钢轨弹条扣压力检测装置及方法与流程

1.本发明属于钢轨维检技术领域，具体涉及一种钢轨弹条扣压力检测装置及方法。


背景技术：

2.在铁路工程中，钢轨通过钢轨扣件固定在道床轨枕上，钢轨扣件主要由道钉、轨下垫板、钢轨弹条组成，产生扣压力的主要部件为钢轨弹条，钢轨通过弹条的弯曲和扭曲变形而产生扣压力而固定在轨枕上，由于钢轨弹条是在反复交变的应力下工作，需要长期承受弯曲、扭转、疲劳和腐蚀等多种作用，因此在对钢轨的维检过程中，需要定期测量钢轨弹条的扣压力，以保证轨道车辆运行安全。
3.目前，在维检过程中测量钢轨弹条的扣压力大多是通过人工扭转道钉螺栓，然后通过测量螺栓扭矩以判定弹条扣压力的大小，测试过程繁琐，需要耗费大量人工进行作业，而且这种方式对于弹条扣压力的测量精度较低，测量结果与实际扣压力间的偏差较大，容易导致维检人员对于钢轨弹条的实际扣压状态产生误判，从而增加轨道列车运行的安全隐患。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种钢轨弹条扣压力检测装置及方法，旨在降低钢轨弹条扣压力的检测难度，提高检测精度。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：第一方面，提供一种钢轨弹条扣压力检测装置，包括：自检式敲击锤，锤头内置有压力传感器阵列，在自检式敲击锤敲击钢轨弹条的第一侧肢时，压力传感器阵列用于检测敲击力度和敲击角度；温振传感器，贴装固定于钢轨弹条的第二侧肢上，用于检测钢轨弹条的温度和振动数据；手持式测量仪，内置温振信号采集卡、数据存储卡、控制器，并设有数据显示屏，温振信号采集卡与温振传感器电性连接，控制器与温振信号采集卡、数据存储卡、自检式敲击锤、数据显示屏分别电性连接，数据存储卡内储存有不同温度环境中弹条扣压力与振动频率间的关联数据库。
6.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，手持式测量仪内还设有敲击自检器，敲击自检器与压力传感器阵列和控制器分别电连接，用于在自检式敲击锤的敲击力度和敲击角度超差时发出警告。
7.一些实施例中，压力传感器阵列包括由自检式敲击锤的锤头敲击端中心向边缘发散分布的多个压力传感器，其中，敲击力度为锤头敲击端的中心区域分布的多个压力传感器的检测数据之和，敲击角度由锤头敲击端的边缘区域与中心区域的压力传感器的检测数据偏差计算获得。
8.示例性的，温振传感器包括：
壳体，底壁上设有适于卡装于第二侧肢上的卡扣；振动传感器，设于壳体内，且与温振信号采集卡电性连接，振动传感器的检测端伸出壳体的底壁，并抵接在第二侧肢上；温度传感器，设于壳体内，且与温振信号采集卡电性连接，温度传感器的检测端伸出壳体的底壁，并抵接在第二侧肢上。
9.本发明提供的钢轨弹条扣压力检测装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明钢轨弹条扣压力检测装置，采用的自检式敲击锤能够通过其内置的压力传感器阵列检测其敲击力度和敲击角度，从而能够通过敲击使钢轨弹条获得可控的恒定激振力，同时利用温振传感器能够获取钢轨弹条的温度和其在恒定激振作用下产生的振动频率，并将温度和振动频率通过温振信号采集卡传输至控制器，控制器通过调取数据存储卡储存的关联数据库中的相应数据，即可将对应该温度和振动频率的扣压力数据显示在数据显示屏上，从而使维检人员得到该钢轨弹条准确的扣压力数据，检测过程简单省力，劳动强度低，并考虑了环境温度对于弹条扣压力的影响因素，基于预先试验获取的不同温度环境中弹条扣压力与振动频率间的关联数据库，从而避免人为操作因素对于检测结果的影响，能够提高弹条扣压力的检测精度。
10.第二方面，本发明实施例还提供了一种钢轨弹条扣压力检测方法，包括以下检测步骤：步骤s100、按照实际钢轨扣件结构构建试验模型，采用上述钢轨弹条扣压力检测装置，针对试验模型获取不同温度环境中弹条扣压力与振动频率间的关联数据库；步骤s200、向待检实际钢轨扣件的钢轨弹条上施加恒定激振，并检测钢轨弹条的温度，并根据施加的恒定激振获取钢轨弹条的振动频率；步骤s300、基于钢轨弹条的温度和振动频率，对照关联数据库获取钢轨弹条的实际扣压力。
11.结合第二方面，在一种可能的实现方式中，步骤s100包括：步骤s101、按照实际钢轨扣件结构构建试验模型，其中，试验模型的钢轨和轨座之间设有压力检测传感器；步骤s102、将温振传感器固定在试验模型的钢轨弹条的第二侧肢上，并采用自检式敲击锤垂直敲击该钢轨弹条的第一侧肢；步骤s103、记录步骤s102中的敲击力度，并通过温振传感器获取钢轨弹条的温度和振动频率，通过压力检测传感器获取钢轨弹条的扣压力，建立该温度条件下钢轨弹条的振动频率与其扣压力之间的关联数据；步骤s104、依次改变自检式敲击锤对第一侧肢的敲击力度，重复上述步骤s103，建立在同一温度条件下钢轨弹条的振动频率与其扣压力之间的关联数据；步骤s105、依次改变试验环境温度，重复上述步骤s103和步骤s104，建立关联数据库。
12.具体的，在步骤s102中，通过自检式敲击锤内置的压力传感器阵列检测其敲击力度和敲击角度，并在其敲击角度超差时调整敲击角度重新敲击。
13.具体的，在步骤s105中，环境温度的试验变化范围为-20～60℃一些实施例中，步骤s200包括：
步骤s201、采用自检式敲击锤对钢轨弹条的第一侧肢施加恒定激振；步骤s202、通过温振传感器检测钢轨弹条的第二侧肢的温度和在恒定激振下第二侧肢的振动频率。
14.具体的，步骤s201包括：步骤s2011、采用自检式敲击锤敲击第一侧肢；步骤s2012、通过自检式敲击锤内置的压力传感器阵列检测其敲击力度和敲击角度；步骤s2013、若敲击力度和/或敲击角度超差，则调整敲击力度和/或敲击角度后重新敲击。
15.本发明提供的钢轨弹条扣压力检测方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明钢轨弹条扣压力检测方法，采用上述钢轨弹条扣压力检测装置针对构建的试验模型能够获取不同温度环境中弹条扣压力与振动频率之间的关联，并根据该关联数据建立完善的关联数据库，然后通过上述钢轨弹条扣压力检测装置对实际待检的钢轨弹条施加恒定激振，并获取该温度和激振条件下钢轨弹条的振动频率，然后吊取关联数据库中与该温度和振动频率相对应的扣压力数据即可获得实际检测的钢轨弹条的扣压力，关联数据库建立完善后能够长期使用，实际维检过程中只需通过上述钢轨弹条扣压力检测装置向待检钢轨弹条施加恒定激振，即可获取该钢轨弹条的扣压力，检测过程简单省力，劳动强度低，且检测结果不受人为操作因素的影响，能够提高钢轨弹条扣压力的检测精度。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的钢轨弹条扣压力检测装置的电连接原理框图；图2为本发明实施例提供的钢轨弹条扣压力检测装置的结构示意图；图3为本发明实施例所采用的自检式敲击锤的压力传感器阵列的分布方式示意图；图4为本发明实施例所采用的温振传感器的结构示意图。
17.图中：10、自检式敲击锤；11、压力传感器阵列；20、温振传感器；21、壳体；211、卡扣；22、温度传感器；23、振动传感器；30、手持式测量仪；31、数据显示屏；40、钢轨弹条。
具体实施方式
18.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的钢轨弹条扣压力检测装置进行说明。所述钢轨弹条扣压力检测装置，包括自检式敲击锤10、温振传感器20，以及手持式测量仪30；其中，自检式敲击锤10的锤头内置有压力传感器阵列11，在自检式敲击锤10敲击钢轨弹条40的第一侧肢时，压力传感器阵列11用于检测敲击力度和敲击角度；温振传感器20贴装固定于钢轨弹条40的第二侧肢上，用于检测钢轨弹条40的温度和振动数据；手持式测量仪30内置温振信号采集卡、数据存储卡、控制器，并设有数据显示屏31，温振信号采集卡与温振传感器20电性连接，控制器与温振信号采集卡、数据存储卡、自检式敲击锤10、数据显示屏
31分别电性连接，数据存储卡内储存有不同温度环境中弹条扣压力与振动频率间的关联数据库。
20.应当说明，自检式敲击锤10敲击第一侧肢时，压力传感器阵列11检测敲击力度和敲击角度并反馈至控制器，通过控制器将数据传递并显现在数据显示屏31上，在此应当选择垂直敲击的角度，即敲击方向与被敲面垂直，以减小数据误差，若敲击角度与垂直方向偏差过大时可调整角度后重新敲击；温振传感器20与钢轨弹条40直接接触，能够检测钢轨弹条40的温度和被敲击后的振动频率，并通过控制器将温度、振动频率显示在数据显示屏31上，同时，控制器调取关联数据库中与温度、振动频率相对应的扣压力数据，并将扣压力显示在数据显示屏31上。
21.另外应当解释的是，关联数据库是通过本装置针对按照实际钢轨扣件制作的试验模型而获取，而由于钢轨弹条40具有多种型号如6#、10#，因此关联数据库中包括针对不同型号的钢轨弹条40而试验获取的温度、振动频率与扣压力间的关联数据，以便于在维检过程中针对不同型号的钢轨弹条40均能够快速、准确检测。
22.本实施例提供的钢轨弹条扣压力检测装置，与现有技术相比，采用的自检式敲击锤10能够通过其内置的压力传感器阵列11检测其敲击力度和敲击角度，从而能够通过敲击使钢轨弹条40获得可控的恒定激振力，同时利用温振传感器20能够获取钢轨弹条40的温度和其在恒定激振作用下产生的振动频率，并将温度和振动频率通过温振信号采集卡传输至控制器，控制器通过调取数据存储卡储存的关联数据库中的相应数据，即可将对应该温度和振动频率的扣压力数据显示在数据显示屏31上，从而使维检人员得到该钢轨弹条40准确的扣压力数据，检测过程简单省力，劳动强度低，并考虑了环境温度对于弹条扣压力的影响因素，基于预先试验获取的不同温度环境中弹条扣压力与振动频率间的关联数据库，从而避免人为操作因素对于检测结果的影响，能够提高弹条扣压力的检测精度。
23.在一些实施例中，参见图1，手持式测量仪30内还设有敲击自检器，敲击自检器与压力传感器阵列11和控制器分别电连接，用于在自检式敲击锤10的敲击力度和敲击角度超差时发出警告。自检式敲击锤10对第一侧肢的敲击力度为压力传感器阵列11的压力和值，而当敲击角度不同时，即使压力传感器阵列11所检测的压力和值（即敲击力度）一致，也无法保证钢轨弹条40所受到的激振力一致，而最优状态是敲击角度与钢轨弹条40的受敲击位置垂直或接近垂直，在此通过在敲击自检器内设置合理的角度偏差范围和力度偏差范围，当压力传感器阵列11所检测到敲击力度和敲击角度超出偏差范围时，则发出警告，操作人员在接收到告警（声音或光）信号时，调整敲击力度和敲击角度后重新进行敲击即可，确保向钢轨弹条40施加的激振为恒定激振力，从而提高最终的扣压力检测精度。
24.作为上述压力传感器阵列11的一种具体实施方式，请参阅图3，压力传感器阵列11包括由自检式敲击锤10的锤头敲击端中心向边缘发散分布的多个压力传感器，其中，敲击力度为锤头敲击端的中心区域分布的多个压力传感器的检测数据之和，敲击角度由锤头敲击端的边缘区域与中心区域的压力传感器的检测数据偏差计算获得。
25.由于钢轨弹条40为圆截面弹性钢条制成，因此自检式敲击锤10与第一侧肢的接触面（即敲击位置）为弧面，因此可以通过压力传感器阵列11的中心区域和边缘区域的受力情况判定敲击角度，或者说，当中心区域的压力传感器的独立检测值与边缘区域（主要是指第一侧肢的两侧）的各个压力传感器的独立检测值之间的偏差是否相等，从而能够通过压力
偏差数据计算出敲击角度与第一侧肢的法向（即垂直敲击面的方向）之间的角度，获得敲击角度，而敲击力度即各个压力传感器的压力数据之和，直接叠加计算即可获得。
26.作为上述温振传感器20的一种具体实施方式，请参阅图4，温振传感器20包括壳体21、振动传感器23，以及温度传感器22，其中，壳体21的底壁上设有适于卡装于第二侧肢上的卡扣211；振动传感器23设于壳体21内，且与温振信号采集卡电性连接，振动传感器23的检测端伸出壳体21的底壁，并抵接在第二侧肢上；温度传感器22设于壳体21内，且与温振信号采集卡电性连接，温度传感器22的检测端伸出壳体21的底壁，并抵接在第二侧肢上。振动传感器23具体可以是振动加速度传感器，温度传感器22具体可以是声学温度传感器22、红外温度传感器22或者微波传感器，在此优选采用接触式传感器，确保温度检测精度，通过壳体21将温度传感器22和振动传感器23集成为一体结构，只需通过壳体21底壁上的卡扣211与钢轨弹条40进行卡固，保证温度传感器22和振动传感器23的感应端与第二侧肢的表面抵触即可，体积小巧、集成度高，方便安装固定，从而降低维检人员的工作强度，提高检测效率。
27.基于同一发明构思，结合图1至图4，本技术实施例还提供一种钢轨弹条扣压力检测方法，包括以下检测步骤：步骤s100、按照实际钢轨扣件结构构建试验模型，采用上述钢轨弹条扣压力检测装置，针对试验模型获取不同温度环境中弹条扣压力与振动频率间的关联数据库；步骤s200、向待检实际钢轨扣件的钢轨弹条40上施加恒定激振，并检测钢轨弹条40的温度，并根据施加的恒定激振获取钢轨弹条40的振动频率；步骤s300、基于钢轨弹条40的温度和振动频率，对照关联数据库获取钢轨弹条40的实际扣压力。
28.需要解释的是，在步骤s100中，为了获取各型号钢轨弹条40在不同温度环境中其扣压力与振动频率之间的关联数据，确保关联数据库的完整性，使维检人员针对不同型号的待检钢轨弹条40均能够采用本方法进行检测作业，需要分别针对不同型号的钢轨弹条40分别构建相应的试验模型，并针对各个试验模型分别获取相应的关联数据，已形成完备的关联数据库。
29.本实施例提供的钢轨弹条扣压力检测方法，与现有技术相比，本发明钢轨弹条扣压力检测方法，采用上述钢轨弹条扣压力检测装置针对构建的试验模型能够获取不同温度环境中弹条扣压力与振动频率之间的关联，并根据该关联数据建立完善的关联数据库，然后通过上述钢轨弹条扣压力检测装置对实际待检的钢轨弹条40施加恒定激振，并获取该温度和激振条件下钢轨弹条40的振动频率，然后吊取关联数据库中与该温度和振动频率相对应的扣压力数据即可获得实际检测的钢轨弹条40的扣压力，关联数据库建立完善后能够长期使用，实际维检过程中只需通过上述钢轨弹条扣压力检测装置向待检钢轨弹条40施加恒定激振，即可获取该钢轨弹条40的扣压力，检测过程简单省力，劳动强度低，且检测结果不受人为操作因素的影响，能够提高钢轨弹条40扣压力的检测精度。
30.结合第二方面，在一种可能的实现方式中，步骤s100包括：步骤s101、按照实际钢轨扣件结构构建试验模型，其中，试验模型的钢轨和轨座之间设有压力检测传感器；步骤s102、将温振传感器20固定在试验模型的钢轨弹条40的第二侧肢上，并采用
自检式敲击锤10垂直敲击该钢轨弹条40的第一侧肢；步骤s103、记录步骤s102中的敲击力度，并通过温振传感器20获取钢轨弹条40的温度和振动频率，通过压力检测传感器获取钢轨弹条40的扣压力，建立该温度条件下钢轨弹条40的振动频率与其扣压力之间的关联数据；步骤s104、依次改变自检式敲击锤10对第一侧肢的敲击力度，重复上述步骤s103，建立在同一温度条件下钢轨弹条40的振动频率与其扣压力之间的关联数据；步骤s105、依次改变试验环境温度，重复上述步骤s103和步骤s104，建立关联数据库。
31.在本实施例中，可采用以下方式建立钢轨弹条40扣压力与温度和振动频率之间的关系：不同型号的钢轨弹条40扣压力在受到激振时，会产生不同的振动频率，通过基于内力杆的非线性振动方程可知，钢轨弹条40的振动频率随弹条扣压力的变化而变化，同时钢轨弹条40的振动频率除固有频率发生改变外，其余高次频率也会发生改变，通过自检式敲击锤10敲击钢轨弹条40对齐施加恒定的激励，然后测量在恒定激励状态下钢轨弹条40的振动固有频率和二阶高次频率，建立振动频率与扣压力之间的关系；同时，温度的变化不仅会导致钢轨弹条40结构尺度的变化，而且也会造成材料的杨氏模量和结构残余应力的变化，其中，模态频率是结构尺寸、质量、杨氏模量和结构残余应力共同作用的函数，当温度的变化导致钢轨弹条40的结构刚度变化时，会引起其固有频率随温度的改变，经试验验证，钢轨弹条40的温度、振动频率、扣压力之间满足以下关系：；。
32.式中，f为钢轨弹条40的扣压力，为钢轨弹条40的一阶固有频率与扣压力的关系因子，为钢轨弹条40的一阶固有频率，为钢轨弹条40的二阶固有频率，为钢轨弹条40的二阶固有频率与扣压力的关系因子，为温度影响固有频率的杨氏模量因素，为温度影响固有频率的温度应力因素，为温度影响固有频率的热膨胀率因素。
33.式中各相关参数、、、、,为试验获取，试验时以试验模型两侧对应布置的6#钢轨弹条和10#钢轨弹条为一组研究对象，其中，6#钢轨弹条依次设置为150n
·
m、130n
·
m、90n
·
m、60n
·
m四个扭矩等级，10#钢轨弹条的扭矩对应5#钢轨弹条40的各个扭矩等级分别以10n
·
m的增量升从10n
·
m升高至160n
·
m，共计检测64组数据；然后10#钢轨弹条依次设置为150n
·
m、130n
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m、90n
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m、60n
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m四个扭矩等级，6#钢轨弹条的扭矩对应10#钢轨弹条的各个扭矩等级分别以10n
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m的增量升从10n
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m升高至160n
·
m，共计检测64组数据，最终在同一环境温度下检测出128组振动频率与扣压力件的关联数据，然后根据实际季节变化过程中环境温度的变化情况（以一年为周期），调节试验环境温度并分别进行上述检测过程，为减小数据误差，降低数据噪音，每组试验数据均连续采集至少三次并择优选取，然后从最终的有效数据集中获取各个参数值如下：、在-20℃分别为52.5n/hz、40.8n/hz，在0℃分别为53.9n/hz、44.1n/hz，在20℃分别为58.9n/hz、45.8n/hz，在40℃分别为60.3n/hz、47.7n/hz，在60℃分别为62.4n/hz、49.2n/hz；在-20℃为-2.31*10^-3n
⁄
(m^2
·
k)，在0℃为-2.24*10^-3n
⁄
(m^2
·
k)，在20℃为-2*10^-3n
⁄
(m^2
·
k)，在40℃为-1.89*10^-3n
⁄
(m^2
·
k)，在60℃为-1.83*10^-3n
⁄
(m^2
·
k)；在无应力涣散情况下，在-20℃为1.496mpa/k，在0℃为1.508mpa/k，在20℃为1.521mpa/k，在40℃为1.529mpa/k，在60℃为1.531mpa/k；在-20℃约大小约为10.69*10^-6/℃，在0℃为10.76*10^-6/℃，在20℃为10.82*10^-6/℃，在40℃为11.03*10^-6/℃，在60℃为11.08*10^-6/℃。
34.应当理解的是，以上试验数据为其中等间隔分布的几种温度条件下获得的相应系数经验值，根据以上数据可绘制仿真曲线，以覆盖-20℃～60℃整个温度区间，通过仿真曲线获取该温度区间内任意温度条件下的相应系数经验值用于扣压力对应计算，当然，为了提高数据准确性，还可以在以上数据的基础上，再进一步采取其它具体温度条件进行试验，并通过试验结果对仿真曲线上所对应的经验值进行验证，若验证无误，可不再增加试验数据，若验证结果不匹配，可进一步缩小试验温度间隔区间，以获取更详尽的数据集重新绘制仿真曲线。
35.具体的，在步骤s102中，通过自检式敲击锤10内置的压力传感器阵列11检测其敲击力度和敲击角度，并在其敲击角度超差时调整敲击角度重新敲击。
36.在本实施例中，可通过手持式测量仪30内置的敲击自检器根据传感器阵列的检测反馈信号判断敲击力度和敲击角度，保证多次敲击时对钢轨弹条40施加的激振一致性，从而提高检测精度，当然，敲击角度优选采用与敲击面垂直或接近垂直的角度，一方面方便操作施力控制，另一方面能够方便向钢轨弹条40上施加恒定的激励，从而提高检测精度，若敲击力度和/或敲击角度超差，则该次敲击默认无效，可通过敲击自检器发出警告以提醒操作者调整敲击力度和/或敲击角度后重新敲击，使用简单，检测结构准确可靠。
37.具体的，在步骤s105中，环境温度的试验变化范围为-20～60℃。基于钢轨弹条40实际使用环境温度，并考虑到钢轨弹条40在使用过程中的振动发热，将关联数据库的温度数据范围涵盖为-20～60℃的区间内即可满足绝大多数实际检测需求，而对于极端天气情况钢轨弹条40的实际温度超出该温度区间时，采用本方法进行扣压力检测的可靠性或因其它因素的影响而降低，因此不再本方法的考虑范围之内。
38.一些实施例中，步骤s200包括：步骤s201、采用自检式敲击锤10对钢轨弹条40的第一侧肢施加恒定激振；步骤s202、通过温振传感器20检测钢轨弹条40的第二侧肢的温度和在恒定激振下第二侧肢的振动频率。
39.利用钢轨弹条40的第一侧肢作为激励施加端，第二侧肢作为振动频率检测端，如此便能够使激励经过钢轨弹条40向钢轨产生主要扣压作用力的中间部位，从而实现振动频率与扣压力之间的关联，确保检测结果准确可靠，而且能够合理利用钢轨弹条40的结构特性，从而使检测过程更加方便省力。
40.具体的，步骤s201包括：步骤s2011、采用自检式敲击锤10敲击第一侧肢；步骤s2012、通过自检式敲击锤10内置的压力传感器阵列11检测其敲击力度和敲击角度；步骤s2013、若敲击力度和/或敲击角度超差，则调整敲击力度和/或敲击角度后重新敲击。
41.应当理解，在实际检测过程中，需要对钢轨弹条40多次敲击并分别获取每次敲击后对应的振动频率，然后通过数据降噪处理，采用最优结果去对照关联数据库中相应的扣压力数据，在此通过自检式敲击锤10的自检性能，能够确保其每次向钢轨弹条40施加的激振恒定，从而提高检测结果的准确度和可靠性。
42.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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。