CN110936977A - 一种高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法 - Google Patents

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杨舟
张运来
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    • B61K9/08—Measuring installations for surveying permanent way

Abstract

本发明涉及一种高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于包括如下步骤：在检测段前两个扣件间和最后两个扣件间各安装一个加速度传感器；将激励源施加到一个加速度传感器位置附近的钢轨轨顶，产生竖向振动加速度信号。通过采集的得到的竖向振动加速度信号，通过计算得到并绘制其对应的振动传输特性曲线，分析带隙范围内的振动传输特性曲线是否产生共振峰，从而初步判断是否出现扣件松脱；若未产生共振峰则说明扣件未发生松脱，则检测结束，或者进行下一段无砟轨道钢轨检测。可以快速准确判断出无砟轨道扣件是否有松脱以及松脱位置和松脱程度，提高了检测效率，降低了成本。

Description

一种高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种高速无砟轨道结构扣件松脱的检测方法
背景技术
在高速无砟轨道中，扣件连接钢轨和轨道板，起到固定钢轨的作用，它是轨道结构中重要的组成部分。随着列车向高速重载化发展，轨道结构的轨下基础将受到很大的冲击和振动，导致扣件松脱。扣件松脱会加剧车辆和钢轨的振动，改变车辆-轨道耦合系统的动力学性能，影响列车运营的舒适性和安全性。现有的研究结果表明乘坐舒适度指标随轨下支承失效个数的增加而呈线性增大。钢轨扣件从接近完全松脱到完全松脱的过程中，对列车动态脱轨的影响呈指数规律增长。因此，对扣件松脱进行检测是十分重要。
在铁路实际运营中，对扣件状态检测主要依靠人工沿着线路进行排查。传统的人工巡检方法效率较低，并且工作时间受天窗时间的限制。目前，现有技术中利用机器视觉对扣件缺陷进行检测的研究较多，但缺点也很明显：该方法只能检测扣件的外观状态，即是否缺失和断裂，无法检测扣件松脱情况。而扣件松脱会导致钢轨的振动响应加剧。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能够将解决上述问题的无砟轨道结构扣件松脱的检测方法。具体而言本发明提出一种高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在检测段前两个扣件间和最后两个扣件间各安装一个加速度传感器；
(2)将激励源施加到一个加速度传感器位置附近的钢轨轨顶，产生竖向振动加速度信号。
(3)通过采集的得到的竖向振动加速度信号，通过计算得到并绘制其对应的振动传输特性曲线，分析带隙范围内的振动传输特性曲线是否产生共振峰，从而初步判断是否出现扣件松脱；若未产生共振峰则说明扣件未发生松脱，则检测结束，或者进行下一段无砟轨道钢轨检测；若产生了共振峰，则进行步骤(4)；
(4)在测试段钢轨上每两个扣件之间的位置安装至少一个加速度传感器；
(5)再次将激励源施加到一个加速度传感器位置附近的钢轨轨顶，产生竖向振动加速度信号，通过采集的得到的竖向振动加速度信号，计算得到其对应的频响函数，并绘制相应的频响函数曲线，分析各个扣件处在缺陷态频率是否出现振动放大现象，从而进一步确定扣件松脱的位置。
进一步地，其特征在于：步骤(3)中传输特性的计算公式为，Tn＝20log10(wn/w0)，其中wn和w0分别是轨道结构激励点和响应点的垂向加速度响应。
进一步地，其特征在于：所述共振峰的个数等于松脱的扣件的个数。
进一步地，其特征在于：在步骤(3)之后还包括根据共振峰的峰值频率判断扣件的松脱程度。
进一步地，其特征在于：所述判断扣件松脱程度的具体方法为，判断一个或多个共振峰峰值对应的频率中是否有低于指定松脱值时共振峰峰值对应的频率，如果有，则说明存在扣件松脱程度大于指定松脱值；如果没有这说明扣件松脱程度小于指定松脱值。
进一步地，其特征在于，共振峰峰值频率与扣件松脱程度的计算方法为：
(A)选取一定段钢轨为检测对象，松脱任一对扣件，设置多组扭矩工况；
(B)将加速度传感器布置于钢轨上前两个扣件之间及最后两个扣件之间，使用力锤敲击第0跨跨中安装的加速度传感器附近钢轨轨顶，加速度传感器会采集跨中处的响应数据，通过计算软件对采集数据处理，得到四种工况下钢轨振动传输特性；
(C)对四种工况下的缺陷频率进行拟合，得出轨缺陷态频率与扣件松脱程度的曲线大致呈线性变化。
进一步地，其特征在于：所述多组扭矩工况包括120N·m、80N·m、50N·m、0N·m。
通过本发明的测试方法，可以快速准确判断出无砟轨道扣件是否有松脱以及松脱位置和松脱程度，提高了检测效率，降低了成本。
附图说明
图1是扣件未松脱时动振动传输特性图；
图2是扣件松脱50％时动振动传输特性图；
图3是扣件完全松脱时动振动传输特性图；
图4是检测装置示意图；
图5是实测的扣件未松脱时动振动传输特性图；
图6是实测的单个扣件不同程度松脱下传输特性曲线；
图7钢轨测试段各个位置加速度响应。
图8为松脱程度与共振峰峰值频率对应的图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的检测方法的原理是，铁路轨道结构直线段通常是由基本单元沿线路纵向周期性排列而成，可以认为轨道是沿钢轨纵向的一维(声子晶体)周期性结构。如果无砟轨道结构扣件发生松脱，原本完美的周期性无砟轨道结构中将会出现缺陷，由声子晶体相关理论可知，此时，无砟轨道结构将会产生一个缺陷态，表现为：带隙范围内的传输特性曲线将会产生一个共振峰值，弹性波将会局限在扣件松脱处，这会导致扣件松脱处的钢轨振动响应呈倍数增大。因此，可以通过测量无砟轨道钢轨振动传输特性的变化情况检测无砟轨道结构是否出现扣件松脱，然后再通过测量每个扣件处钢轨的频响函数从而确定松脱扣件的位置。建立相关轨道结构模型，引入扣件松脱这一条件，以单个扣件不同程度松脱为例，分析扣件松脱对带隙特性的影响，
如图1-3，表1，示出了各个扣件未松脱(60轨一般扭矩为110-120N·m左右)、50％松脱(扭矩为未松脱时的50％)、完全松脱三种状态下带隙特性的影响。
扣件松脱程度 缺陷态频率
未松脱 无缺陷态产生
50％ 122.39Hz
100％(完全松脱) 111.54Hz
表1单个扣件不同松脱程度对应缺陷态频率表
根据上述分析，单个扣件不同松脱程度下无砟轨道结构产生的缺陷态频率也不一样。单个扣件发生松脱，随着松脱程度增大，缺陷态频率也随之降低，振动传输特性曲线的共振峰值逐步往低频偏移完全松脱，缺陷态频率最低为111.54Hz,缺陷态频率与扣件松脱位置无关，这是根据现在高速铁路常用的60轨测算的,理论和试验发现对于其他类型轨道的缺陷频率会有不同，但是共振峰与松脱的对应关系是确定的。可以以缺陷态频率为标准，对无砟轨道结构的进行振动传输特性测试，若带隙范围内的振动传输特性出现了共振峰值，则表明无砟轨道结构出现了扣件松脱，然后再对每个扣件进行频响函数的测试，观察每个扣件处钢轨是否出现振动放大现象，从而进一步确定扣件松脱的位置。
频响函数是进行试验模态分析的重要前提，在模态试验中采用结构的激励与响应的互功率谱与激励的自功谱的比值表示。试验频响函数测试步骤如下：
(1)根据测得的力信号f(t)及响应信号x(t)，计算力信号f(t)与响应信号x(t)的互相关函数Rfx(τ)，如式(2-2)所示。
Figure BDA0002274150710000041
式中t1表示仪器开始接收到力信号的时间，τ代表的是力信号与响应信号互相关函数中的时间自变量，h(t)为时域脉冲响应函数，Rff(τ)为力信号f(t)的自相关函数，其下标f代表力。
(2)根据式(2-1)对f(t)与x(t)的互相关函数Rfx(τ)作傅里叶变换，得到f(t)与x(t)的互功率谱Sfx。
Figure BDA0002274150710000042
式中Sff(f)为f(t)的自功率谱，下标f代表力，括弧内f代表频率，其与圆频率ω的关系为ω＝2πf。
(3)则频响函数H(f)满足：
Figure BDA0002274150710000051
下面说明书本发明的具体工作步骤：
(1)在检测段无砟轨道钢轨第0跨和第最后一跨跨中位置安装2个加速度传感器(相邻扣件之间的一段钢轨为一跨，即在需检测钢轨起始端和尾端的两个扣件间各放置一个)。传感器通过数据传输线连接至数据采集设备，通过数据采集设备收集各加速度传感器的振动信号。
(2)将激励源施加到第0跨布置有加速度传感器位置附近的钢轨轨顶，产生竖向振动加速度信号。
(3)通过采集的得到的竖向振动加速度信号，通过计算得到并绘制其对应的振动传输特性曲线，分析带隙范围内的振动传输特性曲线是否产生共振峰，从而初步判断是否出现扣件松脱，(若产生共振峰，则需统计共振峰的个数，对应为松脱的扣件数量)。振动传输特性计算公式：
Tn＝20log10(wn/w0) (2-1)
其中wn和w0分别是轨道结构激励点和响应点的垂向加速度响应。
(4)若未产生共振峰则说明扣件未发生松脱，则检测结束，或者进行下一段无砟轨道钢轨检测。
(5)若产生了共振峰，则说明再检测段上存在扣件松脱情况，之后在测试段钢轨上每一跨钢轨跨中的位置安装至少一个加速度传感器。传感器的连接及信号的采集与(1)相同。
(6)再次将激励源施加到第0跨钢轨有加速度传感器位置附近的钢轨轨顶，产生竖向振动加速度信号。通过采集的得到的竖向振动加速度信号，计算得到其对应的频响函数，并绘制相应的频响函数曲线，分析各个扣件处在缺陷态频率是否出现振动放大现象，从而进一步确定扣件松脱的位置，其中试验发现松脱的程度越大，则振动放大的倍数越大。
其中，步骤(5)还包括对扣件松脱程度的判断。具体来说，如前所述，钢轨缺陷态频率与扣件松脱程度大致呈线性变化，则判断一个或多个共振峰对应的频率中是否有低于指定松脱值(例如30％，其他值也可以，可根据需要设定)时对应的频率，如果共振峰对应频率均大于指定松脱值时对应的频率，则说明扣件松脱小于指定松脱值，不需要后续处理，则检测结束，或者进行下一段无砟轨道钢轨检测。
下面(以60轨为例)说明缺陷态频率与扣件松脱程度的计算方法：
(1)选取30跨钢轨为检测对象，通过扭矩扳手人为松脱任两跨(例如第15、16跨)钢轨间的一对扣件，由铁路相关规范可知扣件紧固时扭矩大约在120-140N·m，从而设置四组扭矩工况(也可以设置更多组扭矩工况)：120N·m、80N·m、50N·m、0N·m。
(2)将加速度传感器布置于第0跨和第29跨跨中位置，使用力锤敲击第0跨跨中安装的加速度传感器附近钢轨轨顶，加速度传感器会采集跨中处的响应数据，通过计算软件对采集数据处理，得到四种工况下钢轨振动传输特性如图7所示。与扣件未松脱相比，扣件松脱使得无砟轨道结构振动传输特性曲线的带隙范围内出现了一个共振峰值，且随着松脱程度的增大，共振峰值对应的频率逐步往低频偏移。
(3)对四种工况下的缺陷频率进行拟合，得出轨缺陷态频率与扣件松脱程度的曲线大致呈线性变化，如图8所示，(松脱程度越大，则缺陷态频率越低)，且缺陷态频率与扣件松脱程度的线性拟合表达式为：
fΔ＝-18.578·η+131.043
其中fΔ表示缺陷态频率，η表示扣件松脱程度。
实施例1：
下面结合附图4说明书本发明实施例1的无砟轨道结构扣件松脱检测方法，
(1)选取30跨钢轨为检测对象，在第0跨两个扣件间和第29跨两个扣件间各安装一个加速度传感器。
(2)使用力锤敲击第0跨两个扣件中安装的加速度传感器附近钢轨轨顶，产生竖向振动加速度信号。
(3)两个加速度传感器会采集跨中处的响应数据，通过计算得到并绘制其对应的振动传输特性曲线，并判断是否出现共振峰。如图所示，与扣件未松脱相比，扣件松脱使得无砟轨道结构振动传输特性曲线的带隙范围内出现了一个共振峰值，峰值频率为123.41，说明有一个扣件发生了松动。
(4)在测试段钢轨上每一跨钢轨跨中的位置一个传感器，共安装30个加速度传感器。再次使用力锤敲击第0跨的跨中安装的加速度传感器附近钢轨轨顶，通过30个传感器分别采集各处的振动加速度信号，并通过计算得到各轨道处的频响函数曲线，在第15跨和16传感器处出加速度响应出现了放大(如图7所示，相比于未松脱情况，放大近4倍)，说明松脱扣件在第15跨和16跨之间的扣件。
实施例2：
实施例2是在实施例1基础上增加了判断扣件松脱程度的功能，因为，实际使用中30％松脱程度(扭矩为未松脱时扭矩的70％)以内可视为安全范围内，可暂时不修复，松脱程度超过30％的扣件需要立即加固，这样既避免了影响了行车安全，又降低了修复成本。而且发现，
实施例2的方法相比于实施例1，在步骤(3)之后增加了对松脱的判断，判断方法包括：
根据公式fΔ＝-18.578·η+131.043，可知30％松度对应的共振峰峰值频率为125.47。则判断第(3)步中共振峰值频率是否低于125.47，由于该峰值频率为123.41小于所述30松度对应的共振峰峰值频率，说明松脱程度大于30％，需要修复，之后再进行步骤(4)。
进一步地，检测完毕后还包括对扣件的紧固工作。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在检测段前两个扣件间和最后两个扣件间各安装一个加速度传感器；
(2)将激励源施加到一个加速度传感器位置附近的钢轨轨顶，产生竖向振动加速度信号。
(3)通过采集的得到的竖向振动加速度信号，通过计算得到并绘制其对应的振动传输特性曲线，分析带隙范围内的振动传输特性曲线是否产生共振峰，从而初步判断是否出现扣件松脱；若未产生共振峰则说明扣件未发生松脱，则检测结束，或者进行下一段无砟轨道钢轨检测；若产生了共振峰，则进行步骤(4)；
(4)在测试段钢轨上每两个扣件之间的位置安装至少一个加速度传感器；
(5)再次将激励源施加到一个加速度传感器位置附近的钢轨轨顶，产生竖向振动加速度信号，通过采集的得到的竖向振动加速度信号，计算得到其对应的频响函数，并绘制相应的频响函数曲线，分析各个扣件处在缺陷态频率是否出现振动放大现象，从而进一步确定扣件松脱的位置。
2.根据权利要求1所述的高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于：步骤(3)中传输特性的计算公式为，Tn＝20log10(wn/w0)，其中wn和w0分别是轨道结构激励点和响应点的垂向加速度响应。
3.根据权利要求1所述的高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于：所述共振峰的个数等于松脱的扣件的个数。
4.根据权利要求1所述的高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于：在步骤(3)之后还包括根据共振峰的峰值频率判断扣件的松脱程度。
5.根据权利要求4所述的高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于：所述判断扣件松脱程度的具体方法为，判断一个或多个共振峰峰值对应的频率中是否有低于指定松脱值时共振峰峰值对应的频率，如果有，则说明存在扣件松脱程度大于指定松脱值；如果没有这说明扣件松脱程度小于指定松脱值。
6.根据权利要求4所述的高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于，共振峰峰值频率与扣件松脱程度的计算方法为：
(A)选取一定段钢轨为检测对象，松脱任一对扣件，设置多组扭矩工况；
(B)将加速度传感器布置于钢轨上前两个扣件之间及最后两个扣件之间，使用力锤敲击第0跨跨中安装的加速度传感器附近钢轨轨顶，加速度传感器会采集跨中处的响应数据，通过计算软件对采集数据处理，得到四种工况下钢轨振动传输特性；
(C)对四种工况下的缺陷频率进行拟合，得出轨缺陷态频率与扣件松脱程度的曲线大致呈线性变化。
7.根据权利要求6所述的高速无砟轨道结构扣件松脱检测方法，其特征在于：所述多组扭矩工况包括120N·m、80N·m、50N·m、0N·m。
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