現代鐵路軌道不平順與病害動態檢測（簡體書）

本書主要介紹基於運營車輛的軌道安全狀態檢測技術，包括軌道不平順檢測技術、鋼軌病害（核傷、波磨、掉塊）等的在線檢測和識別、軌道道岔病害識別技術、鋼軌質量預測技術等方面的內容，將重點介紹模型的建立、仿真模型的搭建、檢測技術仿真、實際數據分析等內容。本書介紹的內容是這些年本團隊在該領域的研究成果。

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 軌道檢測概述 2
1.1.1 軌道不平順的基本知識 2
1.1.2 軌道病害的基本知識 6
1.1.3 道岔的基本知識 9
1.1.4 軌道質量指數的基本知識 14
1.2 軌道檢測技術的國內外研究現狀 15
1.2.1 不平順檢測 15
1.2.2 軌道病害研究 16
1.2.3 道岔病害研究 17
1.2.4 TQI預測 20
1.3 本書的主要內容 21
參考文獻 22
第2章 城軌車輛動力學模型 27
2.1 城軌車輛垂向懸掛系統動力學建模 27
2.1.1 城軌車輛垂向懸掛系統的微分方程描述 27
2.1.2 城軌車輛懸掛系統的狀態空間模型與頻域響應分析 30
2.1.3 基於功率譜函數的軌道模擬及車輛模型時域響應仿真 34
2.1.4 模型的特點與局限 35
2.2 城軌車輛橫向動力學分析 35
2.2.1 整車橫向動力學系統的微分方程描述 35
2.2.2 整車橫向動力學系統的狀態空間模型 39
2.2.3 整車橫向動力學系統的頻域響應分析 43
2.3 SIMPACK域軌車輛整車動力學仿真實驗模型 48
2.3.1 SIMPACK軟件介紹 48
2.3.2 城軌車輛整車動力學仿真實驗模型的搭建 50
2.4 本章小結 52
參考文獻 53
第3章 軌道檢測數字信號處理基礎 54
3.1 時域分析理論 54
3.2 頻域分析理論 55
3.2.1 頻譜分析 55
3.2.2 頻域特徵值 56
3.3 小波分析的基本原理 57
3.3.1 連續小波變換 58
3.3.2 小波包分解 58
3.4 希爾伯特一黃變換 60
3.5 支持向量機的基本原理 65
3.5.1 支持向量機概述 65
3.5.2 支持向量機分類原理 66
3.6 本章小結 67
參考文獻 67
第4章 基於運營車輛的軌道不平順檢測系統與超限等級標準 69
4.1 軌道不平順檢測系統的組成 69
4.2 傳感器的選用標準 71
4.3 軌道不平順檢測系統數據採集設備 71
4.4 軌道不平順檢測系統數據處理設備 72
4.5 軌道不平順檢測系統軟件 73
4.6 軌道動態不平順超限等級標準概述 75
4.7 軌道不平順檢測數據及處理流程 76
4.8 軌道不平順數據分析舉例及超限等級標準制定 77
4.8.1 高低不平順數據分析及超限等級標準制定方法 78
4.8.2 軌向不平順數據分析及超限等級標準制定方法 80
4.9 軌道木平順檢測系統超限等級標準可用性驗證 83
4.10 軌道不平順檢測系統檢測可重複性驗證 84
4.11 本章小結 94
參考文獻 94
第5章 鋼軌健康狀態檢測 95
5.1 各項軌道不平順振動譜分析 95
5.1.1 軌道不平順度簡介 95
5.1.2 軌道不平順的分類 96
5.2 基於轉向架振動加速度譜的鋼軌健康狀態分析 100
5.3 基於均方根及峰峰值的鋼軌健康狀態分析 107
5.4 本章小結 110
參考文獻 110
第6章 鋼軌核傷建模與檢測技術研究 111
6.1 鋼軌核傷病害 111
6.1.1 鋼軌核傷的產生機理及擴展 111
6.1.2 鋼軌核傷擬合模型 113
6.1.3 SIMPACK彈性體建模 114
6.2 基於核傷鋼軌的整車動力學模型 115
6.2.1 剛性輪軌接觸模型的建立 115
6.2.2 車輛仿真模型的建立 117
6.2.3 存在核傷病害的彈性鋼軌建模 119
6.3 鋼軌核傷處轉向架加速度信號的時頻分析 121
6.3.1 時域分析 121
6.3.2 頻域分析 123
6.3.3 不同車速下的車輛轉向架振動加速度信號時頻特性 127
6.4 小波分析與希爾伯特一黃變換在鋼軌核傷檢測中的應用 131
6.4.1 小波分析在鋼軌核傷檢測巾的應用 131
6.4.2 希爾伯特黃變換在鋼軌核傷檢測巾的應用 137
6.4.3 系統模態分析 143
6.5 本章小結 146
參考文獻 147
第7章 波浪形磨耗建模與檢測技術研究 149
7.1 基於SIMPACK的鋼軌波浪形磨耗建模 149
7.1.1 鋼軌波浪形磨耗病害 149
7.1.2 基於波磨鋼軌的整車動力學模型 151
7.2 銅軌波磨處轉向架加速度振動信號的時頻分析 153
7.2.1 時域分析 153
7.2.2 頻域分析 155
7.3 小波分析 156
7.4 希爾伯特一黃變換分析 160
7.5 本章小結 163
參考文獻 163
第8章 軌縫低接頭病害建模與檢測技術研究 164
8.1 基於SIMPACK的軌縫低接頭建模 164
8.1.1 軌縫低接頭的形成 164
8.1.2 鋼軌軌縫低接頭擬合模型 164
8.2 軌縫低接頭處轉向架加速度振動信號的時域分析 166
8.3 軌縫低接頭處轉向架加速度振動信號的功率譜密度分析 168
8.4 軌縫低接頭處轉向架加速度振動信號的小波分析 169
8.5 軌縫低接頭處轉向架加速度振動信號的希爾伯特一黃變換 172
8.6 上海地鐵1號線實際數據分析 174
8.7 本章小結 183
參考文獻 183
第9章 車輛一道岔病害建模與檢測技術研究 184
9.1 道岔建模 184
9.1.1 道岔的構造 184
9.1.2 道岔建模原理 185
9.1.3 道岔病害的模擬 190
9.2 轉向架振動加速度信號分析 194
9.2.1 尖軌不密貼信號分析 194
9.2.2 尖軌軋傷信號分析 198
9.2.3 叉心沉落信號分析 202
9.2.4 導曲線反超高 207
9.3 基於SVM的道岔病害識別 211
9.4 模型驗證及可行性分析 224
9.4.1 基於實驗台的模型驗證 225
9.4.2 工程應用可行性分析 235
9.5 本章小結 244
參考文獻 244
第10章 神經網絡預測TQI 245
10.1 BP神經網絡預測TQI 245
10.1.1 BP神經網絡簡介 245
10.1.2 BP神經網絡輸入、輸出樣本 246
10.1.3 BP神經網絡結構設計 247
10.1.4 BP神經網絡預測流程 249
10.1.5 BP神經網絡預測結果 249
10.1.6 網絡輸入樣本優化及預測結果 250
10.2 灰色神經網絡預測TQI 252
10.2.1 灰色神經網絡 252
10.2.2 遺傳算法優化的灰色神經網絡 255
10.3 泛化回歸神經網絡預測TQI 258
10.4 支持向量機神經網絡預測TQI 260
10.5 本章小結 263
參考文獻 264

第1章 緒論
作為*具可持續性的交通運輸模式，軌道交通是國民經濟大動脈、大眾化交通工具和現代城市運行的骨架，是國家的關鍵基礎設施和重要基礎產業，對我國經濟社會發展、民生改善和國家安全起著不可替代的全局性支撐作用。軌道交通科技持續自主創新更是國家通過實施“創新驅動發展”戰略全面支撐“新型城鎮化”“區域經濟一體化”“一帶一路”“製造強國”和“走出去”戰略的全局性重要基礎保障；對建設創新型國家，構建現代綜合交通運輸體系，實現全面建成小康社會目標，具有重大意義。
2014年，我國城市軌道交通建設和投資繼續保持高增長，建設規模持續擴大。特別是國家發展和改革委員會連續出台了多個政策性文件，為城市軌道交通發展創造了更加有利的政策環境。新線投產規模創歷史*高紀錄，鐵路營業里程突破11.2萬公里。高速鐵路營業里程超過1.6萬公里，穩居世界第一。中西部鐵路建設掀起高潮，營業里程達到8萬公里，佔全國鐵路營業總里程的62.3%。目前，以“四縱四橫”為主骨架的高速鐵路網已初具規模，並全部開工建設，其中京滬、京廣深、哈大、滬杭深“四縱”高鐵已建成通車；石家莊至太原、濟南至青島、鄭州至西安至寶雞、南京至武漢至重慶、杭州至南昌等“四橫”部分段落已建成通車，未建成路段大部分在“十三五”期間全部建成。
截至2014年12月31日，全國開通運營城市快速軌道交通線路的城市共計22座，運營線路共計83條，運營線路總長為2699.6km，運營車站共計1770座；全國開通運營現代有軌電車線路的城市共計8座，運營線路共計13條，運營線路總長為180.3km，運營車站共計202座。 2014年全國新增開通運營城市快速軌道交通線路的城市3座（無錫、寧波、長沙），新增運營線路9條，新增運營線路長度373.6km，新增運營車站251座；全國新增開通運營現代有軌電車線路的城市共3座（南京、蘇州、廣州），新增運營線路5條，新增運營線路長度83.7km，新增運營車站58座。
2014年4月3日，完全自主化的中國北車股份有限公司（簡稱中國北車）CRH5型動車組牽引電傳動系統通過了中國鐵路總公司組織的行業專家評審；10月22日，完全自主化的中國北車CRH5型動車組列車網絡控制系統（“高鐵之腦”）通過中國鐵路總公司組織的技術評審，獲准批量裝車，成為國內首個獲准批量裝車運行的動車組列車網絡控制系統。隨後，裝載中國北車自主化牽引系統的CRH5A型動車組在哈爾濱鐵路局開展正線試驗；11月25日，裝載“中國創造”牽引電傳動系統和網絡控制系統的中國北車CRH5A型動車組進入“5000公里正線試驗”的*後階段。這是國內首列實現牽引電傳動系統和網絡控制系統完全自主創新的高速動車組，標誌著中國高鐵列車核心技術正實現由“國產化”向“自主化”的轉變，中國高鐵列車實現由“中國製造”向“中國創造”的跨越，將大力提升中國高鐵列車的核心創造能力，夯實中國高鐵“走出去”的底氣。
我國超過14萬公里（其中高速鐵路、城際快速2萬多公里）的鐵路總運營里程、超過6000多公里的城市軌道交通、不斷加速的新型城鎮化進程和眾多經濟圈、“走出去”和“一帶一路”戰略的實施，均使我國軌道交通國內外市場需求迅速擴大。
鋼軌作為軌道的主要組成部件，與運營列車的車輪直接接觸，為列車車輪的滾動提供連續平順且阻力*小的環境，故鋼軌工作狀態的好壞對於城市軌道交通車輛的安全運營及乘坐舒適性至關重要。然而隨著城市軌道交通運營年限及客運量的增加，鋼軌必然會出現各式各樣的傷損。目前，城市軌道交通檢測主要通過人工檢測或軌檢車檢測來完成。人工檢測是通過弦線、軌道檢查儀等對軌道幾何形位進行的檢測，因此工務人員的勞動強度極大，且效率極低；軌檢車檢測大多使用一些光學元件、位移傳感器、伺服系統等組成軌道幾何形位檢測系統，自動化程度相對較高，但係統的複雜性使得其易受外界環境干擾且易失效，從而維修量大，同時軌檢車的檢測週期也較長，不能夠實時地發現一些嚴重的軌道不平順［1-4］。因此在城市軌道交通高速發展的現狀下，傳統的人工檢測及軌道檢測車按固定週期檢測線路的措施已遠遠無法滿足未來軌道運營對安全狀態檢測的要求。
本書提出的基於運營車輛的軌道病害檢測方法，可通過普通列車車載測量實現，大幅降低了檢測成本。由於其同時具有相比於軌檢車的成本優勢及相比於輕型軌道檢測小車的高速性，所以能夠實現高密度線路上軌道平順狀態的高頻率檢測，從而能夠更及時地為工務部門提供線路狀態，了解軌道線路的平順狀態和變化規律及變化程度，為合理安排線路的養護和維修工作，及時做出維修決策具有重大意義，並具有十分可觀的經濟和社會效益。
1.1 軌道檢測概述
1.1.1 軌道不平順的基本知識
軌道線路的平直區段，鋼軌在左右方向和高低方向相對於標準的平直軌道位置產生差異，這種幾何參數的差異稱為軌道的不平順。軌道沒有車輪載荷作用時的不平順狀態稱為靜態不平順；當列車在軌道線路上運行時，列車載荷產生的輪軌作用將會引起軌道不同程度的彈性下沉，此時產生的軌道不平順稱為動態不平順［5］。由於軌道不平順的隨機性，列車運行過程中產生的不同程度的振動也是隨機分佈的。軌道不平順是導致列車振動的主要激擾源，是影響列車安全運行的重要因素，如果任其長期累積惡化，將會對軌道線路的結構強度和穩定性產生重要影響。
就軌道系統而言，在列車運行過程中，隨著時間的積累，列車車輪與軌道直接的相互作用必然導致軌道在幾何形態上不斷發生變化，這種變化即軌道的幾何不平順。通常來說，按照列車運行過程中軌道不平順對機車車輛的激擾方向不同可將軌道不平順分為橫向不平順、垂向不平順和復合不平順；按照軌道不平順的波長特徵可將軌道不平順分為短波不平順、中波不平順和長波不平順［6］。每種類型的軌道不平順都會影響列車在運行過程中的安全運行、乘客的舒適度。長期的累積不平順將會嚴重影響軌道設備的使用壽命，對軌道不平順檢測的實時性和準確性顯得非常重要。
1.按對機車車輛的激擾方向分類
按對機車車輛的激擾方向，軌道不平順分為如下幾種。
（1）高低不平順：沿著列車運行方向由路基或道床的不均勻沉降等造成的垂直方向上的凹凸不平，如圖1.1所示。由於左右兩個鋼軌的起伏變化趨勢不一定相同，高低不平順還分為左軌高低不平順和右軌高低不平順。
圖1.1 軌道高低不平順
（2）水平不平順：在軌道的同一個截面上由軌道左、右軌的高低起伏不同造成的左、右兩軌軌面的高度差。需要指出的是，在彎道時水平不平順是指左右兩軌軌面的高度差減去正常的超高值，而在直線軌道時是指兩軌軌面的高度差（圖1.2）。造成水平不平順的原因主要是左右軌道結構強度不同或左右軌道受力不均勻等。
圖1.2 軌道水平不平順
（3）扭曲不平順：左右兩鋼軌頂面相對於軌道平面的扭曲，又稱三角坑（圖1.3）。可以由選定基長的兩個水平截面水平不平順的差值計算得到，軌檢車通常採用2.5m的基長。本書採用的上海地鐵0117號列車同一轉向架的兩軸距也為2.5m。
圖1.3扭曲不平順
（4）軌距不平順：軌道同一截面中，距離鋼軌頂面下內側16mm處左、右兩鋼軌間距與標準軌距（1435mm）的偏差，如圖1.4所示。
圖1.4 軌距不平順
（5）軌向不平順：軌頭內側沿軌道長度方向的橫向凹凸不平順，即軌道方向不平順。形成此類不平順的原因可能是鋪軌施工，整道作業的鋼軌中心線存在位置偏差，軌排橫向變形積累和軌頭側面的不均勻磨耗、扣件失效、軌道橫向彈性不一致等。與高低不平順一樣，軌向不平順也分為左軌軌向不平順和右軌軌向不平順，如圖1.5所示。
（6）複合不平順：在一段軌道的某一位置或在影響列車運行性能的範圍內，軌道橫向和垂向不平順同時存在的情況。橫向不平順包括軌向不平順、軌距不平順；垂向不平順包括高低不平順、水平不平順、扭曲不平順。通常來講，列車運行線路的軌道不平順都表現為複合不平順類型。
圖1.5 軌向不平順
2.按波長特徵的軌道不平順分類
軌道上存在著各種不同波長的不平順，波長從幾厘米到幾十米都有，按照波長的長度可分為短波不平順、中波不平順、長波不平順。對按軌道不平順波長分類的詳細描述見表1.1［7］。
表1.1 軌道不平順波長及特徵［8］
3.軌道不平順造成的影響
軌道不平順是列車運行過程中主要的激擾源，也是造成輪軌作用力變大以及機車車輛強烈振動的主要原因，會嚴重影響列車運行的安全性和乘客的舒適性。另外，軌道不平順也是導致軌道設備使用周期縮短的主要原因。國外的研究顯示，各種不同類型的軌道不平順對軌道設備都有著直接或間接的影響，同時不同類型的軌道不平順也會導致不同類別和程度的差異，具體描述見表1.2和表1.3。
表1.2 按照車輛激擾作用方向劃分的軌道不平順及影響［7，8］
表1.3 按波長劃分的不平順及影響［9，10］
1.1.2 軌道病害的基本知識
鋼軌作為城市軌道交通的重要組成部件，其工作形態是一根在點支撐或連續彈性基礎上的無限長梁，主要承受機車輪載作用下的彎曲應力、輪軌接觸應力，鋼軌軌頭與軌腰或軌腰與軌底連接處的局部應力，以及由溫度變化引起的溫度應力，並且起著引導機車車輛沿規定方向運行、將來自車輛的衝擊和荷載傳至軌枕及扣件上的作用，故鋼軌的強度和安全狀態直接影響城市軌道交通車輛運行的安全、平穩。鋼軌各部位的受力類型如圖1.6所示［11］，在承擔繁重的運輸壓力時，鋼軌在上述各種應力等作用下會產生各種形式的傷損。鋼軌傷損是指鋼軌發生裂紋、折．．．