基于小波時(shí)頻分析的車輪多邊形和軌道不平順?lè)治鲅芯?/h1>
2023-08-20 03:20:19孫亮張建全沈龍江賀世忠
機(jī)械 2023年4期 關(guān)鍵詞：小波變換
孫亮 張建全 沈龍江 賀世忠
摘要：車輪多邊形和軌道不平順是當(dāng)下影響地鐵車輛運(yùn)行品質(zhì)的最主要原因。軸箱的振動(dòng)是輪軌耦合振動(dòng)的最直接反映，車輪多邊形引起的周期性激勵(lì)和軌道不平順信息可以從軸箱振動(dòng)信號(hào)中分析出來(lái)。本文使用西門子Simcenter TestLab振動(dòng)控制采集分析系統(tǒng)采用小波變換對(duì)實(shí)測(cè)軸箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到車輪多邊形引起的振動(dòng)主頻在59.81～88.45 Hz的范圍內(nèi)，本方法可快速得到被測(cè)車輛車輪多邊形情況以及定位軌道不平順較為嚴(yán)重的區(qū)段，為工程師分析車輛異常振動(dòng)提供依據(jù)。使用小波變換對(duì)軸箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的方法相較于傳統(tǒng)車輪和軌道測(cè)試手段更為方便可靠。
關(guān)鍵詞：小波變換；時(shí)頻分析；線路不平順；車輪多邊形；軸箱振動(dòng)分析
中圖分類號(hào)：TE991.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.04.008
文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 04-0053-06
Research on the Wheel Polygon and Track Irregularity based on
Wavelet Time-Frequency Analysis
SUN Liang1，ZHANG Jianquan1，SHEN Longjiang1，2，HE Shizhong1，2
（ 1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001， China; 2.The State Key Laboratory of
Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration， Zhuzhou 412001， China ）
Abstract：Wheel polygons and track irregularities are the most important reasons that affect the running quality of metro. The vibration of the axle box is the most direct reflection of the coupling vibration of the wheel and rail. The information of the periodic excitation and track irregularities caused by the wheel polygon can be analyzed from the vibration signal of the axle box. In this paper， the Siemens Simcenter TestLab vibration control acquisition and analysis system is employed to conduct the time-frequency analysis with wavelet transform on the axle box vibration signal， which shows that the main frequency of vibration caused by the wheel polygon is in the range of 59.81-88.45Hz. Though this method the wheel polygon situation of the tested vehicle and the section with severe positioning track irregularity can be quickly obtained， which provides a basis for the engineers to analyze the abnormal vibration of the vehicle. The time-frequency analysis of the axle box vibration signal is more convenient and reliable than the conventional wheel and track test methods.
Key words：wavelet transform；time-frequency analysis；track irregularity；wheel polygon；axle box vibration analysis
近年來(lái)，地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架附屬支架經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂的問(wèn)題，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了眾多研究。相關(guān)研究表明軌道車輛轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)異常是支架開(kāi)裂的直接原因，目前學(xué)界主要認(rèn)為軌道不平順、車輪多邊形是異常振動(dòng)的源頭。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量的研究。Alfi等[1]利用車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)輸入實(shí)測(cè)車輛振動(dòng)加速度和軸箱加速度值，預(yù)測(cè)波長(zhǎng)大于20 ｍ的軌道不平順。Weston等[2]實(shí)測(cè)車輛軸箱加速度分析出了軌道高低不平順的位置。Li等[3]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)軌道不平順與車輛振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行研究。關(guān)于車輪多邊形形成的激勵(lì)目前尚不明，但是嚴(yán)重的車輪多邊形會(huì)引起車輛振動(dòng)特性異常，損害車輛結(jié)構(gòu)安全[4-6]。李偉等[8]認(rèn)為車輪多邊形的與是輪對(duì)一階彎曲模態(tài)有關(guān)，陳光雄等[9]認(rèn)為車輪多邊形磨耗與輪軌系統(tǒng)的低頻黏－滑振動(dòng)有關(guān)，胡曉依等[10]通過(guò)建立車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證了多邊形磨耗與“頻率固定”激勵(lì)相關(guān)。各種理論都認(rèn)為車輪多邊形無(wú)法消除，只能通過(guò)在早期干預(yù)，減緩多邊形發(fā)展。想要在車輪多邊形磨耗早期發(fā)現(xiàn)，就必須對(duì)車輪多邊形進(jìn)行檢測(cè)，車輪多邊形的檢測(cè)一直比較麻煩，通常采用車輪粗糙度測(cè)量系統(tǒng)，但該系統(tǒng)需要在庫(kù)內(nèi)頂起軸箱，影響車輛正常運(yùn)營(yíng)。所以一種通過(guò)軸箱振動(dòng)檢測(cè)車輪多邊形的方法是解決多邊形檢測(cè)問(wèn)題的有效手段。
小波變換是一種線性變換方法，適用于像軸箱振動(dòng)信號(hào)這種線譜成分復(fù)雜、帶寬分布廣以及噪聲多的非穩(wěn)定信號(hào)，相比于短時(shí)傅里葉變換，其窗口大小可隨頻率變化，具有高靈活性、高對(duì)比度和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)?；诖耍疚牟捎没谛〔ㄗ儞Q時(shí)頻分析方法分析實(shí)測(cè)的地鐵軸箱振動(dòng)信號(hào)，準(zhǔn)確判斷地鐵車輛車輪多邊形和線路軌道不平順情況，為車輛異常振動(dòng)分析提供支撐。
1 小波變換基本原理
小波變換[7]通過(guò)一個(gè)隨頻率大小伸縮的小波函數(shù)的平移實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率域的局部化分析，小波函數(shù)在信號(hào)高頻區(qū)域?qū)r(shí)間進(jìn)行細(xì)分，在信號(hào)低頻區(qū)域?qū)︻l率進(jìn)行細(xì)分，可自適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)處理的要求，是理想的信號(hào)處理工具。
2 軸箱振動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)原始數(shù)據(jù)
軸箱振動(dòng)時(shí)域信號(hào)能夠綜合反映出車輛運(yùn)行過(guò)程中的線路情況和車輪狀態(tài)。圖1（a）展示了兩列車在同一線路上運(yùn)行軸箱垂向振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)，一列為鏇輪后車輛，另一列為未鏇輪車輛，每一小段信號(hào)代表車輛從一個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行至下一站點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)。從圖中可以清晰的看出整個(gè)線路振動(dòng)信號(hào)分成兩個(gè)區(qū)域，區(qū)域1內(nèi)的振動(dòng)普遍要小于區(qū)域2，說(shuō)明區(qū)域1的線路條件要優(yōu)于區(qū)域2。在區(qū)域1內(nèi)，鏇輪后車輛的軸箱振動(dòng)幅值要小于未鏇輪的車輛，在區(qū)域2內(nèi)，兩者振動(dòng)幅值相近。圖1（b）展示了列車的速度時(shí)域信號(hào)，兩列車的速度控制信號(hào)一致。
3 實(shí)測(cè)信號(hào)時(shí)頻分析
使用西門子Simcenter TestLab振動(dòng)控制采集分析系統(tǒng)采用小波變換對(duì)實(shí)測(cè)軸箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，可以得出每段信號(hào)頻率成分隨時(shí)間變化規(guī)律，根據(jù)車輛運(yùn)行機(jī)理，隨時(shí)間連續(xù)變化的頻率成分是由車輪轉(zhuǎn)動(dòng)激發(fā)的諧振，隨時(shí)間不連續(xù)的頻率成分則是由環(huán)境（軌道、側(cè)風(fēng)等）所激發(fā)。
圖2為兩列車輛在區(qū)域1內(nèi)某兩段線路的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，該圖橫軸為時(shí)間，縱軸為頻率，通過(guò)顏色表示幅值，顏色越深，幅值越大，從圖中右側(cè)的幅值圖例中可知設(shè)置的閾值是1g2/Hz，大于閾值的幅值都顯示為黑色。圖2（a）為未鏇輪車輛的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，從中可以看到振動(dòng)信號(hào)在橫向成帶狀分布，說(shuō)明軸箱振動(dòng)信號(hào)中存在諧振信號(hào)，該信號(hào)在時(shí)間上呈現(xiàn)連續(xù)性且變化趨勢(shì)與車輛速度成一致性，這一現(xiàn)象為典型車輪多邊形特征。這些帶狀條紋間距約為7 Hz，同時(shí)在59.81～88.45 Hz的范圍內(nèi)，且呈現(xiàn)出深紫色，由車輛運(yùn)行速度與車輪多邊形引起的振動(dòng)頻率關(guān)系（式（7））可推導(dǎo)出引起上述頻率范圍的車輪多邊形階數(shù)（式（8））：
式中： 為軸箱振動(dòng)頻率，Hz； 為車輛運(yùn)行速度，km/h；λ為車輪多邊形波長(zhǎng)，mm； 為車輪直徑，mm；n為車輪多邊形階數(shù)。
從圖2（b）中得到的270～340 s的車輛運(yùn)行速度約為65 km/h，該車已運(yùn)營(yíng)6年左右，車輪的平均直徑約為800 mm，則通過(guò)式（8）可以算出59.81～88.45 Hz振動(dòng)是由8～12階多邊形引起。
圖2（b）為鏇輪車輛的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，可看出軸箱振動(dòng)整體更弱，且橫向帶狀條紋不清晰，車輪多邊形狀態(tài)良好。因此在區(qū)域1內(nèi)兩者振動(dòng)差異主要是由于車輪多邊形差異引起。
圖3為兩列車輛在區(qū)域2內(nèi)某兩段線路的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖。通過(guò)上文的分析可知，鏇輪后的車輛車輪多邊形的情況較好，所以影響其軸箱振動(dòng)的主要原因是線路不平順。圖3（b）為鏇輪車輛的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，分別截取了2400～2500 s和2700～2800 s的振動(dòng)時(shí)頻圖，從中可以看到間隔相等的豎向帶狀條紋，這表示軸箱收到固定時(shí)間間隔的沖擊信號(hào)。從圖2（b）中得到的2710～2790 s的車輛運(yùn)行速度約為75 km/h，計(jì)算可知引起這些豎向條紋的沖擊空間間隔約為25 m，考慮為軌道焊接接頭不平順引起的沖擊。圖3（a）為未鏇輪車輛同樣在2400～2500 s和2700～2800 s的的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，圖中可以看到時(shí)頻圖呈現(xiàn)同時(shí)橫向豎向帶狀條紋，且橫裝條紋的能量比區(qū)域1更高，頻帶更寬。不難理解，在軌道接頭沖擊的條件下，輪軌耦合振動(dòng)被激發(fā)，疊加車輪多邊形磨耗，車輛運(yùn)行品質(zhì)嚴(yán)重惡化，60～120 Hz范圍內(nèi)存在諧振成分?？梢院苊黠@地發(fā)現(xiàn)在2430～2460 s之間存在寬頻的劇烈振動(dòng)，此處推測(cè)為軌道軌面磨損引起的振動(dòng)。
4 車輪多邊形和線路不平順驗(yàn)證
選取未鏇輪車輛二位輪對(duì)測(cè)試車輪多邊形，結(jié)果如圖4所示。圖4（a）采用指教坐標(biāo)表示車輪不圓度情況，橫軸表示車輪周向展開(kāi)后的位置，縱軸表示車輪實(shí)際直徑與標(biāo)準(zhǔn)直徑的差值，從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，車輪圓跳動(dòng)最大值為0.23 mm。圖4（b）采用極坐標(biāo)表示車輪不圓度，本質(zhì)上與圖4（a）相同。圖4（c）和圖4（d）分別采用階次粗糙度和階次幅值表示車輪不圓度。一般認(rèn)為高階（大于4階）多邊形
對(duì)振動(dòng)的影響較大，該車車輪高階多邊形呈現(xiàn)8～13階，結(jié)果與振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果基本一致。
圖5為通過(guò)時(shí)頻分析預(yù)測(cè)軌道磨損位置附近的鋼軌損傷情況，軌隙較大，間隔約25 m。左圖中鋼軌為區(qū)域2中一處道岔，該處鋼軌軌縫明顯，內(nèi)側(cè)有缺口，深度為約1 mm、長(zhǎng)度約60 mm。右圖中鋼軌直線段軌面有連續(xù)性多處磨損掉塊情況，深度達(dá)2 mm，這是引起時(shí)頻圖中2430～2460 s時(shí)段內(nèi)寬頻高幅值振動(dòng)的原因?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況與時(shí)頻圖分析具有一致性。
5 結(jié)論
本文基于小波變換時(shí)頻分析理論采用使用西門子Simcenter TestLab振動(dòng)控制采集分析系統(tǒng)分析實(shí)測(cè)的地鐵軸箱振動(dòng)信號(hào)成功診斷出車輪多邊形和軌道不平順程度：
（1）未鏇輪車輛的車輪多邊形主要呈現(xiàn)8～12階，引起60～85 Hz的諧振，可對(duì)車輛設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)；
（2）線路后半段存在軌道接頭不平順和局部軌道磨損；
（3）車輪不圓度測(cè)試和線路調(diào)查結(jié)果與分析結(jié)果基本一致，說(shuō)明了使用小波變換對(duì)軸箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的方法相較于傳統(tǒng)車輪和軌道測(cè)試手段更為方便可靠；
未來(lái)該技術(shù)還可以和圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)車輪多邊形和軌道不平順的智能診斷。
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收稿日期：2023-01-09
基金項(xiàng)目：湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃《新一代軌道交通高效驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)》（2022GK1060）
作者簡(jiǎn)介：孫亮（1993－），男，江蘇揚(yáng)州人，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)和機(jī)械振動(dòng)，E-mail：418510780@qq.com。
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Key words：wavelet transform；time-frequency analysis；track irregularity；wheel polygon；axle box vibration analysis
近年來(lái)，地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架附屬支架經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂的問(wèn)題，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了眾多研究。相關(guān)研究表明軌道車輛轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)異常是支架開(kāi)裂的直接原因，目前學(xué)界主要認(rèn)為軌道不平順、車輪多邊形是異常振動(dòng)的源頭。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量的研究。Alfi等[1]利用車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)輸入實(shí)測(cè)車輛振動(dòng)加速度和軸箱加速度值，預(yù)測(cè)波長(zhǎng)大于20 ｍ的軌道不平順。Weston等[2]實(shí)測(cè)車輛軸箱加速度分析出了軌道高低不平順的位置。Li等[3]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)軌道不平順與車輛振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行研究。關(guān)于車輪多邊形形成的激勵(lì)目前尚不明，但是嚴(yán)重的車輪多邊形會(huì)引起車輛振動(dòng)特性異常，損害車輛結(jié)構(gòu)安全[4-6]。李偉等[8]認(rèn)為車輪多邊形的與是輪對(duì)一階彎曲模態(tài)有關(guān)，陳光雄等[9]認(rèn)為車輪多邊形磨耗與輪軌系統(tǒng)的低頻黏－滑振動(dòng)有關(guān)，胡曉依等[10]通過(guò)建立車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證了多邊形磨耗與“頻率固定”激勵(lì)相關(guān)。各種理論都認(rèn)為車輪多邊形無(wú)法消除，只能通過(guò)在早期干預(yù)，減緩多邊形發(fā)展。想要在車輪多邊形磨耗早期發(fā)現(xiàn)，就必須對(duì)車輪多邊形進(jìn)行檢測(cè)，車輪多邊形的檢測(cè)一直比較麻煩，通常采用車輪粗糙度測(cè)量系統(tǒng)，但該系統(tǒng)需要在庫(kù)內(nèi)頂起軸箱，影響車輛正常運(yùn)營(yíng)。所以一種通過(guò)軸箱振動(dòng)檢測(cè)車輪多邊形的方法是解決多邊形檢測(cè)問(wèn)題的有效手段。
小波變換是一種線性變換方法，適用于像軸箱振動(dòng)信號(hào)這種線譜成分復(fù)雜、帶寬分布廣以及噪聲多的非穩(wěn)定信號(hào)，相比于短時(shí)傅里葉變換，其窗口大小可隨頻率變化，具有高靈活性、高對(duì)比度和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)?；诖耍疚牟捎没谛〔ㄗ儞Q時(shí)頻分析方法分析實(shí)測(cè)的地鐵軸箱振動(dòng)信號(hào)，準(zhǔn)確判斷地鐵車輛車輪多邊形和線路軌道不平順情況，為車輛異常振動(dòng)分析提供支撐。
1 小波變換基本原理
小波變換[7]通過(guò)一個(gè)隨頻率大小伸縮的小波函數(shù)的平移實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率域的局部化分析，小波函數(shù)在信號(hào)高頻區(qū)域?qū)r(shí)間進(jìn)行細(xì)分，在信號(hào)低頻區(qū)域?qū)︻l率進(jìn)行細(xì)分，可自適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)處理的要求，是理想的信號(hào)處理工具。
2 軸箱振動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)原始數(shù)據(jù)
軸箱振動(dòng)時(shí)域信號(hào)能夠綜合反映出車輛運(yùn)行過(guò)程中的線路情況和車輪狀態(tài)。圖1（a）展示了兩列車在同一線路上運(yùn)行軸箱垂向振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)，一列為鏇輪后車輛，另一列為未鏇輪車輛，每一小段信號(hào)代表車輛從一個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行至下一站點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)。從圖中可以清晰的看出整個(gè)線路振動(dòng)信號(hào)分成兩個(gè)區(qū)域，區(qū)域1內(nèi)的振動(dòng)普遍要小于區(qū)域2，說(shuō)明區(qū)域1的線路條件要優(yōu)于區(qū)域2。在區(qū)域1內(nèi)，鏇輪后車輛的軸箱振動(dòng)幅值要小于未鏇輪的車輛，在區(qū)域2內(nèi)，兩者振動(dòng)幅值相近。圖1（b）展示了列車的速度時(shí)域信號(hào)，兩列車的速度控制信號(hào)一致。
3 實(shí)測(cè)信號(hào)時(shí)頻分析
使用西門子Simcenter TestLab振動(dòng)控制采集分析系統(tǒng)采用小波變換對(duì)實(shí)測(cè)軸箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，可以得出每段信號(hào)頻率成分隨時(shí)間變化規(guī)律，根據(jù)車輛運(yùn)行機(jī)理，隨時(shí)間連續(xù)變化的頻率成分是由車輪轉(zhuǎn)動(dòng)激發(fā)的諧振，隨時(shí)間不連續(xù)的頻率成分則是由環(huán)境（軌道、側(cè)風(fēng)等）所激發(fā)。
圖2為兩列車輛在區(qū)域1內(nèi)某兩段線路的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，該圖橫軸為時(shí)間，縱軸為頻率，通過(guò)顏色表示幅值，顏色越深，幅值越大，從圖中右側(cè)的幅值圖例中可知設(shè)置的閾值是1g2/Hz，大于閾值的幅值都顯示為黑色。圖2（a）為未鏇輪車輛的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，從中可以看到振動(dòng)信號(hào)在橫向成帶狀分布，說(shuō)明軸箱振動(dòng)信號(hào)中存在諧振信號(hào)，該信號(hào)在時(shí)間上呈現(xiàn)連續(xù)性且變化趨勢(shì)與車輛速度成一致性，這一現(xiàn)象為典型車輪多邊形特征。這些帶狀條紋間距約為7 Hz，同時(shí)在59.81～88.45 Hz的范圍內(nèi)，且呈現(xiàn)出深紫色，由車輛運(yùn)行速度與車輪多邊形引起的振動(dòng)頻率關(guān)系（式（7））可推導(dǎo)出引起上述頻率范圍的車輪多邊形階數(shù)（式（8））：
式中： 為軸箱振動(dòng)頻率，Hz； 為車輛運(yùn)行速度，km/h；λ為車輪多邊形波長(zhǎng)，mm； 為車輪直徑，mm；n為車輪多邊形階數(shù)。
從圖2（b）中得到的270～340 s的車輛運(yùn)行速度約為65 km/h，該車已運(yùn)營(yíng)6年左右，車輪的平均直徑約為800 mm，則通過(guò)式（8）可以算出59.81～88.45 Hz振動(dòng)是由8～12階多邊形引起。
圖2（b）為鏇輪車輛的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，可看出軸箱振動(dòng)整體更弱，且橫向帶狀條紋不清晰，車輪多邊形狀態(tài)良好。因此在區(qū)域1內(nèi)兩者振動(dòng)差異主要是由于車輪多邊形差異引起。
圖3為兩列車輛在區(qū)域2內(nèi)某兩段線路的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖。通過(guò)上文的分析可知，鏇輪后的車輛車輪多邊形的情況較好，所以影響其軸箱振動(dòng)的主要原因是線路不平順。圖3（b）為鏇輪車輛的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，分別截取了2400～2500 s和2700～2800 s的振動(dòng)時(shí)頻圖，從中可以看到間隔相等的豎向帶狀條紋，這表示軸箱收到固定時(shí)間間隔的沖擊信號(hào)。從圖2（b）中得到的2710～2790 s的車輛運(yùn)行速度約為75 km/h，計(jì)算可知引起這些豎向條紋的沖擊空間間隔約為25 m，考慮為軌道焊接接頭不平順引起的沖擊。圖3（a）為未鏇輪車輛同樣在2400～2500 s和2700～2800 s的的軸箱振動(dòng)時(shí)頻圖，圖中可以看到時(shí)頻圖呈現(xiàn)同時(shí)橫向豎向帶狀條紋，且橫裝條紋的能量比區(qū)域1更高，頻帶更寬。不難理解，在軌道接頭沖擊的條件下，輪軌耦合振動(dòng)被激發(fā)，疊加車輪多邊形磨耗，車輛運(yùn)行品質(zhì)嚴(yán)重惡化，60～120 Hz范圍內(nèi)存在諧振成分?？梢院苊黠@地發(fā)現(xiàn)在2430～2460 s之間存在寬頻的劇烈振動(dòng)，此處推測(cè)為軌道軌面磨損引起的振動(dòng)。
4 車輪多邊形和線路不平順驗(yàn)證
選取未鏇輪車輛二位輪對(duì)測(cè)試車輪多邊形，結(jié)果如圖4所示。圖4（a）采用指教坐標(biāo)表示車輪不圓度情況，橫軸表示車輪周向展開(kāi)后的位置，縱軸表示車輪實(shí)際直徑與標(biāo)準(zhǔn)直徑的差值，從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，車輪圓跳動(dòng)最大值為0.23 mm。圖4（b）采用極坐標(biāo)表示車輪不圓度，本質(zhì)上與圖4（a）相同。圖4（c）和圖4（d）分別采用階次粗糙度和階次幅值表示車輪不圓度。一般認(rèn)為高階（大于4階）多邊形
對(duì)振動(dòng)的影響較大，該車車輪高階多邊形呈現(xiàn)8～13階，結(jié)果與振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果基本一致。
圖5為通過(guò)時(shí)頻分析預(yù)測(cè)軌道磨損位置附近的鋼軌損傷情況，軌隙較大，間隔約25 m。左圖中鋼軌為區(qū)域2中一處道岔，該處鋼軌軌縫明顯，內(nèi)側(cè)有缺口，深度為約1 mm、長(zhǎng)度約60 mm。右圖中鋼軌直線段軌面有連續(xù)性多處磨損掉塊情況，深度達(dá)2 mm，這是引起時(shí)頻圖中2430～2460 s時(shí)段內(nèi)寬頻高幅值振動(dòng)的原因?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況與時(shí)頻圖分析具有一致性。
5 結(jié)論
本文基于小波變換時(shí)頻分析理論采用使用西門子Simcenter TestLab振動(dòng)控制采集分析系統(tǒng)分析實(shí)測(cè)的地鐵軸箱振動(dòng)信號(hào)成功診斷出車輪多邊形和軌道不平順程度：
（1）未鏇輪車輛的車輪多邊形主要呈現(xiàn)8～12階，引起60～85 Hz的諧振，可對(duì)車輛設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)；
（2）線路后半段存在軌道接頭不平順和局部軌道磨損；
（3）車輪不圓度測(cè)試和線路調(diào)查結(jié)果與分析結(jié)果基本一致，說(shuō)明了使用小波變換對(duì)軸箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的方法相較于傳統(tǒng)車輪和軌道測(cè)試手段更為方便可靠；
未來(lái)該技術(shù)還可以和圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)車輪多邊形和軌道不平順的智能診斷。
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收稿日期：2023-01-09
基金項(xiàng)目：湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃《新一代軌道交通高效驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)》（2022GK1060）
作者簡(jiǎn)介：孫亮（1993－），男，江蘇揚(yáng)州人，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)和機(jī)械振動(dòng)，E-mail：418510780@qq.com。
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