CN103207097A - 轨道刚度动态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道刚度动态检测方法，包括使初始负载及检测负载在被轨道区间上移动，在被轨道区间上采集第一变形值及与之对应的位置参数、第二变形值及与之对应的位置参数，根据所述位置参数通过对同一位置点所对应的负载值及相应变形值的计算获取该位置点的轨道刚度，本发明的检测方法可以在车辆走行时连续检测线路的轨道刚度，可实现对区段线路轨道刚度的连续检测，显著提高检测的便利性和快速性。

Description

轨道刚度动态检测方法

技术领域

本发明涉及测量及刚度测量领域，特别涉及轨道刚度动态检测方法。

背景技术

随着铁路建设的全面展开，对于新建或开通运营的铁路线路，轨道结构的整体刚度是否符合设计要求，不同线路结构之间刚度过渡是否平顺，都直接影响到车辆运行的安全性、平稳性和舒适性。针对上述要求，现有技术中对于线路轨道刚度的检测，主要采用在地面轨道上布置位移传感器和轮轨力测量传感器，在列车通过时或者通过千斤顶施加设定的加载力来检测轨道的位移和轮轨力，然后计算得到轨道刚度。这种方法检测装置安装费时、在更换测点时需要重新安装测量设备，因此检测效率低下，无法对区段线路的轨道刚度进行连续检测。另一方面，随着我国高速铁路和重载铁路的不断建设，在实际运营线路上进行连续、高效的轨道刚度检测的要求越来越迫切。

由此可知，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中存在以下缺点：现有技术中由于采用定点的刚度测量方式，每次只能测量单点的刚度，同时操作周期长，因此无法实现连续区域的采集。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种轨道刚度动态检测方法，从而解决了现有技术中，轨道刚度无法实现高效连续检测的问题。

在轨道区间上移动施加初始负载，并同时采集所述轨道区间的第一变形值及采集所述第一变形值时所对应的位置参数；

在同一轨道区间上移动施加检测负载，并同时采集所述轨道区间的第二变形值及采集所述第二变形值时所对应的位置参数；

根据所述位置参数确定所述轨道区间上的同一位置点，对照该位置点的初始负载、检测负载、第一变形值和第二变形值获取该位置点的轨道刚度。

与现有技术相比，根据本发明的轨道刚度动态检测方法具有以下优点：本发明所提出的方法，通过动态获取被轨道区间因不同负载变化所引起的轨道变形差值，来消除车辆振动、轨道原始不平顺等因素对检测结果的影响，从而实现在移动过程中动态获取被轨道区间的轨道刚度。因此，本发明的检测方法可以在车辆走行时连续检测线路的轨道刚度，既实现了对区段线路轨道刚度的连续检测，又显著提高了检测的便利性和快速性。

附图说明

图1为本发明轨道刚度动态检测方法的实现步骤示意图；

图2为本发明轨道刚度动态检测的实施示意图；

图3为本发明轨道刚度动态检测中的垂向变形及横向变形值示意图；

图4为本发明的初始负载为零负载时的轨道第一变形检测示意图；

图5为本发明在施加检测负载时的轨道第二变形检测示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步详细的说明。如图1中本发明轨道刚度动态检测方法的实现步骤示意图所示，本发明包括以下步骤：

步骤：S101，采集第一变形值。

在该步骤中：在轨道区间上移动施加初始负载，并同时采集轨道区间的第一变形值及采集所述第一变形值时所对应的位置参数。

此步骤的具体实施过程为：首先，在被检测轨道区间上设置可移动的检测车，检测车下部设置轨道变形测量装置，测量装置的测量端朝向所述被检测轨道区间。轨道变形测量装置可使用接触式和非接触式两种，其中非接触式可使用激光传感器。利用该检测车的自身轮重向轨道施加初始负载，之后如图2中所示使检测车1在被检测轨道区间上从A点移动至B点其移动速度可以为任意设定速度，并在上述检测车从A点移动至B点的过程中采集第一变形值y_L（y_L1、y_L2……y_Ln）（即被检测轨道区间在承受初始负载时的变形）以及第一变形值y_L（y_L1、y_L2……y_Ln）在采集时所对应的位置参数，位置参数包括：位置值或时间值，如位移量及时间量。因此，此步骤还包括：使初始负载在被检测轨道区间上以设定速度移动，同时采集所述被检测轨道区间的第一变形值及与之对应的时间值。同时为更全面的测量被检测轨道区间的各方向的变形，如图3所示上述第一变形值可进一步包括：第一垂向变形值X_a1(如图3中31位置变形)及第一横向变形值X_b1(如图3中32位置变形)。

由此可知，通过本步骤，采用向被检测轨道区间上施加移动的初始负载来获取初始的轨道变形值（即第一变形值），同时需要说明的是，上述初始负载也可设定为“零”，即轨道变形测量装置检测到的是没有受到车轮负载影响的轨道原始波形值。此要求可通过以下方式实现，将轨道变形测量装置安装在检测车车体上的合适位置处，在该处由于车轮负载引起的轨道变形可忽略不计。此时采集的第一变形值，可认为是空载下的轨道原始波形值。

步骤：S102，采集第二变形值。

在该步骤中：在同一轨道区间上移动施加检测负载，并同时采集轨道区间的第二变形值及采集所述第二变形值时所对应的位置参数。

在此步骤在具体实施过程中，可通过对检测车的不同操作给予实现，如：可在检测车施加检测负载时，使检测车1在被检测轨道区间上从A点移动至B点其移动速度可以为任意设定速度，并在上述轨道检测车从A点移动至B点的过程中采集第二变形值y_H（y_H1、y_H2……y_Hn）（即被检测轨道区间在承受检测负载时的变形）以及第二变形值（y_H1、y_H2……y_Hn）在采集时所对应的位置参数，所述位置参数包括：位置值或时间值。

需要说明的是，在实际检测过程中上述第一变形值与第二变形值采集可以通过下述“一次采集”及“二次采集”的方法实现，其“一次采集”为将检测车设计为两节车辆组成，一节车辆施加初始负载，另一节施加检测负载从而完成上述第一变形值与第二变形值的检测。“二次采集”为只使用一节检测车，第一次施加初始负载，在施加检测负载后在同一路段上进行第二次采集，以上方法都是实现对第一变形值及第二变形值的采集。

其中第二变形值包括：第二垂向变形值及第二横向变形值。第二垂向变形值X_a2(如图3中31位置变形)及第二横向变形值X_b2(如图3中32位置变形)。

步骤：S103，获取轨道刚度。

在该步骤中：根据所述位置参数确定所述轨道区间上的同一位置点，对照该位置点的初始负载、检测负载、第一变形值y_L（y_L1、y_L2……y_Ln）和第二变形值y_H（y_H1、y_H2……y_Hn）获取该位置点的轨道刚度。

根据第一变形值所对应的位置参数、第二变形值所对应的位置参数，确定在被检测轨道区间上的同一位置点。位置参数采集可以使用位置传感器或位置编码器，直接获得位置量，也可根据检测时的速度和时间，来计算获取位置量。

所述通过同一位置点所对应的第一变形值及第二变形值获取该位置点的轨道刚度步骤包括：通过同一位置点所对应的所述第一垂向变形值及第二垂向变形值、所述第一横向变形值及第二横向变形值获取该位置点的轨道垂向刚度及横向刚度。通过同一位置点所对应的第一变形值及第二变形值获取该位置点的轨道刚度步骤包括：通过被检测轨道区间上的连续的多个同一位置点所对应的第一变形值及第二变形值获取多个连续位置点的轨道刚度；根据所述连续多个位置点的轨道刚度可拟合被检测轨道区间的刚度曲线。

本发明的基本原理是：在检测车辆行走过程中，通过测量不同负载作用下的轨道弹性变形之差△y（y_H－y_L）和车轮负载之差△P（P_H－P_L），计算得到轨道刚度K为：

$K=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δy}}=\frac{P_H-P_L}{y_H-y_L}$    公式1

其中P_H为检测负载，P_L为初始负载。

y_H（y_H1、y_H2……y_Hn）为检测负载作用下的轨道第二变形值，y_L（y_L1、y_L2……y_Ln）为初始负载作用下的轨道第一变形值。

公式1中P_H，P_L可通过公知的测力轮对技术来实现准确测量。

本发明中的术语“轨道”在本领域中是钢轨、轨枕及道砟等部件的总称。因此轨道刚度是指上述钢轨、轨枕及道砟三者结合在一起的整体刚度。

上述步骤S101及S102中已实现了对第一变形值及第二变形值的采集，但需要说明的是，在所述第一变形值y_L（y_L1、y_L2……y_Ln）与第二变形值y_H（y_H1、y_H2……y_Hn）的采集过程中可通过多种方式给予实现，如可通过三点弦法给予实现，具体实施三点弦法，可通过三点弦测量装置给予实现，因此，在采集第一变形值和/或采集第二变形值步骤中包括：通过三点弦测量弦采集第一变形值和/或采集第二变形值。同时从上述的步骤可知，上述的第一变形值及第二变形值的采集过程是通过两次完成的，因此第一变形值与第二变形值采集时所使用的三点弦测量弦必须完全相同，即相同测量弦比例及弦长（根据步骤S102中的不同实施方式可知，在“一次检查”中可将两套相同的三点弦测量弦分别设置于两节检查车上，若是采用“二次检查”的方法，则使用的三点弦为同一测量弦）。

应给予指出的是，正是由于使用了相同的三点弦测量弦的方法，才能使测量结果消除了车辆振动和轨道原始变形的影响，只反映了由于负载不同所引起的轨道变形的差值，从而保障了轨道刚度的动态检测精度。

采用三点弦法检测轨道区间的变形值的具体过程下面结合附图进一步详细说明。

根据三点弦法，利用测量点和两个参考点建立三点弦测量弦，如图4、图5所示。图4中，d为轨道的理论基线（为平直线），f为初始负载为零时的轨道原始曲线（轨道上存在原始的不平顺），b表示测量点（车轮作用点），a、c为钢轨顶面的测量参考点，aoc的连线为测量弦，l₁，l₂分别为参考点a和c距离测量点b的水平距离值，y₀为轨道表面b点与测量弦o之间的距离差值。a”b”c”代表测量装置处于任意实际位置（检测时由于检测车的振动，a”b”c”与测量弦ac之间可能存在一定的平移和旋转角度），a’’a，b’’b，c’’c分别是测量装置测到的轨道顶面距离值。a’b’c’为平行于测量弦aoc，且与a”b”c”相交于c”的参考线（c’，c”为同一点）。根据图4中几何关系可得：

测量值=b”b-(a”a*l₂+c”c*l₁)/(l₁+l₂)   公式2

=(b”b’+b’o+y₀)-((a”a’+a’a)*l₂+(c”c’+c’c)*l₁)/(l₁+l₂)

=y₀+(b”b’-(a”a’*l₂+c”c’*l₁)/(l₁+l₂))+(b’o-(a’a*l₂+c’c*l₁)/(l₁+l₂))

由于a’a=b’o=c’c，且c”c’=0，将其代入上式可得：

测量值=y0+(b”b’-(a”a’*l₂)/(l₁+l₂))

=y₀

由此可知，当测量参考点a、c与测量点b三者之间的相关位置固定后，测量结果不会随着测量框架的振动而变化，y₀的值是可准确测量的。也就是说，采用三点弦方法测量y₀值时，可有效消除检测车振动（测量框架运动）对测量结果y₀的影响。

基于上述测量原理，将车轮加载点作为测量点b，在车轮施加载荷后，测量点b及附近钢轨会向下产生位移，如图5所示。图中，e为加载后轨道顶面形状。此时轨道表面测量点b与测量弦o之间的差值则为：

测量值=b”b-(a”a*l₂+c”c*l₁)/(l₁+l₂)

=y_H

对于同一轨道断面处，分别测量得到车轮加载前后轨道顶面与测量弦o的差值，就可以计算得到由于加载而造成的轨道顶面变形值y₁：

y₁=y_H-y₀   公式3

由于y_H和y₀值中均包含了轨面的原始不平顺值，两数相减就消除了轨道表面原始不平顺对轨道变形测量结果的影响。

通过如上方法，就可以准确得到由于负载不同所导致的轨道变形的差值。再利用公知的轮轨力测量技术同步检测得到检测负载之后，根据公式1就可以计算得到轨道的刚度。另外，可以用静止时的检测车轮重来近似表示移动过程中的检测负载。

用上述方法可以得到轨道垂向刚度和轨道横向刚度。

本发明的检测方法所采用的装置包括：轨道变形测量装置、移动加载装置以及处理单元。

轨道变形测量装置为三点弦测量装置，包括安装在检测车车体下部的刚性测量框架及固定在测量框架上的三个激光测距传感器，分别实时检测参考点和测量点处钢轨顶面相对于刚性测量框架的位移值，并传输给检测控制装置。

移动加载装置负责在车辆移动过程中向被检测轨道区间上施加所需要的初始负载和检测负载；

处理单元负责接收轨道变形测量装置以设定速度移动在各位置点采集的第一或第二变形值；结合移动加载装置所施加的初始负载和检测负载，根据初始负载、检测负载、第一变形值及第二变形值获取由设定速度及各时间点所确定的同一位置点上的轨道刚度。

本发明的检测方法所采用的装置还可以包括轮轨力测量装置，轮轨力测量装置实时测量车轮力数据，并传输给处理单元。

在同一检测车上布置两套轨道变形测量装置的情况下，三个激光测距传感器的布置方式完全相同，即两套轨道变形测量装置的相应点检测点和参考点间的距离相同。考虑到多种应用的需要，轨道变形测量装置可以为接触式轨道变形测量装置也可以为激光测距传感器之外的其它非接触式轨道变形测量装置。

处理单元接收a、b、c三个测点的位移数据，根据公式2计算得到y_H，y_L值（或y₀），与轮轨力装置传入的车轮力测量值P_H，P_L一起作为基础数据予以保存。然后，根据位置参数所确定的同一位置点的初始负载、检测负载、第一变形值及第二变形值获取轨道刚度

具体过程如下：

（1）设备安装后，精确测量初始负载所对应的测量点（称之为轻轮）和检测负载所对应的测量点（重轮）之间的间距L。

（2）运行检测车进行检测时，如果轻轮在前，则以轻轮所在点为起始检测位置，此时重轮位置为-L。

（3）检测运行开始后，对于每一时刻的检测数据，由位置参数所确定的同一位置点K的里程即为轻轮检测数据的里程K，而重轮检测数据的里程为K-L。

（4）处理系统将同一里程上的轻轮数据与重轮数据进行配对，并根据公式1计算即可得到该里程处的轨道刚度值。

本发明还提供一种轨道刚度动态检测方法，包括以下步骤：

在被检测轨道区间表面上设置轨道变形测量装置；

向被检测轨道区间上施加初始负载时，轨道变形测量装置移动过程中在各时间点采集被检测轨道区间的第一变形值，以及对应的位置参数；

向被检测轨道区间上施加检测负载时，轨道变形测量装置移动过程中在各时间点采集被检测轨道区间上的第二变形值，以及对应的位置参数；

在由位置参数所确定的同一位置点上，根据初始负载、检测负载、第一变形值及第二变形值获取轨道刚度。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。

Claims (9)

1.轨道刚度动态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在轨道区间上移动施加初始负载，并同时采集所述轨道区间的第一变形值及采集所述第一变形值时所对应的位置参数；

在同一轨道区间上移动施加检测负载，并同时采集所述轨道区间的第二变形值及采集所述第二变形值时所对应的位置参数；

根据所述位置参数确定所述轨道区间上的同一位置点，对照该位置点的初始负载、检测负载、第一变形值和第二变形值获取该位置点的轨道刚度。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述位置参数包括：位置值或时间值。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述在轨道区间上移动施加初始负载，并同时采集所述轨道区间的第一变形值及采集所述第一变形值时所对应的位置参数的步骤包括：

在轨道区间上以设定速度移动施加初始负载，并同时采集所述轨道区间的第一变形值及采集所述第一变形值时所对应的位置参数。

4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述在同一轨道区间上移动施加检测负载，并同时采集所述轨道区间的第二变形值及采集所述第二变形值时所对应的位置参数的步骤包括：

在同一轨道区间上以设定速度移动施加检测负载，并同时采集所述轨道区间的第二变形值及采集所述第二变形值时所对应的位置参数。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述在轨道区间上移动施加初始负载，并同时采集所述轨道区间的第一变形值及采集所述第一变形值时所对应的位置参数；在同一轨道区间上移动施加检测负载，并同时采集所述轨道区间的第二变形值及采集所述第二变形值时所对应的位置参数的步骤中包括：

在轨道区间上移动施加初始负载，并同时通过三点弦测量装置采集所述轨道区间的第一变形值及采集所述第一变形值时所对应的位置参数；

在同一轨道区间上移动施加检测负载，并同时通过同一三点弦测量装置采集所述轨道区间的第二变形值及采集所述第二变形值时所对应的位置参数。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，

所述第一变形值包括：第一垂向变形值及第一横向变形值；

所述第二变形值包括：第二垂向变形值及第二横向变形值。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述根据所述位置参数确定所述轨道区间上的同一位置点，对照该位置点的初始负载、检测负载、第一变形值和第二变形值获取该位置点的轨道刚度的步骤包括：

根据所述位置参数确定所述轨道区间上的同一位置点，对照该位置点的初始负载、检测负载、第一垂向变形值及第一横向变形值，和第二垂向变形值及第二横向变形值，获取该位置点的轨道垂向刚度和/或横向刚度。

8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述初始负载包括：零负载或较小负载，所述检测负载的值为设定轮重值。

9.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述根据所述位置参数确定所述轨道区间上的同一位置点，对照该位置点的初始负载、检测负载、第一变形值和第二变形值获取该位置点的轨道刚度的步骤包括：

根据所述位置参数确定所述轨道区间上的多个连续同一位置点，对照所述多个连续位置点的初始负载、检测负载、第一变形值和第二变形值获取所述多个连续位置点的多个轨道刚度；

根据所述多个连续位置点所对应的所述多个轨道刚度拟合被轨道区间的刚度曲线。

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