CN101813666B - 无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，包括如下步骤：使轨枕产生振动信号；由拾振器将振动信号转换为电信号输入到计算机的多路A/D转换模块对振动信号进行转换，并将转换后的信号上传到计算机的数据处理模块；由计算机对振动信号进行运算处理：对振动信号采用模糊小波法滤波，消除噪声；对响应信号进行傅里叶变换，得到频谱和相位；计算健全度指标；查询轨枕健全度基础数据库，得到轨枕裂纹程度评价。本发明的积极效果是：无碴轨道轨枕裂纹的瞬时振动检测方法方便快捷、简便可靠，可以实现轨枕的快速检测，保证线路的安全；大大降低铁路线路施工人员劳动强度，提高自动化测量水平。

Description

无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，尤其是涉及一种无碴轨道健全度(包括轨枕裂纹等)的瞬时振动检测方法。

背景技术

传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成，钢轨固定放在枕木上，之下为小碎石铺成的路砟。路砟和枕木均起加大受力面、分散火车压力、帮助铁轨承重的作用，防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里。传统有碴轨道具有铺设简便、综合造价低廉的特点，但容易变形，维修频繁，维修费用较大，列车速度受到限制。无碴轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可以减少维护、降低粉尘、美化环境，而且列车时速可以达到200公里以上。

无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，轨枕是否存在裂纹等缺陷目前没有有效的检测方法。主要依靠施工人员的经验和组织管理来保证轨枕的质量，通常需要有很多人来完成质量的监控工作，消耗很多人力物力。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种无碴轨道轨枕裂纹的瞬时振动检测方法，通过瞬时振动法获得无碴轨道轨枕的固有频率，进而判断轨枕的裂纹的性质以及健全度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，包括如下步骤：

第一步，使轨枕产生振动信号；

第二步，由拾振器将振动信号转换为电信号输入到计算机的多路A/D转换模块对振动信号进行转换，并将转换后的信号上传到计算机的数据处理模块；

第三步，由计算机对振动信号进行运算处理：

(1)对振动信号采用模糊小波法滤波，消除噪声；

(2)对响应信号进行傅里叶变换，得到频谱和相位；

(3)计算健全度指标；

第四步，查询轨枕健全度基础数据库，得到轨枕裂纹程度评价。

所述使轨枕产生振动信号的方法是利用3-50公斤的重锤击打轨枕，使轨枕产生振动信号；所述使轨枕产生振动信号的方法是利用列车驶过监测路段的铁轨时，列车对轨道的瞬时冲击作用使轨枕产生振动信号。

在所述第三步，由计算机对振动信号进行运算处理时，在对振动信号采用模糊小波法滤波后，可对多组响应信号叠加，进一步消除随机因素的影响。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：无碴轨道轨枕裂纹的瞬时振动检测方法方便快捷、简便可靠，可以实现轨枕的快速检测，保证线路的安全；大大降低铁路线路施工人员劳动强度，提高自动化测量水平。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一种无碴轨道轨枕裂纹的瞬时振动检测方法，包括如下步骤：

第一步，使轨枕产生振动信号：

对于便携式轨枕裂纹检测系统，采用静态法获得振动信号。即利用3-50公斤的重锤击打轨枕，由于瞬间的冲击作用，轨枕将产生振动信号。

对于固定式轨枕裂纹监测系统，采用动态法获得振动信号。当列车通过监测路段的铁轨时，列车对轨道的瞬时冲击作用，轨枕将产生振动信号。

第二步，由拾振器将振动信号转换为电信号输入到计算机的PCM3718多路A/D转换模块对振动信号进行转换，并将转换后的信号通过数据采集的I/O端口上传到计算机的数据处理模块。

拾振器是将振动信号变为化学的、机械的或(最常用的)电学的信号，且所得信号的强度与所检测的振动量成比例的换能装置。按检测量的不同，可以分为加速度计、速度拾振器和位移拾振器等几种。按能量转化的原理来分，又有质量弹簧式、压电式、电动式、电磁式等许多种类。在振动测量中，目前最广泛应用的是压电式加速计，因为它具有测量频段宽、动态范围大、体积小、重量轻、结构简单、使用方便等诸多优点。另外，加速计与适当的电路网络配合，即可给出相应振动的速度和位移值。2000-1型拾振器主要用于土木工程中超低频振动和一般工程振动测量。拾振器上有一四档微型拨动开关，选择拨动开关不同档位即可改变拾振器的通频带、测量量程和分辨率。最低可测频率为0.1Hz，最大可测位移为80mm。

数据采集：数据采集子线程专门负责板卡的数据采集，通过操作专用的采集板卡PCM3718进行数据采集，并把数据存入固定的缓冲区内。缓冲区的大小至少能存放一次无缝捕获的数据，由数据处理子线程进行相应的处理，以保证实时性。PCM3718具有8路差分模拟量输入，8路数字信号输入/输出，采样频率可达100kHZ(在DMA模式下)，可采集模拟量信号以及输入输出数字量信号。

第三步，由计算机对振动信号进行运算处理：

(1)滤波：对振动信号采用模糊小波法滤波。

由于产生的振动信号含有不同频率的噪声，而且噪声的来源多，频带复杂，因此采用模糊小波消除噪声。

对于测得的振动信号序列X＝{x_t，t＝1，2，...n}，其中x_t是对应t时刻的数据值。利用如下Mallat塔式算法，

$c_{j,k}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{h}}_{n-2k}{c}_{j+1,n}$

$d_{j,k}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{g}}_{n-2k}{c}_{j+1,n}$

对振动信号X进行N层尺度分解，得到N组细节信号w_i(i＝1，2，…N)和一组平滑信号v_N。采用模糊软、硬阈值折衷法来消除噪声，其计算公式如下：

${\hat{w}}_i=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(w_i\right)\&CenterDot;\left(\right|w_i|-\mathrm{a\&lambda;})& \left|w_i\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}\\ 0& \left|w_i\right|<\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.,0\&le;a\&le;1$

式中

为消除噪声后的细节信号，λ为阈值，其有模糊系统确定。

Mallat重构算法为：

对于平滑信号采用同样的方法得到消除噪声后的平滑信号

然后对每组细节信号

和平滑单独利用Mallat塔式算法重构到原尺度上，

$c_{j+1,k}=\underset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{k-2l}{c}_{j,l}+\underset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}{g}_{k-2l}{c}_{j,l}$

得到重构的细节信号

和平滑信号则消除噪声后的振动信号X′可以表示为：

$X^{\&prime;}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\tilde{w}}_i+{\tilde{v}}_N$

(2)叠加：对多组响应信号叠加，进一步消除随机因素的影响。

每次测量三次振动信号，滤波后得到三组X′₁＝{x_t，t＝1，2，...n}，X′₂＝{x_t，t＝1，2，...n}，X′₃＝{x_t，t＝1，2，...n}。求出每组信号平均幅值，以此幅值的为位置对齐信号。然后将三组信号相加求平均，得到X″＝{x_t，t＝1，2，...n}为叠加后的信号。

(3)傅里叶变换：对响应信号进行傅里叶变换，得到频谱和相位。

利用快速傅里叶变换FFT，得到信号X″＝{x_t，t＝1，2，...n}的频谱和相位，相位差为90度或270度的幅值对应的频率即为轨枕的自振频率。

(4)计算健全度指标： $J=\frac{f_c}{f_n}$

其中f_c为固有频率计算值，f_n固有频率标准值。

第四步，查询轨枕健全度基础数据库，得到轨枕裂纹程度评价。

第五步，将所得出的结果通过触摸显示屏显示，存储在数据存储器中，通过USB、RS232、网络接口将上述结果传送给远程计算机和中央控制室。通过触摸显示屏修改仪器参数和查询显示历史数据。并有自检功能，能监测PCM3718多路A/D转换和数据采集及I/O模块、拾振压力器等设备的状态，并能及时报警。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，其特征是：包括如下步骤：

第一步，使轨枕产生振动信号；

第二步，由拾振器将振动信号转换为电信号输入到计算机的多路A/D转换模块对振动信号进行转换，并将转换后的信号上传到计算机的数据处理模块；

第三步，由计算机对振动信号进行运算处理：

(1)对振动信号采用模糊小波法滤波，消除噪声：

对于测得的振动信号序列利用Mallat塔式算法，对振动信号进行N层尺度分解,得到N组细节信号和一组平滑信号；采用模糊软、硬阈值折衷法来消除噪声，然后对每组消除噪声后的细节信号和平滑信号单独利用Mallat塔式算法重构到原尺度上，得到重构的细节信号和平滑信号； 

(2)对响应信号进行傅里叶变换，得到频谱和相位；

(3)计算健全度指标；

第四步，查询轨枕健全度基础数据库，得到轨枕裂纹程度评价。

2.根据权利要求1所述的无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，其特征是：所述使轨枕产生振动信号的方法是利用3-50公斤的重锤击打轨枕，使轨枕产生振动信号。

3.根据权利要求1所述的无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，其特征是：所述使轨枕产生振动信号的方法是利用列车驶过监测路段的铁轨时，列车对轨道的瞬时冲击作用使轨枕产生振动信号。

4.根据权利要求1所述的无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，其特征是：在所述第三步，由计算机对振动信号进行运算处理时，在对振动信号采用模糊小波法滤波后，对多组响应信号叠加，进一步消除随机因素的影响。