CN117842139A - 一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，包括：S1、在隧道的多个断面上布设测点；S2、数据采集：采集车辆运行过程中噪声数据；S3、噪声数据预处理：对列车通过时段的噪声信号进行截取；S4、自功率谱估计：计算半功率带宽内的功率DH‑peak以及半功率带宽内的等效平均功率Deq；S5，构建轨旁噪声波磨指数，将轨旁噪声波磨指数定义为NCI：以及S6，利用轨旁噪声波磨指数评价钢轨波磨。本发明基于轨旁噪声时域、频域信息分析钢轨波磨劣化程度，对波磨发展程度进行定量评价，可大幅提高轨道声学诊断精度，有助于建立行业规范标准。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，具体为一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法。
背景技术
为解决城市轨道交通引起的环境振动问题，通常会在振动与噪声敏感点采取轨道减振措施，如浮置板轨道、梯形轨枕、剪切型扣件等，某些地铁线路减振轨道总里程甚至超过了总里程的50％，此外，受城市规划限制，轨道交通线路设计会有较多的小半径曲线。列车行驶至减振轨道上，尤其是在小半径曲线段，通常会因为轮轨刚度不匹配、轮轨共振等问题引起钢轨病害，最常见问题就是造成钢轨异常波浪形磨耗(简称波磨)。钢轨波磨是钢轨顶部沿其纵向出现一种规律性的类似波浪形状的周期性不平顺磨损现象，是减振轨道上最常见的病害，若不及时处理会加剧轮轨之间的振动噪声，增大轮轨力，长期下去还会导致扣件失效，车辆部件损坏等，这种损伤不仅会增加系统的维护成本，还给地铁运营带来安全隐患
目前国内还没有相应的针对钢轨波磨测试评价的规范，研究中多采用欧盟国际标准组织给出的《BS EN ISO3095:2014铁路专用标准-声学-列车车轮与钢轨踏面之间的系统引起的噪音测量》标准，评价指标为粗糙度级(Lr)与移动波深幅值峰峰平均值(PPR)。地铁运营单位大多时候是采用计划检修的方法对钢轨波磨进行定量测试以及进行钢轨打磨，波磨发现与维修不及时会加快车辆、轨道系统关系恶化，过度维修则会浪费运维成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种方法，可以实时监测钢轨波磨的发展，掌握波磨动态发展状况，并且实时评估钢轨波磨的损伤程度，让运营单位及时发现钢轨波磨与发展程度，使其有计划、有目的的维修，节约运维成本。
更具体地，实施方案提供一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，包括：
S1、在隧道的多个断面上布设测点；
S2、数据采集：采集车辆运行过程中噪声数据；
S3、噪声数据预处理：对列车通过时段的噪声信号进行截取；
S4、自功率谱估计：基于预处理后的数据，计算轨旁噪声自功率谱中峰值的一半所对应的频率区间中曲线所围成的面积，即半功率带宽内的功率DH-peak，以及无波磨状态下统计得到的等效自功率谱幅值曲线与对应DH-peak频率所确定区间内的面积，即半功率带宽内的等效平均功率Deq，具体计算方法如下：
Deq＝peqgΔf
其中，f1与f2为滤波频段，即f1＝200Hz，f2＝2000Hz，p(f)为无波磨状态下轨旁噪声的功率谱密度，n为统计断面数，Δf为半功率带宽；
S5，构建轨旁噪声波磨指数，将轨旁噪声波磨指数定义为NCI：
S6，利用轨旁噪声波磨指数评价钢轨波磨。
根据本发明的实施方案，其中步骤S2中，采样频率f不低于4096Hz，优选8192Hz，采样时长60s，测量物理量为声压。
根据本发明的实施方案，其中步骤S3包括利用列车通过时的噪声时程信号，对整个行车过程进行声压级随时间变化曲线的计算，用声压级最大值Lmax减去10dB(A)值前后对应的时间即为噪声测点截取数据的有效时间。获取行车过程的有效噪声信号后，对噪声信号进行200～2000Hz频率区间带通滤波处理。
根据本发明的实施方案，其中步骤S4中，断面数n不小于100。
根据本发明的实施方案，其中根据不同轨道类型、不同断面形式、不同轴重、不同曲线半径等因素选择断面类型。
根据本发明的实施方案，其中步骤S5中，还包括构建轨旁噪声日波磨指数NCId，也即一天所有车次通过时轨旁噪声波磨指数的平均值，
其中，NCIi为第i趟车通过的轨旁噪声波磨指数，s为当天过车车次数。
根据本发明的实施方案，其中步骤S6中，按照NCI或NCId的数值大小对钢轨波磨情况进行分级：NCI或NCId<5，无明显波磨；5≤NCI或NCId<20，轻微波磨(Ⅰ级)；20≤NCI或NCId<50，中度波磨(Ⅱ级)；NCI或NCId≥50，重度波磨(Ⅲ级)。
根据本发明的实施方案，其中步骤S1包括在前端轨道旁固定位置、固定距离布设噪声监测传感器，轨旁噪声测点位置位于远离疏散平台一侧的隧道壁上，安装高度与钢轨上表面平行，指向轮轨接触位置。
附图说明
图1为根据实施方案的基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法的流程示意图；
图2为根据实施方案的基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法的噪声监测传感器布设测点断面示意图；
图3a和3b为根据实施方案的基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法中Deq与DH-peak计算示意图；以及
图4示出了根据实施方案的基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法的具体实施例所获得的一时间段中某钢轨波磨指数NCId值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为根据实施方案的基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法的流程示意图。
请参阅图1，实施方案的基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法首先可以在隧道壁上设置噪声监测系统，来获取相关的噪声信息。
当地铁车辆以一定的速度通过波磨地段时，会产生相应频率的振动，其频率信号在钢轨振动加速度以及轮轨噪声的信号中均有体现。研究发现，钢轨加速度信号仅能体现出钢轨一侧的波磨信号，而轨旁噪声可以同时体现钢轨两侧的波磨信号，因此本发明采用轨旁噪声信号识别钢轨波磨。
图2为根据实施方案的基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法的噪声监测传感器布设测点断面示意图。参考图2，系统噪声监测传感器可以布设在前端轨道旁固定位置、固定距离，轨旁噪声测点位置位于远离疏散平台一侧的隧道壁上，安装高度与钢轨上表面平行，指向轮轨接触位置，测量物理量为声压(单位：Pa)。
布设检测传感器的断面数n可以根据进行选择，例如断面数n不小于100。断面类型的选择可以考虑不同轨道类型(减振、非减振)、不同断面形式(圆形、马蹄形、矩形等)、不同轴重、不同曲线半径(小半径曲线、大半径曲线、直线)等因素。断面数n越多，断面类型越丰富，则越有利于评价方法的精度和准度。
进行数据的采集，采集车辆运行过程中噪声数据。轨旁噪声监测数据实时获取主要可以包括前端轨旁噪声的感知设备布设、声压数据采集、数据预处理、数据存储等多个步骤，可获取城市轨道交通指定断面的每趟列车通过时的声压信号。例如采样频率f不低于4096Hz，优选8192Hz，采样时长60s，测量物理量为声压(单位：Pa)。
采集数据之后，进行轨旁噪声信号预处理。对列车通过时段的噪声信号进行截取。利用列车通过时的噪声时程信号，对整个行车过程进行声压级随时间变化曲线的计算，用声压级最大值Lmax减去10dB(A)值前后对应的时间即为噪声测点截取数据的有效时间。获取行车过程的有效噪声信号后，对噪声信号进行200～2000Hz频率区间带通滤波处理。
然后进行自功率谱估计：基于预处理后的数据，计算轨旁噪声自功率谱中峰值的一半所对应的频率区间中曲线所围成的面积，即半功率带宽内的功率DH-peak，以及无波磨状态下统计得到的等效自功率谱幅值曲线与对应DH-peak频率所确定区间内的面积，即半功率带宽内的等效平均功率Deq，计算方法如下：
Deq＝peqgΔf
其中，f1与f2为滤波频段，即f1＝200Hz，f2＝2000Hz。p(f)为无波磨状态下轨旁噪声的功率谱密度，n为统计断面数，Δf为半功率带宽。
最后，构建轨旁噪声波磨指数并利用轨旁噪声波磨指数评价钢轨波磨。
更具体地，例如上述获得Deq以及DH-peak，来构建轨旁噪声波磨指数NCI：
也即，获得单趟车通过时轨旁噪声波磨指数NC。
为了消除或者减少偶然性误差，进一步提高钢轨波磨评价的准确性，可以构建轨旁噪声日波磨指数NCId，也即，利用一天所有车次通过时轨旁噪声波磨指数的平均值，评价当天钢轨的波磨程度，轨旁噪声日波磨指数NCId为：
其中，NCIi为第i趟车通过的轨旁噪声波磨指数，s为当天过车车次数。
可以将指数NCI和NCIi进行分级，然后用以评价实际钢轨的波磨程度。
按照NCI的数值大小对钢轨波磨情况进行分级：NCI<5，无明显波磨；5≤NCI<20，轻微波磨(Ⅰ级)；20≤NCI<50，中度波磨(Ⅱ级)；NCI≥50，重度波磨(Ⅲ级)。
按照NCId的数值大小对钢轨波磨情况进行分级：NCId<5，无明显波磨；5≤NCId<20，轻微波磨(Ⅰ级)；20≤NCId<50，中度波磨(Ⅱ级)；NCId≥50，重度波磨(Ⅲ级)。
具体案例：
在某地铁线路某个断面布置轨旁噪声测点，采用本发明的波磨指数评价该段钢轨波磨情况，该断面自2022年2月到2023年8月的波磨指数NCId如图4所示：2022年8月对该段钢轨进行打磨，可以看出在打磨前NCId均大于100，波磨问题严重，打磨后NCId小于5，而后随着时间的增长，NCId逐渐增大，说明钢轨波磨逐渐发展；2023年4月，在该段钢轨波磨未进入严重阶段再次进行打磨后，NCId在后续几个月内均小于5，波磨发展缓慢，说明在钢轨波磨未进入严重阶段对波磨进行打磨处理可以减缓钢轨波磨的再生。同时也说明所提的波磨指数NCId对钢轨波磨的预防与处理具有重要意义。
本发明提出一种全新的基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，可以有效的从实时噪声数据监测轨道运行状态，计算钢轨波磨，及时预警存在的风险；本发明所提出的方法不需要夜间巡检即可发现钢轨波磨，并且对波磨发展过程进行监测，使钢轨状态由计划修转变为有目的维修，大幅度节约运维成本。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，其特征在于，包括：
S1、在隧道的多个断面上布设测点；
S2、数据采集：采集车辆运行过程中噪声数据；
S3、噪声数据预处理：对列车通过时段的噪声信号进行截取；
S4、自功率谱估计：基于预处理后的数据，计算轨旁噪声自功率谱中峰值的一半所对应的频率区间中曲线所围成的面积，即半功率带宽内的功率DH-peak，以及无波磨状态下统计得到的等效自功率谱幅值曲线与对应DH-peak频率所确定区间内的面积，即半功率带宽内的等效平均功率Deq，具体计算方法如下：
Deq＝peqgΔf
其中，f1与f2为滤波频段，即f1＝200Hz，f2＝2000Hz，p(f)为无波磨状态下轨旁噪声的功率谱密度，n为统计断面数，Δf为半功率带宽；
S5，构建轨旁噪声波磨指数，将轨旁噪声波磨指数定义为NCI：
S6，利用轨旁噪声波磨指数评价钢轨波磨。
2.根据权利要求1所述的一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，其特征在于：步骤S2中，采样频率f不低于4096Hz，优选8192Hz，采样时长60s，测量物理量为声压。
3.根据权利要求1所述的一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，其特征在于：步骤S3包括利用列车通过时的噪声时程信号，对整个行车过程进行声压级随时间变化曲线的计算，用声压级最大值Lmax减去10dB(A)值前后对应的时间即为噪声测点截取数据的有效时间。获取行车过程的有效噪声信号后，对噪声信号进行200～2000Hz频率区间带通滤波处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，其特征在于：步骤S4中，断面数n不小于100。
5.根据权利要求4所述的一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，其特征在于：根据不同轨道类型、不同断面形式、不同轴重、不同曲线半径等因素选择断面类型。
6.根据权利要求1所述的一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，其特征在于：步骤S5中，还包括构建轨旁噪声日波磨指数NCId，也即一天所有车次通过时轨旁噪声波磨指数的平均值，
其中，NCIi为第i趟车通过的轨旁噪声波磨指数，s为当天过车车次数。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，其特征在于：步骤S6中，按照NCI或NCId的数值大小对钢轨波磨情况进行分级：NCI或NCId<5，无明显波磨；5≤NCI或NCId<20，轻微波磨(Ⅰ级)；20≤NCI或NCId<50，中度波磨(Ⅱ级)；NCI或NCId≥50，重度波磨(Ⅲ级)。
8.根据权利要求1所述的一种基于轨旁噪声的城市轨道交通钢轨波磨评价方法，其特征在于：步骤S1包括在前端轨道旁固定位置、固定距离布设噪声监测传感器，轨旁噪声测点位置位于远离疏散平台一侧的隧道壁上，安装高度与钢轨上表面平行，指向轮轨接触位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |