基于频率切片小波变换的轨道交通轮轨振动信号分析

摘要

轨道交通轮轨耦合振动关系着列车运行安全和乘客乘车舒适度，对轮轨振动信号的研究具有较高的学术价值和现实意义。本文在总结前人研究成果的基础上，建立车辆-轨道垂直耦合动力学模型，利用频率切片小波变换理论，对模型仿真数据和实测数据进行分析。
　　首先，介绍轨道交通列车安全监测的现实意义和发展现状，总结车辆-轨道动力学模型和轨道交通轮轨振动信号国内外研究现状。
　　其次，分析列车轮对踏面擦伤故障的机理和轨道高低不平顺的机理;讨论常用轮轨振动信号分析方法，包括特征参数法、傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换和维格纳-威尔分布时频法，并通过仿真实例，进一步说明各信号分析方法的优缺点。
　　然后，介绍车辆-轨道垂向耦合动力学的原理;深入探讨扁疤冲击型激扰和轨道随机不平顺激扰的模型，并对激扰模型进行数值模拟，给出激扰输入形式;建立车辆-轨道垂向耦合系统动力学模型，并将所建模型输出结果与动力学仿真软件Adams/Rail模型输出结果进行对比，验证所建模型的合理性和正确性。
　　再次，重点研究频率切片小波变换的理论。介绍频率切片小波变换的基本形式，详细分析频率切片小波变换时频特性，并给出了频率切片函数选择和尺度因子确定的方法。同时通过仿真实例将其与其他时频分析方法相比较，验证频率切片小波变换用于时频分析的可行性和优越性。
　　最后，在上述研究的基础之上，分别采用车辆-轨道垂直耦合动力学模型仿真数据和广州地铁某C型车轮对轴箱实测振动数据进行频率切片小波变换，验证所建模型的合理性，同时，验证频率切片小波理论应用到轮轨振动信号分析的可行性和合理性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 车辆-轨道耦合动力学模型研究现状

1．3．2 轨道交通轮轨振动信号分析研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 常用轮轨振动信号分析方法

2．1 轮轨振动的影响因素

2．1．1 轮对踏面擦伤故障

2．1．2 轨道高低不平顺

2．2 传统振动信号分析方法

2．2．1 特征参数法

2．2．2 傅里叶变换

2．2．3 短时傅里叶变换

2．3 小波变换

2．3．1 连续小波变换

2．3．2 离散小波变换

2．4 维格纳-威尔分布

2．4．1 维格纳-威尔分布定义

2．4．2 维格纳-威尔分布性质

2．5 常用信号分析方法对比

2．5．1 傅里叶变换实例仿真

2．5．2 短时傅里叶实例仿真

2．5．3 小波变换实例仿真

2．5．4 维格纳-威尔分布实例仿真

2．6 本章小结

3 车辆-轨道耦合系统模型

3．1 车辆-轨道耦合动力学

3．2 激励模型的建立

3．2．1 车轮扁疤激扰模型

3．2．2 轨道不平顺激扰模型

3．2．3 常用轨道谱

3．2．4 轨道不平顺数值模拟

3．3 车辆-轨道垂向耦合系统动力学模型

3．3．1 模型建立的一般原则

3．3．2 车辆系统模型

3．3．3 车辆系统振动方程的建立

3．3．4 钢轨振动方程

3．3．5 轮轨垂向耦合关系

3．3．6 模型的求解

3．3．7 Adams／Rail模型建立

3．3．8 模型的验证

3．4 本章小结

4 频率切片小波分析理论

4．1 频率切片小波变换

4．2 频率切片函数的特点与选择

4．3 FSWT尺度因子的确定

4．4 FSWT逆变换和离散形式

4．5 实验仿真

4．5．1 FSWT分析步骤

4．5．2 数值模拟分析

4．6 FSWT与其他方法比较

4．6．1 FSWT与STFT比较

4．6．2 FSWT与CWT比较

4．6．3 FSWT与WVD比较

4．7 本章小结

5 基于FSWT的模型数据和实测数据分析

5．1 轮轨振动仿真数据分析

5．1．1 模型仿真信号

5．1．2 基于FSWT的模型仿真数值分析

5．2 列车振动实测数据分析

5．2．1 实测振动信号

5．2．2 基于FSWT的模型实测数值分析

5．3 本章小结

6 结论

6．1 全文总结

6．2 论文创新点

6．3 研究展望

致谢

参考文献

附录