基于铁道车辆振动加速度的轮轨力反演方法研究

摘要

我国高速列车运行环境复杂，存在众多威胁行车安全的因素，轮轨作用力是评价车辆运行安全性最直接、有效的手段，因此获取轮轨力信息尤为重要。综合当前轮轨力测量技术的特点，本文应用卡尔曼滤波，研究了基于振动加速度的轮轨力反演技术。主要研究工作如下：　　(1)介绍了基于卡尔曼滤波的轮轨力反演基础理论。依据线性系统理论，推导了状态空间方程时间离散化公式以及系统能观性判别准则。基于线性最小方差估计理论，推导了卡尔曼滤波方程组，并重点研究了该滤波技术的实时性与最优估计性特点；　　(2)应用卡尔曼滤波技术对轮轨力反演方法展开研究。首先，研究了单输入系统载荷反演方法，包括滤波器设计、基于加速度反演载荷的理论可行性论证以及滤波参数的选取。之后，将单输入系统发展为多输入系统载荷反演方法。最后，以9自由度半转向架模型为例，在详细的轮轨接触几何与受力分析基础上，对轮轨力反演方法进行论述。研究结果表明：在适当的参数选取下，可通过轮对的垂向与侧滚运动加速度估计左右车轮的轮轨垂向力，而轮轴横向力估计可由轮对的横向加速度实现；　　(3)研究了基于加速度的整车轮轨力反演方法。首先，建立了整车轮轨力反演模型，包括14自由度轮轴横向力与17自由度轮轨垂向力估计模型。之后，在SIMPACK中建立了整车动力学模型以获取加速度数据，并确定了估计轮轨力所需的加速度测点。最后，验证了轨道随机不平顺、车轮多边形以及车轮扁疤激励下的轮轨力估计效果。研究结果表明：各工况下各轮轨力均可以实现较好的估计。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 通用载荷辨识技术

1.2.2 轮轨力载荷反演技术

1.2.3 卡尔曼滤波技术

1.3 主要研究内容

第2 章轮轨力反演技术的理论基础

2.1 线性系统理论基础

2.1.1 系统的状态空间描述

2.1.2 线性连续系统时间离散化

2.1.3 线性系统能观性

2.2 卡尔曼滤波理论

2.2.1 线性最小方差估计

2.2.2 卡尔曼滤波基本思想

2.2.3 卡尔曼滤波公式推导

2.3 估计结果评价指标

2.4 本章小结

第3 章轮轨力反演方法研究

3.1 卡尔曼滤波载荷反演原理

3.1.1 单输入系统载荷反演方法

3.1.2 多输入系统载荷反演方法

3.2 轮轨垂向力与轮轴横向力反演方法

3.2.1 轮轨接触理论

3.2.2 半转向架模型轮轨力反演

3.3 本章小结

第4 章基于铁道车辆振动加速度的轮轨力反演分析

4.1 整车轮轨力反演模型

4.1.1 整车轮轨力反演模型建立

4.1.2 加速度测点的选择

4.2 轮轨力反演结果

4.2.1 轨道随机不平顺激励

4.2.2 车轮多边形激励

4.2.3 车轮扁疤冲击

4.3 本章小结

结论与展望

1 全文总结

2 研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及参加科研课题

学位论文数据集