轨道不平顺功率谱时域转换及其应用研究

摘要

轨道不平顺是引起机车车辆产生振动的主要根源，也是影响机车车辆动力学性能的因素之一，在机车车辆动力学仿真中，轨道不平顺是不可或缺的激励函数。研究表明，轨道不平顺是一个随机过程，导致机车车辆以及轨道系统产生随机振动响应，影响车辆运行的平稳性和安全性。轨道不平顺功率谱密度函数能够从波长、幅值来描述和揭示轨道不平顺的统计特征与规律，因此，利用轨道谱来描述轨道不平顺状况具有重要意义。
　　本文首先对轨道不平顺及其功率谱进行概述，分析了各国轨道谱的特征，并将中国三大干线轨道谱与德国高、低干扰谱和美国5级谱、6级谱进行了比较，得到了我国轨道不平顺与国外典型轨道谱的差异。
　　由于在时域动力学仿真中，需要将轨道随机不平顺的一个几何样本作为动力学模型的输入激励，因此，需要将频域表达的轨道谱恰当地转换为时域的轨道不平顺样本。在时域转换过程中，寻求合理的转换方法尤为重要。本文分析了传统的时域转换方法，以及现有的离散傅立叶变换法，结果表明离散傅立叶变换法适用于任意形式的轨道功率谱，且明显优于传统的时域转换方法。而由轨道不平顺提取功率谱的过程中，本文采用改进的周期图法(welch方法)，并通过基于多项式拟合的最小二乘法对估计得到的功率谱进行拟合，得到更为平滑的功率谱图。
　　由于轨道不平顺是引起车辆振动的最重要原因之一，而车辆振动响应与轨道不平顺的波长又存在着内在的关系。本文通过轨道不平顺不同截止频率下的车辆振动加速度频谱图，来分析轨道不平顺对车辆的平稳性及乘坐舒适性的影响。并且通过轨道随机不平顺与车辆振动响应的相干分析，结合车辆振动加速度功率谱，分析了不同速度下轨道不平顺对机车车辆振动的影响。