CN108327742B - 一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法 - Google Patents

一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，该方法包括以下步骤：测量所述钢轨的特性参数；确定所述钢轨的横向四阶共振频率与轨下等效支承刚度之间的关系函数；测量所述钢轨的横向四阶共振频率；根据所述关系函数以及测量获得的所述横向四阶共振频率确定轨下等效支承刚度。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；该检测方式可用于无缝线路轨下等效支承刚度的长期监测，通过不同检测时期横向四阶共振频率的变化来判断道砟刚度变化情况；本方法具有操作简便、省时以及可靠性较高的优点。

Description

一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法
技术领域
本发明涉及轨下等效支承刚度检测方法，具体涉及一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法。
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。轨下等效支承刚度会随着列车运营而发生变化，并可能导致线路等效支承刚度不均匀分布，当线路某区段出现等效支承刚度突变时，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，引起较大的环境振动，区段内的轨下结构也会受到影响。对于既有线而言，由于轨下等效支承刚度关系列车正常安全运营和轨道结构的安全服役，但较难检测。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，该方法通过利用钢轨的横向四阶共振频率与轨下等效支承刚度之间的关系实现了轨下等效支承刚度的无损检测。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，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；确定所述钢轨的横向四阶共振频率与轨下等效支承刚度之间的关系函数；测量所述钢轨的横向四阶共振频率；根据所述关系函数以及测量获得的所述横向四阶共振频率确定轨下等效支承刚度。
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。
测量所述钢轨的横向四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横向敲击所述钢轨；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横向时域激励f(t)，同时使用所述加速度传感器测量所述钢轨的横向时域响应x(t)；根据横向时域激励f(t)以及横向时域响应x(t)计算所述钢轨对于横向时域激励f(t)的频响函数H(w)；根据频响函数H(w)计算所述钢轨的横向四阶共振频率。
所述加速度传感器的安装位置在所述钢轨的底部且位于两个相邻轨枕之间的中点；所述加速度传感器的测量方向为所述钢轨的横向；所述钢轨的横向指的是与所述钢轨的轨腰垂直的方向。
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：计算横向时域激励f(t)的自相关函数R ff (τ)；计算横向时域激励f(t)与横向时域响应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，得到横向时域激励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，得到横向时域激励f(t)与横向时域响应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：
。
计算所述钢轨的横向四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四阶共振频率，并将其作为所述钢轨的横向四阶共振频率。
当所述钢轨类型为60kg/m，所述轨枕间距为0.6m时，所述关系函数为形如f=A*N+B的一次函数，其中：f为所述钢轨的横向四阶共振频率；A为一次项系数；N为轨下等效支承刚度的变化倍数，轨下等效支承刚度初始值为43.75MPa；B为常数项系数；在确定所述关系函数的过程中，将测量得到的所述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；该检测方式可用于无缝线路轨下等效支承刚度的长期监测，通过不同检测时期横向四阶共振频率的变化来判断道砟刚度变化情况；本方法具有操作简便、省时以及可靠性较高的优点。
附图说明
图1为本发明中的钢轨及轨枕的示意图；
图2为温度变化量、轨下等效支承刚度以及横向四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、加速度传感器2、轨枕3、轨腰4。
实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，该方法通过理论计算得到钢轨1的横向四阶共振频率与轨下等效支承刚度之间的关系函数，并通过实际测量得到钢轨1的横向四阶共振频率；将钢轨1的横向四阶共振频率代入关系函数中即可得出钢轨1的轨下等效支承刚度；本方法具体包括以下步骤：
（1）测量钢轨1的特性参数；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40℃；钢轨1的锁定温度为10℃，将测量得到的钢轨温度与钢轨1的锁定温度相减，可得到钢轨1的温度变化量，本实施例中钢轨1的温度变化量为30℃。
（2）确定钢轨1的横向四阶共振频率与轨下等效支承刚度之间的关系函数。
横向四阶共振频率与轨下等效支承刚度之间的关系函数为形如f=A*N+B的一次函数，其中：f为钢轨1的横向四阶共振频率；A为一次项系数；N为轨下等效支承刚度的变化倍数，轨下等效支承刚度初始值为43.75MPa；B为常数项系数；在确定关系函数的过程中，将测量得到的温度变化量代入表1，即可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，温度变化量为30℃，通过查表可知，关系函数为f=-68.6625N+1407.2150；
表-1
（3）测量钢轨1的横向四阶共振频率；测量过程具体包括以下步骤：
（3.1）在钢轨1上安装加速度传感器2；加速度传感器2的安装位置在钢轨1的底部，且位于两个相邻轨枕3之间的中点，加速度传感器2到两个相邻轨枕3之间的距离相等；加速度传感器2安装在钢轨1的底部可以避免加速度传感器2对列车运行产生不利影响；加速度传感器2的测量方向的为钢轨1的横向；钢轨1的横向指的是与钢轨1的轨腰4垂直的方向；安装完成后，将加速度传感器2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2采集到的振动信号。
（3.2）使用力锤沿钢轨1的横向敲击钢轨1的轨腰4；敲击点位于加速度传感器2安装位置的上方；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施加的横向时域激励f(t)，同时使用加速度传感器2测量钢轨1的横向时域响应x(t)。
（3.3）根据横向时域激励f(t)以及横向时域响应x(t)计算钢轨1对于横向时域激励f(t)的频响函数H(w)，并根据频响函数H(w)计算钢轨1的横向四阶共振频率。
计算频响函数H(w)具体包括以下步骤：计算横向时域激励f(t)的自相关函数R ff (τ)；计算横向时域激励f(t)与横向时域响应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，得到横向时域激励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，得到横向时域激励f(t)与横向时域响应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：
。
计算钢轨1的横向四阶共振频率的过程中，根据频响函数H(w)绘制所述钢轨的频响函数曲线；在所述频响函数曲线中确定第四阶共振频率，将其作为所述钢轨实际的横向四阶共振频率；本实施例中，钢轨1的横向四阶共振频率为f=1325Hz。
（4）根据关系函数以及实际测量得到的横向四阶共振频率确定轨下等效支承刚度；具体的，将步骤（3.3）中测量得到的钢轨实际的横向四阶共振频率f=1325Hz代入步骤（2）中确定的关系函数f=-68.6625N+1407.2150中，即可得出钢轨1的轨下等效支承刚度的变化倍数，本实施例中轨下等效支承刚度的变化倍数为1.2（本实施例中轨下等效支承刚度初始值为43.75MPa），将变化倍数乘以轨下等效支承刚度的初始值即可得出实际的轨下等效支承刚度。
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；该检测方式可用于无缝线路轨下等效支承刚度的长期监测，通过不同检测时期横向四阶共振频率的变化来判断道砟刚度变化情况；本方法具有操作简便、省时以及可靠性较高的优点。
如图1、2所示，本实施例中基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承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；在分析的过程中，可将钢轨1作为周期离散支承的简支梁处理；通过理论分析可以得知钢轨1的共振频率与轨下等效支承刚度之间存在对应关系；因此本实施例中采用钢轨1的横向四阶共振频率测量轨下等效支承刚度。
对于本实施例中的钢轨1，通过理论分析可知，轨下等效支承刚度每变化0.1倍（分析中轨下等效支承刚度的初始值为43.75MPa）时，钢轨1的横向四阶共振频率的变化为-68.7Hz/(MN/m)；钢轨1的共振频率除了受等效支承刚度的影响，还受钢轨类型、轨枕间距以及钢轨温度等特性参数的影响；然而本实施例中钢轨类型以及轨枕间距均为固定值，因此本实施例中需要考虑钢轨温度、横向四阶共振频率以及轨下等效支承刚度之间的对应关系。
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的横向四阶共振频率与轨下等效支承刚度之间的对应关系；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等效支承刚度的关系函数。
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，选取多个轨下等效支承刚度的数值，分别计算轨下等效支承刚度的数值对应的横向四阶共振频率；对计算得到的多组数据进行拟合回归，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*N+B的一次函数；其中：A为一次项系数，N为等效支承刚度，B为常数项系数，f为钢轨1的横向四阶共振频率；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的横向四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）、轨下等效支承刚度以及横向四阶共振频率之间的关系；图2中，包含11条曲线，每条曲线表示轨下等效支承刚度固定时，温度变化量与横向四阶共振频率之间的关系。

Claims (8)

1.一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，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；确定所述钢轨的横向四阶共振频率与轨下等效支承刚度之间的关系函数；测量所述钢轨的横向四阶共振频率；根据所述关系函数以及测量获得的所述横向四阶共振频率确定轨下等效支承刚度；测量所述钢轨的横向四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横向敲击所述钢轨；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横向时域激励f(t)，同时使用所述加速度传感器测量所述钢轨的横向时域响应x(t)；根据横向时域激励f(t)以及横向时域响应x(t)计算所述钢轨对于横向时域激励f(t)的频响函数H(w)；根据频响函数H (w)计算所述钢轨的横向四阶共振频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，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横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，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横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，其特征在于所述加速度传感器的安装位置在所述钢轨的底部且位于两个相邻轨枕之间的中点；所述加速度传感器的测量方向为所述钢轨的横向；所述钢轨的横向指的是与所述钢轨的轨腰垂直的方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，其特征在于所述力传感器设置在所述力锤的内部。
6.根据权利要求1所述的一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，其特征在于计算频响函数H(w)具体包括以下步骤：计算横向时域激励f(t)的自相关函数R ff (τ)；计算横向时域激励f(t)与横向时域响应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，得到横向时域激励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，得到横向时域激励f(t)与横向时域响应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：
。
7.根据权利要求1所述的一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，其特征在于计算所述钢轨的横向四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四阶共振频率，并将其作为所述钢轨的横向四阶共振频率。
8.根据权利要求2所述的一种基于钢轨横向振动特性检测轨下等效支承刚度的方法，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，所述关系函数为形如f=A*N +B的一次函数，其中：f为所述钢轨的横向四阶共振频率；A为一次项系数；N为轨下等效支承刚度的变化倍数，轨下等效支承刚度初始值为43.75MPa；B为常数项系数；在确定所述关系函数的过程中，将测量得到的所述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：
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