CN114312906B - 浮置板道床及其自振频率检测方法、减振轨道的健康监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光栅阵列的浮置板道床自振频率检测方法，在浮置板上布设光纤光栅阵列振动光缆，选取若干个光纤光栅振动传感器所对应的浮置板表面位置作为力锤激励点；在各力锤激励点进行力锤激励操作，获取力锤激励数据和各振动传感器的振动数据并进行模态分析，以得到浮置板道床的传递函数，传递函数在频率分布上的峰值所对应的频率可判定为浮置板道床的自振频率。另外还涉及减振轨道的健康监测方法以及具有自振频率检测功能的浮置板道床。采用光纤光栅阵列光缆进行检测，检测数据全面，数据丰富度和一致性较高，能准确、可靠地反应浮置板的振动特性以及检测浮置板道床的自振频率，便于维护部门对浮置板道床进行针对性地养护维修。

Description

浮置板道床及其自振频率检测方法、减振轨道的健康监测 方法

技术领域

本发明属于轨道交通工程技术领域，具体涉及一种基于光栅阵列的浮置板道床自振频率检测方法、包括该浮置板道床自振频率检测方法的减振轨道的健康监测方法以及一种具有自振频率检测功能的浮置板道床。

背景技术

浮置板道床(钢弹簧浮置板道床、橡胶弹簧浮置板道床等)是我国地铁中常用的减振轨道结构，其自振性能(自振频率、模态)直接影响减振效果，同时自振性能的变化可间接反映出浮置板道床的服役状态(如隔振元件的刚度等)，因此对浮置板道床的自振频率进行定期检测具有重要意义。采用传统实验手段进行钢弹簧浮置板道床自振频率检测存在试验设备安装操作复杂、效率低下，且需在天窗时间结束前完全出清、无法进行长期的跟踪观测等问题。

发明内容

本发明涉及一种基于光栅阵列的浮置板道床自振频率检测方法、包括该浮置板道床自振频率检测方法的减振轨道的健康监测方法以及一种具有自振频率检测功能的浮置板道床，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明涉及一种基于光栅阵列的浮置板道床自振频率检测方法，包括：

在浮置板上布设振动光缆，所述振动光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列光缆；

选取若干个光纤光栅振动传感器所对应的浮置板表面位置作为力锤激励点；

在各力锤激励点进行力锤激励操作，获取力锤激励数据和各光纤光栅振动传感器的振动数据，基于获得的力锤激励数据和振动数据进行模态分析，以得到浮置板道床的传递函数，传递函数在频率分布上的峰值所对应的频率可判定为浮置板道床的自振频率。

作为实施方式之一，所述振动光缆包括三条纵向缆线，三条纵向缆线分别布置在两条钢轨正下方以及轨道中心线上，相邻两条纵向缆线通过横向缆线连接并使所述振动光缆在浮置板上呈蛇形连续分布，各纵向缆线内均集成有多个光纤光栅振动传感器。

作为实施方式之一，所述振动光缆布置在浮置板表面或者埋设在浮置板内。

作为实施方式之一，在浮置板附近的隧道侧壁上安设数据解调存储计算模块，所述振动光缆与所述数据解调存储计算模块连接，并且在所述数据解调存储计算模块上预留力锤数据接入端口；所述数据解调存储计算模块用于获取所述力锤激励数据和所述振动数据并进行所述模态分析。

作为实施方式之一，所述力锤数据接入端口的数量与所述力锤激励点的数量相同并且一一对应配置。

作为实施方式之一，所述模态分析包括：

将所述力锤激励数据及所述振动数据作拉普拉斯变换，所述力锤激励数据的拉普拉斯变换F(s)与所述振动数据的拉普拉斯变换X(s)之比为浮置板道床的传递函数，传递函数在频率分布上的峰值所对应的频率可判定为浮置板道床的自振频率。

本发明还提供一种减振轨道的健康监测方法，适时对浮置板道床的自振频率进行检测，以指导维护部门对浮置板道床进行养护维修；其中，自振频率的检测方法采用上述的基于光栅阵列的浮置板道床自振频率检测方法。

作为实施方式之一，在运营过程中，获取各光纤光栅振动传感器的振动数据并进行分析，判断减振轨道的健康状况。

本发明还提供一种浮置板道床，包括浮置板，在所述浮置板上布设有振动光缆，所述振动光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列光缆；另外还配置有数据解调存储计算模块，所述振动光缆与所述数据解调存储计算模块连接，并且在所述数据解调存储计算模块上预留力锤数据接入端口；所述数据解调存储计算模块用于获取力锤激励数据和各光纤光栅振动传感器的振动数据，并基于获得的力锤激励数据和振动数据进行模态分析，以得到浮置板道床的传递函数。

作为实施方式之一，所述振动光缆包括三条纵向缆线，三条纵向缆线分别布置在两条钢轨正下方以及轨道中心线上，相邻两条纵向缆线通过横向缆线连接并使所述振动光缆在浮置板上呈蛇形连续分布，各纵向缆线内均集成有多个光纤光栅振动传感器。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明采用光纤光栅阵列光缆进行浮置板道床自振频率的检测，检测数据全面，数据丰富度和一致性较高，能准确、可靠地反应浮置板的振动特性，从而准确地检测浮置板道床的自振频率，便于维护部门对浮置板道床进行针对性地养护维修；另外，在浮置板道床上设置光纤光栅阵列光缆，能长期地进行浮置板道床自振频率的检测，操作方便，能显著地降低检测和维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的振动光缆在浮置板上的布置示意图；

图2为本发明实施例提供的振动光缆在隧道横断面上的布置示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1，本发明实施例提供一种基于光栅阵列的浮置板道床自振频率检测方法，包括：

在浮置板1上布设振动光缆2，所述振动光缆2为集成有多个光纤光栅振动传感器21的光纤光栅阵列光缆；

选取若干个光纤光栅振动传感器21所对应的浮置板1表面位置作为力锤激励点3；

在各力锤激励点3进行力锤激励操作，获取力锤激励数据和各光纤光栅振动传感器21的振动数据，基于获得的力锤激励数据和振动数据进行模态分析，以得到浮置板道床的传递函数，传递函数在频率分布上的峰值所对应的频率可判定为浮置板道床的自振频率。

上述浮置板道床可以是钢弹簧浮置板道床、橡胶弹簧浮置板道床等。

上述振动光缆2为单条光缆内集成有多个光纤光栅振动传感器21的缆线，其为现有产品，具有监测覆盖范围广(根据需要可覆盖10km以上)、测量精度高、传感单元间距小(最小间距可为1cm)等特点，具体结构此处不作赘述。

可选地，上述振动光缆2布置在浮置板1表面或者埋设在浮置板1内；对于埋设在浮置板1内的情况，优选为在浮置板1预制时进行预埋。

在其中一个实施例中，如图，所述振动光缆2包括三条纵向缆线，三条纵向缆线分别布置在两条钢轨正下方以及轨道中心线上，相邻两条纵向缆线通过横向缆线连接并使所述振动光缆2在浮置板1上呈蛇形连续分布，各纵向缆线内均集成有多个光纤光栅振动传感器21。优选地，纵向缆线的长度与浮置板1的长度相同或略小于该浮置板1的长度(本实施例中，为单块浮置板1的长度)，则上述横向缆线主要分布在浮置板1的两端。可选地，每条纵向缆线内，每隔1～3个轨枕布置一个光纤光栅振动传感器21，每个光纤光栅振动传感器21对应于一个振动测点。

在其中一个实施例中，单块浮置板1上，选取3～4个力锤激励点3。优选为对各力锤激励点3进行编号，便于数据的获取和存储及分析。根据具体情况(例如锤击力大小、力锤激励点3分布等)，可依次对各力锤激励点3进行激励操作，也可以选择其中某几个力锤激励点3同时进行激励操作等。

在其中一个实施例中，如图，在浮置板1附近的隧道侧壁上安设数据解调存储计算模块5，所述振动光缆2与所述数据解调存储计算模块5连接，并且在所述数据解调存储计算模块5上预留力锤数据接入端口；所述数据解调存储计算模块5用于获取所述力锤激励数据和所述振动数据并进行所述模态分析。其中，该数据解调存储计算模块5能对各光纤光栅振动传感器21传送过来的振动信息进行解调处理，例如其集成有光纤光栅解调模块，光纤光栅解调模块可采用常规的光纤光栅解调仪。可由其中一条纵向缆线的末端引出横向连接缆线21并延伸至与该数据解调存储计算模块5连接。优选地，所述力锤数据接入端口的数量与所述力锤激励点3的数量相同并且一一对应配置。另外，优选地，上述数据解调存储计算模块5还具有显示模块，可以实时显示模态分析的结果。

在其中一个实施例中，所述模态分析包括：将所述力锤激励数据及所述振动数据作拉普拉斯变换，所述力锤激励数据的拉普拉斯变换F(s)与所述振动数据的拉普拉斯变换X(s)之比为浮置板道床的传递函数，传递函数在频率分布上的峰值所对应的频率可判定为浮置板道床的自振频率。其中，传递函数是描述线性结构动态特性的基本数学工具之一，结构频率特性与传递函数的关系可表达为H(jω)＝H(s)|_s＝jω，其中，H(jω)为结构频率特性，H(s)为传递函数，H(s)＝F(s)/X(s)。

本发明实施例采用光纤光栅阵列光缆进行浮置板道床自振频率的检测，检测数据全面，数据丰富度和一致性较高，能准确、可靠地反应浮置板1的振动特性，从而准确地检测浮置板道床的自振频率，便于维护部门对浮置板道床进行针对性地养护维修；另外，在浮置板道床上设置光纤光栅阵列光缆，能长期地进行浮置板道床自振频率的检测，操作方便，能显著地降低检测和维护成本。

实施例二

本发明实施例提供一种减振轨道的健康监测方法，该方法包括：

适时对浮置板道床的自振频率进行检测，以指导维护部门对浮置板道床进行养护维修；其中，自振频率的检测方法采用上述实施例一所提供的基于光栅阵列的浮置板道床自振频率检测方法。

进一步地，在运营过程中，获取各光纤光栅振动传感器21的振动数据并进行分析，判断减振轨道的健康状况，例如当振动数据出现异常时，可由维护部门检测对应位置处的钢弹簧隔振器是否正常，例如可以获得列车通过等情况下钢轨、道床等结构件中振动沿轨道纵向的传播和衰减规律，利于工务部门对各部分结构的健康监控，例如能较好地掌握扣件状态、钢轨状态等；同时也能实时地监控隧道内存在的异物入侵等异常情况，便于能及时地排除安全隐患。

在其中一个实施例中，如图，上述横向连接缆线21(即由其中一条纵向缆线的末端引出并延伸至与数据解调存储计算模块5连接的缆线)自浮置板1顶面横向延伸，依次布设经过道床侧面、隧道回填层4的表面和隧道侧壁，该横向连接缆线21内集成有多个光纤光栅振动传感器21。

在其中一个实施例中，在轨道结构上和隧道结构上相应地开设振动监测槽以埋设横向连接缆线21，上述振动监测槽优选为采用混凝土填充，保证对横向连接缆线21的固定，优选为采用高强、快凝混凝土填充振动监测槽。相应地，在道床顶面、道床侧面、隧道回填层4顶面、隧道回填层4侧面以及隧道侧壁上分别开设振动监测槽，这些振动监测槽依次连通，以便于横向连接缆线21的布设。上述振动监测槽在轨道结构和隧道结构的表面开设，开浅槽布线即可，可选地，振动监测槽的槽深在15～25mm范围内。也可以直接将横向连接缆线21布设在各结构表面。

上述数据解调存储计算模块5还用于获得横向连接缆线21内的光纤光栅振动传感器21的振动数据，并分析隧道断面上的振动横向传播和衰减特性，判断隧道断面上的振动横向传播和衰减特性是否异常，若异常，指导工务部门对隧道断面上的轨道结构和隧道结构进行检测维护。

上述横向连接缆线21在道床、轨道底座、隧道回填层4和隧道侧壁上延伸布设，可实现沿振动横向传播路径的全路径连续振动监测，监测数据具有全面性、丰富性和实时有效性，能可靠地分析获得隧道地段振动横向传播和衰减特性，利于工务部门对隧道横断面的健康监控；并且能实时地掌握隧道内异常波动发生情况，保证能及时地排除安全隐患。

进一步优选地，上述横向连接缆线21还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上。相应地，可采用在隧道围岩中钻孔等方式以布设横向连接缆线21，隧道围岩中的布线孔可采用灌注浆等填充。从而，可获取轨道-隧道-土体-地面的横向振动传播路径，便于掌握隧道振动横向传播至地面的传播和衰减特性，便于相关部门掌握铁路振动对沿线建筑物的影响，从而能采取相应措施以减少或消除这种影响，达到保护隧道沿线建筑物的目的。

上述横向连接缆线21内的光纤光栅振动传感器21的密度可根据具体情况进行设定，例如相邻两个光纤光栅振动传感器21之间的间距在0.1～0.2m范围内。

结合上述纵向缆线的振动监测功能与横向连接缆线21的振动监测功能，能准确、便捷而快速地掌握减振轨道的健康状况，因此能显著地提高轨道运营安全性。

实施例三

本发明实施例提供一种浮置板道床，包括浮置板1，在所述浮置板1上布设有振动光缆2，所述振动光缆2为集成有多个光纤光栅振动传感器21的光纤光栅阵列光缆；另外还配置有数据解调存储计算模块5，所述振动光缆2与所述数据解调存储计算模块5连接，并且在所述数据解调存储计算模块5上预留力锤数据接入端口；所述数据解调存储计算模块5用于获取力锤激励数据和各光纤光栅振动传感器21的振动数据，并基于获得的力锤激励数据和振动数据进行模态分析，以得到浮置板道床的传递函数。

该浮置板道床的具体结构可参考上述实施例一中的相关内容，例如振动光缆2包括三条纵向缆线、数据解调存储计算模块5设置在浮置板1附近的隧道侧壁上等，此处不作一一赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种减振轨道的健康监测方法，其特征在于，适时对浮置板道床的自振频率进行检测，以指导维护部门对浮置板道床进行养护维修；其中，自振频率的检测方法包括：

在浮置板上布设振动光缆，所述振动光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列光缆；

选取若干个光纤光栅振动传感器所对应的浮置板表面位置作为力锤激励点；

在各力锤激励点进行力锤激励操作，获取力锤激励数据和各光纤光栅振动传感器的振动数据，基于获得的力锤激励数据和振动数据进行模态分析，以得到浮置板道床的传递函数，传递函数在频率分布上的峰值所对应的频率可判定为浮置板道床的自振频率；

所述模态分析包括：将所述力锤激励数据及所述振动数据作拉普拉斯变换，所述力锤激励数据的拉普拉斯变换F(s)与所述振动数据的拉普拉斯变换X(s)之比为浮置板道床的传递函数；

所述振动光缆通过横向连接缆线与数据解调存储计算模块连接，所述横向连接缆线自浮置板顶面横向延伸，依次布设经过道床侧面、隧道回填层的表面和隧道侧壁，该横向连接缆线内集成有多个光纤光栅振动传感器；

所述数据解调存储计算模块还用于获得横向连接缆线内的光纤光栅振动传感器的振动数据，并分析隧道断面上的振动横向传播和衰减特性，判断隧道断面上的振动横向传播和衰减特性是否异常，若异常，指导工务部门对隧道断面上的轨道结构和隧道结构进行检测维护。

2.如权利要求1所述的减振轨道的健康监测方法，其特征在于：

所述振动光缆包括三条纵向缆线，三条纵向缆线分别布置在两条钢轨正下方以及轨道中心线上，相邻两条纵向缆线通过横向缆线连接并使所述振动光缆在浮置板上呈蛇形连续分布，各纵向缆线内均集成有多个光纤光栅振动传感器。

3.如权利要求1或2所述的减振轨道的健康监测方法，其特征在于：

所述振动光缆布置在浮置板表面或者埋设在浮置板内。

4.如权利要求1或2所述的减振轨道的健康监测方法，其特征在于：

在浮置板附近的隧道侧壁上安设数据解调存储计算模块，所述振动光缆与所述数据解调存储计算模块连接，并且在所述数据解调存储计算模块上预留力锤数据接入端口；所述数据解调存储计算模块用于获取所述力锤激励数据和所述振动数据并进行所述模态分析。

5.如权利要求4所述的减振轨道的健康监测方法，其特征在于：

所述力锤数据接入端口的数量与所述力锤激励点的数量相同并且一一对应配置。

6.如权利要求1所述的减振轨道的健康监测方法，其特征在于：在运营过程中，获取各光纤光栅振动传感器的振动数据并进行分析，判断减振轨道的健康状况。

7.一种浮置板道床，包括浮置板，其特征在于：在所述浮置板上布设有振动光缆，所述振动光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列光缆；另外还配置有数据解调存储计算模块，所述振动光缆与所述数据解调存储计算模块连接，并且在所述数据解调存储计算模块上预留力锤数据接入端口；所述数据解调存储计算模块用于获取力锤激励数据和各光纤光栅振动传感器的振动数据，并基于获得的力锤激励数据和振动数据进行模态分析，以得到浮置板道床的传递函数；

所述振动光缆通过横向连接缆线与所述数据解调存储计算模块连接，所述横向连接缆线自浮置板顶面横向延伸，依次布设经过道床侧面、隧道回填层的表面和隧道侧壁，该横向连接缆线内集成有多个光纤光栅振动传感器；

所述数据解调存储计算模块还用于获得横向连接缆线内的光纤光栅振动传感器的振动数据，并分析隧道断面上的振动横向传播和衰减特性，判断隧道断面上的振动横向传播和衰减特性是否异常，若异常，指导工务部门对隧道断面上的轨道结构和隧道结构进行检测维护。

8.如权利要求7所述的浮置板道床，其特征在于：所述振动光缆包括三条纵向缆线，三条纵向缆线分别布置在两条钢轨正下方以及轨道中心线上，相邻两条纵向缆线通过横向缆线连接并使所述振动光缆在浮置板上呈蛇形连续分布，各纵向缆线内均集成有多个光纤光栅振动传感器。

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