CN113447163A - 一种基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，解决现有技术中存在的受人为因素干扰大，无法忽略轨道参数变化对钢轨自振频率影响的问题。该方法通过模态实验建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典，在服役钢轨上选择任意区域进行模态实验，得到钢轨的多阶振动模态；并把实测钢轨振动模态与数字字典中零纵向力下的钢轨模态进行匹配，进而计算出钢轨纵向力，最终测得钢轨锁定轨温。该测量锁定轨温的方法利用钢轨模态的整体变化可以消除轨道参数的影响，极大限度地降低利用钢轨振动特性测量纵向力的工作量。其操作简单，不受轨道参数影响，无需破坏现有轨道的结构稳定性，高效可行，计算精确，适用范围广。

Description

一种基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法

技术领域

本发明属于钢轨健康检测技术领域，具体涉及一种操作简单，不受轨道参数影响，无需破坏现有轨道的结构稳定性，高效可行，计算精确，适用范围广的基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法。

背景技术

随着行驶速度的提高，需要列车具有较好的平稳性及安全性，无缝线路钢轨已成为目前轨道线路的主要轨道形式。然而，由于钢轨常年布设在野外，全年温差较大，且受到轮轨冲击力作用，内部会聚集很大的纵向力。如果纵向拉力过大，会造成断轨；而纵向压力过大，则会造成胀轨跑道。锁定轨温与纵向力间具有换算关系，是衡量钢轨安全的重要指标。

测量钢轨纵向力的方法主要分有损检测和无损检测两种方法。有损检测包括锯轨法、钻孔法和横向加力法等，会破坏现有轨道的稳定性。无损检测包括观测桩法、标定轨长法、巴克豪森法、X射线法、超声导波法、应变法、轨温测量法及振动法。观测桩法和标定轨长法受人为因素影响较大，且不能测量较短区间内的纵向力；巴克豪森法、X射线法和超声导波法受钢轨材质晶粒尺寸、表面锈斑和环境温度等影响较大，仅能测量钢轨表面或浅表面应力，且由于钢轨横截面应力并不均匀，无法精确测出钢轨纵向力；应变法仅能测出钢轨表面应力的相对值；轨温测量法仅能测出钢轨纵向力的相对值，且随着时间推移，误差越来越大。另外，振动法利用钢轨纵向力与自振频率间的线性关系，首先测得自振频率的改变，然后计算出钢轨纵向力；但是，钢轨自振频率同时也受边界条件的影响，边界条件包括扣件间距、扣件刚度等。

现有方法希望建立与服役钢轨轨道结构相同的模型，获得零纵向力下自振频率理论值，并通过测量服役钢轨的自振频率，进而获取仅与纵向力有关的自振频率改变值。但是，即使建立与服役轨道结构相同的模型在技术上具有可行性，不同区间的轨道结构也存在差异，为了测量任意区间的钢轨纵向力，所建模型的工作量也会很巨大，从而导致理论方法不具有工程可行性。为此，有必要对现有的测量钢轨纵向力的方法予以改进。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种操作简单，不受轨道参数影响，无需破坏现有轨道的结构稳定性，高效可行，计算精确，适用范围广的基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法。

本发明所采用的技术方案是：该基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法包括如下步骤：

步骤一、在不同纵向力下对钢轨进行模态实验；

步骤二、建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典；

步骤三、选取服役钢轨任意区域进行模态实验；

步骤四、匹配实测钢轨模态与数字字典中模态；

步骤五、计算钢轨纵向力；

步骤六、获取钢轨锁定轨温。

所述步骤一、在进行模态实验时，将振动传感器布设在钢轨上，通过激励获取振动信号，并利用频域分析，获取500Hz以上的自振频率；模态实验要测出钢轨500Hz以上、尽可能多的钢轨模态，包括频率、阻尼和振型。

所述步骤二、依据纵向力与自振频率变化值之间的线性关系，线性拟合获得每阶频率对纵向力的敏感性系数，从而建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典；并且，数字字典中包括模态的频率、阻尼、振型，每阶频率对纵向力变化的敏感性系数，传感器布设方案，钢轨型号，轨道半径等信息。

所述步骤三、通过服役钢轨任意区域的模态实验，测出与数字字典中相同阶的模态，服役钢轨型号、轨道半径和传感器布设方案应与数字字典中相同。

所述步骤四、通过比较实测钢轨模态与数字字典中模态，实现同种模态匹配；匹配成功的模态认为是相同阶模态；差别仅是由于钢轨参数、纵向力等因素引起的。

所述步骤五、在模态匹配成功后，求出每阶模态频率变化值，模态对锁定轨温力的平均敏感系数，利用纵向力公式计算钢轨纵向力；

纵向力公式为：

F_纵表示所求纵向力，规定拉为正，单位kN；f_i表示在匹配成功后实测第i阶模态频率，单位Hz；f_标,i表示在匹配成功后数字字典中对应阶模态频率，该频率是钢轨零拉力时频率，单位Hz；N表示匹配成功的模态数量，值应不小于12，且数量值越大、结果越精确；K表示在匹配成功后模态对纵向力的平均敏感系数，单位Hz/kN，由式(2)确定；在式(2)中，K_i表示匹配成功后的第i阶模态对纵向力的敏感系数，单位Hz/kN。

所述步骤六、依据钢轨纵向力，计算出温升，结合当前钢轨温度，算出锁定轨温；

计算锁定轨温的公式为：

T_锁指测点钢轨锁定轨温，单位℃；T_轨温指当前钢轨温度，单位℃；E指钢轨弹性模量，单位MPa；α指钢轨热膨胀系数，单位1/℃；A指钢轨横截面面积，单位m²。

本发明的有益效果：该基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，通过模态实验建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典，在服役钢轨上选择任意区域进行模态实验，得到钢轨的多阶振动模态；并把实测钢轨振动模态与数字字典中零纵向力下的钢轨模态进行匹配，进而计算出钢轨纵向力，最终测得钢轨锁定轨温。该测量锁定轨温的方法利用钢轨模态的整体变化可以消除轨道参数的影响，再加上钢轨纵向力与自振频率间具有线性关系，则多阶模态的均值仅反映纵向力的影响；并且，极大限度地降低利用钢轨振动特性测量纵向力的工作量。其操作简单，不受轨道参数影响，无需破坏现有轨道的结构稳定性，高效可行，基于钢轨模态整体变化精准测量局部区间钢轨纵向力，适用于有砟及无砟轨道钢轨锁定轨温的检测，应用范围广。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明方法的一种测试方案图。

图3是实验平台某阶特征模态分量随温度变化规律图。

图4(a)是某次测量时特征模态变化值；图4(b)是相应特征频率的均值和方差。

图5是随温度变化锁定轨温图。

图6(a)为某次测量时模态变化值；图6(b)是相应频率的均值和方差。

图7是预测锁定轨温图。

具体实施方式

详细说明本发明的具体步骤。该基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法包括如下步骤：

步骤一、在不同纵向力下对钢轨进行模态实验。在进行模态实验时，将振动传感器布设在钢轨上，通过激振器或力锤激励获取振动信号，并利用频域分析，获取500Hz以上的自振频率；模态实验要测出钢轨500Hz以上、尽可能多的钢轨模态，包括频率、阻尼和振型。

步骤二、建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典。依据纵向力与自振频率变化值之间的线性关系，线性拟合获得每阶频率对纵向力的敏感性系数，从而建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典。并且，数字字典中包括模态的频率、阻尼、振型，每阶频率对纵向力变化的敏感性系数，传感器布设方案，钢轨型号，轨道半径等信息。

步骤三、选取服役钢轨任意区域进行模态实验。通过服役钢轨任意区域的模态实验，测出与数字字典中相同阶的模态，服役钢轨型号、轨道半径和传感器布设方案，应与数字字典中相同。

步骤四、匹配实测钢轨模态与数字字典中模态。通过比较实测钢轨模态与数字字典中模态，实现同种模态匹配；匹配成功的模态认为是相同阶模态。差别仅是由于钢轨参数、纵向力等因素引起的。匹配成功的模态应不少于12对，计算结果较为精准。

步骤五、计算钢轨纵向力。在模态匹配成功后，求出每阶模态频率变化值，模态对锁定轨温力的平均敏感系数，利用纵向力公式计算钢轨纵向力。

纵向力公式为：

F_纵表示所求纵向力，规定拉为正，单位kN；f_i表示在匹配成功后实测第i阶模态频率，单位Hz；f_标,i表示在匹配成功后数字字典中对应阶模态频率，该频率是钢轨零拉力时频率，单位Hz；N表示匹配成功的模态数量，值应不小于12，且数量值越大、结果越精确；

表示在匹配成功后模态对纵向力的平均敏感系数，单位Hz/kN，由式(2)确定；在式(2)中，K_i表示匹配成功后的第i阶模态对纵向力的敏感系数，单位Hz/kN。

步骤六、获取钢轨锁定轨温。依据钢轨纵向力，计算出温升，结合当前钢轨温度，算出锁定轨温。

计算锁定轨温的公式为：

T_锁指测点钢轨锁定轨温，单位℃；T_轨温指当前钢轨温度，单位℃；E指钢轨弹性模量，单位MPa；α指钢轨热膨胀系数，单位1/℃；A指钢轨横截面面积，单位m²。

实施例：

使用3个振动传感器，1个铁路专用温度传感器，1个力锤和1套信号测试分析系统。首先，将振动传感器等间隔布设在钢轨同一跨轨腰中性层位置，测量横向振动。激励点等间隔分布在相邻跨，共5个点；逐点、多次锤击。温度传感器布设在钢轨上，测量实时钢轨温度。测试方案如图2所示。

然后，开展钢轨拉伸实验，所用钢轨的详细情况如下：型号60轨，长度35米，一端固定、一端自由，自由端可进行拉伸；扣件扭矩为120N·m。用拉伸机施加不同的拉力，来模拟轨温的变化，钢轨轨腰处贴应变片，读取内部应力。不同拉伸应力模拟轨温变化如表1所示。

表1不同拉伸应力模拟轨温变化表

建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典。

之后，在钢轨实验平台开展实验，所用钢轨详细情况如下：型号60轨，长度35米，两端固定；锁定轨温0℃。测试时，从早上8点测试到中午12点，钢轨温度变化范围为2℃～19℃，共7组。图3为某阶特征模态分量随温度变化规律，二者呈线性关系，线性相关系数为0.95。图4(a)为某次测量时特征模态变化值，共有15对特征模态分量匹配成功。图4(b)是相应特征频率的均值和方差，且从第10对起，均值已经不再发生明显改变。

计算锁定轨温，锁定轨温测量值在-4.6℃～3.2℃范围变化，均值为0.3℃，方差为3℃(如图5所示)；真实锁定轨温为0℃。单次测量误差±5℃内，多次测量求均值更接近真实锁定轨温。

随后，在服役钢轨开展锁定轨温测量实验。服役钢轨情况如下：型号60轨，有砟道床，直道；锁定轨温10℃。左、右轨各做两组，每组包括左右轨相对应的两个测点，两组前后相距15米。图6(a)为某次测量时模态变化值，共有13对模态匹配成功。图6(b)是相应频率的均值和方差，从第10对起，均值已经不再发生明显改变。图7为预测锁定轨温；锁定轨温测量值左轨在7.76℃～8.04℃，右轨在6.9℃～13.04℃；真实锁定轨温10℃，测量误差在±3℃。

Claims (7)

1.一种基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在不同纵向力下对钢轨进行模态实验；

步骤二、建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典；

步骤三、选取服役钢轨任意区域进行模态实验；

步骤四、匹配实测钢轨模态与数字字典中模态；

步骤五、计算钢轨纵向力；

步骤六、获取钢轨锁定轨温。

2.根据权利要求1所述的基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，其特征在于：所述步骤一、在进行模态实验时，将振动传感器布设在钢轨上，通过激励获取振动信号，并利用频域分析，获取500Hz以上的自振频率；模态实验要测出钢轨500Hz以上、尽可能多的钢轨模态，包括频率、阻尼和振型。

3.根据权利要求1所述的基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，其特征在于：所述步骤二、依据纵向力与自振频率变化值之间的线性关系，线性拟合获得每阶频率对纵向力的敏感性系数，从而建立纵向力与钢轨模态间的映射关系，形成关系数字字典；并且，数字字典中包括模态的频率、阻尼、振型，每阶频率对纵向力变化的敏感性系数，传感器布设方案，钢轨型号，轨道半径等信息。

4.根据权利要求1所述的基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，其特征在于：所述步骤三、通过服役钢轨任意区域的模态实验，测出与数字字典中相同阶的模态，服役钢轨型号、轨道半径和传感器布设方案应与数字字典中相同。

5.根据权利要求1所述的基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，其特征在于：所述步骤四、通过比较实测钢轨模态与数字字典中模态，实现同种模态匹配；匹配成功的模态认为是相同阶模态；差别仅是由于钢轨参数、纵向力等因素引起的。

6.根据权利要求1所述的基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，其特征在于：所述步骤五、在模态匹配成功后，求出每阶模态频率变化值，模态对锁定轨温力的平均敏感系数，利用纵向力公式计算钢轨纵向力；

纵向力公式为：

F_纵表示所求纵向力，规定拉为正，单位kN；f_i表示在匹配成功后实测第i阶模态频率，单位Hz；f_标,i表示在匹配成功后数字字典中对应阶模态频率，该频率是钢轨零拉力时频率，单位Hz；N表示匹配成功的模态数量，值应不小于12，且数量值越大、结果越精确；

表示在匹配成功后模态对纵向力的平均敏感系数，单位Hz/kN，由式(2)确定；在式(2)中，K_i表示匹配成功后的第i阶模态对纵向力的敏感系数，单位Hz/kN。

7.根据权利要求1所述的基于钢轨模态整体变化测量锁定轨温的方法，其特征在于：所述步骤六、依据钢轨纵向力，计算出温升，结合当前钢轨温度，算出锁定轨温；

计算锁定轨温的公式为：

T_锁指测点钢轨锁定轨温，单位℃；T_轨温指当前钢轨温度，单位℃；E指钢轨弹性模量，单位MPa；α指钢轨热膨胀系数，单位1/℃；A指钢轨横截面面积，单位m²。

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