高速铁路无砟轨道结构模态参数辨识及对轮轨关系影响机理研究

During the operation of high-speed railway, many wheel-rail defects occur. They are relevant to the inherent structural features of ballastless track. The influence mechanism of ballastless track on the wheel-rail relationship is not clear. It requires urgent study..Three key scientific questions are proposed in the project, scientific simulation of vehicle-track system under multi fields and multi factors, the correlation of modal characteristics of ballastless track system and wheel-rail defects, the control mechanism of wheel-rail maintenance on wheel-rail defects. A detailed vehicle-ballastless track system model will be established, and the modal parameters identification of ballastless track for complicated service state will be put forward. The influence mechanism of ballastless track system modal on wheel-rail defects will be studied. The mechanism and measures of wheel-rail defects in high-speed railway will be researched..This study will control the occurrence and development of wheel-rail defects, improve and optimize the wheel-rail relationship, enhance the running safety of high-speed railway in China. It will extend the service life of structure components of vehicle and track, reduce the operation and maintenance costs, and promote the research of wheel-rail relationship, track dynamics, modal identification and other related research fields..

在高铁运营过程中，不断出现了一些与无砟轨道固有结构特征相关的轮轨病害问题。无砟轨道对轮轨关系的影响机理尚不清晰，亟须进行研究。.项目针对多场多因素条件下车辆-无砟轨道系统的科学模拟、无砟轨道系统模态特征与轮轨病害的关联研究、轮轨养护维修工艺对其病害的抑制机理三个关键科学问题，将建立车辆-无砟轨道系统精细化模型，提出面向复杂服役状态的无砟轨道模态参数辨识方法，研究无砟轨道系统模态对轮轨病害的影响机理，并对高速铁路轮轨病害抑制机理及措施进行研究。.通过本项目研究，将控制轮轨病害的产生和发展，改善优化我国高铁轮轨关系，提升高铁运营安全性，延长车辆、轨道结构部件的使用寿命，降低运营、维护成本，并推动轮轨关系、轨道动力学、模态辨识等相关研究的发展。

在高速铁路运营中，出现了一些与无砟轨道模态相关的典型轮轨病害问题，威胁列车安全平稳运行。项目组针对无砟轨道模态参数辨识及对轮轨关系影响问题，从多场多因素条件下车辆-无砟轨道系统的科学模拟、复杂服役状态下无砟轨道系统模态参数的科学获取、无砟轨道系统模态特征与轮轨病害的关联研究三个方面攻关。通过大量的现场和室内测试及理论研究，提出了无砟轨道模态参数辨识方法，揭示了无砟轨道系统模态对轮轨病害的影响机理，提出了轮轨病害控制措施。主要创新工作与研究成果如下：.1）车辆-无砟轨道-下部基础系统精细化分析模型方面：通过温度等实测数据分析、内聚力本构关系修正，实现了长期服役条件下无砟轨道多物理场耦合、结构参数经时演变的模拟；基于有限元方法，实现了扣件、无砟道床等关键部件及轮轨接触的精细化模拟；基于自开发的动力仿真平台，构建了适用于轮轨宽频耦合振动分析的高速车辆-无砟轨道-下部基础系统协同动力分析模型。.2）无砟轨道模态参数辨识方面：自主开发了多激励手段模态参数高精度识别方法，开展了高铁现场试验以及实验室试验，得到了不同类型无砟轨道模态参数特征；基于理论研究和实验室试验，分析了各因素对无砟轨道模态参数的影响规律；利用精细化动力分析模型，揭示了无砟轨道层间演变及其对模态参数的影响规律。.3）无砟轨道系统模态对轮轨病害的影响机理方面：通过修正后的车辆-无砟轨道系统模型，研究了轮轨耦合振动能量的宽频分布特征，识别了导致轮轨系统共振的轮轨耦合振动模态；开展了复杂服役状态下无砟轨道系统宽频振动特性对轮轨病害的影响研究，探明了轮轨病害与无砟轨道系统模态的关联关系，揭示了不同线路的轮轨病害形成及发展机理。.4）轮轨病害抑制机理及措施方面：从改善外部激扰条件、优化无砟轨道系统振动特征角度，提出了抑制或减缓典型轮轨病害的措施，确定了轮轨病害相互影响下各自安全限值，形成了高速铁路轮轨关系优化措施。.本项目在无砟轨道模态辨识及其对轮轨关系影响方面进行了大量理论和试验研究工作，取得了一系列创新性成果，推动了车辆-轨道耦合动力学、轮轨关系等领域的发展。.基于研究成果，项目组提出了基于分布式光纤、轴箱振声特性的轮轨病害识别方法，自主研发了移动脉冲激励小车及振动特性监测系统，相关成果在京沈、京津、京雄等多条高铁线路中得到应用，并在地铁得到推广应用。