一种基于钢轨横向振动特性检测钢轨纵向力的方法与流程

本发明属于交通技术领域，具体涉及一种基于钢轨横向振动特性检测钢轨纵向力的方法。

背景技术：

随着高速、重载铁路的发展，无缝线路通过焊接消除了长钢轨间的轨缝，减小了列车通过时的轮轨冲击作用，降低了轮轨噪声和轨道结构的振动，延长了轨道和列车部件的使用寿命，提高了列车通过性和旅客舒适度。基于这些优点，无缝线路在全世界范围内被广泛推广和应用。无缝线路消除了钢轨间轨缝，使得钢轨在纵向保持平滑连续，但由于无缝线路钢轨在环境温度变化下不能沿纵向自由伸缩，进而会导致钢轨内部积累巨大的温度应力。夏季钢轨温度随环境温度升高到一定程度时，会在扣件阻力小或路基条件差的地方发生胀轨跑道；冬季钢轨温度随环境温度降低到一定程度时，钢轨有被拉断的危险。这些问题将会严重影响列车的运行安全。

因此，无缝线路纵向温度力的检测对于预防轨道结构高温胀轨跑道及低温钢轨拉断，确保列车安全运行具有重大意义。当前，针对无缝线路温度检测主要有有损检测方法及半有损检测方法。有损检测方法在测量钢轨应力的过程中，一般需要截断钢轨并通过钢轨伸缩量变化得到应力值。半有损检测方法主要分为以下两类：

第一类半有损检测方法是通过在零应力钢轨上打两个距离一定（一般为24m）的标记点，通过测量温度变化前后两标记点间的距离变化量，计算得到无缝线路温度力的大小。

第二类半有损检测方法，如竖向加力法，则是在检测前拆去一定长度范围内的钢轨扣件，然后在钢轨的竖直方向施加一定的荷载，使钢轨在竖直方向上产生一定的位移。由于该位移与钢轨内部温度力之间存在一定的比例关系，因而可以计算得到无缝线路钢轨内部温度力的大小。

有损检测方法和第二类半有损检测方法由于会对原有轨道结构的稳定性造成破坏，检测过程中也存在一定的安全风险，且第二类半有损检测方法只能检测到钢轨内部存在的拉应力，因而在国内并未得到广泛应用。第一类半有损检测方法在检测过程中能够保持轨道结构的完整性和稳定性，故应用较广，但该方法的检测结果精度较低，需要人工定点定时检测，劳动强度较大。近年来，无损检测技术发展迅速，一些无损检测方式也被引入了铁路无缝线路温度力检测中，如巴克豪森法，超声导波法以及x射线法等。此类方法对于检测钢轨表层或钢轨顶面以下一定深度范围内的应力分布情况有效，而并不能反映整个钢轨截面上的应力分布情况。同时，此类方法受到钢轨自身状态影响较大，当钢轨内部存在缺陷如轨头核伤时，其检测结果的准确性目前尚未得到验证。

因而，研究一种检测精度更高且不受钢轨自身影响的无损检测方式极为重要。

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，提供一种基于钢轨横向振动特性检测钢轨纵向力的方法，该方法通过将若干加速度传感器布置在相邻轨枕间距中心处的钢轨底部，用于采集在横向敲击钢轨轨腰时所产生的横向振动加速度信号，从而检测计算钢轨纵向温度应力的值。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于钢轨横向振动特性检测钢轨纵向力的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

（1）在钢轨底部沿纵向间隔布置至少三个加速度传感器，每相邻的两组轨枕之间分布有一个所述加速度传感器；

（2）根据所述钢轨的类型以及相邻的所述轨枕之间的间距值，选择相对应的“钢轨横向振动共振频率-钢轨温度变化量”拟合曲线f=a*t+b，其中，t表示所述钢轨温度变化量，单位为℃；一次项系数a与常数项b均为经验值，单位分别为hz/℃和hz，可由所述钢轨的类型与相邻的所述轨枕之间的间距值确定；

（3）在布置有所述加速度传感器的位置利用敲击物横向敲击所述钢轨轨腰，以在所述钢轨上产生横向振动加速度信号；

（4）通过所述加速度传感器采集所述横向振动加速度信号并进行软件计算处理，以获得相应的频响函数，并绘制所述频响函数的曲线，从而得到所述钢轨横向振动第一阶pinned-pinned共振频率的实际值f；

（5）将测得的所述钢轨横向振动第一阶pinned-pinned共振频率的实际值f代入相应的拟合曲线f=a*t+b中，从而获得所述钢轨温度变化量t的值，根据所述钢轨温度变化量t的值计算所述钢轨纵向温度应力的大小。

各所述加速度传感器分别位于相邻的所述轨枕之间的1/2间距处。

当所述钢轨在单位长度下的质量为60kg/m时，所述拟合曲线f=a*t+b中一次项系数a与常数项b的值按下表进行选取：

根据所述钢轨温度变化量t的值计算所述钢轨纵向温度应力σ的计算式为：σ=eαt；其中，e为所述钢轨的弹性模量；α为所述钢轨的线胀系数。

各所述加速度传感器与一数据采集设备相连接，所述数据采集设备用以采集所述加速度传感器监测获得的所述横向振动加速度信号。

本发明的优点是，（1）该方法为无损检测方法，检测过程不会对轨道结构的稳定性造成影响；可用于无缝线路温度力的长期监测，实际应用时，可将列车动荷载作为激励源，避免人工操作；（2）选择待测的钢轨测点后，无须松开钢轨扣件，采用钢轨横向振动第一阶pinned-pinned共振频率作为评估钢轨纵向温度变化量的指标，灵敏度可达到0.191hz/℃，可靠性高，耗时少，检测操作简便。

附图说明

图1为本发明中基于钢轨横向振动特性检测钢轨纵向力的方法原理示意图；

图2为本发明中钢轨轨道的侧视图；

图3为本发明中不同轨枕间距下，钢轨温度变化量与钢轨横向振动第一阶pinned-pinned共振频率的实际值f之间的关系图。

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1-3，图中标记1-5分别为：轨枕1、轨下垫板2、钢轨扣件3、钢轨4、加速度传感器5、轨枕间距d。

实施例1：如图1、2、3所示，本实施例具体涉及一种基于钢轨横向振动特性检测钢轨纵向力的方法，具体包括以下步骤：

（1）如图1、2所示，各轨枕1均匀间隔布置，轨枕间距为d，且在各轨枕1的上表面布置有一层轨下垫板2，两侧的钢轨4沿纵向布置在各轨枕1的上方，并经钢轨扣件3扣接固定，构成无缝线路；

在无缝线路的一侧钢轨4底部沿纵向间隔安装若干个加速度传感器5，加速度传感器5的数量应至少为3个或以上，各个加速度传感器5应设置在相邻轨枕1之间的中部位置，即相邻轨枕1之间的1/2间距位置处，且每组相邻轨枕1之间仅设置1个加速度传感器5即可，加速度传感器5用于采集钢轨4的振动信号；

此外，各加速度传感器5分别经数据传输线连接至数据采集设备（图中未示出），该数据采集设备可实现对各加速度传感器5监测数据的集中采集和数据处理；

（2）如图1、2所示，确定钢轨4的类型，同时测量相邻轨枕1之间的间距d，通过钢轨4的类型以及轨枕间距d选择合适的“钢轨横向振动共振频率-钢轨温度变化量”拟合曲线f=a*t+b，其中：t表示钢轨温度变化量，单位为℃；一次项系数a与常数项b均为经验值，a、b由轨下支承条件（如轨枕间距、垫板刚度和道床刚度）和钢轨类型所决定，单位分别为hz/℃和hz，可通过查表获得，例如下表所示，假设钢轨4在单位长度下的质量为60kg/m时，不同轨枕间距d取值时，一次项系数a与常数项b可通过查询下表获得；

（3）在布置有加速度传感器5的位置处利用力锤横向敲击钢轨4的轨腰，即垂直于钢轨4的轨腰进行敲击，从而在钢轨4上产生横向振动加速度信号；

（4）加速度传感器5在跨中处监测到相应的横向振动加速度信号并上传至数据采集设备中，通过采集得到的横向振动加速度信号，进行软件计算处理以获得相对应的频响函数，并绘制频响函数的曲线，从而得到钢轨横向振动第一阶pinned-pinned共振频率的实际值f；

频响函数全称频率响应函数，是对被测系统对输入信号在频域中传递特性的描述，属于本领域内常见的函数；其计算过程为：先计算激励的自相关函数，再计算与响应的互相关函数，分别对及作傅里叶变换，得到的自功率谱及与的互功率谱，记频响函数为，则满足：）；

（5）如图3所示，将测得的钢轨横向振动第一阶pinned-pinned共振频率的实际值f带入拟合曲线f=a*t+b中，从而获得钢轨温度变化量t的值，根据该钢轨温度变化量t的值计算钢轨纵向温度应力σ的大小，计算式为：

σ=eαt

其中，e为钢轨4的弹性模量；α为钢轨4的线胀系数。

如图1、2、3所示，本实施例中基于钢轨横向振动特性检测钢轨纵向力的方法的基本原理为：

对于简支梁，在其两端的端部截面上作用有轴向的应力时，梁的振动特性，如横向振动共振频率将会发生改变。因此，通过分析轴向温度应力与梁横向共振频率之间的变化关系可以得到与二者有关的经验公式。在轨道结构振动特性分析中，通常将轨道结构简化为周期离散支承的梁模型。因此，可以通过测量无缝线路钢轨横向振动共振频率的变化情况检测无缝线路内部温度力的大小。根据相关理论推导分析，无缝线路钢轨4的横向第一阶pinned-pinned共振频率与纵向温度应力之间的变化关系较为明显，且其基本不受轨下垫板2刚度、道床刚度的影响。同时在无缝线路钢轨4横向振动的各阶共振频率中尤以pinned-pinned共振频率最为容易识别。因此，选择钢轨横向振动pinned-pinned共振频率作为检测指标较为合适。在0~5000hz频率范围内，无缝线路钢轨4共存在两个共振pinned-pinned共振频率，分别为570hz和2064hz（对于不同轨道结构该数据略有差别）。由于频率越高，采用锤击的方式越难激发，因此选用低阶的钢轨横向振动pinned-pinned共振频率（即第一阶pinned-pinned共振频率，570hz）最为合适。通过理论分析，该共振频率随纵向温度力的变化率为9.95hz/mn。此外，轨枕间距d对该共振频率有一定的影响，不同轨枕间距d下对应钢轨4横向振动的共振频率与钢轨温度变化量之间的拟合曲线有所区别，检测过程中，需提前对轨枕间距d进行检测，以选用合适的拟合曲线计算钢轨温度变化量t，进而由温度变化量t计算钢轨纵向温度应力σ。

实施例2：如图1、2、3所示，本实施例将在实施例1中方法的基础上代入实际的工程数据进行说明，具体如下：

（1）在无缝线路的一侧钢轨4底部沿纵向间隔安装若干个加速度传感器5，各个加速度传感器5应设置在相邻轨枕1之间的中部位置，即相邻轨枕1之间的1/2间距位置处；

（2）如图1、2所示，钢轨4在单位长度下的质量为60kg/m，测量得到其轨枕间距d为0.60m，根据下表查询，从而确定相对应的“钢轨横向振动共振频率-钢轨温度变化量”拟合曲线f=a*t+b=-0.1910t+570.3837，其中：t表示钢轨温度变化量，单位为℃；

（3）在布置有加速度传感器5的位置处利用力锤横向敲击钢轨4的轨腰，从而在钢轨4上产生横向振动加速度信号；

（4）加速度传感器5在跨中处监测到相应的横向振动加速度信号并上传至数据采集设备中，通过采集得到的横向振动加速度信号，进行软件计算处理以获得相对应的频响函数，并绘制频响函数的曲线，从而得到钢轨横向振动第一阶pinned-pinned共振频率的实际值f=565hz；

（5）将测得的钢轨横向振动第一阶pinned-pinned共振频率的实际值f=565hz代入拟合曲线f=-0.1910t+570.3837中，从而获得钢轨温度变化量t=28.2℃，即钢轨4的温度变化量为超过锁定轨温28.2℃，表明钢轨内部出现压应力，根据该钢轨温度变化量t的值，计算获得钢轨纵向温度应力σ=2.48t=2.48*28.2=69.936mpa。