CN115791456B - 一种铁路有砟轨道刚度评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路有砟轨道刚度评价方法，通过室内试验对标准道床块做刚度测试，绘制标准道床块的荷载‑位移曲线；基于荷载‑位移曲线，拟合得到关于道床刚度与测试标量的关系函数；根据所述关系函数，得到基于测试标量的刚度评价标准；在待测轨道上做落锤试验，根据落锤试验的结果计算待测轨道的测试标量；基于待测轨道的测试标量与所述刚度评价标准，评价待测轨道的刚度状态。本发明提供一种铁路有砟轨道刚度评价方法，以解决现有技术仅能够测试道床支承刚度，且计算量大、效率低下的问题，实现能够快速高效的对道床支承以及轨道系统的刚度进行评价的目的。

Description

一种铁路有砟轨道刚度评价方法
技术领域
本发明涉及有砟轨道刚度分析领域，具体涉及一种铁路有砟轨道刚度评价方法。
背景技术
有砟轨道是我国最主要的线路形式，而道床支承刚度是反应轨道服役状态，保障列车安全平稳运营的关键指标，如轨枕空吊、三角坑等病害就是因道床局部支承不良而导致的。既有的道床支承刚度测试方法主要存在以下缺陷：（1）传统方法通过拆卸扣件垫板后，由液压千斤顶以及位移计进行力-位移曲线的测试，该方法费时费力、效率低下、准确度差，并且测量得到的是静刚度，与列车荷载作用下的动刚度存在较大差异难以准确反映道床的真实力学状态；（2）现有技术中，中国专利申请CN103774512A公开了通过落锤冲击对道床支承刚度做动态检测的设备，但是该设备只是将传统的千斤顶静态加载改为由落锤动态加载，同样存在计算量大、效率低下的问题，无法适用于对大量现场轨道刚度的快速评价；（3）现有技术只能够通过试验计算道床支承刚度，缺乏对其合理的评价标准；（4）传统的计算方法仅适用于测试道床支承刚度，无法用于测试和评价钢轨、扣件、道床等轨道系统的系统刚度。
发明内容
本发明提供一种铁路有砟轨道刚度评价方法，以解决现有技术仅能够测试道床支承刚度，且计算量大、效率低下的问题，实现能够快速高效的对道床支承以及轨道系统的刚度进行评价的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种铁路有砟轨道刚度评价方法，包括：
通过室内试验对标准道床块做刚度测试，绘制标准道床块的荷载-位移曲线；
基于荷载-位移曲线，拟合得到关于道床刚度与测试标量的关系函数；
根据所述关系函数，得到基于测试标量的刚度评价标准；
在待测轨道上做落锤试验，根据落锤试验的结果计算待测轨道的测试标量；
基于待测轨道的测试标量与所述刚度评价标准，评价待测轨道的刚度状态。
针对现有技术中只能够针对道床支承刚度进行检测，且检测的过程计算量大、效率低下的问题，本发明提出一种铁路有砟轨道刚度评价方法，本方法首先通过室内试验对标准道床块做刚度测试，得到该标准道床块的荷载-位移曲线；其中的室内试验是指在实验室内所采用的现有刚度测试方法。然后基于所得到的荷载-位移曲线，拟合得到关系函数，该关系函数需体现道床刚度与测试标量之间的关系；其中的测试标量为通过所得到的关系函数，能够体现出与道床刚度相关性的参数，其具体的参数选取在此不做限定。之后，由关系函数得到基于测试标量的刚度评价标准，至此，完成前期准备工作，即可进行现场测试与评价。本申请的现场测试即是在现场的待测轨道上做落锤试验，根据落锤试验的结果计算待测轨道的测试标量，然后将计算得到的实际测试标量代入至刚度评价标准中，即可得到所需的刚度状态评价结果。本申请中的待测轨道，可以是轨枕端部的道床支承、还可以是轨枕中部的包括了钢轨、扣件和道床等整体的轨道系统。
本申请通过测试标量的引入，得到测试标量与道床刚度之间的关联，后续只需计算被测轨道的测试标量即可对其刚度进行有效评价，克服了现有技术需要在对每个被测轨道做现场测试后、逐一通过大量计算来获得被测轨道刚度的不足，显著减少了轨道刚度分析的计算量、提高了评价效率，在批量的轨道刚度评价上具有显著的工程应用价值；其中，创造性的提出了一套基于测试标量的、适用于有砟轨道的刚度评价标准的获得方法，填补了现有技术的空白；此外，本方法同时适用于评价道床支承刚度和钢轨、扣件、道床等轨道系统的刚度，相较于现有技术仅能够用于测试道床支承刚度而言，显著扩大了适用范围。
进一步的，所述标准道床块为聚氨酯固化道床块。聚氨酯固化道床块的生产制备误差较小，有利于提高室内试验的精度，进而提高对测试标量的标定精度。
进一步的，所述关系函数通过如下方法拟合得到：
在所述荷载-位移曲线上选取三个特征点，分别计算三个特征点对应的荷载-位移曲线的切线斜率；
以测试标量作为自变量、以标准道床块的实测刚度作为因变量，采用三次函数对三个切线斜率进行拟合，得到关系函数。
本方案给出了关系函数的具体拟合方法，该方法以荷载-位移曲线上三个特征点处的切线斜率作为关系函数中的测试标量，以此为依据进行拟合。经发明人实验证实，该方法得到的关系函数能够充分表征测试标量与刚度之间的关系，其平均误差率小于5%，在实际工程运用中能够直接通过测试标量估算实际刚度值，以避免需要通过大量繁琐的计算过程来求取实际刚度。其中，所述特征点为能够代表荷载-位移曲线基本走势的点，如曲线的拐点和/或曲线平稳延伸时的点。
进一步的，三个特征点为荷载分别取待测轨道上列车轮轨力实测值的25%、50%、75%时，荷载-位移曲线上的对应点。经发明人实验证实，本方案中三个特征点的取值，能够有效表征荷载-位移曲线的趋势。
进一步的，所述三次函数为：
；
式中， k r 为道床刚度， k为测试标量， a、 b、 c、 d均为标定系数。将三个特征点所对应的切线斜率代入该三次函数公式中，即可求得各标定系数的值。
进一步的，所述得到基于测试标量的刚度评价标准的方法包括：
建立局部轨下弹簧本构模型，得到动位移计算公式，所述动位移计算公式中包括若干变量；
采用标准测试方法做若干组现场道床刚度测试，得到所述变量的取值；
确定动位移的临界条件；
将所述变量的取值与所述临界条件代入动位移计算公式中，得到在临界条件下的道床刚度；
将临界条件下的道床刚度代入所述关系函数中，得到在临界条件下的测试标量；
根据临界条件下的测试标量，建立基于测试标量的刚度评价标准。
本方法首先建立局部轨下弹簧本构模型，确定其动位移计算公式中除了刚度值以外的其余一个或多个变量，然后由标准测试方法做现场测试，以此得到对应变量的取值。其中，所述标准测试方法可以是本领域技术人员能够实现的任意标准方法，如TB/T3448-2016中规定的铁路碎石道床状态参数测试方法。通过标准测试方法进行的现场道床刚度测试的数量在此不做限定，当然，其测试组的数量越多，所得到的变量取值的精度越高。
之后确定动位移的临界条件，动位移的临界条件可以有若干过，如可以包括根据本领域内的相关规范或标准所得到的有砟轨道动位移极限值，和/或道床在不同状态交界时的动位移临界值。将所有的临界条件下的道床刚度代入前述关系函数中，即可得到在各临界条件下的测试标量，进而建立本申请所需的刚度评价标准。
进一步的，根据落锤试验的结果计算待测轨道的测试标量的方法包括：
获取落锤试验的试验结果，所述试验结果包括：落锤对待测轨道的冲击力、待测轨道位移、待测轨道在冲击过程中的最大位移；
将所述试验结果，代入测试标量计算公式，计算待测轨道的测试标量。
其中，冲击力以及位移可由位于落锤实验装置的承载板/承力板内的压力传感器、位移传感器等实测得到。
进一步的，所述测试标量计算公式通过如下方法建立：
将轨道假设为弹簧质子，建立落锤重力与弹簧弹力的平衡方程，定义为方程一；
建立落锤下落过程中的动量方程，在所述动量方程的两侧对时间积分，得到方程二；
建立从落锤开始下落到待测轨道位移量最大过程中的能量守恒方程，定义为方程三；
联立方程一、方程二、方程三，得到测试标量计算公式；
其中，所述测试标量位于方程一、方程二、方程三中的任意一个或多个中。
本方案给出了测试标量计算公式的详细建立方法，该方法中对轨道做了弹簧质子假设，通过牛顿第三定律、动量定理和能量守恒原理来实现公式建立，整个过程科学合理，确保了在实际工程运用中对测试标量的快速准确的计算。
进一步的，所述测试标量计算公式为：
式中： k为测试标量， F为落锤对待测轨道的冲击力， s为待测轨道位移， s 0为待测轨道在冲击过程中的最大位移， m为落锤质量， t为冲击时长，∫ Fdt为 F随时间的积分，∫ sdt为 s随时间的积分。
进一步的，在所述落锤试验中，使落锤对待测轨道的冲击动能为186.13J~201.13J。本案发明人在大量研究过程中发现，落锤对待测轨道的冲击动能在此区间范围内时，拟合得到的关系函数的误差率较低；落锤的冲击动能高于或低于该区间范围，都会导致误差增大，严重时甚至超出工程可接受范围。需要说明的是，本方案中限定的区间范围186.13J~201.13J，包含了两端端点186.13J和201.13J。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种铁路有砟轨道刚度评价方法，引入了测试标量，得到测试标量与道床刚度之间的关联，只需计算被测轨道的测试标量即可对其刚度进行有效评价，克服了现有技术需要在对各被测轨道做现场测试后、需要逐一通过大量计算来获得被测轨道刚度的不足，显著降低了轨道刚度分析的计算量、提高了评价效率，在批量的轨道刚度评价上具有显著的工程应用价值。
2、本发明一种铁路有砟轨道刚度评价方法，提出了一套基于测试标量的、适用于有砟轨道的刚度评价标准的获得方法，填补了现有技术的空白。
3、本发明一种铁路有砟轨道刚度评价方法，同时适用于评价道床支承刚度和钢轨、扣件、道床等轨道系统的刚度，相较于现有技术仅能够用于测试道床支承刚度而言，显著扩大了适用范围。
4、本发明一种铁路有砟轨道刚度评价方法，提出了关系函数的具体拟合方法，通过该方法得到的关系函数能够充分表征测试标量与刚度之间的关系，其平均误差率小于5%，在实际工程运用中能够直接通过测试标量估算实际刚度值，以避免需要通过大量繁琐的计算过程来求取实际刚度。
5、本发明一种铁路有砟轨道刚度评价方法，可通过落锤试验来计算待测轨道的测试标量，确保了在实际工程运用中对测试标量的快速准确的计算。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例的流程示意图；
图2为本发明具体实施例中的荷载-位移曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
实施例1
一种铁路有砟轨道刚度评价方法，其流程如图1所示，主要包括：
通过室内试验对标准道床块做刚度测试，绘制标准道床块的荷载-位移曲线；
基于荷载-位移曲线，拟合得到关于道床刚度与测试标量的关系函数；
根据所述关系函数，得到基于测试标量的刚度评价标准；
在待测轨道上做落锤试验，根据落锤试验的结果计算待测轨道的测试标量；
基于待测轨道的测试标量与所述刚度评价标准，评价待测轨道的刚度状态。
其中，室内试验所采用的标准道床块为聚氨酯固化道床块，该聚氨酯固化道床块参考TJ/GW164-2020《装配式聚氨酯弹性道床块暂行技术条件》进行制备。
实施例2
一种铁路有砟轨道刚度评价方法，在实施例1的基础上：
关于道床刚度与测试标量的关系函数可表达为如下三次函数形式：
；
式中， k r 为道床刚度， k为测试标量， a、 b、 c、 d均为标定系数。其拟合方法为：
在所述荷载-位移曲线上选取三个特征点，分别计算三个特征点对应的荷载-位移曲线的切线斜率；以测试标量作为自变量、以标准道床块的实测刚度作为因变量，将实测刚度作为该三次函数中的 kr值、将三个特征点所对应的切线斜率作为三次函数中的 k值，代入该三次函数中，求得标定系数 a、 b、 c、 d的值，完成对该三次函数的拟合，得到所需的关系函数。
本实施例中得到的荷载-位移曲线如图2所示，该曲线按其走势从左往右可分为缓慢上升段、弯曲突变段、快速上升段三个部分，因此本实施例中以缓慢上升段和弯曲突变段之间的拐点、弯曲突变段和快速上升段之间的拐点、以及快速上升段中的某一点作为三个特征点，该三个特征点分别对应的荷载为10kN、26kN、45kN，图2中示出了该三个特征点各自分别对应的切线，计算其斜率即可。
此外，除了如图2所示的特征点选取方法之外，本实施例还可由缓慢上升段中的某一点、取缓慢上升段和弯曲突变段之间的拐点、弯曲突变段和快速上升段之间的拐点，分别作为三个特征点。
在更为优选的实施方式中，三个特征点为荷载分别取被测的运营线路上，列车轮轨力实测值的25%、50%、75%时，荷载-位移曲线上的对应点。
实施例3
一种铁路有砟轨道刚度评价方法，在上述任一实施例的基础上，本实施例通过如下方法得到基于测试标量的刚度评价标准：
建立局部轨下弹簧本构模型，得到动位移计算公式如下：
式中： S为动位移， k f 为扣件垫板刚度， k r 为道床刚度， F为单个轨枕上对应的轮轨力与动载安全系数的乘积。
在该动位移计算公式中， k f 和 F为变量。
采用标准测试方法做若干组现场道床刚度测试，得到所述变量的取值，具体的：本实施例依据TB/T3448-2016《铁路碎石道床状态参数测试方法》对现场道床刚度进行测试，由于有砟轨道刚度较为离散，因此本实施例测量了超过100组数据，得到 k f 取60， F取68KN。
然后确定动位移的临界条件：参照《高速铁路工程动态验收技术规范》，得到有砟轨道动位移不得超过2.5mm的限值要求，代入动位移计算公式中可得当 k r 小于50的时候，不满足标准，判定轨枕空吊；
再在满足标准的前提下（即 k r ≥50时），对不同道床刚度所对应的道床状态做分类，最终得到如表1所示的基于 k r 的状态评价标准：
表1 基于 k r 的刚度评价标准
本实施例还可将表1中的各 k r 代入实施例2中拟合得到的关系函数 k r =ak 3+ bk 2+ ck+ d中，将表1中的各 k r 转换为测试标量 k，即得到了基于测试标量的刚度评价标准。
实施例4
一种铁路有砟轨道刚度评价方法，在上述任一实施例的基础上，本实施例中的落锤试验由控制器、落锤、导向杆、弹簧阻尼器、测力承载板等设备完成，在测试时，先将测力承载板放在轨枕或钢轨正上方，随后通过控制器释放落锤进行冲击，通过测试承载板内置的传感器获取装置在冲击过程中受到的冲击力及位移。在用于评价道床支承刚度时，将该设备放置在轨枕端部进行试验；在用于评价轨道系统整体刚度时，将该设备放置在钢轨中心进行试验。
本实施例中通过如下方法计算待测轨道的测试标量：
获取落锤试验的试验结果，所述试验结果包括：落锤对待测轨道的冲击力、待测轨道位移、待测轨道在冲击过程中的最大位移；将所述试验结果，代入测试标量计算公式，计算待测轨道的测试标量。
本实施例中通过如下方法建立测试标量计算公式：
将轨道假设为弹簧质子，建立落锤重力与弹簧弹力的平衡方程，定义为方程一；
建立落锤下落过程中的动量方程，在所述动量方程的两侧对时间积分，得到方程二；
建立从落锤开始下落到待测轨道位移量最大过程中的能量守恒方程，定义为方程三；
联立方程一、方程二、方程三，得到测试标量计算公式；
其中，所述测试标量位于方程一、方程二、方程三中的任意一个或多个中。
优选的，本实施例以弹簧质子的系统刚度作为测试标量 k。
本实施例中最终得到的测试标量计算公式为：
式中： k为测试标量， F为落锤对待测轨道的冲击力， s为待测轨道位移， s 0为待测轨道在冲击过程中的最大位移， m为落锤质量， t为时间，∫ Fdt为 F随时间的积分，∫ sdt为 s随时间的积分。
在更为优选的实施方式中，限定落锤对待测轨道的冲击动能在186.13J~201.13J范围内。
其中，落锤对待测轨道的冲击动能由如下公式计算：
式中： E k 为冲击动能； t为冲击时长； F( t)为冲击力； t e， t b分别为冲击起始时间、结束时间； m为落锤质量。
实施例5
一种铁路有砟轨道刚度评价系统，包括：
荷载-位移曲线模块：根据输入的标准道床块室内试验刚度测试数据，绘制标准道床块的荷载-位移曲线；
函数模块：用于获取荷载-位移曲线，并拟合得到关于道床刚度与测试标量的关系函数；
标准模块：用于根据关系函数，建立基于测试标量的刚度评价标准；
输入模块：用于输入待测轨道上的落锤试验结果；
评价模块：根据试验结果计算测试标量，评价待测轨道的刚度状态；
输出模块：输出评价结果。
实施例6
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例1至4中任一记载方法的步骤。
本实施例实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序可存储于计算机可读存介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读取介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器、随机存储器、点载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。
所述处理器可以是中央处理器，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现成可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (7)

1.一种铁路有砟轨道刚度评价方法，其特征在于，包括：
通过室内试验对标准道床块做刚度测试，绘制标准道床块的荷载-位移曲线；
基于荷载-位移曲线，拟合得到关于道床刚度与测试标量的关系函数；
根据所述关系函数，得到基于测试标量的刚度评价标准；
在待测轨道上做落锤试验，根据落锤试验的结果计算待测轨道的测试标量；
基于待测轨道的测试标量与所述刚度评价标准，评价待测轨道的刚度状态；
所述关系函数通过如下方法拟合得到：
在所述荷载-位移曲线上选取三个特征点，分别计算三个特征点对应的荷载-位移曲线的切线斜率；
以测试标量作为自变量、以标准道床块的实测刚度作为因变量，采用三次函数对三个切线斜率进行拟合，得到关系函数；
所述三次函数为：k r  =ak 3+bk 2+ck+d；式中，k r 为道床刚度，k为测试标量，a、b、c、d均为标定系数；
所述测试标量计算公式为：
；
式中：k为测试标量，F为落锤对待测轨道的冲击力，s为待测轨道位移，s 0为待测轨道在冲击过程中的最大位移，m为落锤质量，t为冲击时长，∫Fdt为F随时间的积分，∫sdt为s随时间的积分。
2.根据权利要求1所述的一种铁路有砟轨道刚度评价方法，其特征在于，所述标准道床块为聚氨酯固化道床块。
3.根据权利要求1所述的一种铁路有砟轨道刚度评价方法，其特征在于，三个特征点为荷载分别取待测轨道上列车轮轨力实测值的25%、50%、75%时，荷载-位移曲线上的对应点。
4.根据权利要求1所述的一种铁路有砟轨道刚度评价方法，其特征在于，所述得到基于测试标量的刚度评价标准的方法包括：
建立局部轨下弹簧本构模型，得到动位移计算公式，所述动位移计算公式中包括若干变量；
采用标准测试方法做若干组现场道床刚度测试，得到所述变量的取值；
确定动位移的临界条件；
将所述变量的取值与所述临界条件代入动位移计算公式中，得到在临界条件下的道床刚度；
将临界条件下的道床刚度代入所述关系函数中，得到在临界条件下的测试标量；
根据临界条件下的测试标量，建立基于测试标量的刚度评价标准。
5.根据权利要求1所述的一种铁路有砟轨道刚度评价方法，其特征在于，根据落锤试验的结果计算待测轨道的测试标量的方法包括：
获取落锤试验的试验结果，所述试验结果包括：落锤对待测轨道的冲击力、待测轨道位移、待测轨道在冲击过程中的最大位移；
将所述试验结果，代入测试标量计算公式，计算待测轨道的测试标量。
6.根据权利要求5所述的一种铁路有砟轨道刚度评价方法，其特征在于，所述测试标量计算公式通过如下方法建立：
将轨道假设为弹簧质子，建立落锤重力与弹簧弹力的平衡方程，定义为方程一；
建立落锤下落过程中的动量方程，在所述动量方程的两侧对时间积分，得到方程二；
建立从落锤开始下落到待测轨道位移量最大过程中的能量守恒方程，定义为方程三；
联立方程一、方程二、方程三，得到测试标量计算公式；
其中，所述测试标量位于方程一、方程二、方程三中的任意一个或多个中。
7.根据权利要求1所述的一种铁路有砟轨道刚度评价方法，其特征在于，在所述落锤试验中，使落锤对待测轨道的冲击动能为186.13J~201.13J。
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