CN105157624A - 一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法，在不增加***成本的前提下，通过比较选用1m特定弦长，结合3:97弦长划分比、最优FIR逆滤波器设计方法、同组3个传感器的灵活结合(3个1维传感器同时使用为三点偏弦，只用1#和3#传感器为两点弦)，将短波长和长波长检测融为一体，能够精确复原全部恢复带内的轨道实际不平顺波形。

Description

一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法

技术领域

本发明涉及一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法。

背景技术

理论研究和工程实践已经证明，轨道不平顺是引起机车车辆产生振动、引起轮轨作用力增大、导致线路方面直接限制行车速度的主要因素。因此，准确测量掌握轨面不平顺的实际情况是实现对轨道平顺状态进行科学评定和监控管理的前提条件。

轨道上存在的高低不平顺波形是空间分布的随机性变形，波长范围从几十毫米到百余米，波长越长幅值越大，要将轨道上存在的不平顺完全准确地检测出来是很困难的。由于车辆动力学的性能不同，车辆只对一定波长范围的轨道不平顺波形有响应。因此，检测***仅需对特定波长范围内的不平顺波形进行复原和测量。在高速条件下，20m～70m的波长不平顺，将使固有频率较低的车体发生激振，一般铁路或重载铁路(速度80Km/h～120Km/h)只对中波长(5m～12m)不平顺加以限制，高速铁路特别重视对短波长(30mm～1000mm)不平顺的控制。据此设置恢复带为30mm～60m。

目前，世界各国用来测量高低不平顺的方法可归纳为惯性基准法和弦测法两大类。

惯性基准法是在运动的车体内通过加速度传感器建立一个惯性参考基准，利用车体上的位移传感器来测量轨道相对于基准的相对位置，从而得到钢轨顶面在惯性坐标系内的相对位置。原理如图1所示。

设A(t)代表车体的垂直振动加速度，它是由安装在车体地板上的加速度计来测量的，车体的振动和冲击相对较小，最大不超过几个g(重力加速度)。D(L)代表轴箱与车体间的垂向相对位移，它是由安装在轴箱和加速度计之间的位移传感器来测量的，对加速度作相应的积分处理就可得到加速度计安装点的运动轨迹，进一步与D(L)作代数运算即可得到轨道顶面的轨迹P(L)。其运算表达式为：

P(L)＝∫∫A(t)dt²-D(L)(1)

弦测法沿轨道纵向按照预先设计的间距一字排列开数个位移传感器，通过位移传感器测量光源入射点与轨面距离，然后按照弦长划分比推导得到弦测值，最基本的弦测***是两点弦或三点等弦测量***。以三点等弦为例，原理如图2所示。

弦测值bo并不等于轨道不平顺的实际值bb'，而是实际值与***传递函数的乘积。

惯性基准法在理论上能够满足测量要求。但是由于轨道不平顺引起的轴箱加速度动态范围很大，若要测出0.lm至50m波长的不平顺，分辨精度为1毫米，则需要测量加速度动态范围是0.0013g-311g，频率范围是0.56Hz-278Hz。目前的传感器和电测仪器均很难在这样大的动态范围内保证这样的分辨精度。同时，其检测精度受列车运行速度影响，对短波检测有一定盲区，主要应用于大型轨道检测车上。

弦测法复原准确性受传递函数制约，主要分为两点弦、三点等弦、三点偏弦和四点偏弦等4种测量方法，相应传递函数的幅频特性曲线如图3所示(弦长取330mm，三点偏弦弦长划分为1:10，四点偏弦弦长划分为3:17:1)。

其中，两点弦和三点等弦(正矢法)振幅增益随不平顺波长变化较快，主要用于对长波长成份进行复原，此时其弦长一般为数十米。两点弦只能对波长＞弦长的不平顺波形进行复原，三点等弦只能对波长＞1/2弦长的不平顺波形进行复原。三点偏弦和四点偏弦(偏矢法)传递函数较为复杂，振幅增益随波长变化平缓，主要用于对短波长成份进行复原，其弦长一般不足1米。

针对设置的30mm～60m恢复带，以上4种方法单独使用时均不能有效满足需求。

惯性基准法检测和数据处理***较为复杂且价格昂贵，弦测法只能对特定的长波长或短波长成份进行复原，不能对设置的30mm～60m全部恢复带进行复原。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法，包括以下步骤：

1)在轨道的左轨和右轨上分别设置三个激光传感器；

2)令i＝0；

3)左轨或者右轨上的三个激光传感器同步采集到的光源入射点到钢轨表面的距离数据，三个激光传感器采集的距离数据分别存入数组1#(i)，2#(i)，3#(i)中；

4)令i＝i+1，重复上述步骤3)，直到i＝50000；

5)将步骤4)得到的三个数组分别赋给数组11#(j)，12#(j)，13#(j)；

6)去除数组11#(j)，12#(j)，13#(j)中的异常值，得到新的数组111#(j)，112#(j)，113#(j)；

7)三点偏弦计算：令s₁＝111#(j)、s₂＝112#(j)、s₃＝113#(j)，利用计算三点偏弦弦测值y(x)'，利用三点偏弦弦测值设计三点偏弦逆滤波器，恢复弦测波形30mm～1200mm短波长成分；其中s＝1000mm，a＝30mm，b＝970mm；

8)两点偏弦计算：令k＝0。判断j％100是否为零，若是，21#(k)＝111#(j)，23#(k)＝113#(j)，k＝k+1；否则，令j＝j+1，重复上述步骤对j值进行取余判断，直到j＝50000；

9)令s₁'＝21#(k)、s₂'＝23#(k)，利用公式y(x)＝s₁'-s₃'计算两点弦弦测值y(x)，并利用两点弦弦测值y(x)设计两点偏弦逆滤波器，恢复弦测波形1200mm～60m长波长成分。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在改进传统弦测法单纯用于短波长(30mm～1m)或长波长(1m～60m)弦测波形复原的基础上，通过比较选用1m特定弦长，结合3:97弦长划分比、最优FIR逆滤波器设计方法、同组3个传感器的灵活结合等手段，将短波长和长波长检测融为一体，能够精确复原全部恢复带内的轨道实际不平顺波形。

附图说明

图1为惯性基准法原理图；

图2为弦测法原理图。

图3为四种弦测方法的传递函数幅频特性图；

图4为本发明检测***硬件框图；

图5(a)为s＝330mm，a＝30mm、40mm、50mm三点偏弦幅频曲线图；图5(b)为a＝30mm，b:a＝1、b:a＝5、b:a＝10、b:a＝15、b:a＝20、b:a＝30三点偏弦幅频曲线图；图5(c)为a＝30mm，s＝330mm、500mm、800mm、1000mm三点偏弦幅频曲线图；

图6为本发明两点弦频率采样法设计流程图；

图7为本发明三点弦最优法设计流程图；

图8为本发明弦测波形复原流程图；

图9为本发明三种波形空域图；

图10为原始波形及复原波形的频谱对比图。

具体实施方式

为避免车体安装方式引起的通过弯道时光线投射到轨顶以外的情况发生，钢轨纵向高低不平顺检测***置于一台检测小车上，可随作业车牵引前进进行不平顺的动态测量，充分提高作业效率。检测***由机械支架、高精度1维激光位移传感器、集中器、数据采集***等几部分组成，硬件***框图如图4所示。

检测***采用2组共6台高精度1维激光位移传感器，每组3个，完成一侧钢轨纵向高低不平顺的测量。同组3个传感器置于一个安装盒内，光源入射点射在一条线上，且入射光线均垂直于轨顶中心线。为保证3个传感器同步采集轨顶不平顺数据与空间等距离采样的实现，在轮轴上安装一个旋转光电编码器，输出等距方波脉冲信号，将信号接入传感器同步触发输入端，传感器会在脉冲的有效边沿同步输出测量数据，保证多个传感器同步等间距采样。

本发明实现过程如下：

第一步：选定合适的弦长及划分比

所选用的激光位移传感器光源中心间距最小为30mm。为比较弦长划分比和整体弦长对传递函数幅频特性的影响，进行了以下3次实验(设整体弦长为s，弦长划分比为a:b)：

①取s＝330mm，a＝30mm、40mm、50mm，三点偏弦幅频曲线如图5(a)所示；

②取a＝30mm，b:a＝1、b:a＝5、b:a＝10、b:a＝15、b:a＝20、b:a＝30，三点偏弦幅频曲线如图5(b)所示；

③取a＝30mm，s＝330mm、500mm、800mm、1000mm，两点弦和三点偏弦幅频曲线如图5(c)所示。

若传递函数过小，逆滤波器过度放大弦测值会引起剧烈振荡，因此图中需设定幅值增益0.1的蓝色水平警戒线。由实验结果得出结论如下：

①波长＝a时，三点偏弦传递函数幅值为0；

②三点偏弦幅值增益随波长增大而逐渐减小，b:a比例越大，增益衰减越慢；

③固定a＝30，弦长s＝1000mm时，在蓝色警戒线内，三点偏弦恢复波长为30mm-2000mm，两点弦恢复波长为1.2m-63m，两者恢复波长有效重合，满足实际恢复带30mm-60m要求。

因此，选定弦长s＝1000mm，a＝30mm，b＝970mm。

第二步：设计相应的逆滤波器

两点弦传递函数：

H(ω)＝1-e^-j*ω*s，s为弦长(3)

三点偏弦传递函数

s为弦长，弦长划分比为a:b(4)

将第一步选定的弦长s及其弦长划分比a:b代入式(3)和式(4)，来设计相应的逆滤波器。其中，两点弦传递函数较为简单，采用频率采样法进行设计，用于恢复1.2m～60m不平顺弦测波形长波长成份；三点偏弦传递函数较为复杂，相频特性难于计算，采用最优法进行设计，用于恢复30mm～1200mm短波长成份。

两点弦设计流程图如图6所示。

三点偏弦设计流程图如图7所示。

第三步：弦测数据的获取及波形复原

检测***每2mm收到一次编码器送来的触发脉冲，输出同组3个1维传感器的位移值。三点偏弦每两次之间的采样间隔为2mm，两点弦为200mm。

两点弦弦测值

y(x)＝s₁-s₃，s₁、s₃为对应传感器测得的位移值(5)

三点偏弦弦测值

s₁、s₂、s₃为对应传感器测得的位移值(6)

将两点弦和三点偏弦的弦测值代入第二步设计的对应的逆滤波器，即可对弦测波形进行相应的复原。按照EN13231-3-2000规定，每100m对钢轨平顺度进行一次评价，总体弦测数据的获取及波形复原流程如图8所示。

为便于观察验证，设计一段长100m的不平顺原始波形，由波长分别为50mm、200mm、1m、5m、10m的正弦波叠加而成。去掉2#传感器无弦测值的点，得到弦测数据。分别经两点弦和三点偏弦逆滤波，得到短波长成份和长波长成份复原波形。三者及相应频谱如图9所示。

图9实际采到的弦测波形与原始波形相差很大，经逆滤波得到的长波长成份正好为原始波形的低频段，短波长为其高频段。图10复原波形与对应段的原始波形基本重合，原始波形含有的频谱成份在复原波形中精确体现出来，证明了本方法的可行性。

Claims (1)

1.一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在轨道的左轨和右轨上分别设置三个激光传感器；

2)令i＝0；

3)左轨或者右轨上的三个激光传感器同步采集到的光源入射点到钢轨表面的距离数据，三个激光传感器采集的距离数据分别存入数组1#(i)，2#(i)，3#(i)中；

4)令i＝i+1，重复上述步骤3)，直到i＝50000；

5)将步骤4)得到的三个数组分别赋给数组11#(j)，12#(j)，13#(j)；

6)去除数组11#(j)，12#(j)，13#(j)中的异常值，得到新的数组111#(j)，112#(j)，113#(j)；

7)三点偏弦计算：令s₁＝111#(j)、s₂＝112#(j)、s₃＝113#(j)，利用计算三点偏弦弦测值y(x)'，利用三点偏弦弦测值设计三点偏弦逆滤波器，恢复弦测波形30mm～1200mm短波长成分；其中s＝1000mm，a＝30mm，b＝970mm；

8)两点偏弦计算：令k＝0。判断j％100是否为零，若是，21#(k)＝111#(j)，23#(k)＝113#(j)，k＝k+1；否则，令j＝j+1，重复上述步骤对j值进行取余判断，直到j＝50000；

9)令s₁'＝21#(k)、s₂'＝23#(k)，利用公式y(x)＝s₁'-s₃'计算两点弦弦测值y(x)，并利用两点弦弦测值y(x)设计两点偏弦逆滤波器，恢复弦测波形1200mm～60m长波长成分。