柔度矩陣,其元素αbij代表在車輪j處作用單位簡(jiǎn)諧力時(shí),轉(zhuǎn)向架i的位移響應(yīng)。
考慮到不同車輪處的鋼軌不平順輸入實(shí)際上是同一個(gè)激勵(lì)源,只是滿足時(shí)間滯后關(guān)系,可以將輸入矩陣記為
其中,d12、d13和d14分別代表輪1到輪2、3、4的距離,r代表不平順?lè)担琕是車輛的運(yùn)行速度。
1.2 普通有碴軌道和地鐵減振軌道模型
普通有碴軌道的模型如圖2所示,軌道用無(wú)限長(zhǎng)的鐵木辛柯梁來(lái)模擬,軌墊和道碴都用粘性彈簧單元來(lái)近似,不考慮它們的質(zhì)量。軌枕抽象為集中質(zhì)量塊。軌道系統(tǒng)的動(dòng)力特性由以下特征參數(shù)決定:扣件的剛度kp、道碴的剛度kb、軌枕的質(zhì)量ms、軌枕間距d。
圖2 有碴軌道
地鐵的減振軌道模型如圖3所示,由于扣件的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非碎石道床的剛度,所以這里不考慮道床的變形,將鋼軌下的離散支撐等效為單層的彈簧阻尼單元。
為了計(jì)算無(wú)限長(zhǎng)軌道的動(dòng)柔度,只考慮有限個(gè)數(shù)的軌下支承,用Ns表示。因?yàn)樵陔x激勵(lì)點(diǎn)較遠(yuǎn)處,軌道的振動(dòng)將明顯衰減,所以這種簡(jiǎn)化是合理的。軌道的動(dòng)柔度可以表示為
圖3 地鐵減振軌道
其中α,αr分別代表自由軌道和有支承軌道的動(dòng)柔度,(z,z0)表示單位簡(jiǎn)諧力的激勵(lì)點(diǎn)位于z0處,響應(yīng)點(diǎn)位于z處。自由軌道的動(dòng)柔度可以根據(jù)鐵木辛柯梁理論求得。Zs代表支承的動(dòng)剛度,即支承點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)單位位移對(duì)軌道產(chǎn)生的反作用力,有碴軌道可用下式表示
地鐵減振軌道的支承動(dòng)剛度則為
ui是各支承點(diǎn)處的軌道位移,可以通過(guò)求解以下的線性方程組得到
軌道的動(dòng)柔度不僅跟激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)間的距離有關(guān),還跟激勵(lì)點(diǎn)的位置有關(guān)。
CHN60鋼軌的相關(guān)參數(shù)為:材料密度ρ=7 850 kg/m3,彈性模量E=2.1×1011(1+0.01i)N/m2,截面面積A=7.745×10-3m2,截面慣性矩I=32.17×10-6m4,剪切模量G=0.77×1011N/m2,剪切系數(shù)к=0.4。
1.3 車輛模型
車輛部分采用的模型如圖4所示,包括相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)向架,車體部分等效為集中質(zhì)量,這是因?yàn)檐囕v存在懸掛阻尼,而且一節(jié)車廂很長(zhǎng),衰減了車輪和轉(zhuǎn)向架振動(dòng)通過(guò)車體部分的耦合作用。由于本文主要關(guān)注車輪和轉(zhuǎn)向架位移對(duì)軌道不平順激勵(lì)的動(dòng)力響應(yīng),所以車體部分作簡(jiǎn)化處理。另外,兩個(gè)轉(zhuǎn)向架分別位于相鄰兩個(gè)車廂,因?yàn)樗鼈冎g的距離比較小,耦合作用更明顯。初級(jí)懸掛和次級(jí)懸掛都用黏性彈簧來(lái)近似,車輪等效為集中質(zhì)量。
圖4 車輛模型
如圖所示,車輛部分總共包含10個(gè)自由度,分別是車體、轉(zhuǎn)向架、車輪的垂向運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)向架的俯仰運(yùn)動(dòng)。求解其運(yùn)動(dòng)方程,可以得到車輪位移與輪軌作用力間的函數(shù)關(guān)系:
其中Jb是轉(zhuǎn)向架的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Lb是轉(zhuǎn)向架的半軸距,kc1和kc2分別是兩級(jí)懸掛的剛度,mb、mc和mw分別代表轉(zhuǎn)向架、車體和車輪的質(zhì)量。車輪的動(dòng)柔度可以表示為
其中αwij的下標(biāo)表示在輪j處作用單位簡(jiǎn)諧力時(shí)輪i處的位移響應(yīng)。
同樣地,可以得到轉(zhuǎn)向架動(dòng)柔度
車輛部分相關(guān)的計(jì)算參數(shù)如下:Jb=1 205 kg?m2,Lb=1.25 m,kc1=828 kN/m,kc2=1 500 kN/m。赫茲彈簧的剛度為kH=1.3×109N/m,其動(dòng)柔度即αc=1/kH。
2.1 軸箱和轉(zhuǎn)向架響應(yīng)
軸箱(車輪)位移響應(yīng)可根據(jù)式(4)計(jì)算。圖5顯示了地鐵減振軌道上車輪1的位移相對(duì)于輪1處鋼軌不平順的頻率響應(yīng)曲線。
圖5 在地鐵減振軌道上車輪1的位移響應(yīng)
在頻率較低(小于80 Hz)時(shí),多輪模型的結(jié)果與單輪模型相同,這是因?yàn)檐壍涝诘皖l段的振動(dòng)衰減率較大,車輪間的耦合作用不明顯。在34 Hz處出現(xiàn)第一個(gè)共振峰,此時(shí)車輪和軌道一起在軌道下的支承彈簧上共振。當(dāng)頻率低于15 Hz時(shí),車輪的位移基本是跟隨輪1處的鋼軌不平順。假設(shè)地鐵的運(yùn)行速度為15 m/s、10 m/s,就可以采用軸箱響應(yīng)測(cè)量波長(zhǎng)大于1 m、0.67 m的鋼軌不平順。相反,在頻率較高(大于80 Hz)時(shí),多輪模型得到的車輪位移響應(yīng)會(huì)在單輪模型的結(jié)果上不規(guī)律的波動(dòng)。這是因?yàn)楦哳l段鋼軌衰減率低,軌道振動(dòng)波在車輪間反射疊加,導(dǎo)致不同車輪間存在耦合。當(dāng)反射波與發(fā)射波相位差為0時(shí)會(huì)形成駐波,引起車輪的共振。高頻范圍的不確定性使得采用軸箱響應(yīng)測(cè)量短波長(zhǎng)不平順十分困難。
轉(zhuǎn)向架垂向位移響應(yīng)可根據(jù)式(5)計(jì)算,考慮到轉(zhuǎn)向架的俯仰運(yùn)動(dòng),圖6中計(jì)算了不同位置處(轉(zhuǎn)向架中心和兩端,見(jiàn)圖4)的位移響應(yīng)。
圖6 在地鐵減振軌道上轉(zhuǎn)向架1的垂向位移響應(yīng)
在頻率小于1 Hz時(shí),兩者基本重合,而且完全跟隨鋼軌不平順的變化。轉(zhuǎn)向架中心的位移響應(yīng)呈現(xiàn)周期性的波谷,第一個(gè)出現(xiàn)在3 Hz,頻率間隔為9 Hz,對(duì)應(yīng)車速15 m/s的波長(zhǎng)為2.5 m,正好是轉(zhuǎn)向架的軸距,這些頻率點(diǎn)處輪1和輪2處的鋼軌不平順正好反向,因而俯仰運(yùn)動(dòng)顯著。轉(zhuǎn)向架兩端的位移響應(yīng)相對(duì)更加平穩(wěn),但是仍然會(huì)受到這種效應(yīng)的影響。在高頻范圍,轉(zhuǎn)向架的位移響應(yīng)同樣呈現(xiàn)很大的不確定性,這些因素導(dǎo)致裝在轉(zhuǎn)向架上的傳感器測(cè)量范圍更窄。
圖7和圖8分別表示有碴軌道工況下的車輪和轉(zhuǎn)向架的位移響應(yīng)。低頻范圍的趨勢(shì)與減振軌道相同,但是車輪響應(yīng)的第一個(gè)共振峰出現(xiàn)在52 Hz,此時(shí)車輪、軌道和軌枕一起在道碴彈簧上共振。
圖7 在普通有碴軌道上車輪1的位移響應(yīng)
因?yàn)榈啦甑膭偠缺葴p振軌道的支承剛度大,導(dǎo)致共振頻率大,因而使得車輪的位移響應(yīng)在小于35 Hz的頻率段內(nèi)都接近理想。高頻情況下,與地鐵減振軌道相比,多輪模型的車輪響應(yīng)相對(duì)于單輪模型的波動(dòng)比較小,這是因?yàn)橛胁贶壍赖淖枘岣螅苡行p軌道振動(dòng)波,從而車輪間的耦合作用相對(duì)減弱。
圖8 在普通有碴軌道上轉(zhuǎn)向架1的垂向位移響應(yīng)
2.2 多車輪的耦合作用
從前面的位移響應(yīng)結(jié)果不難看出,高頻范圍內(nèi)多車輪模型的結(jié)果與單車輪模型有很大差別。為了進(jìn)一步理解多車輪的耦合作用,這里考慮兩個(gè)車輪與地鐵減振軌道相互作用的情形。只考慮輪1處的不平順,那么輪2對(duì)輪1的影響只能通過(guò)軌道振動(dòng)波在輪2處的反射實(shí)現(xiàn)。
鋼軌不平順向量為r=[1 0]Tr,根據(jù)式(4),可以得到車輪的位移如下
兩個(gè)車輪間的軌道位移響應(yīng)可以按下式計(jì)算
其中z=0表示輪1所在位置。
車輪1的位移響應(yīng)如圖9所示,可以看到在150 Hz、355 Hz、625 Hz和930 Hz處均出現(xiàn)峰值,其中625 Hz處尤其顯著,這只可能是軌道振動(dòng)波在兩個(gè)車輪間反射疊加后形成駐波引起的。
圖9只考慮輪1處的鋼軌不平順時(shí)車輪1的位移響應(yīng)
圖10顯示了圖9中對(duì)應(yīng)峰值頻率處的軌道位移響應(yīng),其中橫坐標(biāo)為輪1和輪2間的軌道位置。圖中顯示的實(shí)際上是軌道在兩輪間的振型。不難看出,150 Hz、355 Hz、625 Hz和930 Hz情況下兩輪間的結(jié)點(diǎn)數(shù)分別為0、1、2、3,兩輪間軌道的振型近似包含1、2、3、4個(gè)半波長(zhǎng),說(shuō)明在這些頻率點(diǎn)處確實(shí)形成了駐波。
圖10 兩輪間的軌道位移響應(yīng)(駐波)
當(dāng)輪1和輪2下的鋼軌同時(shí)存在不平順時(shí),有些頻率處軌道振動(dòng)波會(huì)通過(guò)疊加增強(qiáng),而有些卻被抵消,導(dǎo)致高頻范圍的車輪響應(yīng)呈現(xiàn)明顯的不確定性。
3.1 可測(cè)性分析
從車輪位移對(duì)鋼軌不平順的響應(yīng)曲線可以看出,軸箱加速度可以用來(lái)測(cè)量低頻段也就是長(zhǎng)波長(zhǎng)的不平順,因?yàn)榈皖l段鋼軌的振動(dòng)比較弱,車輪基本是跟隨鋼軌表面的不平順振動(dòng)。頻率較高的情況下,車輪的響應(yīng)由于多車輪間的耦合作用呈現(xiàn)很大的不確定性,而且受車輛和軌道的參數(shù)如軸距、扣件阻尼的影響很大。另外,高頻時(shí)由支承剛度變化帶來(lái)的影響也不能忽略。考慮到目前軸箱加速度的測(cè)量主要是采用二次積分的方法,也就是認(rèn)為軸箱的位移完全跟隨鋼軌不平順而變化,有碴軌道的測(cè)量頻率范圍宜為小于30 Hz,地鐵減振軌道應(yīng)該小于15 Hz。假設(shè)車輛運(yùn)行速度為15 m/s(10 m/s),那么對(duì)應(yīng)的可測(cè)波長(zhǎng)范圍分別是大于500 mm(333 mm)和1 000 mm(667 mm)。至于測(cè)量頻率的下限,由具體的傳感器型號(hào)和去趨勢(shì)濾波算法決定。
3.2 增大測(cè)量范圍的建議
可測(cè)頻率范圍的大小其實(shí)由車輪響應(yīng)的第一個(gè)共振峰(P2共振頻率)決定,也就是車輪和軌道一起在支承彈簧上共振。減小車輪的質(zhì)量,可以達(dá)到增大該共振頻率的效果。當(dāng)車輪的質(zhì)量比較小,也就是其動(dòng)柔度大,軌道的動(dòng)柔度也就相對(duì)比較小,因而其振動(dòng)可以忽略。
減小車輪質(zhì)量可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。第一種是在正常運(yùn)行的車輛后面加一節(jié)較輕的拖車,且保證與前面車廂的轉(zhuǎn)向架相隔足夠長(zhǎng)以避免軌道振動(dòng)波的影響。第二種方法是在車廂的中間部位吊裝一個(gè)較輕的測(cè)量輪,由于車廂比較長(zhǎng),首尾兩個(gè)轉(zhuǎn)向架對(duì)中間位置軌道的影響比較小。
(1)多車輪與軌道作用下的車輪位移響應(yīng)與單車輪作用的結(jié)果在高頻段有很大的差別,特別是對(duì)于地鐵減振軌道。由于該軌道對(duì)高頻振動(dòng)波的衰減比較弱,導(dǎo)致振動(dòng)波在不同車輪間反射疊加,有些頻率處增強(qiáng),有些頻率處抵消,使得車輪響應(yīng)呈現(xiàn)很大的不確定性,因而采用軸箱加速度測(cè)量短波長(zhǎng)波磨不可行。
(2)轉(zhuǎn)向架的垂向位移響應(yīng)會(huì)受到俯仰運(yùn)動(dòng)的影響,當(dāng)兩輪的不平順正好反向時(shí),俯仰運(yùn)動(dòng)明顯,轉(zhuǎn)向架中心的位移很小,且呈現(xiàn)周期性波谷。轉(zhuǎn)向架兩端的位移響應(yīng)相對(duì)平穩(wěn),但高頻段仍然呈現(xiàn)不確定性。
(3)采用軸箱加速度測(cè)量軌道不平順的頻率范圍事實(shí)上受第一個(gè)共振峰(P2共振頻率)限制。采用軸箱加速度二次積分法測(cè)量鋼軌不平順時(shí),有碴軌道的測(cè)量頻率應(yīng)該小于30 Hz,地鐵減振軌道的測(cè)量頻率應(yīng)該小于15 Hz。
(4)為了增大車載軸箱加速度計(jì)的測(cè)量范圍,可以考慮減小測(cè)量輪的質(zhì)量,通過(guò)在末節(jié)車廂后面掛質(zhì)量較輕的拖車或者在車廂中間吊裝測(cè)量輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[1]GRASSIESL.Shortwavelengthrailcorrugation:fieldtrials and measuring technology[J].Wear,1996,191(1):149-160.
[2]REAL J,SALZDOR P,MONTALBAN I,et al.Determination ofrailvertical profile through inertial methods[C]. Proceedings of the institution of Mechanical Engineers, Part F:Journal of Rapid Transit,2011,225(1):14-23.
[3]寧?kù)o,諸昌鈐,張兵.基于EMD和Cohen核的軌道不平順信號(hào)分析方法[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(4):31-38.
[4]曹西寧,柴曉冬,鄭樹(shù)彬.基于Hilbert-Huang變換的軌道車輛軸箱加速度信號(hào)分析[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015,(3):92-95.
[5]WESTEON P F,LING C S,ROBERTS C,et al.Monitoring vertical track irregularity from in-service railway vehicles [C].Proceedingsoftheinstitutionofmechanical engineers,Part F:Journal of Rail and Rapid Transit,2007, 221(1):75-88.
[6]Lee J S,Choi S,Kim S S,et al.A mixed filtering approach for track condition monitoring using accelerometers on the axleboxandbogie[J].Instrumentationand Measurement,IEEE Transactions on,2012,61(3):749-758.
[7]TSUNASHIMA H,NAGANUMA Y,KOBAYASHI T. Track geometry estimation from car-body vibration[J]. Vehicle System Dynamics,2014,52(sup1):207-219.
[8]MOLODOVA M,LI Z,DOLLEVOET R.Axle box acceleration:Measurement and simulation for detection of short track defects[J].Wear,2011,271(1):349-356.
[9]LI Z,MOLODOVA M,Nú?EZ A,et al.Improvements in axle box acceleration measurements for the detection of lightsquatsinrailwayinfrastructure[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2015,62(7):4385-4397.
[10]WEI X,LIU F,JIA L.Urban rail track condition monitoring based on in-service vehicle acceleration measurements[J].Measurement,2016,80:217-228.
[11]GRASSIE S L.Measurement of railhead longitudinal profiles:a comparison of different techniques[J].Wear, 1996,191(1):245-251.
[12]WU T X,THOMPSON D J.Vibration analysis of railway track with multiple wheels on the rail[J].Journal of Sound and Vibration,2001,239(1):69-97
Dynamic Response ofAxle-boxes to Rail Unevenness Excitation due to Multiple Wheel-rail Interactions and Its MeasurabilityAnalysis
FANGGe,WU Tian-xing,PENG Zhi-ke,WANG Yu-rong
(State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China)
Track irregularities can aggravate wheel/rail interaction and thus induce fatigue and damage of wheel/rail components and noise.This is always the key point of track maintenance.Considering the economy of maintenance work, real-time monitoring of track unevenness becomes very important.The most frequently used method of track unevenness monitoring is the double integrating of the axle-box acceleration.Unfortunately,the axle-box response is found to be influenced by various factors.To obtain a better understanding of measurement results,the dynamic behavior of the axle-box response to the unevenness excitation due to multiple wheel/rail interactions is analyzed in frequency domain with the“moving irregularity”model.Based on the analysis of the axle-box response,the measurability of track unevenness is discussed.Results show that the response of the axle-box to track unevenness at low frequencies is nearly ideal,whereas at high frequencies it is influenced by the standing waves formed among the wheels and shows a variety of uncertainty due to wave reflections.Finally,some suggestions for extending the range of measurable wavelength are proposed.
vibration and wave;track irregularity;axle-box acceleration;multiple wheels interaction;standing wave
TH113.1
A
10.3969/j.issn.1006-1355.2017.02.003
1006-1355(2017)02-0013-05+100
2016-11-02
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11572188、11472170)
方格(1992-),男,湖北省黃岡市人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楦邚椥攒壍啦C(jī)理及其抑制和測(cè)量方法。Email:fang8790@sjtu.edu.cn
彭志科(1974-),男,博士生導(dǎo)師。E-mail:z.peng@sjtu.edu.cn