CN108318126A - 一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，所述垫板设置在钢轨与轨枕之间，该方法包括以下步骤：测量所述钢轨的特性参数；确定所述钢轨的竖向二阶共振频率与轨下垫板刚度之间的关系函数；测量所述钢轨的竖向二阶共振频率；根据关系函数以及竖向二阶共振频率确定轨下垫板刚度。本发明的优点是：本方法为无损检测方法，检测过程不会对轨道结构的稳定性造成影响；该检测方式为可用于无缝线路轨下垫板刚度的长期监测；在检测过程中无需松开钢轨的扣件；本方法具有操作简便、可靠性高的优点。

Description

一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法

技术领域

本发明涉及垫板刚度检测方法，具体涉及一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法。

背景技术

高速和重载是现代铁路运营模式发展的显著特点，在这种情况下，铁路轨道的稳定性和线路刚度的合理性显得尤为重要。因轨下垫板刚度会随着列车运营而逐渐变化，一般这种变化呈增大趋势，当线路某区段出现垫板刚度突变时，列车通过时会产生较大动力不平顺，导致轮轨作用力的急剧变化，同时引起较大的环境振动，区段内的轨下结构也会受到影响，长期作用下，区段内易出现钢轨波磨、扣件及轨枕损坏等病害。对于既有线而言，由于轨下垫板安装于钢轨下方，采用直接取出检测的方式虽然可行但需要花费较多时间，无法持续对垫板刚度进行监控。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，该方法通过利用钢轨的竖向二阶共振频率与轨下垫板刚度之间的关系实现了轨下垫板刚度的无损检测。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，所述垫板设置在钢轨与轨枕之间，其特征在于所述方法包括以下步骤：测量所述钢轨的特性参数；确定所述钢轨的竖向二阶共振频率与轨下垫板刚度之间的关系函数；测量所述钢轨的竖向二阶共振频率；根据所述关系函数以及测量到的所述竖向二阶共振频率确定所述垫板刚度。

所述钢轨的特性参数包括钢轨类型、轨枕间距以及钢轨温度。

所述钢轨为无缝线路钢轨。

测量所述钢轨的竖向二阶共振频率包括以下步骤：在所述钢轨上安装加速度传感器；使用力锤沿所述钢轨的竖向敲击所述钢轨；在敲击的过程中使用力传感器测量所述力锤向所述钢轨施加的竖向时域激励f(t)，同时使用所述加速度传感器测量所述钢轨的竖向时域响应x(t)；根据竖向时域激励f(t)以及竖向时域响应x(t)计算所述钢轨对于竖向时域激励f(t)的频响函数H(w)；根据频响函数H(w)计算所述钢轨的竖向二阶共振频率。

所述加速度传感器的安装位置在所述钢轨的顶部且位于两个相邻所述轨枕之间的中点；所述加速度传感器的测量方向为所述钢轨的竖向；所述钢轨的竖向指的是与所述钢轨的轨顶垂直的方向。

所述力传感器设置在所述力锤的内部。

计算频响函数H(w)具体包括以下步骤：计算竖向时域激励f(t)的自相关函数R _ff (τ)；计算竖向时域激励f(t)与竖向时域响应x(t)的互相关函数R _fx (τ)；对自相关函数R _ff (τ)做傅里叶变换，得到竖向时域激励f(t)的自功率谱S _ff (w)；对互相关函数R _fx (τ)做傅里叶变换，得到竖向时域激励f(t)与竖向时域响应x(t)的互功率谱S _fx (w)；计算所述钢轨的频响函数H(w)，频响函数H(w)的计算公式如下所示：

。

计算所述钢轨的竖向二阶共振频率包括以下步骤：根据频响函数H(w)绘制所述钢轨的频响函数曲线；在频响函数曲线中确定第二阶共振频率，并将其作为所述钢轨的竖向二阶共振频率。

当所述钢轨类型为60kg/m，所述轨枕间距为0.6m时，所述关系函数的形式为f=A*b +B，其中：f为所述钢轨的竖向二阶共振频率，A为一次项系数，b为所述垫板刚度，B为常数项系数；在确定所述关系函数的过程中，将测量得到的钢轨温度减去所述钢轨的锁定温度得到温度变化量，将温度变化量代入下表，从而确定所述关系函数的一次项系数A和常数项系数B：

。

本发明的优点是：本方法为无损检测方法，检测过程不会对轨道结构的稳定性造成影响；该检测方式为可用于无缝线路轨下垫板刚度的长期监测；在检测过程中无需松开钢轨的扣件；本方法具有操作简便、可靠性高的优点。

附图说明

图1为本发明中的钢轨及轨枕以及垫板的示意图；

图2为温度变化量、轨下垫板刚度以及竖向二阶共振频率之间的关系图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-2，图中标记1-4分别为：钢轨1、垫板2、轨枕3、加速度传感器4。

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，垫板2设置在钢轨1与轨枕3之间；该方法通过理论计算得到钢轨1的竖向二阶共振频率与轨下垫板刚度之间的关系函数，并通过实际测量得到钢轨1的竖向二阶共振频率；将钢轨1的竖向二阶共振频率代入上述的关系函数即可得出钢轨1的轨下垫板刚度；本方法具体包括以下步骤：

（1）测量钢轨1的特性参数；钢轨1的特性参数包括钢轨类型、轨枕间距以及钢轨温度；本实施例中，钢轨类型为60kg/m钢轨，轨枕间距为0.6m，钢轨温度为45℃；通过查询记录可知，该钢轨1的锁定轨温为5℃。

（2）确定钢轨1的竖向二阶共振频率与轨下垫板刚度之间的关系函数。

钢轨1的竖向二阶共振频率与轨下垫板刚度之间的关系函数是形如f=A*b+B的一次函数，其中：f为钢轨1的竖向二阶共振频率，A为一次项系数，b为轨下垫板2的刚度，B为常数项系数；在确定关系函数的过程中，将测量得到的钢轨温度减去钢轨1的锁定温度得到温度变化量，将温度变化量代入表1中，从而确定关系函数的一次项系数A和常数项系数B；本实施例中，钢轨的温度变化量为40℃，通过表1可知，此时关系函数为f=1.0127d+175.9115。

表-1

（3）测量钢轨1的竖向二阶共振频率；测量过程具体包括以下步骤：

（3.1）在钢轨1上安装至少两个加速度传感器4；加速度传感器4的安装位置在钢轨1的顶部，且位于两个相邻轨枕3之间的中点，加速度传感器4到两个相邻轨枕3之间的距离相等；加速度传感器4的测量方向的为钢轨1的竖向；钢轨1的竖向指的是与钢轨1的轨顶垂直的方向（图1中箭头a所指的方向）；安装完成后，将加速度传感器4通过电缆连接至数据采集设备，数据采集设备可以收集各个加速度传感器4采集到的振动信号。

（3.2）使用力锤沿钢轨1的竖向敲击钢轨1的轨顶；敲击点位于加速度传感器4安装位置的周边；在敲击的过程中，使用力锤内置的力传感器测量力锤向钢轨1施加的竖向时域激励f(t)，同时使用加速度传感器4测量钢轨1的竖向时域响应x(t)。

（3.3）根据竖向时域激励f(t)以及竖向时域响应x(t)计算钢轨1对于竖向时域激励f(t)的频响函数H(w)，并根据频响函数计算钢轨1的竖向二阶共振频率。

计算频响函数H(w)具体包括以下步骤：计算竖向时域激励f(t)的自相关函数R _ff (τ)；计算竖向时域激励f(t)与竖向时域响应x(t)的互相关函数R _fx (τ)；对自相关函数R _ff (τ)做傅里叶变换，得到竖向时域激励f(t)的自功率谱S _ff (w)；对互相关函数R _fx (τ)做傅里叶变换，得到竖向时域激励f(t)与竖向时域响应x(t)的互功率谱S _fx (w)；计算钢轨1的频响函数H(w)，频响函数H(w)的计算公式如下所示：

。

计算钢轨1的竖向二阶共振频率的过程中，根据频响函数H(w)绘制钢轨1的频响函数曲线；在频响函数曲线中确定第二阶共振频率，并将第二阶共振频率作为钢轨实际的竖向二阶共振频率，本实施例中，钢轨实际的竖向二阶共振频率为240Hz。

（4）根据关系函数以及实际的竖向二阶共振频率确定轨下垫板2的刚度；具体的：

将步骤（3.3）中测量得到的竖向二阶共振频率f=240Hz代入步骤（2）中确定的关系函数f=A*b+B，即可得出钢轨1的轨下垫板2的刚度d=63.285MN/m。

本实施例的有益技术效果为：本方法为无损检测方法，检测过程不会对轨道结构的稳定性造成影响；该检测方式为可用于无缝线路轨下垫板刚度的长期监测；在检测过程中无需松开钢轨的扣件；本方法具有操作简便、可靠性高的优点。

如图1、2所示，本实施例中基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法的基本原理为：

本实施例中，钢轨1为无缝线路钢轨；在分析过程中，可将钢轨1作为周期离散支承的简支梁处理；通过理论分析我们得知，钢轨1的竖向二阶共振频率基本不受钢轨温度以及道砟刚度的影响，而钢轨1的竖向二阶共振频率受轨下垫板2的刚度以及轨枕间距的影响较大；在轨枕间距确定的情况下，钢轨1的竖向二阶共振频率基本上只受轨下垫板刚度的影响，因此本实施例中通过钢轨1的竖向二阶共振频率计算轨下垫板刚度。

对于本实施例中的钢轨1，通过理论分析可知，钢轨1的竖向二阶共振频率随轨下垫板刚的变化率为1.01Hz/(MN/m)；除了轨下垫板刚度，钢轨1的共振频率主要受轨枕间距的影响；然而本实施例中轨枕间距为固定值，因此本实施例中的关系函数仅需要描述竖向二阶共振频率以及轨下垫板刚度之间的对应关系；为了提高检测精度，本实施例还将钢轨温度纳入关系函数的变量。

本实施例中，在-50℃到50℃之间均匀选取11个温度变化量进行分析，共得到11条关系曲线；每条关系曲线表示温度变化量为固定值时，钢轨1的竖向二阶共振频率与轨下垫板刚度之间的对应关系，温度变化量指的是钢轨1的实际温度与钢轨1的锁定温度之间的差值；在钢轨温度测量完成后，可根据钢轨温度选取适合的关系曲线作为计算轨下垫板刚度的关系函数。

计算某条关系曲线的过程中，在钢轨温度、钢轨类型以及轨枕间距均为确定值的条件下，选取多个轨下垫板刚度的数值，根据理论模型分别计算轨下垫板刚度的数值对应的竖向二阶共振频率，并对计算得到的多组数据进行拟合回归，通过拟合回归可以得到该关系曲线的各种参数；本实施例中，关系曲线可拟合为形如f=A*b+B的一次函数；其中：A为一次项系数（单位：Hz/(MN/m)），b为轨下垫板刚度，B为常数项系数（单位：Hz），f为钢轨1的竖向二阶共振频率；表-1所示为本实施例中各个温度变化量对应的关系曲线的拟合参数。

从表-1的所示的数据可知，温度变化量（钢轨温度）对钢轨1的竖向二阶共振频率影响较小；各条关系曲线分布较为集中；图2采用另一种方式展示温度变化量（钢轨温度）、轨下垫板刚度以及竖向二阶共振频率之间的关系；图2中，包含7条曲线，每条曲线表示轨下垫板刚度为固定值时，温度变化量与竖向二阶共振频率之间的关系。

Claims (9)

1.一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，所述垫板设置在钢轨与轨枕之间，其特征在于所述方法包括以下步骤：测量所述钢轨的特性参数；确定所述钢轨的竖向二阶共振频率与轨下垫板刚度之间的关系函数；测量所述钢轨的竖向二阶共振频率；根据所述关系函数以及测量到的所述竖向二阶共振频率确定所述垫板刚度。

2.根据权利要求1所述的一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，其特征在于所述钢轨的特性参数包括钢轨类型、轨枕间距以及钢轨温度。

3.根据权利要求1所述的一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，其特征在于所述钢轨为无缝线路钢轨。

4.根据权利要求1所述的一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，其特征在于测量所述钢轨的竖向二阶共振频率包括以下步骤：在所述钢轨上安装加速度传感器；使用力锤沿所述钢轨的竖向敲击所述钢轨；在敲击的过程中使用力传感器测量所述力锤向所述钢轨施加的竖向时域激励f(t)，同时使用所述加速度传感器测量所述钢轨的竖向时域响应x(t)；根据竖向时域激励f(t)以及竖向时域响应x(t)计算所述钢轨对于竖向时域激励f(t)的频响函数H(w)；根据频响函数H(w)计算所述钢轨的竖向二阶共振频率。

5.根据权利要求4所述的一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，其特征在于所述加速度传感器的安装位置在所述钢轨的顶部且位于两个相邻所述轨枕之间的中点；所述加速度传感器的测量方向为所述钢轨的竖向；所述钢轨的竖向指的是与所述钢轨的轨顶垂直的方向。

6.根据权利要求4所述的一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，其特征在于所述力传感器设置在所述力锤的内部。

7.根据权利要求4所述的一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，其特征在于计算频响函数H(w)具体包括以下步骤：计算竖向时域激励f(t)的自相关函数R _ff (τ)；计算竖向时域激励f(t)与竖向时域响应x(t)的互相关函数R _fx (τ)；对自相关函数R _ff (τ)做傅里叶变换，得到竖向时域激励f(t)的自功率谱S _ff (w)；对互相关函数R _fx (τ)做傅里叶变换，得到竖向时域激励f(t)与竖向时域响应x(t)的互功率谱S _fx (w)；计算所述钢轨的频响函数H(w)，频响函数H(w)的计算公式如下所示：

。

8.根据权利要求4所述的一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，其特征在于计算所述钢轨的竖向二阶共振频率包括以下步骤：根据频响函数H(w)绘制所述钢轨的频响函数曲线；在频响函数曲线中确定第二阶共振频率，并将其作为所述钢轨的竖向二阶共振频率。

9.根据权利要求2所述的一种基于钢轨竖向振动特性检测轨下垫板刚度的方法，其特征在于当所述钢轨类型为60kg/m，所述轨枕间距为0.6m时，所述关系函数的形式为f=A*b+ B，其中：f为所述钢轨的竖向二阶共振频率，A为一次项系数，b为所述垫板刚度，B为常数项系数；在确定所述关系函数的过程中，将测量得到的钢轨温度减去所述钢轨的锁定温度得到温度变化量，将温度变化量代入下表，从而确定所述关系函数的一次项系数A和常数项系数B：

。