CN110210132A - 基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于轮轨关系技术领域，提供了一种基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，包括：对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征；根据钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置，并建立压电加速度传感器有限元仿真模型；对所述压电加速度传感器进行结构优化设计，并将经过结构化优化的压电加速度传感器安装于测点位置进行车轮多边形状态轨旁检测。本发明采用仿真研究对压电加速度传感器的可行性进行前期探索，保证压电加速度传感器在外界环境下保持长时间稳定性，从而满足我国高速铁路轮轨损伤的实时在线监测需求，对工程应用具有重要的参考价值。
Description
技术领域
本发明属于轮轨关系技术领域，尤其涉及一种基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法。
背景技术
随着高速铁路列车车速、轴重和运营里程的不断提高，列车在运行过程中，车辆与轨道系统之间的轮载作用力不断增强，致使车轮踏面磨耗损伤问题越来越严重。由于产生的原因不同，车轮踏面磨耗损伤主要包括擦伤、扁疤、剥离、车轮多边形磨耗等，这些都属于车轮失圆问题，其中车轮多边形磨耗是一种特殊的表现形式。
车轮多边形磨耗所引起的轮轨间冲击振动会导致车辆—轨道系统的相关部件产生严重损伤，从而缩短部件的疲劳寿命，严重时甚至会威胁列车的安全运营，伴随振动而产生的冲击噪声和滚动噪声还会降低乘客的乘坐舒适度。当车轮损伤中只存在某一阶多边形时的非圆现象称为周期性不圆顺，当车轮损伤中存在多阶多边形共存时的非圆现象称为非周期性不圆顺，这种不圆顺由频率、幅值和相位不一样的谐波叠加而成，多边形阶数成分分布很广。如果不能及时发现车轮多边形现象，并对其进行镟修和更换，车轮多边形磨耗将会继续发展，给列车的安全运营带来巨大隐患。
目前，车轮不圆状态检测方法主要分为静态检测和动态检测两种，静态检测方法需要将车轮进行拆卸之后，通过手工或机械量具进行检测，这种方法会占用列车的周转时间，具有检测速度慢、测量精度低、劳动力大、耗费时间长等缺点。动态检测通常采用接触检测法，接触检测法通过检测车轮踏面轮缘最低点相对于轨道的位置变化来判断车轮踏面的损伤情况。但是此方法在检测过程中要求机车车辆缓慢通过检测点时才能准确的检测车轮损伤情况，可见，两种方法都无法应用在高速运营车辆车轮状态的实时检测中。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，以解决现有技术中高速铁路轮轨损伤的实时在线监测需求难以实现的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，所述方法包括：
对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征；
根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置，并建立压电加速度传感器有限元仿真模型；
根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计；
将经过结构化优化的压电加速度传感器安装于所述测点位置进行车轮多边形状态轨旁检测。
本发明实施例的第二方面提供了一种基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测装置，所述装置包括：
振动响应特征获取模块，用于对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征；
仿真模型建立模块，用于根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置，并建立压电加速度传感器有限元仿真模型；
传感器结构优化模块，用于根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计；
状态检测模块，用于将经过结构化优化的压电加速度传感器安装于所述测点位置进行车轮多边形状态轨旁检测。
本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法的步骤。
本发明实施例提供的用于进行车轮多边形轨旁检测的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，首先对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征；然后根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置，并建立压电加速度传感器有限元仿真模型；最后根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计，并将经过结构化优化的压电加速度传感器安装于所述测点位置进行车轮多边形状态轨旁检测。本发明采用仿真研究对压电加速度传感器的可行性进行前期探索，能够保证压电加速度传感器在外界环境下保持长时间的稳定性，从而满足我国高速铁路轮轨损伤的实时在线监测需求，对工程应用具有重要的参考价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，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基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的车辆—轨道耦合动力学模型的结构简图；
图3是本发明实施例提供的钢轨结构及钢轨横截面中测点位置分布图；
图4是本发明实施例提供的几种常见的车轮多边形磨耗示意图；
图5是本发明实施例提供的车轮多边形引起的钢轨振动加速度分布规律示意图；
图6是本发明实施例提供的钢轨截面各测点振动加速度时程曲线图；
图7是本发明实施例提供的车轮多边形磨耗深度与钢轨振动加速度之间的曲线图；
图8是本发明实施例提供的谐波阶数变化引起的钢轨截面各测点振动加速度时程曲线图；
图9是本发明实施例提供的钢轨各测点的振动加速度幅值与车轮多边形谐波阶数的变化规律曲线图；
图10示出了6阶车轮多边形所引起的钢轨各测点的振动加速度时程响应曲线；
图11示出了运行速度与钢轨振动加速度之间的曲线图；
图12示出了沿钢轨纵向分布的测点位置示意图；
图13示出了不同多边形车轮引起的钢轨振动加速度沿纵向分布规律图；
图14示出了车轮多边形作用下钢轨轨底测点5处的振动加速度频率响应曲线图；
图15示出了压电加速度传感器的传感器结构参数对所述传感器性能指标之间的关系曲线图；
图16示出了振动加速度幅值变化时压电加速度的输出电压变化曲线图。
具体实施方式
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1示出了本发明一实施例所提供的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法的实现流程图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
S101：对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征。
在本实施例中，采用振动加速度检测法进行车轮状态轨旁检测，振动加速度检测法的测量原理为：高速列车运行过程中，带有损伤的车轮撞击钢轨表面时会产生强烈的冲击振动波，这种振动波在钢轨媒介下会以一定的速度沿双向传播，并且在传播过程中振动能量会逐步衰减，此时，在钢轨上安装多个振动加速度传感器则可以监测到振动能量的传播状态和大小，采集钢轨的振动加速度信号，并对其进行数据处理和分析，判断车轮多边形阶数及损耗程度。
为了设计出能够较好检测高速列车车轮损伤位置和大小的压电加速度传感器，需要对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，从而得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征。
S102：根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置，并建立压电加速度传感器有限元仿真模型。
在本实施例中，测点位置为在钢轨上安装压电加速度传感器的位置。
S103：根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计。
S104：将经过结构化优化的压电加速度传感器安装于所述测点位置进行车轮多边形状态轨旁检测。
从上述实施例可知，本发明采用仿真研究对压电加速度传感器的可行性进行前期探索，能够保证压电加速度传感器在外界环境下保持长时间的稳定性，从而满足我国高速铁路轮轨损伤的实时在线监测需求，对工程应用具有重要的参考价值。
在本发明的一个实施例中，图1中的S101的具体实现流程，其过程详述如下：
S201：建立车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型。
在本实施例中，为了研究车轮多边形磨耗对钢轨振动加速度响应的影响，需要对整个轨道系统建立合理的有限元模型。
本实施例采用UM软件建立车辆-轨道耦合动力学仿真模型，其中包括轨道模型、车辆模型和轮轨接触模型，车辆-轨道耦合动力学模型的结构简图如图2所示。
车辆模型采用整车模型，包括1个车体21、2个转向架22、4个轮对23，其中车体和转向架视为刚体，轮对采用柔性体，每个刚体都具有6个自由度，分别为沿X、Y、Z轴的3个平动自由度和绕X、Y、Z轴的3个转动自由度，总共包括42个自由度。模型中轮对和转向架之间通过一系悬挂系统的弹簧—阻尼单元进行连接，车体与转向架之间通过二系悬挂系统的弹簧—阻尼单元进行连接。轨道结构采用柔性轨道模型，轨道模型包括钢轨24和轨下基础25，其中钢轨24采用Timoshenko梁模型，同时考虑钢轨的弯曲变形、剪切变形和旋转惯性，更接近真实结构的振动特征。
S202：根据所述车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型，求解车轮多边形作用力下的轮轨作用力，所述轮轨作用力包括轮轨垂向力。
在本实施例中，基于上述车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型，采用Kik.J-Poitrowski轮轨接触模型求解轮轨接触力，轮轨垂向力通过虚拟渗透理论进行求解，轮轨切向力通过FASTSIM算法求解。
S203：将所述轮轨垂向力输入预设的高速铁路无砟轨道有限元模型，分析车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征。
首先，根据高速铁路现场检测发现，几种常见的车轮多边形磨耗示意图如图4所示，车轮不圆度主要以简谐波的形式描述，沿着车轮圆周方向转动一周内，将车轮圆周不圆顺的轮径差值考虑成谐波函数，如式(1)所示
式(1)中，a表示车轮转过的角度；a0表示初始相位角；Δr表示车轮不圆顺的轮径差；A表示车轮不圆顺的谐波幅值；r表示不圆顺车轮的实际半径，R表示车轮滚动圆名义半径；n表示车轮多边形的阶数，即在车轮转动一周内车轮实际半径r与名义半径R之差所形成的谐波周期数。
为研究车轮多边形磨耗情况下钢轨振动加速度在沿钢轨垂向和纵向的分布情况，可以根据真实的轨道系统结构，建立高速铁路无砟轨道有限元模型。高速铁路无砟轨道有限元模型为三维实体有限元模型。
本实施例以铺设60kg/m钢轨的路基上CRTSII型板式无砟轨道为研究对象，CRTSII型板式无砟轨道结构如图3a)所示，主要由钢轨T1、扣件T2、轨道板T3、水泥乳化沥青砂浆填充层(CA砂浆层)T4、支承层T5和预应力钢筋等结构组成。由于轨道在结构上是对称的，为了提高后续的计算速度和精度，将轨道模型简化为1/2轨道宽度、一个轨道板T3长度、扣件间距0.65m进行建模。
由于无砟轨道轨下基础各层之间产生的位移和作用力都是比较小，忽略各层接触面之间的相对运动，通过节点自由度耦合的方式进行各层之间的联接。建模时不考虑预应力钢筋和轨道板之间的联系，因此对轨道板和预应力钢筋分别划分有限元单元，通过节点自由度耦合的方法进行联接。
对整个轨道系统有限元模型X＝0的截面和钢轨两端截面施加对称约束，支承层底面以及轨道板、砂浆层和支承层两端施加全约束。本实施例主要研究轮载作用下钢轨的垂向振动响应，所以只考虑扣件的垂向刚度和阻尼，对其纵向和横向进行全部约束。
对建好的高速铁路无砟轨道有限元模型施加边界约束和载荷，求解轮载作用下轨道结构钢轨的振动响应时，由于轨道模型施加荷载是以数组的形式施加，同时为了使结构产生一个初始运动状态需要在求解之前施加一个非常小的荷载步，采用完全法进行瞬态动力学分析求解。
基于所建立的高速铁路无砟轨道有限元模型，需要分析车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，可以从以下几个方面对车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征进行分析。
(1)车轮多边形作用下钢轨垂向振动响应特征。
A.分析车轮多边形作用下钢轨截面各点振动加速度的响应特征。
具体地，如图3a)所示，沿钢轨纵向分别选择两个不同的截面，一个位于扣件上方的截面J1，另一个位于两个扣件之间的截面J2。每个截面中包括10个加速度测点，测点位置如图3b)所示，钢轨内侧和外侧各5个，图3b)中，左侧为内侧，右侧为外侧，分别位于轨头T6、轨腰T7、轨底；轨头T6测点位于距轨头T6踏面以下16mm处，轨腰T7的三个测点分别位于轨腰T7上侧、中性轴和轨腰T7下侧，轨底的测点位于轨底上表面的中心处。
经过仿真实验，速度为300km/h，磨耗深度为0.03mm的6阶车轮多边形引起的钢轨振动加速度分布规律如图5所示。由图5可知，扣件之间的钢轨振动加速度大于扣件上方的加速度，原因是扣件之间的钢轨处于自由无约束状态，在轮载作用下钢轨产生的振动位移和振动加速度都较大。由图5还可以看出，位于扣件之间的钢轨内外侧振动加速度相差并不大；位于扣件上方的钢轨除轨头处的测点1和测点6之间的振动加速度相差较大外，其余各测点振动加速度响应基本吻合，所以考虑到钢轨内外侧振动加速度响应的一致性和传感器现场安装的实用性，下文仅对钢轨外侧测点的振动加速度响应进行仿真计算分析。
B.车轮多边形磨耗深度对钢轨振动加速度的影响
由图6可知，图6a)示出了扣件之间钢轨截面各测点振动加速度时程曲线，图6b)示出了扣件上方钢轨截面各测点振动加速度时程曲线。其中，A-E分别表示测点1-5。当车轮多边形谐波阶数和运行速度一定时，车轮运行一周的过程中，钢轨各测点的振动加速度呈现谐波型周期性变化，类似于车轮多边形引起的谐波振动。钢轨振动加速度峰值随车轮多边形磨耗深度的变化规律如图7所示，图7a)示出了扣件之间车轮多边形磨耗深度与钢轨振动加速度之间的曲线，图7b)示出了扣件上方车轮多边形磨耗深度与钢轨振动加速度之间的曲线。当车轮多边形磨耗深度增大时，钢轨各点的振动加速度均呈现线性增加的趋势。当磨耗深度从0.01mm增加到0.12mm时，扣件之间的钢轨断面各测点1、2、3、4、5的振动加速度分别增加到原来的9.4倍、9.8倍、10倍、10倍和13倍；在扣件上方的钢轨各测点1、2、3、4、5的振动加速度分别增加到原来的9.6倍、10倍、9.8倍、10.5倍和11倍，所以车轮多边形磨耗深度的增加对轨底测点5的振动加速度影响较大。
C.分析车轮多边形谐波阶数对钢轨振动加速度的影响。
车轮多边形谐波阶数的增加对钢轨截面各个测点振动加速度时程曲线的影响如图8所示，图8a)示出了谐波阶数变化引起的扣件之间钢轨截面各测点振动加速度时程曲线，图8b)示出了谐波阶数变化引起的扣件上方钢轨截面各测点振动加速度时程曲线。由图8可知，当车轮多边形磨耗深度和运行速度一定时，车轮运行一周的过程中，钢轨各测点的振动加速度变化规律类似于车轮多边形引起的谐波振动，均呈现谐波型周期性变化。
钢轨各测点的振动加速度幅值随着车轮多边形谐波阶数增大的变化规律如图9所示，随着车轮多边形谐波阶数的增大，钢轨振动加速度呈线性增加的趋势，位于扣件之间的钢轨各测点1～5，线性度分别为96.596％、96.576％、96.58％、96.507％、96.48％；位于扣件上方的各测点，钢轨振动加速度响应的线性度分别为96.477％、96.489％、96.343％、96.453％、96.74％。总体来说，位于扣件之间的钢轨各测点和扣件上方的各测点均呈现出良好的线性特征。
D.分析车辆运行速度对钢轨振动加速度的影响。
车速分别为200km/h，250km/h，300km/h和350km/h时，磨耗深度为0.03mm的6阶车轮多边形所引起的钢轨各测点的振动加速度时程响应曲线如图10所示。由图10可知，当车轮多边形磨耗深度和谐波阶数一定时，随着运行速度的不断提高，钢轨断面各测点的振动加速度幅值也在不断的提高，运行速度与钢轨振动加速度的变化规律如图11所示。随着运行速度的增大，钢轨振动加速度幅值呈现线性增长趋势；当运行速度一定时，位于同一断面的各测点从钢轨轨头到轨底振动加速度响应逐渐减小，主要原因是轨头部位受到的轮轨冲击作用最大，相应的振动加速度也最大；综合比较两个测试断面，位于扣件间的钢轨各测点振动加速度响应灵敏度以及随速度变化的线性度，均优于扣件上方的钢轨各测点，由于扣件对钢轨的约束导致其上方的钢轨振动加速度响应衰减较快；对比分析扣件之间的钢轨截面各测点1、2、3、4、5，其振动加速度响应的线性度分别为99.886％、99.803％、99.553％、99.582％、99.65％，均呈现出良好的线性度，其中轨头处测点1最优。
E.轮轨接触斑对钢轨垂向振动加速度的影响。
高速铁路机车车辆在运行过程中经常会出现蛇形运动的现象，这时会使轮轨接触斑发生横向偏移，进而使钢轨的振动加速度发生变化。
示例性地，为了研究轮轨接触斑偏移对钢轨振动加速度产生的影响，在高速铁路无砟轨道有限元模型中分别将轮轨接触点向内侧、外侧各偏移10mm，分析磨耗深度为0.03mm的6阶车轮多边形在300km/h速度下，轮轨接触斑偏移对钢轨内、外测振动加速度的影响，经过分析得到，轮轨接触斑的偏移对钢轨振动加速度响应有一定的影响，其中轮轨接触点向外侧偏移时钢轨截面各测点的振动加速度响应要大。
综上所述，位于扣件之间的钢轨截面，多边形车轮作用下其振动加速度响应的线性度优于扣件上方的钢轨截面；对于扣件之间的钢轨截面各测点，综合考虑其振动加速度响应的灵敏度以及线性度随车轮多边形谐波阶数、磨耗深度以及运行车速的变化规律，同时考虑现场实测时对传感器的粘贴工艺要求，选择位于钢轨轨底处的测点5作为最终的测点位置布设压电加速度传感器。
(2)车轮多边形作用下钢轨振动加速度沿纵向分布规律
为了提高车轮多边形状态监测的准确性，防止漏检和错检，需要分析车轮多边形作用下钢轨振动加速度沿其纵向的分布规律。为了消除边界效应的影响，计算分析车轮多边形作用下，模型中最中间的相邻两个扣件之间的钢轨振动特征，沿钢轨纵向分布的测点位置示意图如图12所示，钢轨纵向示意图中钢轨结构包括轨头T6、轨道板T3、轨腰T7、轨底T8和扣件T2。在两扣件之间沿钢轨纵向选择11个测点，分别编号为A-K，其中测点F位于两扣件T2的中点位置，分析车轮多边形作用下钢轨振动加速度沿其纵向的分布规律。
A.钢轨振动响应沿纵向分布规律随车轮多边形磨耗深度的变化。
当车轮多边形的谐波阶数和运行速度一定时，车轮磨耗深度变化范围从0.01mm～0.12mm时，车轮运行一周的过程中钢轨沿其纵向的振动响应时程曲线如图13a)所示。车轮运行一周的过程中，对比分析沿钢轨纵向各测点其振动加速度响应的灵敏度和线性度，测点A、C、F、I和K位置处振动加速度响应的灵敏度和线性度优于其它位置，即扣件T2上方、两扣件T2中间和距离扣件1/3轨枕间距位置处。
B.钢轨振动响应沿纵向分布规律随车轮多边形谐波阶数的变化
当车轮多边形的磨耗深度和运行速度一定时，3～21阶多边形车轮转动一周的过程中，不同时刻所引起的钢轨振动加速度沿纵向分布规律如图13b)所示。由图13b)可知，车轮运行一周的过程中，对比分析沿钢轨纵向各测点其振动加速度响应的灵敏度和线性度，其中测点A、C、F、I和K位置处振动加速度响应的灵敏度和线性度优于其它位置，即扣件上方、两扣件中间和距离扣件1/3轨枕间距位置处。
C.钢轨振动响应沿纵向分布规律随车轮运行速度的变化。
当车轮多边形的谐波阶数和磨耗深度一定时，运行速度从200km/h～350km/h时，车轮转动一周的不同时刻钢轨的振动信息如图13c)所示。由图可知，与上述2种工况相似，测点A、C、F、I和K位置处振动加速度响应随车速的变化，其灵敏度和线性度优于其它位置，即扣件上方、两扣件中间和距离扣件1/3轨枕间距位置处。
综上所述，当谐波荷载施加在两个扣件T2之间时，在A、B、C三种工况下，测点C、测点F和测点I处的钢轨振动加速度响应灵敏度较高，综合考虑压电加速度传感器安装的实用性和后面数据处理等问题最终选择的测点位置为扣件T2上方、两扣件T2中间和距离扣件1/3轨枕间距位置截面上的钢轨轨底5处。
(3)车轮多边形作用下钢轨振动加速度频域响应特征
车轮多边形作用下钢轨轨底测点5处的振动加速度频率响应曲线如图14所示。如图14a)所示，图14a)示出了不同谐波阶数车轮多边形引起的轨底测点5处的振动加速度频谱，车轮多边形谐波阶数从3阶～21阶变化时，车轮多边形引起的钢轨振动加速度频谱图峰值对应的频率分别为90Hz、170Hz、260Hz、350Hz、430Hz、520Hz、610Hz，车轮多边形化引起的钢轨振动加速度幅值变化范围为20m/s2～780m/s2。如图14b)所示，图14b)示出了不同磨耗深度车轮多边形引起的轨底测点5处的振动加速度频谱，车轮多边形磨耗深度在0.01mm～0.12mm范围变化时，6阶车轮多边形引起的钢轨振动加速度幅值变化范围在39m/s2～290m/s2。如图14c)可知，图14c)示出了不同运行速度引起的轨底测点5处的振动加速度频谱，车速在200km/h～350km/h范围变化下，6阶车轮多边形化引起的钢轨振动加速度频谱峰值对应的频率分别为120Hz、140Hz、170Hz、200Hz，幅值变化范围为30m/s2～126m/s2。根据车轮多边形所引起的振动频率范围，所设计压电加速度传感器的频率响应范围不小于1000Hz，幅值范围不小于1000m/s2。
在本实施例中，基于上述车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置。具体地，高速动车组轮对车轮半径通常为460mm，CRTSⅡ型板式无砟轨道轨枕间距为650mm，为了在检测过程中降低漏检率，检测区间要大于车轮整个圆周周长，所以至少需要在5个扣件间距内布设压电加速度传感器。车轮在钢轨上滚动，通过压电加速度传感器采集钢轨的振动加速度信号，通过依次连接二次仪表电荷放大器、多通道数据采集仪和PC机，直至传输至监控中心，采用振动信号时频分析方法对钢轨振动加速度信号进行分析处理识别车轮多边形状态。
在本发明的一个实施例中，图1中S102的具体实现流程，其过程详述如下：
S301：根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，选取压电加速度传感器的压电元件及结构类型。
在本实施例中，首先考虑不同压电元件的特性及车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应频率范围和幅值范围，本实施例选择压电陶瓷作为压电加速度传感器的压电元件。
其次，考虑传感元件在实际应用中的长期稳定性，以及车轮多边形磨耗引起的钢轨振动属于中高频范围，选择环形剪切型作为本实施例压电加速度传感器设计的结构类型。其工作原理为：当压电加速度传感器被迫受轴向振动时，压电元件承受切应力而发生剪切振动，当被测振动频率远低于压电加速度传感器的谐振频率时，则力的变化与被测加速度成正比，此时电荷(电压)的输出量能正确的反应加速度的大小。
环形剪切型压电加速度传感器具有结构简单、轻小和灵敏度高等优点，也具有良好的线性度、静态特性、宽的高低频特性，对基座的形变和温度的变化都有非常好的隔离作用。
S302：根据选取的所述压电加速度传感器的压电元件及结构类型，建立压电加速度传感器有限元仿真模型。
在本实施例中，选用的加速度传感器为环形剪切型，压电材料为PZT-5A，环形剪切型加速度传感器主要由基座、中心支柱、环形质量块、压电陶瓷环和预紧套筒等结构组成。在建立压电加速度传感器的有限元模型时，压电元件和质量块之间的粘结剂以及最外层的保护罩是不参与压电加速度传感器的力—电转换过程，所以在建立几何模型时将其忽略，在压电加速度传感器的环形质量块和压电陶瓷环之间施加耦合边界条件，使压电加速度传感器各个结构之间的连结部分以连续体描述，边界条件设置为自由边界；分析时忽略预应力的影响。
在选取压电元件和结构类型后，需要进行前处理，其过程包括：根据压电加速度传感器的工作原理、压电元件及结构类型，建立压电加速度传感器有限元仿真模型，其模型具体建立过程包括：
首先，压电元件采用耦合六面体单元solid5，其它结构选择8节点六面体实体单元solid45，确定压电各个结构对应的单元类型和对应材料，以及各个材料的材料参数。
然后根据压电加速度传感器的传感原理，确定压电加速度传感器的三维立体模型。其中，基于e型压电方程得到
式(2)中，cE表示恒E条件下的弹性刚度矩阵；εs表示恒应变条件下的介电常数矩阵；S表示压电陶瓷产生的应变；e表示压电应力矩阵；E表示压电陶瓷表面施加的电场；T表示施加的应力；et表示为e的转置；D表示压电陶瓷产生的电位移。
根据e型压电方程，在有限元分析软件ANSYS中建立压电加速度传感器三维实体模型时，定义压电陶瓷环的极化方向为Z轴，设置的压电陶瓷环性能参数包括：恒E条件下的弹性矩阵cE、压电常数矩阵e和恒应变条件下的介电常数矩阵εs。完成材料属性的定义后，对每个结构赋予单元类型和材料属性。
在完成压电加速度传感器有限元模型的初步建立后，需要进行数值求解分析，数值求解分析包括：
1、设置边界条件：压电加速度传感器在应用过程中，基座底面与被测物体是通过胶粘结在一起的，所以基座底部力和位移的变化都很小，可以将其忽略，即在建模时对基座X＝0的截面施加全约束；对压电加速度传感器中压电片表面所有节点通过一个耦合部进行电压自由度耦合处理(即对传感器压电片施加电压载荷约束)，对应传感器正负电极间通过导线直接连起来，即短路(恒压)状态。
2、载荷施加：压电加速度传感器在实际应用中，受到的外部激励为振动加速度，但是采用ANSYS有限元仿真模型进行谐响应分析时不能直接施加加速度荷载，因此需要选用大质量法或其它方法进行加速度激励的加载。大质量法是在模型的荷载施加点附近创建一个相对原结构质量很大的质点，在该质点上施加力荷载，使之产生所需大小的加速度荷载，从而实现加速度荷载的施加。本实施例通过分析计算并指出大质量点的质量选取结构质量的1e4～1e8最为合适。
3、确定压电加速度传感器的谐响应分析的分析方法
压电式加速度传感器在振动测量中属于单自由度系统的受迫振动，因此选用完全法对压电式加速度传感器进行谐响应分析，频率范围设为0Hz～60kHz，子步设为60步，定义常数阻尼系数为0.05％。通过实验分析，所设计压电加速度传感器的固有频率为35kHz。
压电加速度传感器的电荷/电压灵敏度：通常取激振频率为80Hz或160Hz时压电加速度传感器的输出电压/电荷与加速度(a＝g时)的比值称为电压/电荷灵敏度。本实施例分析计算了激振频率为0～4 000Hz时压电加速度传感器的电荷灵敏度值，本实施例设计的压电加速度传感器的电荷灵敏度可达1.1pc/(m·s-2)。
4、确定有限元网格的网格尺寸；
具体地，当有限元网格划分尺寸越小，压电加速度传感器的电压灵敏度越趋近于稳定值，原因是压电加速度传感器在振动测量过程中，压电陶瓷环表面产生的电压(电荷)并不是均匀分布的，所以导致所提取压电陶瓷环某节点的电压灵敏度不能正确反映其对应单元的平均电压灵敏度，而引起输出结果的误差。随着单元网格尺寸的减小，压电陶瓷环各节点的电压灵敏度更接近其相应位置网格上的平均电压灵敏度，并且网格尺寸越小，计算出的电压灵敏度误差越小。经过仿真分析得到，当网格尺寸小于等于0.5mm时，其输出的电压灵敏度越精确，综合考虑计算时间和计算精度等问题，因此，本实施例最终选用划分网格尺寸为0.5mm。
在经过数值求解分析后，对压电加速度传感器有限元模型进行后处理，确定压电加速度传感器的电荷灵敏度计算公式。
具体地，有限元仿真计算时所施加的载荷为力荷载，输出结果为压电加速度传感器的电压值U，如果计算其电荷灵敏度，需要将输出的电压值进行相应的数学计算换算为电荷量，其中换算所需的电容值C计算公式如式(3)和式(4)所示。
式(3)至式(4)中，C表示压电陶瓷的电容；ε0表示真空的介电常数；εr表示压电陶瓷的介电常数；A表示压电陶瓷电极面积；l表示压电陶瓷的厚度。
压电加速度传感器在荷载作用下所产生的电荷量为
Q＝UC (5)
压电加速度传感器的电荷灵敏度计算公式
式(6)中，a＝g。
在本发明的一个实施例中，图1中S103的具体实现流程，其过程详述如下：
S401：根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，分析所述压电加速度传感器的传感器结构参数对传感器性能指标的影响。
在本实施例中，评价所设计压电加速度传感器性能的主要技术指标为输出灵敏度、线性度、固有频率、频响范围和量程等。
为了获取性能良好的压电加速度传感器，需要对压电加速度传感器的质量块质量和压电陶瓷环厚度进行优化设计。
S402：根据所述传感器结构参数对所述传感器性能指标的影响，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计。
在本发明的一个实施例中，所述传感器结构参数包括质量块重量和压电陶瓷厚度，所述传感器性能指标包括电荷灵敏度、频响范围和固有频率，S402的具体实现流程包括：
以电荷灵敏度0.8～1.1pc/(m·s-2)、电压灵敏度10mv/g、频率使用范围为1～4000Hz为目标性能参数，对所述压电加速度传感器的质量块重量和压电陶瓷厚度进优化。
优化设计中质量块的质量选择为：1g、2g、3g，压电陶瓷环厚度选择为：0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm。本实施例提供的压电加速度传感器固有频率为35kHz，满足固有频率五分之一为使用频率上限的要求。根据目标频率上限为4kHz，仿真设置激振频率范围为1～4 000Hz，经仿真实验可知，压电加速度传感器的电荷灵敏度在该频率范围内数值上有一定的偏差，随着激振频率的增大而增大。所以可以根据目标频率范围内的电荷灵敏度变化幅度来对压电加速度传感器的结构参数进行选择。
基于此，对压电陶瓷环厚度和质量块大小与压电加速度传感器输出电荷灵敏度的关系进行分析计算，可以得到电荷灵敏度随着质量块质量的增大和压电陶瓷环厚度的增加呈线性增大的趋势，主要原因是剪切型压电加速度传感器在进行电荷灵敏度测试时所用到的有效质量为质量块的质量和压电陶瓷环一半的质量之和，压电陶瓷厚度增加导致所用到的有效质量增加。
在本实施例中，首先对压电陶瓷环厚度和质量块大小与压电加速度传感器输出电荷灵敏度的关系进行分析计算，压电加速度传感器的设计目标电荷灵敏度为0.8pC/m·s-2左右，激振频率范围为1～4000Hz，仿真计算将以此技术指标作为标准，确定压电加速度传感器的最佳的传感器结构参数。具体步骤如下：
1)以电荷灵敏度为目标参数进行压电加速度传感器的结构设计
当质量块的质量保持不变，压电加速度传感器的输出电荷灵敏度随压电陶瓷环厚度的变化曲线，如图15a)所示，根据压电加速度传感器的设计目标电荷灵敏度为0.8pC/m·s-2左右，压电加速度传感器的质量块质量宜设计为2g，基于此再对陶瓷片的厚度进行优化。
2)以频响范围为目标参数进行压电加速度传感器的结构设计
基于1)中的设计，以频响范围为目标参数对压电陶瓷厚度进行优化，输出电荷灵敏度误差计算公式如式(7)所示
式(7)中，δ表示输出灵敏度容差；S1表示激振频率160Hz对应的灵敏度；S2表示激振频率4000Hz对应的灵敏度。压电陶瓷环的厚度和质量块的质量对压电加速度传感器输出电荷灵敏度的影响如图15b)所示，随着压电陶瓷环厚度和质量块质量的增加，输出电荷灵敏度的误差随之增大，其中质量块质量的影响比压电陶瓷环厚度的影响更大。根据设计要求，输出电荷灵敏度误差应在1％以内，所以当质量块的质量为2g时，将压电加速度传感器压电陶瓷环的厚度设计为0.6mm。
3)以固有频率为目标参数进行压电加速度传感器的结构设计
在本实施例中，压电陶瓷环的厚度和质量块的质量对压电加速度传感器固有频率的影响如图15c)所示，增加压电陶瓷环的厚度和质量块的质量都会导致固有频率的降低，本实施例设计的压电加速度传感器当质量块质量为2g、压电陶瓷环厚度为0.6mm时，其固有频率为47kHz，满足目标固有频率的要求。
综上所述，最终将压电加速度传感器的质量块设计为2g，压电陶瓷环的厚度设计为0.6mm。
确定传感器结构参数后，仿真计算所设计压电加速度传感器的输出电压灵敏度和线性度，仿真计算设置激振频率为160Hz，振动加速度幅值变化时压电加速度的输出电压如图16所示。压电加速度传感器的输出电压灵敏度为10.19mV/g，其中加速度的量程在100g之内都保持着良好的线性度。
在本发明的一个实施例中，在图1中S103之后，S104之前，本发明实施例提供的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法的流程还包括：
S501：建立所述压电加速度传感器与钢轨结构的耦合模型。
在本实施例中，为了验证所设计的压电加速度传感器和测点位置的可行性，需要将压电加速度传感器有限元仿真模型和高速铁路无砟轨道有限元模型进行耦合，得到所述耦合模型。
具体地，压电加速度传感器和轨道耦合结构有限元模型采用过渡网格划分的形式，在粘贴传感器部位的钢轨进行局部细化网格，最小网格尺寸为0.5mm，其它区域最小网格为2mm，采用界面节点的方式将压电加速度传感器连接钢轨模型上。
由上述可知轮轨作用力施加在扣件之间时钢轨的振动响应比在扣件上方时更加敏感，因此仿真分析中将轮轨作用力施加在扣件之间的轨头上表面，由于测试时选取的是两个扣件之间的距离，测点1号、5号和2号、4号为对称结构，为了简化数据处理，只对编号1、2、3测点处的压电加速度传感器的信号进行提取。
S502：根据所述压电加速度传感器与钢轨结构的耦合模型，对所述压电加速度传感器的可行性及所述测点位置的合理性进行验证。
在本实施例中，根据建立的耦合模型，通过改变车轮运行速度、磨耗深度和谐波阶数，分析验证加速度传感器的输出电压情况。
具体地，首先分析车轮多边形磨耗深度对压电加速度传感器的输出影响。当运行速度为300km/h时，在相邻两扣件之间的位置施加6阶车轮多边形谐波荷载，在测点1、2、3处观察磨耗深度为0.01mm、0.03mm、0.06mm、0.09mm、0.12mm时压电加速度传感器的输出电压。可知，当车轮转动一周时，各测点处压电加速度传感器的变化规律与车轮多边形引起的谐波振动一致，均呈现谐波型周期性变化，并且当车轮多边形谐波阶数、速度一定时，随着车轮多边形磨耗的增大，压电加速度传感器的输出电压峰值也相应增大。与钢轨振动加速度的响应一致。压电加速度传感器的输出电压与钢轨振动加速度之间的变化规律与压电加速度传感器的电压灵敏度一致。
其次，需要验证车轮多边形谐波阶数对压电加速度传感器的输出影响。当速度为300km/h时，在扣件之间的位置上施加磨耗深度为0.03mm的谐波荷载，在测点1、2、3处观察谐波阶数为3阶、6阶、9阶、12阶、15阶、18阶、21阶时压电加速度传感器的输出电压。可知，车轮转动一周时，三个测点处压电加速度传感器的输出电压峰值随着谐波阶数的增大都呈现线性增加的趋势，与钢轨振动加速度的响应一致。压电加速度传感器的输出电压与钢轨振动加速度之间的变化规律与压电加速度传感器的电压灵敏度一致。
最后，需要分析运行速度对压电加速度传感器的输出影响。当车轮多边形谐波阶数为6阶时，在扣件之间施加磨耗深度为0.03mm的谐波荷载，在测点1、2、3处观察机车车辆运行速度为200km/h、250km/h、300km/h、350km/h时压电加速度传感器的输出电压。可知，当车轮转动一周时，各测点处压电加速度传感器的变化规律相似于车轮多边形引起的谐波振动，均呈现谐波型周期性变化，并且当车轮多边形谐波阶数、磨耗深度一定时，三个测点处压电加速度传感器的输出电压峰值随着运行速度的增大都呈现线性增加的趋势，与钢轨振动加速度的响应一致。输出电压随着钢轨振动加速度的增大呈现线性增加的趋势，与压电加速度传感器的电压灵敏度一致。
综上，根据压电加速度传感器的输出电压值通过公式计算即可得到车轮多边形的谐波阶数、磨耗深度和运行速度。不同车轮多边形作用下压电加速度传感器能够实时反映钢轨的振动加速度响应特征，由验证仿真实验可知，测点1、2、3处的压电加速度传感器的输出电压与车轮多边形的磨耗深度、谐波阶数、运行速度都呈现出很好的线性关系，即利用压电加速度传感器测量钢轨振动响应可实现车轮多边形状态的轨旁在线监测。
在本实施例中，对测点位置的合理性及结构化优化后的压电加速度传感器的可行性进行验证后，将通过验证的压电加速度传感器安装于通过验证的测点位置进行车轮多边形轨旁检测。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本发明的一个实施例提供的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测装置，用于执行图1所对应的实施例中的方法步骤，其包括：
振动响应特征获取模块，用于对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征；
仿真模型建立模块，用于根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置，并建立压电加速度传感器有限元仿真模型；
传感器结构优化模块，用于根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计。
状态检测模块，用于将经过结构化优化的压电加速度传感器安装于所述测点位置进行车轮多边形状态轨旁检测。
从上述实施例可知，本发明采用仿真研究对压电加速度传感器的可行性进行前期探索，能够保证压电加速度传感器在外界环境下保持长时间的稳定性，从而满足我国高速铁路轮轨损伤的实时在线监测需求，对工程应用具有重要的参考价值。
在本发明的一个实施例中，振动响应特征获取模块110还包括：
车辆-轨道仿真模型建立单元，用于建立车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型；
轮轨作用力获取单元，用于根据所述车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型，求解车轮多边形作用力下的轮轨作用力，所述轮轨作用力包括轮轨垂向力；
振动响应特征分析单元，用于将所述轮轨垂向力输入预设的高速铁路无砟轨道有限元模型，分析车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征。
在一个实施例中，基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测装置还包括其他功能模块/单元，用于实现实施例1中各实施例中的方法步骤。
本发明一实施例提供了一种终端设备，包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至104。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如模块110至140的功能。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，其特征在于，所述方法包括：
对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征；
根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置，并建立压电加速度传感器有限元仿真模型；
根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计；
将经过结构化优化的压电加速度传感器安装于所述测点位置进行车轮多边形状态轨旁检测。
2.如权利要求1所述的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，其特征在于，所述对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，包括：
建立车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型；
根据所述车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型，求解车轮多边形作用力下的轮轨作用力，所述轮轨作用力包括轮轨垂向力；
将所述轮轨垂向力输入预设的高速铁路无砟轨道有限元模型，分析车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征。
3.如权利要求1所述的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，其特征在于，所述根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，建立压电加速度传感器有限元仿真模型，包括：
根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，选取压电加速度传感器的压电元件及结构类型；
根据选取的所述压电加速度传感器的压电元件及结构类型，建立压电加速度传感器有限元仿真模型。
4.如权利要求1所述的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，其特征在于，所述根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计，包括：
根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，分析所述压电加速度传感器的传感器结构参数对传感器性能指标的影响；
根据所述传感器结构参数对所述传感器性能指标的影响，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计。
5.如权利要求4所述的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，其特征在于，所述传感器结构参数包括质量块重量和压电陶瓷厚度，所述传感器性能指标包括电荷灵敏度、频响范围和固有频率；
所述根据所述传感器结构参数对所述传感器性能指标的影响，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计，包括：
以电荷灵敏度、频响范围和固有频率为目标参数，对所述压电加速度传感器的质量块重量和压电陶瓷厚度进优化。
6.如权利要求1至5任一项所述的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测方法，其特征在于，在所述根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计之后，还包括：
建立所述压电加速度传感器与钢轨结构的耦合模型；
根据所述压电加速度传感器与钢轨结构的耦合模型，对所述压电加速度传感器的可行性及所述测点位置的合理性进行验证。
7.一种基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测装置，其特征在于，所述装置包括：
振动响应特征获取模块，用于对车轮多边形磨耗引起的钢轨振动响应特征进行仿真分析，得到车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征；
仿真模型建立模块，用于根据车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征，确定压电加速度传感器在钢轨上的测点位置，并建立压电加速度传感器有限元仿真模型；
传感器结构优化模块，用于根据所述压电加速度传感器有限元仿真模型，对所述压电加速度传感器进行结构优化设计；
状态检测模块，用于将经过结构化优化的压电加速度传感器安装于所述测点位置进行车轮多边形状态轨旁检测。
8.如权利要求7所述的基于压电加速度传感器的车轮多边形轨旁检测装置，其特征在于，所述振动响应特征获取模块包括：
车辆-轨道仿真模型建立单元，用于建立车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型；
轮轨作用力获取单元，用于根据所述车辆-轨道耦合系统动力学仿真模型，求解车轮多边形作用力下的轮轨作用力，所述轮轨作用力包括轮轨垂向力；
振动响应特征分析单元，用于将所述轮轨垂向力输入预设的高速铁路无砟轨道有限元模型，分析车轮多边形作用下钢轨的振动响应特征。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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