专利名称：动刚度的测试方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及交通轨道领域，具体涉及动刚度的测试方法及系统。
背景技术：
轨道作为铁路线路的重要组成部分，是一个整体性的工程结构，一般由钢轨、轨枕、扣件及道床等组成。它作为现代社会中很重要的交通工具，其安全性与人民的生命息息相关。轨道的安全性评价指标主要包括静刚度和动刚度。轨道动刚度是用来表征动态条件下轨面受激振力与受激振力后产生的变形两者关系的一个重要参数，即抵抗交变载荷的能力，其值代表了轨道的结构动力特性。它在数值上等于单位振幅所需的交变力，即动刚度Z等于交变力F除以该力引起的位移X (Z=FA)0由此可见，轨道动刚度会随激振力频率变化而变化，它反映了轨道振动的支撑性能，是影响轮轨相互作用和列车运行品质的重要因素。目前，测试轨道的动刚度方法是通过疲劳机对轨道施加某一固定频率的力，再通过力传感器检测施加的力，通过位移传感器检测轨道在该力下的振动位移，从而得到动刚度。由于疲劳机只能施加某一固定频率的力，得到的动刚度也是某一固定频率下的动刚度，因而不能全面评价轨道的不同频率下的动刚度，即宽频动刚度。
发明内容
本发明提供的动刚度的测试方法及系统，能够测试轨道的宽频动刚度。为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的动刚度的测试方法，包括下列步骤在预设时间内，对轨道施加预设频率范围内的力，使所述轨道产生振动；按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号及所述振动的加速度a信号；按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间；根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系；根据所述位移X与频率f的对应关系，得到位移X与时间t的对应关系；根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度与力F和位移X的对应关系，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系；根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系。进一步地，所述根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系的步骤中，根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，采用频域分析法，得到位移X与频率f的对应关系，即宽频动刚度。进一步地，所述根据所述位移X与频率f的对应关系，得到位移X与时间t的对应关系的步骤中，根据所述位移X与频率f的对应关系，采用傅里叶逆变换法，得到位移X与时间t的对应关系。进一步地，所述按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号及所述振动的加速度a信号的步骤，进一步包括对所述力F信号添加力窗，并且对所述加速度a信号添加指数窗。进一步地，所述按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间的步骤中，进一步包括去除所述加速度a的数据的趋势项。进一步地，所述按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间的步骤中，进一步包括采用滑动平均法对所述加速度a的数据进行平滑处理。进一步地，所述按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间的步骤中，进一步包括对所述加速度a的数据进行滤波处理。动刚度的测试系统，包括力锤、加速度传感器、信号采集设备和信号处理器；所述力锤包括冲击锤和力传感器；所述冲击锤和所述力传感器连接；信号采集设备分别与所述加速度传感器、所述力传感器、所述信号处理器连接。所述冲击锤用于在预设时间内，对轨道施加预设频率范围内的力，使所述轨道产生振动；所述力传感器和所述信号采集设备用于按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号；所述加速度传感器和所述信号采集设备用于按照预设的采样频率，实时采集所述振动的加速度a信号；所述信号处理器用于按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间；根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系；根据所述位移X与频率f的对应关系，得到位移X与时间t的对应关系；根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度Z=F/X，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系；根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系。进一步地,进一步包括信号调节装置；所述信号采集设备通过所述信号调节设备与所述信号处理器连接；
所述信号调节设备用于对所述力F信号添加力窗；对所述加速度a信号添加指数窗。进一步地，所述信号处理器还用于去除所述加速度a的数据的趋势项；采用滑动平均法对所述进行平滑处理；对所述加速度a的数据进行滤波处理。与现有技术相比，本发明提供的动刚度的测试方法及系统，能够测试轨道的宽频动刚度。其测量轨道动刚度的原理是当轨道受到不同频率的作用力时，会产生不同频率的振动，因而产生的振动位移也不同，从而得到动刚度在不同振动频率下的动刚度。具体测试方法是按照测定需要，在一定时间内，对轨道施加不同频率的力，并采集该力F信号和轨道产生的加速度a信号，再将力F信号和加速度a信号转化为数据，并分别记录下两者对应的时间，最终记录轨道的加速度a与时间t的对应关系和施加的力F与时间t的对应关系，再根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系，进而得到位移X与时间t的对应关系；同时根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度Z=F/X，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系；最后根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系，即轨道的宽频动刚度。此外，本发明提供的动刚度的测试方法及系统还可以达到下列有益效果(I)力窗是指对信号采集设备采集的噪声信号的校正因子,力信号添加力窗后,可以去除力锤施加的力外的噪声信号。(2)由于加速度信号传递过程中是一个无穷极限衰减的过程，因而实际操作中只能取有限项作为其近似值，因而会产生误差，这种误差称之为截断误差。而加速度信号添加指数窗，可以消除这种截断误差。(3)在振动测试中采集到的振动信号数据，由于信号处理器随温度变化产生的零点漂移、传感器频率范围外低频性能的不稳定以及传感器周围的环境干扰，往往会偏离基线、甚至偏离基线的大小还会随时间变化，偏离基线随时间变化的整个过程称为信号的趋势项，其直接影响信号的正确性，因而将其去除可以减小偶然误差。(4)通过信号采集设备采样得到的振动信号数据往往叠加了噪声信号。噪声信号除了有工频及其倍频程等周期性的干扰信号外，还有不规则的随机干扰信号。由于随机干扰信号的频带较宽，有时高频成分所占的比例还很大，使得采集到的离散数据绘成的振动曲线上呈现很多毛刺，很不光滑。为了削弱干扰信号的影响，提高振动曲线光滑度，常常需要对采样数据进行平滑处理。此外，数据平滑还可以进一步消除信号的不规则趋势项，并且采用滑动平均法进行平滑处理。(5)在振动信号分析中，数字滤波是通过数学运算从所采集的离散信号中选取人们感兴趣的一部分信号的处理方法，它的作用是滤除测试信号中的噪声和虚假成分、提高信噪比、平滑分析数据、抑制干扰信号、分离频率分量等。
为了更清楚地说明本发明的具体实施方式
，下面将对具体实施方式
中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。图1为本发明实施例一的动刚度的测试方法流程图。图2为本发明实施例二的动刚度的测试方法流程图。图3为本发明实施例二中试验例测试系统结构示意图。图4为本发明实施例二中试验例的宽频动刚度测试结果示意图。附图标记1-钢轨，2-扣件系统，3-轨枕，4_道床，5-加速度传感器，6_力银，7_电脑，8_ fg号采集设备，9-信号调节装置。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。本发明的实施例一提供一种动刚度的测试方法，如图1所示，其包括下列步骤101 :在预设时间内，对轨道施加预设频率范围内的力，使所述轨道产生振动；102 :按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号及所述振动的加速a度信号；103 :按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间；104 :根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系;105 :根据所述位移X与频率f的对应关系，得到位移X与时间t的对应关系；106 :根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度Z=F/X，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系；107 :根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系。上述方法测试轨道动刚度的原理是当轨道受到不同频率的作用力时，会产生不同频率的振动，因而产生的振动位移也不同,从而得到动刚度在不同振动频率下的动刚度。具体测试方法是按照测定需要，在一定时间内，对轨道施加不同频率的力，并采集该力F信号和轨道产生的加速度a信号，再将力F信号和加速度a信号转化为数据，并分别记录下两者对应的时间，最终记录轨道的加速度a与时间t的对应关系和施加的力F与时间t的对应关系，再根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系，进而得到位移X与时间t的对应关系；同时根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度与力F和位移X的对应关系(Z=F/X)，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系；最后根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系，即轨道的宽频动刚度。
其中，上述涉及的变量间的对应关系可以以任意形式表现，优选采用曲线描述，更为直观。本实施例还提供了完成上述测试的一套动刚度的测试系统，包括力锤、加速度传感器、信号采集设备和信号处理器；所述力锤包括冲击锤和力传感器；所述冲击锤和所述力传感器连接；信号采集设备分别与所述加速度传感器、所述力传感器、所述信号处理器连接。所述冲击锤用于在预设时间内，对轨道施加预设频率范围内的力，使所述轨道产生振动；所述力传感器和所述信号采集设备用于按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号；所述加速度传感器和所述信号采集设备用于按照预设的采样频率，实时采集所述振动的加速度a信号；所述信号处理器用于按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间；根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系；根据所述位移X与频率f的对应关系，得到位移X与时间t的对应关系；根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度Z=F/X，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系；根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系。其中，信号处理器可以选用任意装置，优选地采用电脑，计算数据速度快，便于操作。采用上述系统测试轨道的动刚度，操作简单，自动化更高，使得测量更精确，数据测量过程具体如下用力锤锤击钢轨，同时测量它的响应，以测定轨道系统的动力特性。把力信号作为系统输入，位移响应作为系统输出，这样得到的系统传递函数为Y=X/F (I)式(I)中X为位移，F为力。这相当于轨道系统的支撑动柔度Y。把位移响应信号作为系统输入，力信号作为系统输出，得到的系统传递函数倒数为Z=F/X (2)式(2)中'rL相当于轨道系统的支承动刚度。我们用加速度传感器测量其加速度响应，用力信号作为系统输入，加速度响应信号作为输出，做传递函数分析得到Y=a/F(3 )式(3)中a为加速度。Y相当于轨道系统的支承加速度导纳。把加速度导纳做函数变换，亦可得到轨道系统的支承动刚度。这样，我们就能用加速度传感器测量加速度响应，然后进行变换就可以得到的轨道系统的宽频动刚度。为了进一步提高测试方法的精确度，本发明的实施例二还提供了另一种动刚度的测试方法，如图2所示，其包括下列步骤
201 :在预设时间内，对轨道施加预设频率范围内的力，使所述轨道产生振动；202 :按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号及所述振动的加速a度信号；203 :对所述力F信号添加力窗，并且对所述加速度a信号添加指数窗；204 :按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间；205 :去除所述加速度a的数据的趋势项；206 :采用滑动平均法对所述加速度a的数据进行平滑处理；207 :对所述加速度a的数据进行滤波处理；208:根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，采用频域分析法，得到位移X与频率f的对应关系；209 :根据所述位移X与频率f的对应关系，采用傅里叶逆变换法，得到位移X与时间t的对应关系；210 :根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度与力F和位移X的对应关系Z=F/X，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系；211 :根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系，即宽频动刚度。与实施例一相比，本实施例的步骤203中，力F信号添加力窗后，可以去除力锤施加的力外的噪声信号；而加速度a信号添加指数窗，可以消除截断误差；因而对两个信号进行校正，消除了方法的系统误差。而步骤205、206、207可以消除方法的偶然误差，具体如下(I)在振动测试中采集到的振动信号数据，由于信号处理器随温度变化产生的零点漂移、传感器频率范围外低频性能的不稳定以及传感器周围的环境干扰，往往会偏离基线、甚至偏离基线的大小还会随时间变化，偏离基线随时间变化的整个过程称为信号的趋势项，其直接影响信号的正确性，因而将其取出可以减小偶然误差。(2)通过信号采集设备采样得到的振动信号数据往往叠加了噪声信号。噪声信号除了有工频及其倍频程等周期性的干扰信号外，还有不规则的随机干扰信号。由于随机干扰信号的频带较宽，有时高频成分所占的比例还很大，使得采集到的离散数据绘成的振动曲线上呈现很多毛刺，很不光滑。为了削弱干扰信号的影响，提高振动曲线光滑度，常常需要对采样数据进行平滑处理。此外，数据平滑还可以进一步消除信号的不规则趋势项。(3)在振动信号分析中，数字滤波是通过数学运算从所采集的离散信号中选取人们感兴趣的一部分信号的处理方法，它的作用是滤除测试信号中的噪声和虚假成分、提高信噪比、平滑分析数据、抑制干扰信号、分离频率分量等。由此可见，本实施例的测量误差进一步降低，精确度提高。本实施例还提供了完成上述方法的另一套动刚度的测试系统，除包括实施例一的设备外，还包括信号调节装置；所述信号采集设备通过所述信号调节设备与所述信号处理器连接；所述信号调节设备用于对所述力信号添加力窗；对所述加速度信号添加指数窗；
并且所述信号处理器还用于去除所述加速度a的数据的趋势项；采用滑动平均法对所述进行平滑处理；对所述加速度a的数据进行滤波处理。此外，本实施例还提供了具体的试验例，进一步验证本实施例的有益效果，具体如下试验例如图3所示，实验样品有WJ-7扣件系统，60cm长的标准60钢轨。其中，扣件系统安装在I型无砟轨道板上，轨道板全支撑搁置在水泥地面上，安装扣件时道钉螺栓扭矩为300N m, T型螺栓扭矩为150N m。测试步骤第一步参照图3连接各仪器，图中I为钢轨、2为扣件系统、3为轨枕、4为道床、5为加速度传感器、6为力锤、7为笔记本电脑、8为信号采集设备、9为信号调节装置。其中，加速度传感器和力锤传感器连接线接入信号采集设备，采集设备连接笔记本电脑，以记录测试数据。第二步加载激振力并采集信号，采样频率为51. 2KHZ，按照20KHZ频率将信号转化为数据，研究频率为0-5000HZ，加速度信号和噪声信号通过信号采集设备进入电脑，平均方式为线性平均8次。对轨道进行垂向激励，激励位置为钢轨中部。分别采集力锤对轨道的激振力和钢轨的振动响应，并取3次试验的平均值。其中输入的激振力信号为脉冲激励信号，在信号调节装置9中，加力窗以去除脉冲力以外的噪声信号；输出信号为衰减振动信号，在信号调节装置9中，加指数窗使信号在结束时衰减到0，以消除截断误差。第三步电脑消除趋势项。第四步在电脑中平滑处理数据，采用五点滑动平均法平滑处理，处理次数为10次。第五部在电脑中进行数字滤波。第六步在电脑中，拾取加速度a_时间t曲线和力F-时间t曲线,并运用频域分析法和傅立叶逆变换转化法，将加速度a-时间t曲线转化为位移X-频率f曲线和位移X-时间t曲线。第七步在电脑中计算轨道系统宽频动刚度，从而获得测试点的动刚度。试验结果由于力锤的量程范围为0 3000Hz，所以动刚度分析时，只能保证最高分析到3000Hz。得到轨道系统宽频动刚度曲线如图4所示。最后应说明的是以上具体实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述具体实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式和具体实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.动刚度的测试方法，其特征在于，包括下列步骤 在预设时间内，对轨道施加预设频率范围内的力，使所述轨道产生振动； 按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号及所述振动的加速度a信号； 按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间； 根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系； 根据所述位移X与频率f的对应关系，得到位移X与时间t的对应关系； 根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度与力F和位移X的对应关系，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系； 根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系，即宽频动刚度。
2.如权利要求I所述的动刚度的测试方法，其特征在于，所述根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系的步骤中，根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，采用频域分析法，得到位移X与频率f的对应关系。
3.如权利要求I所述的动刚度的测试方法，其特征在于，所述根据所述位移X与频率f的对应关系，得到位移X与时间t的对应关系的步骤中，根据所述位移X与频率f的对应关系，采用傅里叶逆变换法，得到位移X与时间t的对应关系。
4.如权利要求I所述的动刚度的测试方法，其特征在于，所述按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号及所述振动的加速度a信号的步骤，进一步包括 对所述力F信号添加力窗，并且对所述加速度a信号添加指数窗。
5.如权利要求I所述的动刚度的测试方法，其特征在于，所述按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间的步骤中，进一步包括 去除所述加速度a的数据的趋势项。
6.如权利要求I所述的动刚度的测试方法，其特征在于，所述按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间的步骤中，进一步包括 采用滑动平均法对所述加速度a的数据进行平滑处理。
7.如权利要求I所述动刚度的测试方法，其特征在于，所述按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间的步骤中，进一步包括 对所述加速度a的数据进行滤波处理。
8.动刚度的测试系统，其特征在于，包括 力锤、加速度传感器、信号采集设备和信号处理器；所述力锤包括冲击锤和力传感器；所述冲击锤和所述力传感器连接；信号采集设备分别与所述加速度传感器、所述力传感器、所述信号处理器连接； 所述冲击锤用于 在预设时间内，对轨道施加预设频率范围内的力，使所述轨道产生振动； 所述力传感器和所述信号采集设备用于按照预设的采样频率，实时采集所述力F信号； 所述加速度传感器和所述信号采集设备用于 按照预设的采样频率，实时采集所述振动的加速度a信号； 所述信号处理器用于 按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间； 根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系； 根据所述位移X与频率f的对应关系，得到位移X与时间t的对应关系； 根据所述位移X与时间t的对应关系、所述力F与时间t的对应关系，以及动刚度与力F和位移X的对应关系，得到所述轨道的动刚度Z与时间t的对应关系； 根据所述动刚度Z与时间t的对应关系、所述位移X与时间t的对应关系以及所述位移X与频率f的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系，即宽频动刚度。
9.如权利要求8所述的动刚度的测试系统，其特征在于，进一步包括 信号调节装置；所述信号采集设备通过所述信号调节设备与所述信号处理器连接； 所述信号调节设备用于 对所述力F信号添加力窗； 对所述加速度a信号添加指数窗。
10.如权利要求8所述的动刚度的测试系统，其特征在于，所述信号处理器还用于 去除所述加速度a的数据的趋势项； 采用滑动平均法对所述进行平滑处理； 对所述加速度a的数据进行滤波处理。
全文摘要
本发明涉及交通轨道领域，具体涉及动刚度的测试方法及系统。动刚度的测试方法，包括在预设时间内，对轨道施加预设频率范围内的力，使所述轨道产生振动；按照预设的采样频率，实时采集所述力信号及所述振动的加速度信号；按照预设的时间间隔，按照采集的所述力信号及所述加速度信号，记录力F的数据、力F对应的时间、加速度a的数据和加速度a对应的时间；根据所述加速度a的数据与时间的对应关系，得到位移X与频率f的对应关系；进而得到位移X与时间t的对应关系；根据上述对应关系，以及动刚度与位移和力的对应关系，得到动刚度Z与频率f的对应关系，即宽频动刚度。本发明提供的动刚度的测试方法及系统，能够测试轨道的宽频动刚度。
文档编号G01M13/00GK102980756SQ20121047239
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者王平, 肖杰灵, 赵才友, 徐浩, 陈嵘, 徐井芒 申请人:西南交通大学