CN112798250B - 一种浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法，包括步骤：步骤1、不同橡胶支座刚度下的浮置板位移响应计算；步骤2、摩擦纳米发电机输出信号计算；步骤3、摩擦纳米发电机实测。本发明的有益效果是：在实际运营轨道安装摩擦纳米发电机，将监测所得电信号与计算所得的输出电压时程曲线进行对比，推测浮置板在该点位的位移响应，以此推算橡胶支座刚度；直接对比模拟计算电压和实测电压，不用将摩擦纳米发电机信号反算为橡胶支座刚度，使用简单便捷；该方法可以监测浮置板橡胶支座老化情况，保障列车系统运营安全,并且利用摩擦纳米发电机作为自供能传感器，减少人工检修耗费的人力物力。

Description

一种浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法

技术领域

本发明涉及地下工程技术领域，具体说，它涉及一种浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法。

背景技术

橡胶支承浮置板轨道在长期运营后，浮置板橡胶支座可能会产生老化现象。其发生的原因主要有两方面，一方面其在浮置板下受到环境中的水、空气和其他化学物质影响导致发生内部化学性质变化，另一方面其在列车循环荷载作用下疲劳老化。浮置板橡胶支座作为车轨系统关键构件，一旦发生严重老化而性能产生较大改变，会使轨道结构的完整性和均匀性受到破坏，影响行车安全，甚至可能进一步引发结构的整体破坏。

目前的技术主要着眼于改进橡胶隔振器本身结构并集成监测结构，例如公开号CN109632154A及CN210797247U两项专利均为内置监测结构的隔振器，但并非浮置板轨道隔振器。对浮置板橡胶支座老化的监测方法较少，传统的橡胶支座检测方法是通过费时费力的人工检修完成的。一项发明专利(公开号CN201811305129.8)提出了一种触发式报警装置，仅在橡胶弹簧断簧失效时发出警报。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法。

浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法，包括如下步骤：首先,通过有限元建模和摩擦纳米发电机理论计算，得到多个位置使用多个不同初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与浮置板橡胶支座刚度的规律；其次,选择规律有明显单调性的位置，在实际运营轨道的浮置板下方安装摩擦纳米发电机，其初始间隙同样应使得其输出信号与橡胶支座刚度有明显单调性规律；最后，使用巡检车在非运营时段巡检，记录每个摩擦纳米发电机输出信号，与所述多个位置使用多个不同初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与浮置板橡胶支座刚度的规律对比，推算浮置板橡胶支座刚度。

作为优选，具体包括如下步骤：

步骤1、不同橡胶支座刚度下的浮置板位移响应计算：

建立列车-钢轨-浮置板-衬砌耦合计算有限元模型，其中车体采用10自由度多刚体列车模型，即车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；钢轨采用柔性实体模型，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧-阻尼单元模拟；浮置板采用柔性实体模型，橡胶支座采用离散分布的弹簧阻尼单元，与刚性接地的衬砌直接相连；钢轨状态理想，不考虑轨道不平顺；

通过列车-钢轨-浮置板-衬砌耦合计算有限元模型进行计算，获得不同橡胶支座刚度下的浮置板位移时程曲线z(t)，包括浮置板多个监测位置；

步骤2、摩擦纳米发电机输出信号计算：

摩擦纳米发电机的输出信号根据下式计算

其中d₀＝d₁/ε_r1+d₂/ε_r2为有效厚度常数，d₁(d₂)和ε_r1(ε_r2)分别为尼龙和PTFE的厚度和介电常数；ε₀为真空中的介电常数，σ为介电材料表面的电荷密度，R为外接电阻大小，S为摩擦对的面积，D(t)为摩擦对间隙，按下式计算

其中z(t)为监测位置的浮置板位移，A为摩擦对的初始间隙；

采用数值积分的方式，可以得到在浮置板监测位置的多种初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与橡胶支座刚度的关系；选取输出信号与橡胶支座刚度具有明显单调性规律的安装位置及初始间隙的组合，绘制电压-橡胶支座刚度曲线；

步骤3、摩擦纳米发电机实测：

将若干所述摩擦纳米发电机安装于浮置板与衬砌之间，安装位置包括浮置板多个监测位置，初始间隙取多种，并且所述安装位置和初始间隙应在为步骤2所计算输出信号与橡胶支座刚度具有明显单调性规律的组合；定期在非运营时段使用巡检车进行定速巡检，巡检车车体参数和行驶参数应与步骤1所建立有限元模型相同；

提取巡检车经过的浮置板下摩擦纳米发电机的输出信号，将其电压值绘制在步骤2中所述电压-橡胶支座刚度曲线，并找到对应橡胶支座刚度，得到单个监测器件所测得橡胶支座刚度；将单块浮置板下多个监测器件所测得支座刚度取平均值，得到单块浮置板橡胶支座刚度；记录每次所测得橡胶支座刚度，绘制橡胶支座刚度-时间变化曲线，评判橡胶老化历史，根据评判指标决定是否维修更换橡胶支座。

作为优选：所述摩擦纳米发电机，基于接触-分离式摩擦纳米发电机，由摩擦对、电极层、支撑层和缓冲层组成，放置于浮置板与衬砌之间，位于浮置板多个监测位置；工作原理是：列车经过引起浮置板的往复振动，当浮置板发生竖向下位移时，浮置板带动摩擦对的上半部向下移动，摩擦对的内表面不断接近直至接触并产生摩擦和电荷转移，此时缓冲层被挤压，保护摩擦纳米发电机不在列车荷载作用下破坏；之后浮置板位移竖向上回复，摩擦对分开，此时摩擦对之间的间隙变化，两侧电极层之间的电势改变从而产生电势差，因此在导线连接的外电路产生电流；当浮置板下橡胶支座发生老化时，橡胶支座竖向刚度会增长，从而引起浮置板在列车经过时的位移幅值发生变化，摩擦纳米发电机产生的电信号也相应变化；根据电信号，推测橡胶支座的刚度，并检测橡胶老化程度。

作为优选：所述摩擦纳米发电机的摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，顶部和底部介电薄膜层之间保留有一定初始间隙。所述电极层为两片铜箔，分别粘接于所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层，位于摩擦对的外侧，所述铜箔上连接有导线，可输出电流。所述支撑层为两块亚力克平板，分别粘接于电极层的两片铜箔外侧，使得所述摩擦对和所述电极层均保持平面。所述缓冲层为海绵或橡胶材料，位于下方的支撑层下，用于缓冲列车荷载，同时保护摩擦纳米发电机结构安全。

本发明的有益效果是:采用有限元软件计算不同橡胶支座刚度下的浮置板位移响应时程曲线，代入摩擦纳米发电机输出计算公式，计算得到摩擦纳米发电机的输出电压时程曲线随橡胶刚度变化的规律。在实际运营轨道安装摩擦纳米发电机，将监测所得电信号与计算所得的输出电压时程曲线进行对比，推测浮置板在该点位的位移响应，以此推算橡胶支座刚度。直接对比模拟计算电压和实测电压，不用将摩擦纳米发电机信号反算为橡胶支座刚度，使用简单便捷。该方法可以监测浮置板橡胶支座老化情况，保障列车系统运营安全。并且利用摩擦纳米发电机作为自供能传感器，减少人工检修耗费的人力物力。

附图说明

图1为摩擦纳米发电机在轨道中的安装位置正视图

图2为摩擦纳米发电机在轨道中的安装位置侧视图

图3为摩擦纳米发电机在轨道中的安装位置俯视图

图4为摩擦纳米发电机的结构示意图

图5为浮置板中点处位移及摩擦纳米发电机输出电压随橡胶刚度增长变化规律

图6为浮置板端点处位移及摩擦纳米发电机输出电压随橡胶刚度增长变化规律

附图标记说明：1-钢轨；2-钢轨扣件；3-浮置板；4-摩擦纳米发电机；5-浮置板橡胶支座；6-衬砌；7-上支撑层；8-上电极层；9-摩擦对上半部(顶部介电材料层)；10-摩擦对下半部(底部介电材料层)；11-下电极层；12-下支撑层；13-缓冲层；14-导线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

作为一种实施例：

如图1-3所示，本发明的摩擦纳米发电机4安装在浮置板3和衬砌6之间，且可以安装在多个位置，图3中标出了浮置板端部和浮置板中部两个位置。

如图4所示，该摩擦纳米发电机由摩擦对、电极层、支撑层和缓冲层组成，所述摩擦对由采用商业尼龙薄膜的摩擦对上半部9和采用聚四氟乙烯薄膜的摩擦对下半部10组成，摩擦对上半部9与摩擦对下半部10尺寸相同，完全铺平且平行相对，之间保留有初始间隙。所述摩擦对上半部9上侧粘接有一层由铜箔制成的上电极层8，在其上侧粘接亚力克板制成的上支撑层7，所述摩擦对下半部10下侧粘接有一层由铜箔制成的下电极层11，在其下侧粘接亚力克板制成的下支撑层12，在其下侧设有海绵或橡胶缓冲层13。在上电极层8和下电极层11均设置有导线14。

当列车驶过时，由于列车荷载和振动依次通过钢轨1、钢轨扣件2、浮置板3，最终通过浮置板橡胶支座5传递到衬砌6，其中浮置板橡胶支座5具有减振作用，发生压缩，并且在列车驶离后回弹。因此浮置板3的在列车经过时先向下位移，然后向上位移恢复。在这个过程中，所述摩擦纳米发电机4由于静电感应效应，在上电极层8和下电极层11之间产生电势差，通过导线14在外电路产生两次正负相反的脉冲电流。

当浮置板橡胶支座5发生老化时，其刚度会随着老化程度增加而增加，而列车经过时的浮置板3位移幅值随着老化程度增加而减小。摩擦纳米发电机4在不同的位移激励下产生不同的电信号，因此在不同的橡胶支座刚度下，可以产生不同的电信号。

作为一种实施例：

(1)电压-橡胶支座刚度曲线绘制：采用有限元软件建立列车-钢轨-浮置板-衬砌耦合计算有限元模型，计算不同橡胶支座刚度下的浮置板多个监测位置位移响应时程曲线。将所述位移响应时程曲线代入摩擦纳米发电机输出计算公式，并取多种初始间隙分别计算，计算得到所述位移响应时程曲线对应的多个不同初始间隙的摩擦纳米发电机的输出电压时程曲线，绘制电压-橡胶支座刚度曲线。

(2)浮置板橡胶支座刚度监测：在实际运营轨道的浮置板之下，衬砌之上安装多个不同初始间隙的所述摩擦纳米发电机，将监测所得电压绘制于所述电压-橡胶支座刚度曲线，进行对比，推测浮置板在该点位的位移响应，以此推算橡胶支座刚度。

所述摩擦纳米发电机由摩擦对、电极层、支撑层和缓冲层组成。

所述摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，介电薄膜之间保留有一定初始间隙。

所述电极层为两片铜箔，分别粘接于所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层，位于摩擦对的外侧，所述铜箔上连接有导线，可输出电流。

所述支撑层为两块亚力克平板，分别粘接于电极层的两片铜箔外侧，使得所述摩擦对和所述电极层均保持平面。

所述缓冲层为海绵或橡胶材料，位于下方的支撑层下，起到增强发电机俘能效率、缓冲列车荷载，同时保护摩擦纳米发电机结构安全的重要效果。

所述监测方法包括以下步骤，其中步骤1和步骤2是电压-橡胶支座刚度曲线绘制部分，步骤3为浮置板橡胶支座刚度监测部分。

所述监测方法包括以下步骤：

步骤1、不同橡胶支座刚度下的浮置板位移响应计算：

建立列车-钢轨-浮置板-衬砌耦合计算有限元模型，其中车体采用10自由度多刚体列车模型，即车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；钢轨采用柔性实体模型，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧-阻尼单元模拟；浮置板采用柔性实体模型，橡胶支座采用离散分布的弹簧阻尼单元，与刚性接地的衬砌直接相连；钢轨状态理想，不考虑轨道不平顺。钢轨、浮置板材料和几何参数应与所监测轨道相同，扣件及橡胶支座分布依据实际轨道，并且扣件刚度根据实际轨道取值。

选取计算用橡胶刚度值，范围为完全未老化橡胶的刚度值到橡胶老化至危害运营安全的刚度值，在该范围内等距取值十个以上。将所述计算用橡胶刚度值分别输入为每个算例中模拟橡胶支座的弹簧阻尼单元的刚度，运行计算，得到列车经过时的位移响应。读取浮置板下多个位置的位移响应时程曲线。

步骤2、摩擦纳米发电机输出信号计算：

摩擦纳米发电机的输出信号根据下式计算

其中d₀＝d₁/ε_r1+d₂/ε_r2为有效厚度常数，d₁(d₂)和ε_r1(ε_r2)分别为尼龙和PTFE的厚度和介电常数；ε₀为真空中的介电常数，σ为介电材料表面的电荷密度，R为外接电阻大小，S为摩擦对的面积，D(t)为摩擦对间隙，按下式计算

其中z(t)为监测位置在t时刻的浮置板位移，A为摩擦对的初始间隙。并且，取多种初始间隙试算，可以找到使得输出结果对橡胶刚度较敏感的初始间隙。

采用数值积分的方式，可以得到在浮置板监测位置的多种初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与橡胶支座刚度的关系。选取输出信号与橡胶支座刚度具有明显单调性规律的安装位置及初始间隙的组合，绘制电压-橡胶支座刚度曲线。

采用国内某地铁轨道真实参数进行有限元建模，进行步骤1、2计算，所得计算结果绘制电压-橡胶支座刚度曲线如图5-6所示。浮置板中点和端点位移幅值随橡胶刚度增长而单调减小，安装在浮置板中点和浮置板端点的初始间隙为3mm的摩擦纳米发电机输出信号随橡胶刚度增加而单调减小，安装在浮置板端点处的初始间隙为2.5mm的摩擦纳米发电机输出信号同样随橡胶刚度增加而单调减小。

步骤3、摩擦纳米发电机实测浮置板位移：

将若干所述摩擦纳米发电机安装于浮置板与衬砌之间，安装位置包括浮置板多个监测位置，初始间隙取多种，并且所述安装位置和初始间隙应在为步骤2所计算输出信号与橡胶支座刚度具有明显单调性规律的组合。即该实例中，在每个浮置板的中点安装初始间隙为3mm的摩擦纳米发电机，在浮置板端点安装初始间隙为3mm和2.5mm的摩擦纳米发电机，使用三个摩擦纳米发电机进行监测。定期在非运营时段使用巡检车进行定速巡检，巡检车车体参数和行驶参数应与步骤1所建立有限元模型相同。

提取巡检车经过的浮置板下三个摩擦纳米发电机的输出信号，分别将其电压值绘制在步骤2中所述电压-橡胶支座刚度曲线，并找到对应橡胶支座刚度，得到每个监测器件所测得橡胶支座刚度。将三个监测器件所测得支座刚度取平均值，得到单块浮置板橡胶支座刚度。记录每次所测得橡胶支座刚度，绘制橡胶支座刚度-时间变化曲线，评判橡胶老化历史，根据评判指标决定是否维修更换橡胶支座。

所述评判指标主要有两种：

(1)通过橡胶刚度绝对值判断：

当k_n-k₀≥λ(k_a-k₀)时维修更换橡胶支座

其中，k₀为橡胶支座出厂时的刚度；k_n为第n次巡检测得橡胶支座刚度；k_a为橡胶老化至危害运营安全的刚度值，其大小根据相关规定或加速老化试验确定；λ为安全系数，取值范围0～1，且值越小越安全。

(2)通过橡胶刚度变化速率判断：

当k_n-k_n-1≥α时维修更换橡胶支座

其中k_n第n次巡检测得橡胶支座刚度；k_n-1为第n-1次巡检测得橡胶支座刚度，α为橡胶支座老化速率危险值；其值根据厂家规定和加速老化试验并结合巡检时间间隔确定。

Claims (3)

1.一种浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先,通过有限元建模和摩擦纳米发电机理论计算，得到多个位置使用多个不同初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与浮置板橡胶支座刚度的规律；

其次,选择规律有明显单调性的位置，在实际运营轨道的浮置板下方安装摩擦纳米发电机，其初始间隙同样应使得其输出信号与橡胶支座刚度有明显单调性规律；

最后，使用巡检车在非运营时段巡检，记录每个摩擦纳米发电机输出信号，与所述多个位置使用多个不同初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与浮置板橡胶支座刚度的规律对比，推算浮置板橡胶支座刚度；

具体包括如下步骤：

步骤1、不同橡胶支座刚度下的浮置板位移响应计算：

建立列车-钢轨-浮置板-衬砌耦合计算有限元模型，车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；钢轨采用柔性实体模型，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧-阻尼单元模拟；浮置板采用柔性实体模型，橡胶支座采用离散分布的弹簧阻尼单元，与刚性接地的衬砌直接相连；钢轨状态理想；

通过列车-钢轨-浮置板-衬砌耦合计算有限元模型进行计算，获得不同橡胶支座刚度下的浮置板位移时程曲线z(t)，包括浮置板多个监测位置；

步骤2、摩擦纳米发电机输出信号计算：

摩擦纳米发电机的输出信号根据下式计算

其中d₀＝d₁/ε_r1+d₂/ε_r2为有效厚度常数，d₁、d₂分别为尼龙和PTFE的厚度，ε_r1、ε_r2分别为尼龙和PTFE的介电常数；ε₀为真空中的介电常数，σ为介电材料表面的电荷密度，R为外接电阻大小，S为摩擦对的面积，D(t)为摩擦对间隙，按下式计算

其中z(t)为监测位置的浮置板位移，A为摩擦对的初始间隙；

采用数值积分的方式，可以得到在浮置板监测位置的多种初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与橡胶支座刚度的关系；选取输出信号与橡胶支座刚度具有明显单调性规律的安装位置及初始间隙的组合，绘制电压-橡胶支座刚度曲线；

步骤3、摩擦纳米发电机实测：

将若干所述摩擦纳米发电机安装于浮置板与衬砌之间，安装位置包括浮置板多个监测位置，初始间隙取多种，并且所述安装位置和初始间隙应在为步骤2所计算输出信号与橡胶支座刚度具有明显单调性规律的组合；定期在非运营时段使用巡检车进行定速巡检，巡检车车体参数和行驶参数应与步骤1所建立有限元模型相同；

提取巡检车经过的浮置板下摩擦纳米发电机的输出信号，将其电压值绘制在步骤2中所述电压-橡胶支座刚度曲线，并找到对应橡胶支座刚度，得到单个监测器件所测得橡胶支座刚度；将单块浮置板下多个监测器件所测得支座刚度取平均值，得到单块浮置板橡胶支座刚度；记录每次所测得橡胶支座刚度，绘制橡胶支座刚度-时间变化曲线，评判橡胶老化历史，根据评判指标决定是否维修更换橡胶支座。

2.根据权利要求1所述的浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法，其特征在于：所述摩擦纳米发电机，基于接触-分离式摩擦纳米发电机，由摩擦对、电极层、支撑层和缓冲层组成，放置于浮置板与衬砌之间，位于浮置板多个监测位置；工作原理是：列车经过引起浮置板的往复振动，当浮置板发生竖向下位移时，浮置板带动摩擦对的上半部向下移动，摩擦对的内表面不断接近直至接触并产生摩擦和电荷转移，此时缓冲层被挤压，保护摩擦纳米发电机不在列车荷载作用下破坏；之后浮置板位移竖向上回复，摩擦对分开，此时摩擦对之间的间隙变化，两侧电极层之间的电势改变从而产生电势差，因此在导线连接的外电路产生电流；当浮置板下橡胶支座发生老化时，橡胶支座竖向刚度会增长，从而引起浮置板在列车经过时的位移幅值发生变化，摩擦纳米发电机产生的电信号也相应变化；根据电信号，推测橡胶支座的刚度，并检测橡胶老化程度。

3.根据权利要求2所述的浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法，其特征在于：所述摩擦纳米发电机的摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，顶部和底部介电薄膜层之间保留有一定初始间隙；所述电极层为两片铜箔，分别粘接于所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层，位于摩擦对的外侧，所述铜箔上连接有导线，可输出电流；所述支撑层为两块亚力克平板，分别粘接于电极层的两片铜箔外侧，使得所述摩擦对和所述电极层均保持平面；所述缓冲层为海绵或橡胶材料，位于下方的支撑层下，用于缓冲列车荷载，同时保护摩擦纳米发电机结构安全。

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