一种基于钢轨横向加速度功率谱密度检测温度力的方法与流程

本发明涉及交通技术领域，具体涉及一种基于钢轨横向加速度功率谱密度检测温度力的方法。

背景技术：

无缝线路通过焊接消除了钢轨接头，大大增强了列车的通过性，提高了旅客的乘车舒适度的同时，减小了列车通过时的轮轨冲击作用，降低了列车和轨道结构的动力响应和对周围环境的振动噪声影响，提高了轨道结构和列车部件的使用寿命，因此无缝线路被广泛应用。但由于无缝线路消除了钢轨接头，使得钢轨在温度变化时不能沿线路纵向自由伸缩而产生温度力，当钢轨内部温度力达到一定程度时，容易在高温时出现胀轨跑道或在低温时出现钢轨折断，威胁列车安全运行。因此，无缝线路温度力的检测一直是铁路工务部门在日常养护维修中关注的热点问题之一。

当前无缝线路钢轨温度力检测的方法主要有损检测及半无损检测方法。有损检测方法在操作过程中需要将钢轨截断，通过钢轨截断前后的伸缩量来确定钢轨温度力的大小；半有损检测方法如钻孔法及横向加力法，则是在不截断钢轨的前提下，通过在钢轨上打孔或松脱部分扣件，基于应力应变关系或力的平衡推导得到无缝线路钢轨温度力大小。有损检测方法及半有损检测方法在操作过程中会对原有轨道结构造成或多或少的破坏，检测精度较低且操作过程劳动强度普遍较大。近年来，一些无损检测方式也被应用到无缝线路温度力检测中，如巴克豪森法、超声导波法、x射线法及基于钢轨振动特性的检测方法等。其中，巴克豪森法、超声导波法及x射线法的主要不足在于只能检测钢轨浅表层的应力分布情况，且受到钢轨内部缺陷如轨头核伤等影响较大，不能很好反映整个钢轨截面上的应力分布情况。

已有基于钢轨振动特性的温度力检测方法，则是以一段钢轨为检测对象，并在测试段钢轨上布置多个激励点及拾振点，通过对力信号及响应信号的计算处理得到钢轨的模态频率，通过钢轨模态频率来间接反应钢轨温度力，但此方法存在三个主要问题：（1）检测操作过程中需要布置多个激励点及拾振点，并且需要对每个激励点进行依次激励，通过采集的力信号及响应信号来计算模态频率，检测过程采集数据量较大，且操作中布置传感器及施加激励耗时较长，受限于铁路工务部门维修养护时间较短的现实情况。（2）模态频率受扣件间距的影响较大，有砟轨道无缝线路由于扣件间距存在不均匀分布情况，如果对有砟无缝线路进行连续检测则会影响该方法的检测结果准确性，因此该方法适用于对有砟轨道无缝线路进行温度力进行定点检测，但较难实现连续有砟轨道无缝线路钢轨温度力的连续检测。（3）该方法检测过程中需要进行人工移动激励特定位置测点，导致该方法在开发无人检测装置方面存在难度，因此应用前景有一定局限性。

因而，在基于钢轨振动模态频率检测钢轨温度力方法的不足基础上，针对性地提出一种操作简便省时，不受钢轨扣件间距影响，适用于有砟及无砟轨道钢轨温度力连续检测，且便于基于此方法开发无人连续检测装置的检测方式极为重要。

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，提供了一种基于钢轨横向加速度功率谱密度检测温度力的方法，该方法通过先确定钢轨的敏感激励点和敏感响应点的位置，再预先测量得到无缝线路钢轨的横向振动特征峰值频率与无缝线路钢轨温度变化量的拟合曲线，最终实际测量过程中将测得的实际横向振动特征峰值频率带入对应扣件间距的拟合曲线中计算得到温度变化量，最终计算得到纵向温度应力。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于钢轨横向加速度功率谱密度检测温度力的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）取长度为一跨长度的试验钢轨，测量其上各点位置的横向加速度功率谱密度和横向一阶pinned-pinned模态频率，当所述横向加速度功率谱密度在所述横向一阶pinned-pinned模态频率附近出现波峰时，将此时对应的激励点和响应点位置确定为所述试验钢轨的敏感激励点和敏感响应点，此波峰处对应的频率为所述试验钢轨的横向振动特征峰值频率；所述一跨长度为钢轨上相邻的两个扣件的间距；

（2）预先测量长度为所述一跨长度的无缝线路钢轨，选取步骤（1）中任一所述敏感激励点和敏感响应点的位置，测取多组所述无缝线路钢轨的温度变化量及其对应的横向振动特征峰值频率，对各组数据拟合后得到所述无缝线路钢轨的横向振动特征峰值频率-温度变化量的拟合曲线f=a*t+b，其中，f为横向振动特征峰值频率，t为所述无缝线路钢轨的温度变化量，一次项系数a和常数项b由扣件间距决定；重复上述步骤，获取不同扣件间距下的所述无缝线路钢轨的拟合曲线；

（3）实际测量长度为所述一跨长度的无缝线路钢轨，获取其横向振动特征峰值频率f以及扣件间距，根据测得的扣件间距选取步骤（2）中相同扣件间距下的拟合曲线，从而获得所述无缝线路钢轨的温度变化量t的值，根据所述无缝线路钢轨的温度变化量t的值计算得到所述无缝线路钢轨的纵向温度应力的值。

步骤（1）测量所述试验钢轨上各点位置的横向加速度功率谱密度的具体步骤如下：

在所述试验钢轨上选取若干点作为横向振动的响应点，并在各响应点上布置加速度传感器；

在所述试验钢轨上选取若干点作为横向振动的激励点，依次在各所述激励点施加横向激励，通过所述加速度传感器采集各所述响应点的横向振动加速度信号；

对获得的所述振动加速度信号进行计算得到所述横向加速度功率谱密度。

步骤（2）中测取所述无缝线路钢轨的温度变化量及其对应的横向振动特征峰值频率的具体步骤如下：

选取步骤（1）中任一所述敏感响应点所对应的位置布置一加速度传感器，在任一所述敏感激励点所对应的位置施加横向激励，通过所述加速度传感器采集所述无缝线路钢轨的横向振动加速度信号，并计算得到对应的横向加速度功率谱密度；

通过峰值拾取法识别出所述横向加速度功率谱密度在所述横向一阶pinned-pinned模态频率附近出现波峰时对应的峰值频率，即得到所述横向振动特征峰值频率。

根据所述钢轨的温度变化量t的值计算得到所述无缝线路钢轨的纵向温度应力σ的值的计算公式为：σ=eαt，其中，e为所述无缝线路钢轨的弹性模量；α为所述无缝线路钢轨的线胀系数。

所述方法还包括以下步骤：

重复步骤（3），以所述一跨长度的所述无缝线路轨道作为单次的检测对象，连续测量所述无缝线路轨道以获取整条所述无缝线路轨道的纵向温度应力分布情况。

本发明的优点是：仅取一跨长度的钢轨作为单次的检测对象，只需布设一个加速度传感器，可实现线路的连续测量，消除了扣件间距对测量结果的影响。

附图说明

图1为本发明中试验钢轨各点位置的示意图；

图2为本发明中横向激励跨中截面轨头侧时的加速度功率谱密度图像；

图3为本发明中横向激励跨中截面轨腰侧时的加速度功率谱密度图像；

图4为本发明中横向激励1/4扣件间距处截面轨头侧时的加速度功率谱密度图像；

图5为本发明中横向激励1/4扣件间距处截面轨腰侧时的加速度功率谱密度图像；

图6为本发明中横向激励扣件处截面轨头侧时的加速度功率谱密度图像；

图7为本发明中横向激励扣件处截面轨腰侧时的加速度功率谱密度图像；

图8为本发明中不同扣件间距下钢轨横向一阶pinned-pinned模态频率与温度变化量的关系图；

图9为本发明中不同扣件间距下钢轨横向振动特征峰值频率与温度变化量的关系图；

图10为本发明中响应点和激励点的设置示意图；

图11为本发明中扣件间距为0.6m时，钢轨实际温度与钢轨跨中轨头侧横向振动特征峰值频率的关系图；

图12为本发明中扣件间距为0.6m、钢轨锁定温度为25℃时，钢轨温度变化量与钢轨跨中轨头侧横向振动特征峰值频率的关系图。

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1-12，图中标记1-11分别为：试验钢轨1、扣件处截面轨头侧加速度传感器2、扣件处截面轨腰侧加速度传感器3、跨中截面轨头侧加速度传感器4、跨中截面轨腰侧加速度传感器5、1/4扣件间距处截面轨头侧加速度传感器6、1/4扣件间距处截面轨腰侧加速度传感器7、实测钢轨8、实测钢轨跨中轨头9、实测钢轨跨中轨头侧加速度传感器10、力锤11。

实施例：如图1-12所示，本实施例具体涉及一种基于钢轨横向加速度功率谱密度检测温度力的方法，该方法通过先确定钢轨的敏感激励点和敏感响应点的位置，再预先测量得到无缝线路钢轨的横向振动特征峰值频率与无缝线路钢轨温度变化量的拟合曲线，最终实际测量过程中将测得的实际横向振动特征峰值频率带入对应扣件间距的拟合曲线中计算得到温度变化量，最终计算得到纵向温度应力。

如图1-12所示，本实施例中的一种基于钢轨横向加速度功率谱密度检测温度力的方法包括以下步骤：

（1）如图1所示，确定钢轨敏感激励点和敏感响应点的位置：在实验室条件下，取一跨长度的试验钢轨1作为研究对象，在其上各点位置布设加速度传感器，本实施例中的一跨长度指的是相邻的两个扣件之间的间距，且本实施例具体在跨中截面、扣件处截面及1/4扣件间距处截面的轨头侧及轨腰处布置加速度传感器，分别为扣件处截面轨头侧加速度传感器2、扣件处截面轨腰侧加速度传感器3、跨中截面轨头侧加速度传感器4、跨中截面轨腰侧加速度传感器5、1/4扣件间距处截面轨头侧加速度传感器6以及1/4扣件间距处截面轨腰侧加速度传感器7，然后在试验钢轨1上各点依次施加横向激励，采集各点的横向振动加速度信号，并进行计算得到对应的横向加速度功率谱密度。实验室条件是指：试验钢轨为有缝线路钢轨，由于该钢轨长度较短且钢轨两端有伸缩缝，因此，可认为钢轨为零应力。相较于无缝线路钢轨而言，其在反映钢轨横向一阶pinned-pinned模态特性方面仍有较好的适用性。

所谓的横向加速度功率谱密度：对于时域加速度信号，其幅值频谱为，则的功率谱密度为，其中t为力信号作用时间。

（2）为评估各点横向加速度功率谱密度的横向振动特征峰值频率与试验钢轨1的横向一阶pinned-pinned模态频率（此频率为对温度敏感的模态频率）的吻合程度，在实验室条件下测量得到试验钢轨1的横向一阶pinned-pinned模态频率，并在各点对应的横向加速度功率谱密度图像中进行标记，如图2-7所示。

由图2-7可知，当激励点位于试验钢轨1的跨中轨腰、跨中轨头侧、1/4扣件间距轨头侧以及1/4扣件间距轨轨腰4个点时，而响应点位于跨中轨头侧、跨中轨腰、1/4扣件间距轨头侧以及1/4扣件间距轨轨腰4个点时，响应点的加速度功率谱密度在试验钢轨1的横向一阶pinned-pinned模态频率附近均出现明显波峰，且各响应点波峰对应的频率基本相等，此频率即为横向振动特征峰值频率，而上述的激励点和响应点即为对应的敏感激励点和敏感响应点。

（3）预先获取不同扣件间距下的无缝线路钢轨的横向振动特征峰值频率-温度变化量的拟合曲线f=a*t+b，具体步骤如下：

（3.1）选取一跨长度（即长度为相邻的两个扣件之间的间距）的无缝线路钢轨，选取步骤（2）中经实验室验证得到的任一敏感激励点和敏感响应点的位置作为本次测量时的激励点和响应点，即选取步骤（2）中任一敏感响应点所对应的位置布置一加速度传感器，在任一敏感激励点所对应的位置施加横向激励，通过加速度传感器采集无缝线路钢轨的横向振动加速度信号，并通过计算得到对应的横向加速度功率谱密度；然后通过峰值拾取法识别出横向加速度功率谱密度在横向一阶pinned-pinned模态频率附近出现明显波峰时对应的峰值频率，即得到其横向振动特征峰值频率，同时获取此时的无缝线路钢轨的温度值。

（3.2）改变无缝线路钢轨的温度值，得到对应温度变化量，再次施加激励，测得横向振动加速度信号，并同样的获得此温度下的横向振动特征峰值频率，如此循环，测取多组无缝线路钢轨的温度变化量及其对应的横向振动特征峰值频率。

（3.3）对上述各组数据进行拟合，得到该无缝线路钢轨的横向振动特征峰值频率-温度变化量的拟合曲线f=a*t+b，其中，f为横向振动特征峰值频率，t为所述无缝线路钢轨的温度变化量，一次项系数a和常数项b由该无缝线路钢轨的扣件间距决定。

（3.4）重复上述步骤（3.1）-（3.3），对不同扣件间距长度的无缝线路钢轨进行测量，获取不同扣件间距下的无缝线路钢轨的拟合曲线，积累前期数据。

（4）选取长度为一跨长度的无缝线路钢轨作为实测钢轨8，在实测钢轨8的实测钢轨跨中轨头9的一侧布置实测钢轨跨中轨头侧加速度传感器10，使用力锤11横向激励同一截面的另一轨头侧，通过实测钢轨跨中轨头侧加速度传感器10获取其横向振动加速度信号，并通过计算处理得到其横向振动特征峰值频率f；测量该跨长度的实测钢轨8的实际的扣件间距，根据测得的实际的扣件间距选取步骤（3）中获得的相同扣件间距下的拟合曲线，将该横向振动特征峰值频率f代入到选取的拟合曲线f=a*t+b中，计算得到此时对应的温度变化量t的值，将此温度变化量t的值代入到计算公式σ=eαt，其中，e为实测钢轨8的弹性模量；α为实测钢轨8的线胀系数，由此计算得到实测钢轨6的纵向温度应力的值。

（5）重复步骤（4），以一跨长度的无缝线路轨道作为单次的检测对象，连续测量无缝线路轨道以获取整条无缝线路轨道的纵向温度应力分布情况。

本实施例现举例说明，对实测钢轨8进行测量，得到其扣件间距为0.60m，其中，图11为扣件间距为0.6m时，实测钢轨8的实际温度与钢轨跨中轨头侧横向振动特征峰值频率的关系图，图12为实测钢轨8的扣件间距为0.6m、锁定温度为25℃时，钢轨温度变化量与钢轨跨中轨头侧横向振动特征峰值频率的关系图；通过拟合得到温度变化量t与实测钢轨的跨中轨头侧横向振动特征峰值频率f的回归关系式，形如f=-0.3989*t+510.9455，其中，-0.3989为一次项系数（单位：hz/℃），510.9455为常数项（单位：hz）；并进一步测得其横向振动特征峰值频率f=500hz，则把f=500hz代入到扣件间距为0.60m时的拟合关系式f=-0.3989*t+510.9455；解得实测钢轨8的温度变化量t=27.4392℃，即实测钢轨8的温度变化量为超过锁定轨温27.4392℃，表明此时实测钢轨8内部出现压应力，其纵向温度压应力为σ=2.48t=2.48*27.4392=68.0492mpa。

为验证本方法相比于基于模态频率的检测方法在监测精度方面的优点，本实施例进一步建立两种不同扣件间距的chn60钢轨的有限元模型，其扣件间距分别为0.6m及0.61m，对比两种检测方式的温度力检测效果。

对于基于模态频率的检测方法，通过模态分析得到不同温度荷载下，两种不同扣件间距的钢轨横向一阶pinned-pinned模态频率随温度变化量的关系，如图8所示。由图8可知，由于扣件间距的变化，基于钢轨模态频率的检测方式，其经验公式中常数项会存在较大差别，上述模型是考虑扣件间距分别均为0.60m及0.61m时的情况，然而实际情况下进行模态频率测试时，测试段内多跨钢轨的扣件间距在0.6m左右不均等分布，难以确定常数项具体大小，在进行实际温度力连续检测时对检测精度有较大影响，因此基于模态频率的检测方法更适合进行定点检测。

对于本方法而言，采用上述两种不同扣件间距的钢轨模型，采用谐响应分析得到钢轨在频域下的位移响应，并得到横向振动特征峰值频率随温度变化量的关系，如图9所示。由图9可知，横向振动特征峰值频率与温度变化量关系呈明显的线性关系，可拟合得到两者的拟合关系式，并且由于本方法仅以一跨长度钢轨作为检测对象，可针对不同的扣件间距测量计算得到对应的拟合关系式，在进行连续测量时，只需选择与之对应的拟合关系式即可，因此本方法不受扣件间距的影响，在保证较高的准确性情况下，可满足现场实际不同扣件间距下温度力连续检测的需要。

本实施例的有益效果是：（1）相比基于模态频率的检测方法需要多跨长度钢轨及需要同时布置多个激励点及响应点，本方法仅需一跨长度钢轨作为检测对象，且可从敏感激励点和敏感响应点中各任选一个作为检测时的激励点及响应点，因此，从操作对象及测点布置准备方面来看，本检测方法极大简化了检测操作及检测时长，适用于工务维修养护作业时间较短的实际情况。

（2）相比于基于模态频率的检测方法受扣件间距影响较大，在进行连续检测时准确度难以保证的情况，本方法的检测指标为钢轨横向振动加速度功率谱密度特征峰值频率，针对特定扣件间距，可选择特定扣件间距对应的特征峰值频率-温度变化量经验公式，因此消除了扣件间距的影响，适用于在有砟轨道扣件间距分布不均匀的情况下进行钢轨温度力检测。

（3）由于本方法检测过程中仅需1个激励点及1个响应点，且检测结果精确度不受扣件间距分布不均匀的影响，因此，相比于基于模态频率的检测方法难以应用于温度力连续检测的情况，本方法可用于开发适合有砟轨道无缝线路温度力连续检测的装置，极大节省人工及提高检测效率。