一种基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法及其装置与流程

本发明属于铁路安全监测技术领域，具体涉及一种基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法及其装置。

背景技术：

近十几年来高速铁路和城市轨道交通由于其大运量、节能和环保等优势得到了快速的发展，根据铁路“十三五发展规划”，在十三五期间依然是铁路建设发展的高峰期，将建成以“八纵八横”通道为主干、城际铁路为补充的高速铁路网。同时城市轨道交通在建和运营城市数目翻倍，里程增加一半左右。但随着我国铁路运营时间的增加，出现了各种各样的影响乘客舒适性和危及行车安全的病害，这严重制约着我国铁路事业的进一步发展和走出去战略的实施。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法及其装置，该识别方法及其装置通过在钢轨上设置电阻应变片将所获得的钢轨应变信号进行转换、分解计算从而获取伤损特性频率f，从而可根据预设的判定准则，来快速精准的识别车轮是否出现多边形以及多边形的类型。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法，其特征在于所述识别方法包括以下步骤：

（1）以剪应力法采集轮轨垂向力信号；

（2）对所采集的所述轮轨垂向力信号进行集合经验模态eemd分解，从而获取集总的本征模函数imf分量；

（3）计算所述步骤（2）中包含车轮多边形病害特征信息的本征模函数imf的边际谱；

（4）根据所述步骤（3）中获取的本征模函数imf的边际谱，获得伤损特性频率f，并根据预设的判定准则，来识别车轮是否出现多边形以及多边形类型。

所述步骤（1）中，在不少于5组的相邻轨枕之间的跨中位置处，于钢轨轨腰部位粘贴电阻应变片，各所述电阻应变片采集所述钢轨的应变信号并转换为所述轮轨垂向力信号。

将所述钢轨的应变信号转换为所述轮轨垂向力信号的计算方法为：

p=|qr|+ql

qr=ql=(jb/s)τ

τ=gε

式中：

p为所述轮轨垂向力；

qr以及ql为剪力；

j为所述钢轨断面对中和轴的惯性矩；

b为所述中和轴处的所述钢轨断面厚度；

s为剪应力计算点以外断面对中和轴的静矩；

τ为所述钢轨所受到的剪应力；

g为所述钢轨的剪切模量；

ε为所述电阻应变片所采集到的所述钢轨剪应变。

所述步骤（2）中，所述集合经验模态eemd分解是指将所采集的所述轮轨垂向力信号添加正态分布的高斯白噪声，再采用emd方法将修改后的所述轮轨垂向力信号进行分解。

所述步骤（3）中，所述本征模函数imf的边际谱计算方法为：对获取的集总的本征模函数imf分量进行hilbert变换，从而得到时频平面上能量分布的hilbert谱图h（ω，t），计算公式如下所示：

对所获得的hilbert谱图h（ω，t）进行时域上的积分，从而获得边际谱h（ω），计算公式如下：

式中：

re表示取虚数的实部；

a（t)为集总的本征模函数imf分量；

j为单位虚数，

ω为hilbert变换中的瞬时频率；

t为瞬时时刻。

所述步骤（4）中，所述预设的判定准则具体为：

若周期性轮轨力波长λ为2πr、伤损特性频率f为v/2πr，则车轮出现一阶多边形、车轮偏心的情况；

若周期性轮轨力波长λ为πr、伤损特性频率f为v/πr，则车轮出现二阶多边形、车轮椭圆化的情况；

若周期性轮轨力波长λ为2πr/3、伤损特性频率f为3v/2πr，则车轮出现三阶多边形、车轮三角形化的情况；

若周期性轮轨力波长λ为πr/2、伤损特性频率f为2v/πr，则车轮出现四阶多边形、车轮四边形化的情况；

若周期性轮轨力波长λ为2πr/n、伤损特性频率f为vn/2πr，则车轮出现n阶多边形、车轮n边形化的情况；

其中，r为所述车轮滚动半径；v为列车的运行速度。

所述装置包括应变采集模块、列车速度采集模块、数据远距离传输模块以及远程监控模块，所述应变采集模块以及所述列车速度采集模块经所述数据远距离传输模块与所述远程监控模块构成通讯连接。

所述远程监控模块上还依次连接有轮轨垂向力计算模块、集合经验模态eemd分解模块、信号边际谱计算模块以及车轮多边形评判模块。

本发明的优点是：

（1）针对既有的车轮多边形检测方式耗时较长、准确度不高的情况，在基于剪应力法测轮轨垂向力的基础上，充分利用了实时获取的轮轨垂向力信号和信号处理技术，提出了一种基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法及装置，可以对经过该监测路段的车辆进行实时监测和伤损评判，从而对出现车轮多边形的车轮进行及时镟修处理，避免安全事故的发生；

（2）由于eemd方法具有直观合理性、高效性、自适应性和处理非线性非平稳局部信号的优越性，故能够很好的处理时变的轮轨垂向力信号；同时通过计算分解后信号的边际谱，从而获取车轮发生多边形病害后的轮轨垂向力伤损特性频率。

附图说明

图1为本发明中基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法流程示意图；

图2为本发明中车轮多边形识别装置的结构示意图；

图3为本发明中电阻应变片在钢轨轨腰部位的粘贴设置示意图；

图4为本发明中集合经验模态eemd分解示意图；

图5为本发明中车轮椭圆化情况下的轮轨垂向力时程图；

图6为本发明中轮轨垂向力信号的本征模函数图；

图7为本发明中轮轨垂向力信号的边际谱图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-7，图中标记1-3分别为：钢轨1、轨枕2、电阻应变片3。

实施例1：如图1-7所示，本实施例具体涉及一种基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法及其装置，具体包括以下步骤：

（步骤1）

1.1）如图1、2、3所示，进行车轮多边形识别装置的安装布设，该车轮多边形识别装置具体包括应变采集模块、列车速度采集模块、数据远距离传输模块以及远程监控模块；其中，应变采集模块包括若干个设置于钢轨1轨腰部位的电阻应变片3，本实施例中共设置5组电阻应变片3，各电阻应变片3的设置位置位于相邻轨枕2之间的跨中位置处；列车速度采集模块具体是列车上的速度测量仪表，用于监测获取列车的实时速度；数据远距离传输模块用于构成远程监控模块同前述的应变采集模块、列车速度采集模块之间的通讯连接，从而使远程监控模块能够接收来自于应变采集模块所发送的应变信号以及来自于列车速度采集模块所发送的列车行驶速度数据，需要说明的是，在远程监控模块上还依次连接有多个软件计算模块，包括轮轨垂向力计算模块、集合经验模态eemd分解模块、信号边际谱计算模块以及车轮多边形评判模块；

1.2）在前述的车轮多边形识别装置安装布设完成之后，通过设置在钢轨1上的应变采集模块测得列车经过时的钢轨1的应变信号，采样频率最高可以达到20khz/通道，完全满足对采样频率的要求；同时通过列车速度采集模块测量列车的运行速度；并将前述所采集的钢轨应变信号和列车运行速度通过数据远距离传输模块实时上传至远程监控模块中，远程监控模块将获取的钢轨应变信号和列车运行速度进行存储；

1.3）之后，远程监控模块将钢轨应变信号发送至轮轨垂向力计算模块之中，将钢轨应变信号转换为轮轨垂向力信号，如图5所示，计算公式为：

p=|qr|+ql

qr=ql=(jb/s)τ

τ=gε

式中：

p为轮轨垂向力；

qr以及ql为剪力；

j为钢轨1断面对中和轴的惯性矩；

b为中和轴处的钢轨1断面厚度；

s为剪应力计算点以外断面对中和轴的静矩；

τ为钢轨1所受到的剪应力；

g为钢轨1的剪切模量；

ε为电阻应变片3所采集到的钢轨1剪应变。

（步骤2）

如图4所示，将轮轨垂向力信号发送给集合经验模态eemd分解模块，对轮轨垂向力信号进行集合经验模态eemd分解，即，将轮轨垂向力信号添加正态分布的高斯白噪声，再采用emd方法将修改后的轮轨垂向力信号进行分解，将每次得到的imf集成均值作为最终信号分解结果，获取集总的本征模函数imf分量和残余函数（r5），如图6所示。

（步骤3）

将获取的集总本征模函数imf分量发送给信号边际谱计算模块，通过信号边际谱计算模块对所获得的集总本征模函数imf分量进行hilbert变换，从而得到时频平面上能量分布的hilbert谱图h（ω，t），如图7所示，计算公式如下所示：

所获得的hilbert谱h（ω，t）进行时域上的积分，获得边际谱h（ω），计算公式如下：

式中：

re表示取虚数的实部；

a（t)为集总的imf分量；

j为单位虚数，

ω为hilbert变换中的瞬时频率；

t为瞬时时刻。

（步骤4）

车轮多边形评判模块进入工作，根据步骤（3）中所获得的边际谱h（ω），获得车轮多边形伤损特性频率f，并根据预设的判定准则，来识别车轮是否出现多边形以及多边形类型，前述预设的判定准则具体参见下表1，其中，r为列车车轮滚动半径；v为列车的运行速度。

表1车轮多边形伤损特性频率f

本实施例的有益效果在于：本实施例所提供的基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法及其装置，能够对经过检测路段的列车车轮多边形进行实时的检测，同时可以很方便的进行远程监控，很大程度上弥补了既有人工检测方法的不足之处，确保了列车的安全运行。

实施例2：本实施例具体涉及一种基于轮轨垂向力的车轮多边形识别方法，在实施例1的基础上结合具体案例进行说明，包括以下步骤：

（步骤1）如图3所示，初步估计某车轮已发生椭圆化，通过设置在钢轨1上的应变采集模块测得轮轨垂向力信号，如图5所示；再将该轮轨垂向力信号进行eemd分解，获取集总的本征模函数imf分量，如图6所示；同理，其余三种车轮多边形采用同样的方法进行信号分解；

（步骤2）对集总的本征模函数imf分量进行时域上积分，获取信号边际谱，如图7所示，从图中可以看出，车轮发生椭圆化后的伤损特性频率f为24.1hz；

（步骤3）根据所测得的列车运行速度v=125km/h，车轮滚动半径r=0.46m，由表1预设判定准则中的椭圆化车轮所对应的伤损特性频率计算公式可知，通过本方法得到的伤损特性频率完全符合理论计算公式，因此可以判定该列车车轮已经发生了车轮椭圆化。