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西南交通大学本科毕业设计（论文）铁路轨道不平顺功率谱分析与数值模拟年级：二零零四级学号：20040851姓名：田国英专业：机械电子工程指导老师：翟婉明教授二零零八年六月西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅰ页院系机械工程学院专业机械电子工程年级二零零四级姓名田国英题目铁路轨道不平顺功率谱分析与数值模拟指导教师评语指导教师(签章)评阅人评语评阅人(签章)成绩答辩委员会主任(签章)年月日西南交通大学本科毕业设计(论文)第II页毕业设计（论文）任务书班级茅以升机械班学生姓名田国英学号20040851发题日期：2008年3月5日完成日期：2008年6月10日题目铁路轨道不平顺功率谱分析与数值模拟1、本论文的目的、意义本文以轨道不平顺为研究对象，通过学习轨道不平顺的概念及其形成原因，从思想上了解研究轨道不平顺的重要作用。国外轨道谱的研究已相当成熟，通过对比国内与国外轨道谱，认识我国当前轨道谱的优劣，从而明确今后的研究方向。由轨检车检测到的轨道不平顺数据，通过各种功率谱估计方法，得到轨道谱曲线，为评价轨道不平顺状态打下基础。为了进行机车车辆动力学分析，以现有轨道谱为例，通过数值模拟，得到轨道不平顺的时域样本。2、学生应完成的任务①掌握轨道谱的含义、作用。②掌握国内外典型轨道谱，能根据轨道谱拟合公式绘出谱线，同时掌握不同自变量间的转换关系，能根据需要得到指定自变量的轨道不平顺谱线。③学习利用给定的不平顺实际检测数据，得到相应的轨道不平顺功率谱密度曲线（轨道谱），并同已有的国内外轨道谱比较。④利用轨道不平顺实际检测数据，通过轨道谱分析连续一段时间轨道不平顺发展变化趋势。⑤学习基于给定的功率谱拟合公式，利用轨道随机不平顺时域样本数值模拟方法，得到轨道不平顺随机样本。西南交通大学本科毕业设计(论文)第III页3、论文各部分内容及时间分配：（共12周）第一部分查阅文献资料，掌握轨道不平顺的概念及其形成原因，了解轨道谱的含义和做用。(1~2周)第二部分了解国内外典型轨道谱，根据轨道谱拟合公式绘出拟合谱线，同时掌握不同自变量间的转换关系，能根据需要得到指定自变量的轨道谱曲线。(3~6周)第三部分利用给定的不平顺实际检测数据，得到相应的轨道不平顺功率谱密度曲线，并同已有国内外轨道谱比较。(7~9周)第四部分利用轨道不平顺实际检测数据，通过轨道谱分析连续一段时间轨道不平顺发展变化趋势。(10周)第五部分基于给定的功率谱拟合公式，利用轨道不平顺时域样本数值模拟方法（逆傅氏变换法），得到轨道随机不平顺的随机样本。(11周)评阅及答辩(12周)备注指导教师：年月日审批人：年月日西南交通大学本科毕业设计(论文)第IV页摘要铁路轨道的平顺状态对轮轨系统有着至关重要的影响，轨道几何形状的变化是引起车辆系统各种动态响应的主要原因。轨道不平顺是轮轨系统的激扰源，会引起机车车辆的振动和轮轨间的动作用力，对行车安全、平稳、舒适性、车辆和轨道部件的寿命以及环境噪声等都有重要影响，是轨道方面直接限制提高行车速度的主要因素；其次，轨道平顺性也是轨道结构综合性能和承载能力的重要体现，是铁路管理部门制订维修计划的重要指标。因此，研究轨道不平顺对于保证铁路安全运营具有十分重要的理论意义和现实意义。本文在总结和吸收前人研究成果的基础上，从轨道谱和轨道不平顺的时频分析等方面对轨道不平顺进行了研究，主要研究内容如下：1、简要分析了轨道不平顺的形成原因和影响因素，介绍了轨道不平顺的分类。在不失一般性的前提下，将轨道不平顺视为平稳的各态历经随机过程，明确了研究对象的数学模型是随机过程均匀平稳采样信号。2、分析比较了几种评价轨道状况的方法，提出建立轨道的功率密度谱才能最有效的反映轨道状况。针对我国三大干线和郑武线高速试验段轨道谱、美国五、六级线路谱和德国高、低干扰轨道谱，利用MATLAB绘制各种轨道谱的谱线并分析比较它们之间的差异，得到了我国轨道谱的优劣与适用条件。3、根据已有的轨道不平顺实际检测数据（京广线K80~K90区间下行线左钢轨高低不平顺检测数据（已作预处理）），运用多种功率谱估计方法，利用MATLAB编程计算，得到相应的轨道不平顺功率谱密度曲线，即轨道谱图,并对这几种谱估计方法进行分析比较，得到各种谱估计方法的优劣。4、针对上述轨道谱图，综合线路实际条件，分析了该路段轨道不平顺的发展变化趋势，提出了一些具有针对性的养护维修意见。5、基于美国六级线路谱，利用MATLAB编程实现轨道随机不平顺时域样本的数值模拟（逆傅氏变换法），得到轨道不平顺时域的随机样本，再将时域样本反衍，与功率谱的解析解比较，验证该方法的正确性和可靠性。关键词轨道不平顺；随机过程；轨道谱；数值模拟西南交通大学本科毕业设计(论文)第V页AbstractRegularitystatesoftherailwaytrackhavetremendousinfluenceonthewheel-railsystem,variationoftrackgeometryisthemainreasonthatcausesdynamicreactionofthevehiclesystem.Ontheonehand,trackirregularityistheexcitationsourcetotherailwayvehiclesystem,andisthemaincauseofcarandlocomotivevibrationanddynamicforceofwheel-rail.Ithasanimportantinfluenceonthetransportationsafety,steady,ridequality,lifecycleofvehiclesandtrackcomponentsaswellasthecircumstancenoise.Trackirregularityistheprimaryfactorintrackaspecttolimitstrainspeed.Ontheotherhand,conditionoftrackirregularityindicatesthesyntheticperformanceandbearingcapacityofthetrackstructure.Theconditionoftrackirregularityisanimportantindexfortherailwayadministrationdepartmenttoadvisetheserviceplan.Therefore,ithasimportanttheoreticalandpracticalvalueforrailwaysafetytostudyonthetrackirregularity,Basedontherecentresearchresults,thispaperfocusesontwomainaspectsoftrackirregularity,whicharethetrackspectrumandtime-frequencyanalysis.(1)Shortlydiscusshowtrackirregularityformedanditsinfluentfactors,afterthat,introducetheclassificationoftrackirregularity.Ingeneral,thetrackirregularitiesareregardedasthestationaryergodicrandomprocesses.Thispaperclearlyconsidersthatthemathmodelofthestudyobjectistheuniformlysamplingsignalofstationaryrandomprocesses.(2)Afteranalyzingseveralwaystoevaluatethetrackstate,thethesisproposesthatestablishingthetrackspectrumisthemosteffectivewaytoreflectthetrackstate.AccordingtothetrackspectrumofThreeMainLinesandtheZheng-WuHighSpeedTestingLineofourcountry,thefifthandsixthgradelineoftheUSandthelowandhighinterferencelineofGerman,eachoftheirspectrumsaredrawn,theirdifferencesareanalyzedandthenthemerits,defectsandapplicableconditionsofourtrackspectrumareobtained.AlltheseworkisbasedontheMATLABprocessing.西南交通大学本科毕业设计(论文)第VI页(3)Accordingtothepracticaldataofthetrackirregularity,utilizingtheMATLABprocessingandmanyPowerSpectrumDensity(PSD)assessmentways,thefiguresoftrackspectrumaregot.Afteranalyzingandcomparing,themeritsanddefectsofthesespectrumassessmentwaysarediscussed.(4)Thedevelopmenttrendofthetrackirregularityinthislineisdiscussedaccordingtothetrackspectrumfiguresabove,suggestionsofmaintenanceareproposed.(5)BasedonthesixthgradetrackspectrumoftheUS,thenumericalmodelingoftrackirregularitysampleintimedomainisimplementedbytheMATLABprocessingusingtheAnti-Fourierway,andthetime-domainsampleisobtained.InordertotestthevalidityandreliabilityofAnti-Fourierway,thetime-domainsampleisinverselytransformedandtheresultiscomparedwiththeanalyticalsolution.Keywords:TrackIrregularities,RandomProcess,TrackSpectrum,NumericalModeling西南交通大学本科毕业设计(论文)第VII页目录第1章绪论………………………………………………………………………………11．1引言………………………………………………………………………………11．2研究背景…………………………………………………………………………21．3本文主要研究工作………………………………………………………………4第2章轨道随机不平顺…………………………………………………………………52．1轨道不平顺及其形成原因………………………………………………………52．2轨道不平顺的分类………………………………………………………………6第3章轨道不平顺功率谱分析…………………………………………………………93．1轨道不平顺状态的评估方法……………………………………………………93．1．1局部不平顺幅值超限评分法……………………………………………93．1．2轨道质量指数（简称TQI）评价方法…………………………………93．1．3局部不平顺幅值超限评分法与轨道质量指数评价法的比较………