CN105000033B - 一种轨道几何不平顺的检测评估系统 - Google Patents
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Abstract
一种轨道几何不平顺的检测评估系统，它涉及一种检测评估系统。本发明为解决在轨道交通领域中，轨检车需要人力推行检测，存在检测效率低，检测结果受人工影响而不准确的问题；综合检测车存在造价昂贵且检测时往往要求线路封闭，影响正常交通运营的问题，同时轨检车或综合检测车自身的检测梁松动所导致的检测结果变化往往不易被发觉，从而造成检测结果失真的问题。本发明包括在轨道上独立行使的机车，安置在机车内的激振系统，控制系统，信号采集系统，导航系统，信号处理系统以及能量供应系统。本发明无需手工测量即可获得静态不平顺，节约了大量的人力和物力，同时有效提升了检测效率和检测精度。本发明用于检测轨道几何不平顺。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种轨道几何不平顺的检测评估系统，属于轨道交通基础检测设备与检测技术领域。
背景技术
轨道交通作为一种交通方式，是国家和地区的经济和社会发展命脉。目前，我国已成为世界上高速铁路运营里程最长、运行速度最快、建设规模最大的国际。近几年，随着我国政府的大力推广，高速铁路已成为中国制造的名片。与此同时，全球对高速铁路以及城际轨道交通的需求也越来越多，“一带一路”的战略构想也正通过国际间的轨道交通徐徐展开。轨道交通市场的不断扩大，加速推进了轨道交通相关领域的技术发展，然而，随着列车车速的提升、载运量的增加以及运输密度的大幅度提高，使得轮轨系统间的动力影响问题变得更为复杂。因此，列车运行的安全性问题越发值得关注。
列车线路发生的永久性几何变形导致轨道存在几何偏差，也称为轨道几何不平顺。轨道几何不平顺是车轨系统振动的主要原因，是影响列车运行安全性和稳定性的关键因素，也是轨道结构部件损伤和失效的重要原因。因此，轨道几何不平顺检查一直是轨道检测的必检项目。目前，国内外应用较多的轨道不平顺检测设备，主要是以轨检车和综合检测车为主，轨检车需要人力推行检测，检测效率低，检测结果容易受步行速度、推行平稳程度的影响；综合检测车造价昂贵，且检测时往往要求线路封闭，影响正常交通运营；此外，二者都是基于激光、图像处理等手段的检测原理，然而，铁轨的强反射光、轨道上的泥沙、积雪、垃圾等都将会不同程度地影响图像处理的精度，同时轨检车或综合检测车自身的检测梁松动所导致的检测结果变化往往不易被发觉，从而造成检测结果失真。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨道几何不平顺的检测评估系统，以解决在轨道交通领域中，轨检车需要人力推行检测，存在检测效率低，检测结果受人工影响而不准确的问题；综合检测车存在造价昂贵且检测时往往要求线路封闭，影响正常交通运营的问题，同时轨检车或综合检测车自身的检测梁松动所导致的检测结果变化往往不易被发觉，从而造成检测结果失真的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种轨道几何不平顺的检测评估系统，它包括在待检测轨道上独立行驶的机车，安置在机车内的激振系统，控制系统，信号采集系统，导航系统和信号处理系统；
所述激振系统，用于对行驶中的机车施加连续激振作用，并通过机车将该激振作用传递给待检测的轨道上；
所述控制系统，用于控制整个检测评估系统的协调工作，通过控制机车的行驶速度、激振系统的激振频率和激振幅值，使得激振时机车的轮轨与待检测轨道始终保持接触状态；
所述信号采集系统，用于采集激振系统作用下机车的动态响应信号以及激振系统与机车之间的传力信号，并将采集到的信号发送给信号处理系统；
所述导航系统，用于记录机车的行驶轨迹和行驶速度信息，并将所记录的信息发送给信号处理系统；
所述信号处理系统，接收信号采集系统以及导航系统所发送的系统响应信号，根据接收的响应信号获得实测的检测评估系统动态振动响应，比较移动机车轨道耦合数值模型的动态响应同已测得的动态振动响应之间的差别，利用非线性识别算法计算得到轨道静态不平顺的估计值，对列车轨道数值模型进行数值仿真计算，可获得轨道的动态变形，根据静态几何不平顺和轨道动态变形，即可确定轨道的动态几何不平顺。
本发明具有以下有益效果：
一、现有轨检车和综合检测车需要在进行一定数量的手工测量后得到轨道静态不平
顺，并在此基础上进行轨道动态变形和轨道动态不平顺的评估工作，本发明提供的检测评估系统无需手工测量即可获得静态不平顺，因此，节约了至少40％的人力和物力。
二、与现有技术中车辆参数与实际运行车辆存在偏差的缺陷相比，本发明是在建立了列车轨道耦合模型的基础上，获得轨道的动态变形，因此，轨道动态变形的评估结果更符合实际情况，可行性更高。
三、本发明在电力驱动自行检测时，可实现机车无级变速，避免检测评估系统自身振动对轨道动态振动的影响，大幅度提高了检测精度。
四、本发明可通过牵引车进行牵引检测，也可自行检测，检测效率提高了30％。本发明与综合检测车相比，造价低廉，适于普及，对人烟稀少的偏远地区也可使用。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的工作原理示意图；
图4为本发明中轨道几何不平顺检测评估系统的分析流程图；
图5为本发明中轨道几何不平顺检测评估系统的信号处理系统构成图；
图6为本发明中轨道几何不平顺检测评估系统的简化模型图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式包括在待检测轨道上独立行驶的机车1，安置在机车1内的激振系统2，控制系统3，信号采集系统4，导航系统5和信号处理系统6；
所述激振系统2，用于对行驶中的机车1施加连续激振作用，并通过机车1将该激振作用传递给待检测的轨道上；
所述控制系统3，用于控制整个检测评估系统的协调工作，通过控制机车1的行驶速度、激振系统2的激振频率和激振幅值，使得激振时机车1的轮轨与待检测轨道始终保持接触状态；
所述信号采集系统4，用于采集激振系统2作用下机车1的动态响应信号以及激振系统2与机车1之间的传力信号，并将采集到的信号发送给信号处理系统6；
所述导航系统5，用于记录机车1的行驶轨迹和行驶速度信息，并将所记录的信息发送给信号处理系统6；
所述信号处理系统6，接收信号采集系统4以及导航系统5所发送的系统响应信号，根据接收的响应信号获得实测的检测评估系统动态振动响应，比较移动机车轨道耦合数值模型的动态响应同已测得的动态振动响应之间的差别，利用非线性识别算法计算得到轨道静态不平顺的估计值，对列车轨道数值模型进行数值仿真计算，可获得轨道的动态变形，根据静态几何不平顺和轨道动态变形，即可确定轨道的动态几何不平顺。
本发明还包括能量供应系统7，为机车1及整个检测评估系统提供动力源，保证激振系统2，控制系统3，信号采集系统4，导航系统5和信号处理系统6的正常工作。
本发明中将待检测轨道进行有限元划分，便于轨道的动态几何不平顺的计算。
本发明中信号采集系统4包括力传感器和加速度传感器，力传感器连接在激振系统2上进行检测，加速度传感器设置在机车1的每个轮的转轴上进行检测。
具体实施方式二：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中所述机车1在待检测轨道上以既定速度自行行驶或机车1通过牵引车牵引行驶，机车1的轮轨间距可根据待检测轨道的类型进行调整。其他结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中所述激振系统2设置于机车1的底盘上，并位于底盘的中轴线上，激振系统2的激振端与机车1的底盘相连接。其他结构及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中所述控制系统3通过调整激振系统2的激振频率，使激振频率与轨道局部振动的频率相一致，产生局部模态的共振；通过调整激振系统2的激振幅值，控制激振作用的强弱，保证激振作用产生的变形满足轨道的正常使用要求，对轨道不产生额外损伤。其他结构及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中所述信号采集系统4包括信号获取装置和信号转换装置；
所述信号获取装置包括机车用响应信号获取装置和激振系统用传力获取装置；机车用响应信号获取装置设置在机车1上，激振系统用传力获取装置设置于激振系统2与机车1之间；信号转换装置，将信号获取装置拾取的信号转换成电信号并发送给信号处理系统6。其他结构及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中所述导航系统5，用于记录机车1的行车轨迹，行驶速度，为轨道几何不平顺评估提供定位信息。其他结构及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中所述信号处理系统6包括信号存储装置、信号分析装置和分析结果输出装置；信号存储装置，用于保存控制系统3、信号采集系统4和导航系统5所产生的内部数据文件并支持数据输出；信号分析装置是根据接收的响应信号，对比分析数值仿真响应信号与实测响应信号的时域特征和频域特征的变化，通过差值估计得到轨道的静态几何不平顺，根据列车轨道数值模型获得轨道动态竖向变形，依据轨道的静态几何不平顺和轨道的动态变形，获得轨道的动态几何不平顺；分析结果输出装置，用于输出轨道几何不平顺评估的分析结果。
本实施方式中所述信号分析装置，用于根据接收的响应信号的时域特征和频域特征的变化，分析并评估轨道几何不平顺，主要分析过程如下：
1).确定车辆和轨道的物理参数，包括质量、刚度、阻尼等信息；
2).建立机车轨道耦合模型、列车轨道耦合模型；
3).根据现有典型轨道谱确定轨道静态不平顺初始数值；
4).将3)中的轨道静态不平顺初始值带入机车轨道耦合模型，利用非线性数值积分算法获得机车、轨道的动态响应，包括轮对的加速度、车辆的加速度、竖向位移，轨道的加速度、竖向变形以及轮轨间的接触力；
5).求解4)中的动态响应与机车在激振荷载作用下实际测得的动态响应之间的差值，通过基于时域、频域或频域时域相结合的差值估计算法得到轨道的静态不平顺；
6).根据列车轨道耦合模型的数值计算可获得轨道的动态变形；
7).根据轨道的静态几何不平顺和轨道动态变形，即可获得轨道的动态几何不平顺。
本实施方式中其他结构及连接关系与具体实施方式一或五相同。
结合图1至图6及本发明的有益效果说明以下实施例：
实施例一：本实施例中机车1为电力驱动机车，可以在轨道上按指定速度自动行驶，也可通过其他牵引设备牵引行驶，同时，所述的其余各子系统均设置于机车1内；激振系统2，用于对机车1施加连续激振作用，并通过机车1将该激振作用传递给待检测的轨道上；控制系统3，用于控制整个系统的协调工作；通过控制激振系统2的激振频率和激振幅值，使机车1的轮轨与待检测轨道始终保持接触状态；信号采集系统4，用于采集激振系统2作用下，机车1的响应信号以及激振系统2的传力信号，并将信号发送给信号处理系统6；导航系统5，用于记录机车1的行驶轨迹、行驶速度信息，并将所记录的信息发送给信号处理系统6；信号处理系统6，用于接收响应信号、行驶轨迹、行驶速度信息，根据接收的响应信号获得动态振动响应，比较机车轨道耦合模型的动态响应同已测得的动态振动响应之间的差别，利用识别算法迭代计算，得到轨道静态几何不平顺的最优估计，再根据列车轨道模型求得的轨道动态响应，即可获得轨道的动态几何不平顺，同时结合行驶轨迹、行驶速度确定轨道不平顺的位置信息；
本实施例中，机车1在轨道上以指定的速度行驶，机车采用电能驱动，也即能量供应系统7为蓄电池装置。电能驱动能避免以往常规机动车自身振动对轨道振动的影响，也避免了由于机动车自身振动因素污染采集数据，因此，电力驱动的机车检测评估系统能大幅度提高检测精度。
当机车在轨道上行驶时，控制系统3会控制激振系统2的激振频率和激振幅值，使机车1的车轮与轨道始终保持接触状态。在不引起损伤或正常使用功能的情况下对轨道局部模态进行共振激振。激振系统2的激振端与移动机车1的底盘相连，激振系统2产生的连续激振力作用于机车1的车身上，该激振力通过机车传递给待检测轨道。所述激振系统2设置于机车1的底盘上，并位于底盘的中轴线上。
本发明在原理上，激振系统2可以安装在机车底盘任意位置，为了提高检测的精准度，本实施方式中激振系统2设置于机车底盘的刚度中心位置。为避免系统与机车1共振对检测结果的影响，激振系统2的激振频率应远离机车1的固有频率，同时，激振频率应尽量接近轨道局部振动的频率。激振装置可以选择市场上已有的各种激振设备，本实施例中，激振设备为电动式惯性激振器，激振力幅值1000N。
本实施方式中的信号采集系统3包括信号获取装置和信号转换装置；所述信号获取装置包括机车动态响应的信号获取装置和激振系统2与机车1之间相互作用力的传力获取装置；机车动态响应的信号获取装置设置在机车1上，激振系统2与机车1之间相互作用力的传力获取装置，设置于激振系统2与机车1的连接部位。
信号获取装置采用位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器或该四种传感器的组合来实现。位移传感器、速度传感器和加速度传感器可单独或组合使用作为电动车响应信号获取装置，各传感器位置和数量可以灵活调整。当信号获取装置仅包括一个机车动态响应信号获取装置时，机车响应信号获取装置可安装于机车底盘或车顶；当同时采用多个机车动态响应信号获取装置时，信号获取装置应以车体竖向中轴线和水平中轴线为基准对称安装。而激振系统2与机车1连接处的传力获取装置选用一个力传感器。
信号转换装置，用于将信号获取装置获取的信号转换成电信号后并发送给信号处理系统6。信号转换装置一端与信号采集装置相连，另一端与信号处理系统6相连。连接方式可以通过有线连接或无线连接来实现。信号转换装置可以是各种数字信号放大、采集装置。本实施例中，信号转换装置为电荷放大器与多通道数据采集仪，信号获取装置与电荷放大器相连，电荷放大器与信号采集仪连接，信号采集仪可通过有线或无线的连接方式与安装有信号处理系统6的计算机相连。
导航系统5，用于记录移动机车的行驶轨迹和行驶速度信息，并将所记录的信息发送给信号处理系统6。导航系统可以选用市场上常见的车载GPS装置或北斗卫星导航系统。
本实施例中的信号处理系统6为软件处理系统。包括信号存储装置、信号分析装置和分析结果输出装置；信号存储装置，用于保存控制系统3、信号采集系统4、导航系统5所产生的内部数据文件，并支持数据输出；信号分析装置为后台软件系统，根据接收的响应信号的时域特征和频域特征的变化，比较机车轨道耦合模型的动态响应同已测得的车辆振动响应之间的差别，利用非线性识别算法迭代计算，得到轨道静态不平顺的最优估计，通过列车轨道模型获得轨道的动态变形，进而可以求得轨道的动态几何不平顺，同时结合行驶轨迹、行驶速度确定轨道不平顺的评估结果；分析结果输出装置，用于输出轨道的几何不平顺的评估结果。
本发明的检测评估过程为：确定待检轨道及其运行列车的物理参数，包括轨道的重量、刚度、阻尼以及列车的重量、轮对的数量、重量、刚度和阻尼，建立列车轨道耦合数值仿真模型和机车轨道耦合数值模型；根据列车轨道耦合数值仿真模型确定轨道几何静态不平顺初始数值；将轨道静态不平顺初始值带入机车轨道耦合模型，并将轨道静态不平顺引入运动微分方程，其具体实施原理如下：
将机车和轨道耦合模型简化如图6所示，将轨道简化成梁单元，并划分成n个子单元，其中，mv1为机车车身质量，mv2为机车车轮质量，F为激振力，t为机车运行的时间，y(x(t))是轨道的位移响应，r(x(t))是轨道静态几何不平顺，x(t)是t时刻机车的位置，y1、分别是机车车身的竖向变形、速度和加速度，y2、是车轮的竖向变形、速度和加速度，kv1是车轮的竖向刚度，kv2是钢轨的竖向刚度，cv是车轮的阻尼，机车轨道耦合模型的运动方程如公式(1)和(2)所示：
将轨道进行有限元划分，可获得耦合模型系统的整体运动方程，运动方程如公式(3)所示：
其中：
公式(3)中Mb、Cb和Kb分别是轨道的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，yb(t)是轨道的位移响应，R(t)是外荷载作用的位置矩阵，g为重力加速度。
通过对上述运动方程的求解，可以获得轨道几何不平顺的数值解，比较数值解与实测的动态响应之间的差别，通过基于时域、频域或频域时域相结合的差值估计算法进行迭代运算，逐步更新机车轨道仿真模型中的轨道静态几何不平顺，使仿真计算得到的动态响应逐渐逼近实测的真实值，当迭代误差满足计算精度要求时，即可获得轨道的静态几何不平顺。通过列车轨道耦合模型的数值仿真，可得到轨道的动态竖向变形，将轨道静态几何不平顺与轨道动态竖向变形进行求和计算，即可获得轨道动态几何不平顺。
本发明中仿真计算所用到的非线性数值积分算法可以选择结构健康检测领域常用的识别算法，如灵敏度方法、卡尔曼滤波、拓展卡尔曼滤波等方法。本实施例中，选用灵敏度识别方法。
Claims (6)
1.一种轨道几何不平顺的检测评估系统，其特征在于：它包括在待检测轨道上独立行驶的机车(1)，安置在机车(1)内的激振系统(2)，控制系统(3)，信号采集系统(4)，导航系统(5)和信号处理系统(6)；
所述激振系统(2)，用于对行驶中的机车(1)施加连续激振作用，并通过机车(1)将该激振作用传递给待检测的轨道上；
所述控制系统(3)，用于控制整个检测评估系统的协调工作，通过控制机车(1)的行驶速度、激振系统(2)的激振频率和激振幅值，使得激振时机车(1)的轮轨与待检测轨道始终保持接触状态；
所述信号采集系统(4)，用于采集激振系统(2)作用下机车(1)的动态响应信号以及激振系统(2)与机车(1)之间的传力信号，并将采集到的信号发送给信号处理系统(6)；
所述导航系统(5)，用于记录机车(1)的行驶轨迹和行使速度信息，并将所记录的信息发送给信号处理系统(6)；
所述信号处理系统(6)，接收信号采集系统(4)以及导航系统(5)所发送的系统响应信号，根据接收的响应信号获得实测的检测系统动态振动响应，比较移动机车轨道耦合数值模型的动态响应同已测得的动态振动响应之间的差别，利用非线性识别算法计算得到轨道的静态几何不平顺的估计值，对列车轨道数值模型进行数值仿真计算，可获得轨道的动态变形，根据静态几何不平顺和轨道动态变形，即可确定轨道的动态几何不平顺。
2.根据权利要求1所述的一种轨道几何不平顺的检测评估系统，其特征在于，所述机车(1)在待检测轨道上以既定速度自行行驶或机车(1)通过牵引车牵引行驶，机车(1)的轮轨间距可根据待检测轨道的类型进行调整。
3.根据权利要求2所述的一种轨道几何不平顺的检测评估系统，其特征在于：所述激振系统(2)设置于机车(1)的底盘上，并位于底盘的中轴线上，激振系统(2)的激振端与机车(1)的底盘相连接。
4.根据权利要求3所述的一种轨道几何不平顺的检测评估系统，其特征在于：所述控制系统(3)通过调整激振系统(2)的激振频率，使激振频率与轨道局部振动的频率相一致，产生局部模态的共振；通过调整激振系统(2)的激振幅值，控制激振作用的强弱，保证激振作用产生的变形满足轨道的正常使用要求，对轨道不产生额外损伤。
5.根据权利要求4所述的一种轨道几何不平顺的检测评估系统，其特征在于：所述信号采集系统(4)包括信号获取装置和信号转换装置；
所述信号获取装置包括机车用响应信号获取装置和激振系统用传力获取装置；机车用响应信号获取装置设置在机车(1)上，激振系统用传力获取装置设置于激振系统(2)与机车(1)之间；信号转换装置，将信号获取装置拾取的信号转换成电信号并发送给信号处理系统(6)。
6.根据权利要求1或5所述的一种轨道几何不平顺的检测评估系统，其特征在于，所述信号处理系统(6)包括信号存储装置、信号分析装置和分析结果输出装置；信号存储装置，用于保存控制系统(3)、信号采集系统(4)和导航系统(5)所产生的内部数据文件并支持数据输出；信号分析装置是根据接收的响应信号，对比分析数值仿真响应信号与实测响应信号的时域特征和频域特征的变化，通过差值估计得到轨道的静态几何不平顺，根据列车轨道数值模型获得轨道动态变形，依据轨道的静态几何不平顺和轨道的动态变形，获得轨道的动态几何不平顺；分析结果输出装置，用于输出轨道几何不平顺评估的分析结果。
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