CN105128888A - 基于多中点弦同步测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法 - Google Patents

Abstract

基于多中点弦同步测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法，包括：确定用于检测轨道波磨的测头数目及测量弦长的方法；多个测头数据采集的方法；基于多中点弦的轨道波磨值复原方法。本发明基于现有的轨道检查仪能够快速的检测轨道偏差的能力，改造现有轨道检查仪的结构和检测算法，以获取轨道波磨量值，该方法成本低，效果好，测量与解算效率高，适合轨道工务中对波浪型磨耗的快速检测。

Description

基于多中点弦同步测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于多弦测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法，其直接应用于铁路轨道日常维护中波浪形磨耗的检测。

背景技术

钢轨波浪形磨耗(简称“波磨”)广泛存在于各种铁路轨道线路中，是机车运行时产生震动和噪声的激扰源，影响机车的使用寿命及乘坐的舒适性，严重时还可能导致列车出轨，造成生命财产的巨大损失。通过对各种轨道的波磨进行观察和测量表明轨道波磨存在着普遍规律：同一处轨道的波磨频率基本一致，且维持一定里程，形态以正弦或准正弦为主，波长范围在50mm-300mm之间，波磨形成的初期就必须加以修复，否则将会随时间逐渐加速恶化。因此，如何对波磨进行检测成为轨道波磨病害防治的关键问题。

国内外对钢轨波磨的检测方法之一是惯性法，利用加速度计的惯性基准，通过对得到的大型轨检列车轴箱加速度信号进行二次积分获取不平顺值，如：英国Railmeasurement公司研制的RCA波磨分析车、我国钢轨波浪磨耗动态检测***RCIU-1等。该方法的检测精度最高能达到微米级，但其设备成本非常高，在轨道日常人工巡检中不太适用。另一种更为常见的检测方法是平直尺，如HYGP-3钢轨平直度测量仪等。其测量原理简单，但操作者劳动强度大且测量效率低下。

目前，基于中点弦的轨道检查小车在各个铁路工务段被广泛使用，能够实现轨道几何状态的连续快速测量，其基本原理见下式：

$\mathrm{\Δ}=\frac{F(X-\frac{L}{2})+F(X+\frac{L}{2})}{2}-F\left(X\right)$

其中Δ为测量值，L表示小车前后走行轮构成的测量弦长，F(X)表示轨道不平顺函数。中点弦测方法有个固有的缺陷，即当L为F(X)波长的偶数倍时，Δ测量值为0，不能完成期待的测试任务，因此该类小车主要用于测量F(X)波长较长的轨道几何状态，也就是说，基于中点弦的轨道检查小车由于原理所限不能准确测量F(X)波长较短的轨道波磨。鉴于轨道波磨病害的重要性，探索研究一种快速，低成本，准确的铁路轨道波磨检测方法既是铁路几何状态检测理论上的创新，亦是工程需要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出基于多中点弦同步测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

(1)在现有的轨道检查小车测量弦中点测头两侧对称添加n对同步测头，各个测头能够同时接触轨道表面。轨道检查小车”前后走行轮+中点测头”组成主弦，“每一对同步测头+中点测头”组成一组同步弦。

所述中点测头及添加的n对同步测头采用同一信号触发采样，实现各测头的同步测量。

(2)确定测头对数量n及相互之间的距离L_i：

根据多中点弦幅频响应函数(如下式)

$H_n\left(\mathrm{\ω}\right)=(1-cos({\mathrm{\πL}}_0/\mathrm{\λ}))+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[1-cos({\mathrm{\πL}}_i/\mathrm{\λ})\]---\left(a\right)$

计算λ在50mm-300mm之间变化，选择不同的n值及L_i值时得到的H_n(ω)序列x_j的方差S²，计算公式如下式：

$S^2=\frac{\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{(x_j-x)}^2}{k}---\left(b\right)$

式(a)中n表示添加同步测头对的数量，λ表示轨道波磨的波长，L_i表示第i对同步测头之间的长度，L₀表示前后走行轮之间的长度。式(b)中S²表示H_n(ω)序列的方差值，x_j表示H_n(ω)序列中第j点的计算值，x表示H_n(ω)序列中所有点的均值，k表示所得H_n(ω)序列的总长度。

对得到的不同n值及L_i值时的S²进行分析，取S²最小时的n值、L₀值及L_i值作为添加测头的数量、前后走行轮之间的长度及第i对同步测头之间的长度。

(3)轨道波磨幅值计算

把主弦及各同步弦在同一轨道测量点的测量值相加，得到多中点弦测值之和序列Σ(X)。根据中点弦测模型基本原理，当轨道波磨具有波长λ时，多中点弦测值之和序列Σ(X)同样具有波长λ，对Σ(X)运用数学变换可找出波长λ。所述数学变换包括小波变换，傅立叶变换，奇异值分解，经验模态分解以及上述方法的加速算法。

把确定的前后走行轮之间的长度L₀、添加同步测头对的数量n，i对同步测头之间的长度L_i、通过数学变换计算得到的轨道波磨波长λ，带入(a)式得到H_n(ω)的唯一值б，把多中点弦测值之和序列Σ(X)中的每个值除以б则可计算出当前轨道波磨的幅值。

本发明所述算法是自动计算，或者是手动计算。

本发明在现有轨道检查仪的技术方案基础上添加了多对同步测头以实现对轨道波磨的快速测量，该方法克服了现有轨道检查小车不能准确检测轨道波磨的缺陷，测量与解算效率高，适合铁路轨道波磨病害的发现与轨道不平顺的日常养护。

附图说明

图1为轨道检查小车测头安装图；

图中：1为1对同步测头，2为前后走行轮，3为中点侧头，4为轨道检查小车，5为具有波浪形磨耗的轨道；

图2为基于多中点弦同步测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法的算法流程。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例结合附图1作进一步说明。

在轨道检查小车4中点测头3两侧添加一对同步测头1，即n＝1，则根据式(a)可得到添加一对同步测头后形成的双中点弦幅频响应函数(c)。

H₁(ω)＝2-cos(πL₀/λ)-cos(πL₁/λ)(c)

根据公式(c)改变L₀和L₁的值计算得到H₁(ω)在波长λ为50mm-300mm之间变化时的序列，对各组响应函数序列运用式(b)计算它们的方差S²，取S²最小时的L₁＝667mm值作为添加的一对同步测头1之间的长度；L₀＝750mm值作为前后走行轮2所构成的主弦长度。使用添加了一对同步测头的双中点弦轨道检查小车4在具有波浪形磨耗的轨道5上推行测量，获得实测轨道波磨的双中点弦测值之和序列Σ(X)，对Σ(X)进行数学变换得到其波长λ。根据确定的n，L₀，L₁，当前轨道波磨波长λ带入(c)计算得到H₁(ω)的唯一值б，把双中点弦测值之和Σ(X)序列中的每个值除以б即可计算出当前轨道波磨的幅值。

Claims (3)

1.一种基于多中点弦同步测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法，其特征是：

(1)在现有的轨道检查小车测量弦中点测头两侧对称添加n对测头，各个测头能够同时接触轨道表面；轨道检查小车”前后走行轮+中点测头”组成主弦，“每一对同步测头+中点测头”组成一组同步弦；

(2)确定测头对数量n及相互之间的距离L_i：

根据多中点弦幅频响应函数(如下式)

$H_n\left(\mathrm{\ω}\right)=(1-cos({\mathrm{\πL}}_0/\mathrm{\λ}))+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[1-cos({\mathrm{\πL}}_i/\mathrm{\λ})\]---\left(a\right)$

计算λ在50mm-300mm之间变化，选择不同的n值及L_i值时得到的H_n(ω)序列x_j的方差S²，计算公式如下式：

$S^2=\frac{\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{(x_j-x)}^2}{k}---\left(b\right)$

式(a)中n表示添加同步测头对的数量，λ表示轨道波磨的波长，L_i表示第i对同步测头之间的长度，L₀表示前后走行轮之间的长度；式(b)中S²表示H_n(ω)序列的方差值，x_j表示H_n(ω)序列中第j点的计算值，x表示H_n(ω)序列中所有点的均值，k表示所得H_n(ω)序列的总长度；

对得到的不同n值及L_i值时的S²进行分析，取S²最小时的n值、L₀值及L_i值作为添加测头的数量、前后走行轮之间的长度及第i对同步测头之间的长度。

(3)轨道波磨幅值计算

把主弦及各同步弦在同一轨道测量点的测量值相加，得到多中点弦测值之和序列Σ(X)，根据中点弦测模型基本原理，当轨道波磨具有波长λ时，多中点弦测值之和序列Σ(X)同样具有波长λ；对Σ(X)运用数学变换可找出波长λ；

把确定的前后走行轮之间的长度L₀、各同步弦的数目n，各对同步弦同步测头之间的长度L_i、通过数学变换计算得到的轨道波磨波长λ，带入(a)式得到H_n(ω)的唯一值б，把多中点弦测值之和序列Σ(X)中的每个值除以б则可计算出当前轨道波磨的幅值。

2.根据权利要求1所述的基于多中点弦同步测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法,其特征是:所述中点测头及添加的n对同步测头采用同一信号触发采样，实现各测头的同步测量。

3.根据权利要求1所述的基于多中点弦同步测量的轨道波浪形磨耗快速检测方法,其特征是:所述数学变换包括小波变换，傅立叶变换，奇异值分解，经验模态分解以及上述方法的加速算法。