CN105113349B - 一种无砟轨道安全检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无砟轨道安全检测方法，包括如下步骤：步骤a)在待测无砟轨道钻孔内待测剪力筋外激发应力波，获得时域震动信号；步骤b)对步骤a获得的时域震动信号进行信号调理，得到时域波形信号；步骤c)将步骤b所得时域波形信号分别基频滤波处理和二倍频滤波处理后进行自功率谱分析；步骤d)利用步骤c所得数据计算剪力筋与树脂胶粘合程度系数，判断无砟轨道安全性。与现有技术相比，本发明提供的无砟轨道安全检测方法，具有以下优点：克服了现有技术中没有一种方法能检测高速铁路无砟轨道路基剪力筋与树脂胶粘合程度的缺点，判断结果直观准确。

Description

一种无砟轨道安全检测方法

技术领域

本发明涉及了一种轨道安全检测方法，具体是一种无砟轨道路基剪力筋环氧树脂胶粘合程度检测方法，属于信息处理技术领域。

背景技术

随着我国工业化程度越来越高，交通运输已是国民经济活动的一个重要组成部分，它在给经济带来巨大利益的同时，也对生态环境造成了日益严重的威胁，故需要使运输化发展的效果达到——保证有合适和安全的运输服务满足社会需求；提高运输系统的效率，降低对各种资源的耗用；减少运输活动对环境的各种污染；保证高速铁路这种环境友好型运输方式获得优先发展，鼓励利用公共交通和环境损害小的运输方式。

与传统轨道相比，高速铁路是指采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构，即无砟轨道。无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，其具有高稳定性、耐久性好、使用寿命长、平顺性好，维修工作少等优点，不仅可以减少维护、降低粉尘、美化环境，还避免了飞溅道砟，而且列车时速可以达到300公里以上。

但是，无砟轨道的高质量需要高水平的养护措施提供保障，这意味着在施工工序和质量控制方面都要增加额外的费用和时间。总体上来说，无砟轨道建设和维修都没有达到自动化程度。建设期间的质量缺陷使其整体使用寿命期大大缩短，除了留下大量的安全隐患外，还需要花费高昂的代价进行维修。对脱轨或其他原因导致的严重损坏还没有特别有效的措施，安全保障与修复代价也十分巨大。随着无砟轨道使用时间的增加，伤损将增多，经济效益相对来说将降低，而且无砟轨道的修复工作比较复杂，并需要大量费用和时间，一旦损坏引起长期关闭线路带来的投入将相当大，也就是说，严重的事故将导致线路关闭时间比较长，对运输影响比较大。

据了解，无砟轨道路基由轨道板、砂浆层、混凝土底座板三层组成。为了防止轨道板、砂浆层、混凝土底座层移动，所以铺设无砟轨道过程中需要在上述三层材料之间钻孔，向钻孔内插入剪力筋并通过注入环氧树脂胶以保证剪力筋固定在钻孔内。然而在实际工程中，有很多原因如注胶压力不够，可造成剪力筋底部与钻孔底部之间存在空气，从而使环氧树脂胶粘合程度较低。当剪力筋粘合程度不够(即在钻孔底部和剪力筋之间存在的空气过多)时，在高速铁路运营过程中，轨道处于长期振动中，就会使剪力筋在列车行驶过程中由于振动部分跳出钻孔，造成列车底部刮损甚至侧翻，对乘坐列车的人员的人身安全产生极大威胁。但在实际检测中，由于剪力筋尺寸小，环氧树脂胶声阻抗系数和空气接近，树脂胶本身厚度小等原因造成无法或很难判断出剪力筋和树脂胶的粘合程度。故急需找到一种检测无砟轨道铺设材料的钻孔与剪力筋之间粘合程度的方法，使工程人员在铺设无砟轨道时就能减少低质量无砟轨道的产生，或用于检测已铺设好的无砟轨道，使轨道安全检测人员准确无误地确定正在运营的无砟轨道是否铺设安全，避免发生事故，从而在根本上解决由于剪力筋固定问题造成的安全困扰。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种无砟轨道安全检测方法，能简单且准确有效的判断出高速铁路无砟轨道路基剪力筋与树脂胶粘合程度，降低高速铁路安全事故发生概率。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无砟轨道安全检测方法，包括如下步骤：

步骤a)在待测无砟轨道钻孔内待测剪力筋外激发应力波，获得时域震动信号；

步骤b)对步骤a获得的时域震动信号进行信号调理，得到时域波形信号；

步骤c)将步骤b所得时域波形信号分别基频滤波处理和二倍频滤波处理后进行自功率谱分析；

步骤d)利用步骤c所得数据计算待测剪力筋与树脂胶粘合程度系数，判断无砟轨道安全性。

优选地，步骤a)的具体操作为：在钻孔内待测剪力筋外端激发应力波，并在待测剪力筋同端用加速度传感器接收时域震动信号。

需要注意的是，时域震动信号是一种随时间变化而变化的震动信号，时域波形信号是时域震动信号进行信号调理后的得到的原始波形信号；信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。

更优选地，激发应力波的频率为40KHz～10MHz；较佳地，激发应力波的频率为90KHz～110KHz。

优选地，步骤b)的具体操作为：通过便携式数据采集仪器对时域震动信号进行调理，即先经过放大器将接收到的时域震动信号进行放大，再通过滤波电路中的低通滤波器对放大后的时域震动信号进行滤波处理，最后对得到的波形数据经过平滑处理电路进行平滑处理，最后通过PC机对数据进行采集，获得时域波形信号。

优选地，步骤c)的具体操作为：将步骤b)中PC机采集到的时域波形信号分别滤除基频周围的杂波和二倍频以外的信号，进行自功率谱变换，从而使自功率谱变换后的时域波形信号的基频或二倍频所在的波峰显示更清晰，读取基频波峰处幅值A₁和二倍频波峰处幅值A₂。

更优选地，步骤c)中基频滤波处理(即滤除基频周围的杂波)为：采用巴特沃斯七阶高通滤波，高截止频率为基频以下接近基频大小。

更优选地，步骤c)中二倍频滤波处理(即滤除二倍频以外的信号)为：采用巴特沃斯七阶高通滤波，高截止频率为二倍频以下接近二倍频大小。

更优选地，步骤c)中自功率谱分析公式为：

其中，FFT是傅里叶变换，*表示复共轭，n是信号中点的个数。

优选地，步骤d)的具体操作为：将步骤c)中得到的幅值A₁、A₂代入粘合程度系数计算公式H＝A₂/A₁ ²，得出其粘合程度系数H，根据H的数值判断待测无砟轨道是否安全。

优选地，为了使检测结果更直观、方便判断，本发明还可包括步骤e)：对粘合程度系数H进行归一化处理。

与现有技术相比，本发明提供的无砟轨道安全检测方法，具有以下优点：

1、克服了现有技术中没有一种方法能检测高速铁路无砟轨道路基剪力筋与树脂胶粘合程度的缺点；

2、由于二倍频对缺陷更加灵敏，所以本发明检测更加精确；

3、本发明采用二倍频幅值与基频幅值相比的方法，能够有效排除检测过程中接触面不平整等外部干扰；

4、本发明能够直接得出剪力筋粘合程度系数，判断结果直观准确。

附图说明

图1为无砟轨道结构示意图；

图2为在有限元模型中步骤a)的操作示意图；

图3为对时域波形信号基频滤波处理后进行自功率谱分析所得波形图；

图4为对时域波形信号二倍频滤波处理后进行自功率谱分析所得波形图；

图5为各有限元模型的粘度系数随剪力筋的粘合程度变化的线性关系图；

其中，1、轨道板，2、砂浆垫层，3、混凝土底座板，4、剪力筋，5、树脂胶。

具体实施方式

为了能够对本发明有进一步的理解，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

实施例

(1)选取模型材料，建立剪力筋与树脂胶粘合程度为100％(即钻孔内无空气)的有限元模型a；

(2)根据无砟轨道建设工程中实际情况设置相关材料的弹性模量(E)、密度(ρ)、泊松比(υ)，在ANSYSLS-DYNA软件中建立剪力筋树脂胶粘合程度有限元模型a，材料参数如表1所示：

表1

	E(GPa)	ρ(kg/m3)	υ
				混凝土	34.5	2440	0.25
钢筋	210	7800	0.3
				树脂胶	2.6	1390	0.386

(3)如图1和图2所示，在模型中钻孔内剪力筋外端A点激发100KHz的应力波，在模型同一端B点接收应力波反射信号，即时域震动信号；

(4)通过便携式数据采集仪器对时域震动信号进行调理，即先经过放大器将接收到的时域震动信号进行放大，再通过滤波电路中的低通滤波器对放大后的信号进行滤波处理，最后对得到的波形数据经过平滑处理电路进行平滑处理，最后通过PC机对数据进行采集，获得时域波形信号；

(5)将步骤(4)所得时域波形信号进行高通滤波处理，其中，低截止频率设置为1KHz，然后进行自功率谱变换，找到其基频，即为激发应力波频率100KHz附近的波峰处频率，并读出其幅值Aa₁，如图3所示；

(6)将步骤(4)所得时域波形进行高通滤波处理，其中，低截止频率设置为199KHZ，然后进行自功率谱变换，找到其二倍频，即为激发应力波频率100KHz两倍200KHz附近的波峰处频率，并读出其幅值Aa₂，如图4所示；

(7)利用步骤(5)与步骤(6)所得结果计算粘合程度系数H_a＝A_a2/A_a1 ²

(8)分别按照上述步骤(1)～(7)建立粘合程度为75％、50％、25％以及0％的有限元模型，计算各有限元模型的粘合程度系数H，计算结果见表2；

表2

有限元模型	基频(KHz)	A1(w)	基频(KHz)	A2(w)	H
						a	99.602	16.076987xE-6	199.203	0.000116xE-6	4.47342xE9
b	99.602	15.902693xE-6	199.203	0.000123xE-6	4.88148xE9
						c	99.602	15.623011xE-6	199.203	0.000174xE-6	7.13786xE9
d	99.602	14.93888xE-6	199.203	0.000186xE-6	8.33513xE9
						e	99.602	16.398461xE-6	199.203	0.000243xE-6	9.04946xE9

(9)将上述粘合程度系数进行归一化处理,(将粘合度为100％的粘合程度系数H_a定义为1，其它粘合度的粘合程度系数均为H/H_a)，并作出粘合系数随剪力筋的粘合程度变化的线性关系图，如图5所示。

由表2与图5可知，本发明提供的无砟轨道安全检测方法，通过计算出粘合程度系数以达到判断无砟轨道是否安全的目的，该方法能简单且准确有效的判断出高速铁路无砟轨道路基剪力筋与树脂胶粘合程度，达到安全生产的目的；即当粘合程度系数在归一化处理后小于1.5时安全，大于1.5时无砟轨道剪力筋有震出钻孔的危险。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无砟轨道安全检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a)在待测无砟轨道钻孔内待测剪力筋外激发应力波，获得时域震动信号；

步骤b)对步骤a获得的时域震动信号进行信号调理，得到时域波形信号；

步骤c)将步骤b所得时域波形信号分别基频滤波处理和二倍频滤波处理后进行自功率谱分析，读取基频波峰处幅值A₁和二倍频波峰处幅值A₂；

步骤d)利用步骤c所得数据计算待测剪力筋与树脂胶粘合程度系数，判断无砟轨道安全性；

其中，步骤d)的具体操作为：将步骤c)中得到的幅值A₁、A₂代入粘合程度系数计算公式H＝A₂/A₁ ²，得出其粘合程度系数H，根据H的数值判断待测无砟轨道是否安全。

2.根据权利要求1所述的无砟轨道安全检测方法，其特征在于，步骤a)的具体操作为：在钻孔内待测剪力筋外端激发应力波，并在待测剪力筋同端用加速度传感器接收时域震动信号。

3.根据权利要求2所述的无砟轨道安全检测方法，其特征在于：激发应力波的频率为40KHz～10MHz。

4.根据权利要求2所述的无砟轨道安全检测方法，其特征在于：激发应力波的频率为90KHz～110KHz。

5.根据权利要求1所述的无砟轨道安全检测方法，其特征在于，步骤b)的具体操作为：通过便携式数据采集仪器对时域震动信号进行调理，即先经过放大器将接收到的时域震动信号进行放大，再通过滤波电路中的低通滤波器对放大后的时域震动信号进行滤波处理，最后对得到的波形数据经过平滑处理电路进行平滑处理，最后通过PC机对数据进行采集，获得时域波形信号。

6.根据权利要求5所述的无砟轨道安全检测方法，其特征在于，步骤c)的具体操作为：将步骤b)中PC机采集到的时域波形信号分别滤除基频周围的杂波和二倍频以外的信号，进行自功率谱变换，读取基频波峰处幅值A₁和二倍频波峰处幅值A₂。

7.根据权利要求6所述的无砟轨道安全检测方法，其特征在于，步骤c)中基频滤波处理为：采用巴特沃斯七阶高通滤波，高截止频率为基频以下接近基频大小。

8.根据权利要求6所述的无砟轨道安全检测方法，其特征在于，步骤c)中二倍频滤波处理为：采用巴特沃斯七阶高通滤波，高截止频率为二倍频以下接近二倍频大小。

9.根据权利要求1所述的无砟轨道安全检测方法，其特征在于，还包括步骤e)：对粘合程度系数H进行归一化处理。