高速鐵路道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析方法

王璞

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

通過在高速鐵路新建或運(yùn)營線路上選取典型道岔進(jìn)行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，可以對(duì)高速列車通過道岔時(shí)的安全性、舒適性以及道岔動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)判，進(jìn)而驗(yàn)證高速道岔的設(shè)計(jì)方案及主要技術(shù)參數(shù)［1-2］。另外，高速道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)也可為高速道岔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

高速道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)主要對(duì)高速列車通過道岔測試斷面時(shí)的輪軌垂向力、橫向力，鋼軌垂向振動(dòng)位移、橫向振動(dòng)位移，鋼軌振動(dòng)加速度等指標(biāo)進(jìn)行測試［3-4］。在數(shù)據(jù)分析過程中，分別記錄列車車輪通過測試斷面時(shí)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，針對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)選取最大值或平均值，然后通過與限值對(duì)比來評(píng)判道岔動(dòng)力性能［5-7］。既有方法較為簡單，可對(duì)行車安全性等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)是否超限進(jìn)行評(píng)判，但缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的充分挖掘和分析，也難以反映數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、概率分布特征、頻域特性等。另外，數(shù)據(jù)取樣尚無規(guī)范做法，若取樣不合理則影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，既有方法在對(duì)高速道岔動(dòng)力性能的影響因素及影響規(guī)律加以分析時(shí)存在一定的局限性。

本文對(duì)高速鐵路道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析方法進(jìn)行研究，以期為數(shù)據(jù)獲取、抽樣、處理、分析提供一種較為科學(xué)、規(guī)范的方法，并為深入挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 高速道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y試列車直向和側(cè)向通過道岔時(shí)車-岔系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，通常在轉(zhuǎn)轍器區(qū)及導(dǎo)曲線區(qū)選取典型斷面。主要測試指標(biāo)如下。

1）輪軌動(dòng)力相互作用：輪軌垂向力、橫向力。

2）安全性指標(biāo)：脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力。

3）岔區(qū)部件動(dòng)態(tài)變形：鋼軌垂向振動(dòng)位移、橫向振動(dòng)位移、尖軌尖端開口量、密檢器處尖軌相對(duì)于基本軌的橫向位移。

4）軌道振動(dòng)特性：鋼軌、岔枕振動(dòng)加速度。

根據(jù)規(guī)范要求，基于剪應(yīng)力法采用應(yīng)變花組成全橋，現(xiàn)場測試高速列車通過時(shí)的輪軌垂向力P和橫向力Q［8］。由測得的輪軌力計(jì)算出脫軌系數(shù)Q/P（橫向力與垂向力之比）、輪重減載率ΔP/P（垂向減載量與垂向力之比）、輪軸橫向力Q1-Q2（左右輪軌橫向力之差）作為高速列車運(yùn)行安全性指標(biāo)。道岔區(qū)鋼軌垂向振動(dòng)位移、橫向振動(dòng)位移、尖軌尖端開口量及密檢器處尖軌相對(duì)位移采用彈片式位移計(jì)安裝于自制位移架上進(jìn)行測試。采用壓電式或電阻應(yīng)變式加速度計(jì)測試道岔區(qū)鋼軌、岔枕或軌道板的振動(dòng)加速度。各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的現(xiàn)場測試方法及測試設(shè)備如圖1所示。

在完成傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝后，通過對(duì)各個(gè)測試通道進(jìn)行標(biāo)定實(shí)現(xiàn)所采集信號(hào)與實(shí)際測試數(shù)值的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，進(jìn)而通過設(shè)置觸發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)在列車通過測點(diǎn)時(shí)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

圖1 道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法及設(shè)備

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本建立方法

在現(xiàn)場實(shí)際測試過程中會(huì)獲取大量的數(shù)據(jù)，包括列車類型、通過速度，根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容還可包括道岔類型、線路條件等。因此，合理選取數(shù)據(jù)樣本，對(duì)大量混雜數(shù)據(jù)進(jìn)行有效歸類和整理尤為重要，是后續(xù)數(shù)據(jù)分析的前提。數(shù)據(jù)樣本建立方法見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)樣本建立方法

首先根據(jù)試驗(yàn)需求，梳理可能的動(dòng)力學(xué)性能影響因素，如行車速度、道岔類型、線路條件、高速列車車型等；然后針對(duì)每種影響因素分析可能存在的因素水平；最后通過不同因素水平的組合建立分析工況集。對(duì)每個(gè)分析工況，選取15～25次測試數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)樣本。1 次測試數(shù)據(jù)是指1 列高速動(dòng)車組通過道岔時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

建立起數(shù)據(jù)樣本集后，為了更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和對(duì)比分析，對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)樣本，分別對(duì)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行時(shí)程曲線、統(tǒng)計(jì)特征值、概率分布曲線、功率譜密度及1/3 倍頻程分析。然后通過不同數(shù)據(jù)樣本之間的對(duì)比研究特定的影響因素。下文以輪軌垂向力和鋼軌振動(dòng)加速度指標(biāo)為例，對(duì)具體的數(shù)據(jù)分析過程及方法進(jìn)行介紹。

3.1 時(shí)程曲線分析

時(shí)程曲線分析是最基礎(chǔ)和直接的分析方法（見圖3）。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)樣本，首先選取一次典型高速列車通過時(shí)的輪軌垂向力時(shí)程曲線。然后針對(duì)不同數(shù)據(jù)樣本，統(tǒng)一坐標(biāo)軸，對(duì)輪軌垂向力時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比分析，直觀地評(píng)價(jià)相應(yīng)影響因素的影響規(guī)律。

圖3 時(shí)程曲線分析

3.2 統(tǒng)計(jì)特征值分析

統(tǒng)計(jì)特征值分析可以宏觀地反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)樣本，均有15～25次高速列車通過測試斷面時(shí)的輪軌垂向力測試數(shù)據(jù)，分別提取每列車所有輪對(duì)通過測試斷面時(shí)的輪軌力沖擊峰值，以25 列車且每列車8 節(jié)編組為例，則共有800 個(gè)輪軌垂向力峰值數(shù)據(jù)。針對(duì)該800 個(gè)輪軌力數(shù)據(jù)，首先分別計(jì)算其平均值、最大值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、99%置信區(qū)間等統(tǒng)計(jì)特征值。然后對(duì)于不同數(shù)據(jù)樣本，通過對(duì)上述各輪軌力統(tǒng)計(jì)特征值進(jìn)行對(duì)比分析，來研究相應(yīng)影響因素的影響規(guī)律，可繪制柱形圖進(jìn)行分析展示（圖4），分別采用不同的標(biāo)記表示各統(tǒng)計(jì)特征值。由圖4可以清晰地看出不同速度級(jí)條件下輪軌力測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

圖4 數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計(jì)特征值分析

3.3 概率分布曲線分析

概率分布曲線分析可以更細(xì)致地呈現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性（圖5）。仍以25列車且每列車8節(jié)編組為例，則共有800 個(gè)輪軌垂向力峰值數(shù)據(jù)。根據(jù)輪軌力數(shù)據(jù)的分布范圍，首先將其平均離散化為若干個(gè)區(qū)段，然后統(tǒng)計(jì)該800 個(gè)輪軌力峰值數(shù)據(jù)在每個(gè)區(qū)段上出現(xiàn)的頻次，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制概率分布直方圖，進(jìn)而基于概率分布直方圖進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)及正態(tài)分布曲線擬合，來表征輪軌力的分布特性。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)樣本，通過對(duì)概率分布直方圖及正態(tài)分布擬合曲線進(jìn)行對(duì)比分析，來研究相應(yīng)影響因素對(duì)于輪軌力分布特性的影響規(guī)律。由圖5可以直觀地看出不同速度級(jí)條件下輪軌力的平均水平、離散程度等分布特性的變化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)于不同速度級(jí)對(duì)輪軌力的影響特性有更為深入的認(rèn)識(shí)。

圖5 概率分布曲線分析樣圖

3.4 功率譜密度及1/3倍頻程分析

功率譜密度和1/3 倍頻程分析為頻域分析方法。通常僅針對(duì)鋼軌和岔枕振動(dòng)加速度測試結(jié)果開展此類分析，主要用于研究岔區(qū)軌道振動(dòng)的頻率特性和能量水平。以鋼軌加速度為例，對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)樣本，選取一次典型高速列車通過時(shí)的鋼軌加速度時(shí)程曲線，通過傅里葉變換計(jì)算得到加速度的功率譜密度曲線，進(jìn)而積分得到1/3 倍頻程曲線。對(duì)于不同數(shù)據(jù)樣本，對(duì)加速度功率譜密度曲線和1/3 倍頻程曲線進(jìn)行對(duì)比分析，研究相應(yīng)影響因素對(duì)于軌道振動(dòng)特性的影響規(guī)律，見圖6 和圖7?？梢悦黠@地看出，速度的提高會(huì)使鋼軌在特定頻段的振動(dòng)顯著增強(qiáng)，振動(dòng)能量整體增大，僅在10 Hz以下低頻段略有下降。

圖6 功率譜密度曲線

圖7 1/3倍頻程曲線

以上僅以輪軌力、加速度指標(biāo)為例對(duì)數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行了描述。對(duì)數(shù)據(jù)樣本中安全性指標(biāo)、岔區(qū)軌件振動(dòng)變形等其他各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)，均可采用以上方法進(jìn)行處理分析。最后，基于對(duì)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的分析結(jié)果，對(duì)高速道岔的動(dòng)力學(xué)性能以及各影響因素的影響機(jī)制和規(guī)律進(jìn)行綜合研究。

4 結(jié)語

本文研究了高速鐵路道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析方法，通過影響因素、因素水平、分析工況、數(shù)據(jù)樣本分層遞推，提出了較為科學(xué)規(guī)范的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本建立方法。針對(duì)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，通過開展時(shí)程曲線、統(tǒng)計(jì)特征值、概率分布曲線、功率譜密度曲線及1/3 倍頻程曲線多維度分析，對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘。

研究結(jié)果可在一定程度上改善數(shù)據(jù)樣本選取混亂的狀況，方便有效地對(duì)各種影響因素進(jìn)行分析；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)域頻域特性、概率分布特性等的綜合研究，對(duì)高速道岔動(dòng)力學(xué)性能和關(guān)鍵因素的影響規(guī)律進(jìn)行更充分的分析。