CN111855055A - 一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法 - Google Patents

一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法 Download PDF

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雷晓燕
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Abstract

本发明公开了一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法，该方法将若干激光位移传感器布置在相邻轨枕间距中心处，用于采集在列车运行通过测点处产生的轨底位移信号，再根据测试信号获取列车速度、轮距等信息，利用轨道计算模型求解轨道动力传递方程进行计算得到轮轨力，从而检测在列车通过测区时的轮轨病害。本发明的优点是：（1）该方法为无损轮轨力检测方法，监测的过程中不会破坏轨道结构，该方法可用于轮轨力长期监测，在实际应用中可设定一个轨底位移值作为触发仪器开始采集测点位移的触发值，避免监测过程中的人工操作；（2）仪器在采集到轨底数据后，可自动通过后台计算程序进行轮轨力的评估，实现轮轨力的监测的连续化、自动化。

Description

一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法
技术领域
本发明属于交通技术领域，具体涉及一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法。
背景技术
随着我国高速铁路运营里程的增加，列车运行速度的提升以及车辆、轨道维护周期的延长，我国高铁列车车轮出现多边形磨耗现象越来越普遍。车轮的失圆会引发轮轨间的作用力的增加，造成铁路轨道和车辆的性能退化。失圆车轮在列车高速运行时产生的轮轨力可以达到常规轮载的1~3倍，对车辆和轨道结构产生冲击，其主要危害包括：
（1）造成车辆的损伤。冲击荷载产生的轮轨接触应力远大于正常轮载，在较高的压应力和剪应力的作用下，车轮踏面会产生塑性流动、疲劳破坏和开裂等伤损。当周期性振动与车辆构件固有频率接近时，会引起局部共振，造成破坏。
（2）加快轨道结构性能退化，引起轨道结构的破坏。对于有砟轨道，强冲击轮轨力会造成轨枕开裂、扣件失效，加速道砟的磨损；高阶多边形磨耗会产生高频的轮轨力，当轮轨力频率与扣件自振频率接近时，还会引发扣件的大面积断裂，严重影响行车安全。
（3）能量的损失。列车运行过程中，强冲击轮轨力对轨道产生冲击，将能量通过振动的方式传递到轨道上，消耗了机车牵引力。
（4）产生噪声和振动，影响车辆行驶的舒适度。失圆车轮在行驶过程中会辐射出高频的噪声和振动，影响了乘客乘坐的舒适度。为了保证舒适度而进行的周期性打磨也增加了运营的成本。
因此轮轨力的检测对于识别列车车轮失圆，延长轨道的维护周期，减少车轮更换频率，确保列车安全运行具有重大意义。当前轮轨力的检测方法按照传感设备安装位置可以分为两类：车载监测和道旁监测。车载监测方法是通过在车轮上安装传感器测量车轮的应变或位移来得到轮轨力，从而探知车轮的运行状态，这类方法的优势是可以连续测试轮轨力，甚至高频的轮轨冲击荷载。但由于传感器是安装在固定的轮对上，因此仅能 ‘一对一’地对安装了传感器的轮对的状态进行评估。道旁监测是在轨道结构上安装传感器来测量车轮通过该处时轨道结构的响应来得到轮轨之间的作用力，从而评估车轮及车辆其他部件的状态，能及时感知失圆车轮的出现，避免了其对轨道的进一步破坏，从而保护了轨道结构。
由于车载监测系统仅能实现对安装了传感器的轮对进行测量，且需对车辆进行改造，过程繁琐成本较高，故轮轨相互作用的监测和研究中大量使用道旁监测系统。目前主要的道旁监测系统是基于轨道静力学模型提出和验证的，忽略了车辆-轨道系统动态响应对测试结果的影响，是一种“准静态”方法。既有测试方法轮轨力与被测物理量（钢轨应变等）之间的传递关系是通过静力标定实现的，即在钢轨轨头特定位置施加已知大小的静载荷，同时读取施加荷载位置的竖向位移值，从而得到测点的“灵敏度系数”。因此，既有方法是基于静荷载下标定竖向位移与荷载值之间的关系，未能考虑列车高速运行下，轮轨之间的动态响应，显然对高频轮轨力的测量并不适用。
而激光位移传感器具有高精度、抗电磁干扰、质量轻、易安装的特点，能在不对轨道结构进行破坏的前提下对钢轨上测点的位移进行采集，是一种无损检测方法，能在对在安全性要求较高的高速铁路进行推广。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于钢轨底位移检测轮轨力的方法，该方法将若干激光位移传感器布置在相邻轨枕间距中心处，用于采集在列车运行通过测点处产生的轨底位移信号，再根据测试信号获取列车速度、轮距等信息，利用轨道计算模型求解轨道动力传递方程进行计算得到轮轨力，从而检测在列车通过测区时的轮轨力。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）在钢轨下方每相邻两个轨枕之间的中心处布设一个激光位移传感器，各所述激光位移传感器与数据采集设备连接；（2）将所述激光位移传感器与所述钢轨的轨底之间的距离设为初始值，记录列车通过时所述激光位移传感器的探头与所述钢轨轨底之间的距离变化量；（3）建立轨道计算模型，测量获取所述轨道计算模型的参数，提取t时刻的测点位移矩阵W(t)，计算t时刻的动力传递矩阵R(t)， 用正则化方法求解方程W(t)=R(t)F(t)，得到t时刻的轮轨力的矩阵F(t)。
所述轨道计算模型的参数包括单位长度钢轨质量mr、钢轨弹性模量Er、钢轨水平惯性矩
Figure 737807DEST_PATH_IMAGE001
、轨道结构等效阻尼ct、轨道基础等效刚度kt，通过所述轨道计算模型的参数计算动力传递矩阵R(t)。
所述激光位移传感器所在的位置为测点，将所述测点的位置设为
Figure 299239DEST_PATH_IMAGE002
j，j为进行傅里叶变化后所述测点
Figure 864212DEST_PATH_IMAGE002
j对应在波数域上的位置；代入t=0时刻需要测量的每个轮轨力到所述测点的距离α（l），其中，l为需要反演的轮轨力的个数；将所述轨道参数用于计算所述动力传递矩阵R(t)得到所述测点
Figure 903713DEST_PATH_IMAGE002
j和轮轨力α（l）的动力传递算子rjl (t)，所述动力传递算子rjl (t)的计算公式为：
Figure 237742DEST_PATH_IMAGE003
，
其中：
rjl 表示编号为j的所述测点与编号为
Figure 970075DEST_PATH_IMAGE004
的轮轨力所计算出的动力传递算子；
Δβ为离散傅里叶变换后每个测点之间的间隔；
N为离散傅里叶变换时的参数，N取2048；
J为进行傅里叶变化后所述测点
Figure 22344DEST_PATH_IMAGE002
j对应在波数域上的位置；
i为进行傅里叶变化后轮轨力对应在波数域上的位置；
Er为钢轨弹性模量；
Figure 537639DEST_PATH_IMAGE001
为钢轨水平惯性矩；
β k 为离散傅里叶变换后钢轨坐标在波数域上的表示；
mr为单位长度钢轨质量；
Ω为荷载激振频率，实际运算时Ω取为0；
v为列车运行时的速度；
ct为轨道结构等效阻尼；
kt为轨道基础等效刚度。
t时刻多个所述测点
Figure 116388DEST_PATH_IMAGE002
j和轮轨力α的动力传递矩阵R（t）为：
Figure 629409DEST_PATH_IMAGE005
，
其中：r ML （t）为t时刻第M行第L列的动力传递矩阵。
建立所述测点的动态位移与轮轨力之间的关系对应的方程：W(t)=R(t)F(t)；
其中：
W(t)为t时刻的测点位移矩阵，
Figure 293608DEST_PATH_IMAGE006
；其中，w(x,t)为测点所在的位置x在t时刻的位移数值；
F(t)为t时刻的轮轨力的矩阵，
Figure 612594DEST_PATH_IMAGE007
；其中，F(L,t)为第L个轮轨力在t时刻的数值；
通过所述t时刻的动力传矩阵R(t)用正则化方法解方程组得到与测点位移W(t)对应的轮轨力F(t)。
本发明的优点是：
（1）该方法为无损轮轨力检测方法，监测的过程中不会破坏轨道结构，该方法可用于轮轨力长期监测，在实际应用中可设定一个轨底位移值作为触发仪器开始采集测点位移的触发值，避免监测过程中的人工操作；
（2）仪器在采集到轨底数据后，可自动通过后台计算程序进行轮轨力的评估，实现轮轨力的监测的连续化、自动化。
附图说明
图1为本发明中在轨道板上布置激光位移传感器的示意图；
图2为本发明中基于轨道结构连续单层梁模型推导出的公式中，各参数的示意图；
图3为本发明中从仪器采集到的数据经过计算得到轮轨力的流程示意图；
图4为本发明中正则化解病态矩阵的方法中经由L曲线寻找最优正则化参数α的示意图；
图5为实例中由测点处的激光位移传感器采集到的钢轨轨底位移的示意图；
图6为实例明由轨底位移反算得到的轮轨力的示意图。
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1-6所示，图中各标记为：钢轨1，扣件2，轨道板3，激光位移传感器4，轨枕5。
实施例：如图1-6所示，本实施例具体涉及一种基于钢轨底位移检测轮轨力的方法，该方法具体包括以下步骤：
（1）如图1所示，各轨枕5沿钢轨1的轨道方向均匀间隔布置，相邻轨枕5之间的间距l=0.6m，且在各轨枕5的下表面布置有一层轨道板3，两侧的钢轨1沿纵向布置在各轨枕5的上方，并经扣件2扣接固定，构成完整的钢轨1线路；
在测试线路的一侧钢轨1的轨底沿纵向间隔安装5个激光位移传感器4，每相邻两个轨枕5之间的1/2间距位置处布设一个激光位移传感器4，激光位移传感器4用于采集钢轨1轨底的位移的振动信号；
此外，各激光位移传感器4分别经数据传输线连接至数据采集设备（图中未示出），该数据采集设备可实现对各激光位移传感器4监测数据的连续采集和数据处理。
（2）将激光位移传感器4与钢轨1的轨底之间的距离设为初始值，记录列车通过时激光位移传感器4与钢轨1轨底之间的距离变化量；
列车通过测点采集到的钢轨1轨底位移如图5所示。
（3）建立轨道计算模型，测量获取轨道计算模型的参数，提取t时刻的测点位移矩阵W(t)，计算t时刻的动力传递矩阵R(t)， 用正则化方法求解方程W(t)=R(t)F(t)，得到t时刻的轮轨力的矩阵F(t)；
如图2所示，根据测量钢轨1的类型和轨下基础的类型，选择对应的轨道参数，选择的轨道参数如下表1所示：
表1 车辆轨道模型计算参数
Figure 921216DEST_PATH_IMAGE008
激光位移传感器4所在的位置为测点，将测点的位置设为
Figure 989492DEST_PATH_IMAGE002
j，j为进行傅里叶变化后测点
Figure 750774DEST_PATH_IMAGE002
j对应在波数域上的位置；代入t=0时刻需要测量的每个轮轨力到测点的距离α（l），其中，l为需要反演的轮轨力的个数；将轨道参数用于计算动力传递矩阵R(t)得到所述测点
Figure 935768DEST_PATH_IMAGE002
j和轮轨力α（l）的动力传递算子rjl (t)，动力传递算子rjl (t)的计算公式为：
Figure 98896DEST_PATH_IMAGE003
，
其中：
rjl 表示编号为j的测点与编号为
Figure 671829DEST_PATH_IMAGE004
的轮轨力所计算出的动力传递算子；
Δβ为离散傅里叶变换后每个测点之间的间隔；
N为离散傅里叶变换时的参数，N取2048；
J为进行傅里叶变化后测点xj对应在波数域上的位置；
i为进行傅里叶变化后轮轨力对应在波数域上的位置；
Er为钢轨弹性模量；
Figure 185987DEST_PATH_IMAGE001
为钢轨水平惯性矩；
β k 为离散傅里叶变换后钢轨坐标在波数域上的表示；
mr为单位长度钢轨质量；
Ω为荷载激振频率，实际运算时Ω取为0；
v为列车运行时的速度；
ct为轨道结构等效阻尼；
kt为轨道基础等效刚度；
t时刻多个测点
Figure 174671DEST_PATH_IMAGE002
j和轮轨力α的动力传递矩阵R（t）为：
Figure 192306DEST_PATH_IMAGE005
，
其中：rML（t）为t时刻第M行第L列的动力传递算子；
建立测点的动态位移与轮轨力之间的关系对应的方程：W(t)=R(t)F(t)；
其中：
W(t)为t时刻的测点位移矩阵，
Figure 873823DEST_PATH_IMAGE006
；其中，w(x,t)为测点所在的位置x在t时刻的位移数值；
F(t)为t时刻的轮轨力的矩阵，
Figure 609698DEST_PATH_IMAGE007
；其中，F(L,t) 为第L个轮轨力在t时刻的数值；
通过t时刻的动力传矩阵R(t)用正则化方法解方程组得到与测点位移W(t)对应的轮轨力F(t)。
上述的步骤（3）中，结合本实施例中的实际情况，取离散的间隔Δx=0.02m，Δβ为离散傅里叶变换后每个测点之间的间隔，则
Figure 870915DEST_PATH_IMAGE009
β的计算公式为：
Figure 8635DEST_PATH_IMAGE010
；
其中N=2048；计算用到的钢轨1的长度L的计算公式为:L=2NΔx，钢轨1的长度为L=81.92m远大于车轮周长。计算所用到的钢轨1的长度通过Δx分解为2N共4096个单元，激光位移传感器4所在的位置为测点，将测点的位置设为
Figure 861054DEST_PATH_IMAGE002
j，则5个测点x1，x2，x3，x4，x5分别对应的坐标为0.6，1.2，1.8，2.4，j为进行傅里叶变化后测点
Figure 615383DEST_PATH_IMAGE002
j 对应在波数域上的位置，对应得到算式中j分别为j=2048，2078，2108，2138，2168，2198。代入t=0时刻需要测量的每个轮轨力的到测点的距离a（l），l为需要反演的轮轨力的个数，将轨道参数用于计算动力传递矩阵得到测点
Figure 86816DEST_PATH_IMAGE002
j和轮轨力α的动力传递算子rjl (t)；
以t=0.3时刻的动力传递矩阵为例，代入测点xj=0对应的j=2048和第一个轮轴的坐标a（1）= -5，并代入当前时间t=0.3，得到t=0.3时刻的第一个测点xj=0处的位移和第一个轮轴a（1）= -5处轮轨力之间的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
而事实上，测点x1=0的位移为三轴转向架上所有轮轨力照成的钢轨1位移的叠加，即xj=0处的位移和三个轮轴处的轮轨力之间的关系为：
Figure 672518DEST_PATH_IMAGE012
同理得到xj=0.6处的位移和三个轮轴处的轮轨力之间的关系为：
Figure 164679DEST_PATH_IMAGE013
一共5个方程，将其中的系数rjl 组成动力传递矩阵，即有：
Figure 875146DEST_PATH_IMAGE014
其中W(t)在t=0.3时刻的矩阵为：
Figure 9324DEST_PATH_IMAGE015
对应图4的数据为：
Figure 856057DEST_PATH_IMAGE016
对应的动力传递矩阵为：
Figure 50278DEST_PATH_IMAGE017
带入参数计算得到：
Figure 982462DEST_PATH_IMAGE018
测点动态位移与轮轨力之间的关系中只有F为未知数，其中：
Figure 592435DEST_PATH_IMAGE019
对于轮轨力识别问题，动力传递矩阵R(t)是一个典型的病态矩阵，对矩阵进行奇异值分解的话，随着需要测量轮轨力的增加，最大的奇异值远远大于较小的奇异值，这会使得计算得到解非常不稳定。在实际测试过程中，不可避免的会出现测量误差，这会使得最小二乘法的精确解偏离实际的工程解，正则化的方法是求解病态矩阵的有效方法，这种方法可以滤掉W中测试误差对计算结果的影响。采用正则化方法解病态方程组得：
Figure 887150DEST_PATH_IMAGE020
同理将从t=0时刻开始到结束所有的位移数据依次进行计算，得到列车通过时刻的轮轨力如图6所示。

Claims (5)

1.一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）在钢轨下方每相邻两个轨枕之间的中心处布设一个激光位移传感器，各所述激光位移传感器与数据采集设备连接；（2）将所述激光位移传感器与所述钢轨的轨底之间的距离设为初始值，记录列车通过时所述激光位移传感器的探头与所述钢轨轨底之间的距离变化量；（3）建立轨道计算模型，测量获取所述轨道计算模型的参数，提取t时刻的测点位移矩阵W(t)，计算t时刻的动力传递矩阵R(t)， 用正则化方法求解方程W(t)=R(t)F(t)，得到t时刻的轮轨力的矩阵F(t)。
2.根据权利要求1所述的一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法，其特征在于所述轨道计算模型的参数包括单位长度钢轨质量mr、钢轨弹性模量Er、钢轨水平惯性矩
Figure 388223DEST_PATH_IMAGE001
、轨道结构等效阻尼ct、轨道基础等效刚度kt，通过所述轨道计算模型的参数计算动力传递矩阵R(t)。
3.根据权利要求2所述的一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法，其特征在于所述激光位移传感器所在的位置为测点，将所述测点的位置设为
Figure 232682DEST_PATH_IMAGE002
j，j为进行傅里叶变化后所述测点
Figure 918878DEST_PATH_IMAGE002
j对应在波数域上的位置；代入t=0时刻需要测量的每个轮轨力到所述测点的距离α（l），其中，l为需要反演的轮轨力的个数；将所述轨道参数用于计算所述动力传递矩阵R(t)得到所述测点
Figure 922606DEST_PATH_IMAGE002
j和轮轨力α（l）的动力传递算子rjl (t)，所述动力传递算子rjl (t)的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
其中：
rjl 表示编号为j的所述测点与编号为
Figure 114684DEST_PATH_IMAGE004
的轮轨力所计算出的动力传递算子；
Δβ为离散傅里叶变换后每个测点之间的间隔；
N为离散傅里叶变换时的参数，N取2048；
J为进行傅里叶变化后所述测点
Figure 305494DEST_PATH_IMAGE002
j对应在波数域上的位置；
i为进行傅里叶变化后轮轨力对应在波数域上的位置；
Er为钢轨弹性模量；
Figure 60961DEST_PATH_IMAGE001
为钢轨水平惯性矩；
β k 为离散傅里叶变换后钢轨坐标在波数域上的表示；
mr为单位长度钢轨质量；
Ω为荷载激振频率，实际运算时Ω取为0；
v为列车运行时的速度；
ct为轨道结构等效阻尼；
kt为轨道基础等效刚度。
4.根据权利要求3所述的一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法，其特征在于t时刻多个所述测点
Figure 528982DEST_PATH_IMAGE002
j和轮轨力α的动力传递矩阵R（t）为：
Figure 78912DEST_PATH_IMAGE005
，
其中：r ML （t）为t时刻第M行第L列的动力传递矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于钢轨轨底位移检测轮轨力的方法，其特征在于建立所述测点的动态位移与轮轨力之间的关系对应的方程：W(t)=R(t)F(t)；
其中：
W(t)为t时刻的测点位移矩阵，
Figure 897964DEST_PATH_IMAGE007
；其中，w(x,t)为测点所在的位置x在t时刻的位移数值；
F(t)为t时刻的轮轨力的矩阵，
Figure 191542DEST_PATH_IMAGE009
；F(L,t) 为第L个轮轨力在t时刻的数值；
通过所述t时刻的动力传矩阵R(t)用正则化方法解方程组得到与测点位移W(t)对应的轮轨力F(t)。
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