CN107607192A - 桥梁固有频率识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桥梁固有频率识别系统，包括：移动车体(2)、安装于移动车体(2)上的振动传感器及采集装置(1)；移动车体(2)在钢轨上匀速移动，速度小于1m/s；振动传感器及采集装置(1)用于：采集在钢轨上匀速移动的移动车体(2)的振动响应数据。该方案能够在不影响正常运营条件下利用短暂的检修天窗时间对大批量桥梁运营状态进行快速识别，实现轨道上连续移动测试，可以对桥梁一阶横向和竖向固有频率进行自动化识别，通过调整移动车体和振动传感器及采集装置的参数，可以不受桥梁结构和外荷载激励方式的限制，实现轨道交通领域桥梁固有频率的普检。

Description

桥梁固有频率识别系统

技术领域

本发明涉及轨道交通桥梁检测技术领域，特别涉及一种桥梁固有频率识别系统。

背景技术

传统的测量桥梁响应是直接测量，但是该方法由于振动测点通常固定在桥梁结构构件上，无法连续移动至其他孔跨，测试效率偏低，只适用于特殊结构的定点测试。目前我国轨道交通中桥梁数量巨大，尤其是高速铁路桥梁，已超过30万孔，上述传统测试方法逐一对每孔桥梁进行检测和评估既不经济，也无法组织实现，抽检的样本数量也存在很大限制，测试周期过长，无法满足需要。因此，亟需探索在不影响正常运营条件下利用短暂的检修天窗时间对大批量桥梁运营状态的快速识别方法，实现桥梁固有频率的普检。

发明内容

本发明实施例提供了一种桥梁固有频率识别系统，可以实现轨道上连续移动测试，可以在不影响正常运营条件下利用短暂的检修天窗时间对大批量桥梁运营状态进行快速识别，实现桥梁固有频率的普检。

该桥梁固有频率识别系统包括：移动车体2、安装于移动车体2上的振动传感器及采集装置1；

移动车体2匀速在钢轨上自由移动，速度小于1m/s；

振动传感器及采集装置1用于：采集在钢轨上自由移动的移动车体2的振动响应数据。

在一个实施例中，所述移动车体2为钢架结构，钢架结构自振频率大于10Hz。

在一个实施例中，所述移动车体2沿钢轨线路横向宽1400～1500mm，沿钢轨线路纵向长500mm～1500mm，高10mm。

在一个实施例中，所述移动车体2包括多个车轮3，其中，每个车轮3为硬质小轮。

在一个实施例中，所述每个车轮3的直径为50mm～150mm。

在一个实施例中，所述振动传感器及采集装置1的通频带为1Hz～50Hz，采样频率为50Hz～100H。

在一个实施例中，所述振动响应数据为振动加速度或振动速度。

在一个实施例中，还包括：外部独立振源，与移动车体2间无直接连接，用于提供激励振源，激励梁体。

在一个实施例中，所述外部独立振源为激振器。

在一个实施例中，还包括：安装于移动车体2上的车载数据分析设备；

其中，振动传感器及采集装置1还用于：将所述振动响应数据发送至数据分析设备；

所述车载数据分析设备用于：自动对所述振动响应数据进行滤波和时频变换分析，获得桥梁的固有频率。

在本发明实施例中，提出的桥梁固有频率识别系统包括：移动车体和安装于移动车体上的振动传感器及采集装置，移动车体在轨道上连续移动，通过振动传感器及采集装置采集在钢轨上自由移动的移动车体的振动响应数据，这样无需将振动测点固定在桥梁结构构件上，可以实现轨道上连续移动测试，可以在不影响正常运营条件下利用短暂的检修天窗时间对大批量桥梁运营状态进行快速识别，实现桥梁固有频率的普检。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种桥梁固有频率识别系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种采用桥梁固有频率识别系统进行桥梁固有频率识别的方法示意图；

图3是本发明实施例提供的一种移动式测试车体简化模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，通过逐一对每孔桥梁进行检测的方法来确定桥梁固有频率，这种方法既不经济，也无法组织实现。基于此，在本发明实施例中，提供了一种桥梁固有频率识别系统，如图1所示，该桥梁固有频率识别系统包括：移动车体2、安装于移动车体2上的振动传感器及采集装置1；移动车体2在钢轨上匀速移动，速度小于1m/s；振动传感器及采集装置1用于：采集在钢轨上匀速移动的移动车体2的振动响应数据。其中振动响应数据为振动加速度或振动速度，实际中可根据识别对象振动特性选取。在获取了振动响应数据之后，可以将振动响应数据发送至外部的数据处理设备中，通过外部的数据处理设备的预设程序对振动响应数据进行自动滤波和时频变换分析，从而确定桥梁固有频率。还可以是，振动传感器及采集装置1将所述振动响应数据发送至安装于移动车体2上的车载数据分析设备，此时，车载数据分析设备用于：对所述振动响应数据进行分析，获得桥梁的固有频率。

具体实施时，现有技术中有一种轨检车，是否可以采用这种轨检车来识别桥梁固有频率，答案是否定的，因为轨检车主要是用来测试列车轮轴、转向架、车体的振动响应和受力，以评价列车高速运行时的安全性和平稳性，保证人体乘坐的舒适度，其结果可间接反映钢轨线路整体平顺性，并非针对桥梁结构参数进行测试，其使用目的、原理和方法与本发明完全不同。假设在轨检车上安装上测试桥梁固有频率的传感器，并将现有轨检车按本发明的方法降速1m/s使用，是否可以测试桥梁固有频率，答案也是否定的，因为，将现有轨检车按本发明的方法降速1m/s使用，将完全失去其原有测试轨道平顺性的功能，其转向架由弹簧和阻尼系统组成，目的是阻隔下部轮轨间的巨大的冲击，减小传递至车体上的振动，因此转向架系统在减振的同时，将会严重阻隔桥梁的有效振动部分；此外，轨检车为电动驱动，本身即为振动源，车体振动水平在低频区段远大于轨道和桥梁结构的振动，由于车辆内部结构复杂，模态振型很多，难以逐个区分，这些是轨检车这种传统机车车辆不可能测试桥梁频率的根本原因。

具体实施时，振动传感器及采集装置1可以采用多种方式安装于移动车体2上，可以是永久固定安装，比如焊接等，或者采用其他的方式粘接固定在移动车体2上。

具体实施时，移动车体2可以采用钢架结构，钢架结构自振频率大于10Hz。移动车体2沿钢轨线路横向宽1400～1500mm，沿钢轨线路纵向长500mm～1500mm，高10mm。移动车体2可以包括多个车轮3，其数量为4、6、8等等，一般至少是4个。其中，每个车轮3为硬质小轮。每个车轮3的直径可以为50mm～150mm。

具体实施时，振动传感器及采集装置1的通频带可以为1Hz～50Hz，对于固有频率小于1Hz的大跨度桥梁，可针对性调整通频带的下限。振动传感器及采集装置1的采样频率可以为50Hz～100Hz，可根据实际桥梁频率调整。

具体实施时，采用该系统进行桥梁固有频率识别的方法不同于传统桥梁定点测试，通过外部独立振源激励梁体，依靠轨道移动式测试系统(即桥梁固有频率识别系统)在钢轨上移动过程中的受迫振动来识别桥梁横向和竖向自振特性，因此，该系统还可以包括：外部独立振源，与移动车体间无直接连接，用于提供激励振源，激励梁体。外部独立振源可采用激振器等传统激励设备，与轨道移动式测试系统需有效隔离，避免激励源振动直接传递到移动车体2上。对于质量较大的大跨度桥梁结构，通常桥梁自振频率低于3Hz，传统激励设备无法有效激励，此时可采用环境激励，由于桥梁振动响应很小，需降低通过速度v，以提高信噪比。

图2是采用本发明提出的桥梁固有频率识别系统进行桥梁固有频率识别的方法示意图；如图2所示，振动传感器及采集装置1固定安装在移动车体2上方，将移动车体2平放于两钢轨上，以匀速v通过桥梁A，速度v不宜超过1m/s，以保证通过每孔桥梁的有效采样点数，并减小轨道表面不平顺和轮轴间摩擦产生的干扰信号。采用外部独立振源激励梁体，在移动车体2连续移动的过程中，振动传感器及采集装置1随时采集移动车体2的振动响应数据(振动加速度或振动速度)。然后将移动车体2沿钢轨连续移动至桥梁B，重复进行信号采集，实现多孔桥梁的连续测试。

在采集车体振动响应数据的过程中，可以将振动响应数据发送至外部数据处理设备，对所采时域信号进行滤波和傅里叶变换等分析算法，根据频域分析处理结果，识别桥梁A和桥梁B的频率。

振动响应数据的组成形式可以采用如下方法描述：

采用受外部独立振源激励时，可激励桥梁一阶横向和竖向响应，当车体质量远小于桥梁质量时，忽略车桥之间的耦合作用，速度v较小时，忽略不平顺影响，车体模型简化为单自由度受迫振动。以简支梁为例，取桥梁跨度L，移动式测试车体的响应为q_v，质量为m_v，与钢轨间的等效刚度为k_v，桥梁结构振动频率为ω_b，在x处忽略阻尼比，简化模型见图3。

移动式测试车体动力响应的运动微分方程为：

其中移动式测试车体自振频率

运动方程全解为：

A、B为待定系数，由初始条件确定。

式中第三项稳态反应为主要关注对象，可以看出，移动式测试车体的响应包含桥梁振动响应，理论上可以识别出桥梁频率。

要识别桥梁频率，首先是要保证振动水平相对较小的桥梁有效振动能够尽量完整的向上传递到移动车体上，本发明实施例中桥梁和振动传感器之间的振动传递结构包含轨道板、扣件系统、钢轨、车轮3、移动车体2，由上述振动响应数据的组成形式及模型简化条件可知，振动传感器的振动干扰源主要有两部分：轮轨间不平顺产生的干扰信号、车体内部动力振源产生的干扰信号。如何减小轮轨间不平顺干扰信号，如果采取主动减振、隔振措施，这会同时减小桥梁有效信号部分，因此不能采取主动减振、隔振措施，只能通过控制车速、增加接触面平顺光滑等措施来减小不平顺干扰；对移动车体2而言，主动减振措施同样会减小桥梁有效信号部分，只能采用具有一定刚度、没有内部振源的简单结构来实现，也就是说不能采用在移动车体上安装减振设备来减小干扰信号。因此，只有对振动的源头采取措施(增大桥梁激励响应，减小轮轨接触面不平顺、减小车体内部振源干扰)，才能有效识别桥梁频率，所有针对传递过程采取的减振、隔振措施都与识别原理相悖，适得其反。

综上所述，采用在本发明提出的桥梁固有频率识别系统，能够实现轨道上连续移动测试，可以对桥梁一阶横向和竖向固有频率进行自动化识别，通过调整移动车体和振动传感器及采集装置的参数，可以不受桥梁结构和外荷载激励方式的限制，实现轨道交通领域桥梁固有频率的普检。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥梁固有频率识别系统，其特征在于，包括：移动车体(2)、安装于移动车体(2)上的振动传感器及采集装置(1)；

移动车体(2)在钢轨上匀速移动，速度小于1m/s；

振动传感器及采集装置(1)用于：采集在钢轨上匀速移动的移动车体(2)的振动响应数据。

2.根据权利要求1所述的桥梁固有频率识别系统，其特征在于，所述移动车体(2)为钢架结构，钢架结构自振频率大于10Hz。

3.根据权利要求2所述的桥梁固有频率识别系统，其特征在于，所述移动车体(2)沿钢轨线路横向宽1400～1500mm，沿钢轨线路纵向长500mm～1500mm，高10mm。

4.根据权利要求1所述的桥梁固有频率识别系统，其特征在于，所述移动车体(2)包括多个车轮(3)，其中，每个车轮(3)为硬质小轮。

5.根据权利要求4所述的桥梁固有频率识别系统，其特征在于，所述每个车轮(3)的直径为50mm～150mm。

6.根据权利要求1所述的桥梁固有频率识别系统，其特征在于，所述振动传感器及采集装置(1)的通频带为1Hz～50Hz，采样频率为50Hz～100H。

7.根据权利要求1所述的桥梁固有频率识别系统，所述振动响应数据为振动加速度或振动速度。

8.根据权利要求1所述的桥梁固有频率识别系统，其特征在于，还包括：外部独立振源，与移动车体(2)间无直接连接，用于提供激励振源，激励梁体。

9.根据权利要求8所述的桥梁固有频率识别系统，其特征在于，所述外部独立振源为激振器。

10.根据权利要求1所述的桥梁固有频率识别系统，其特征在于，还包括：安装于移动车体(2)上的车载数据分析设备；

其中，振动传感器及采集装置(1)还用于：将所述振动响应数据发送至数据分析设备；

所述车载数据分析设备用于：自动对所述振动响应数据进行滤波和时频变换分析，获得桥梁的固有频率。