CN107128329B - 一种基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置与设计方法 - Google Patents

一种基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置与设计方法 Download PDF

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Abstract

一种基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置与设计方法，属于高速铁路基础设施安全监测技术领域。轨距动态变化监测装置通过在铁轨翼缘处安装一个单自由度体系监测铁轨变形，包括单自由度体系和外罩。单自由度体系中的质点固定在杆件的一端，杆件的另一端固定在铁轨的翼缘处；加速度传感器A固定在质点的一侧，用于感应列车通过时质点总的加速度响应；加速度传感器B固定在杆件与铁轨翼缘相连的一端，用于捕捉环境的卓越频率；应变片粘贴于杆件与铁轨翼缘相连的一端，用于获得单自由度体系的应变进而获得质点的相对位移。本发明成本低，测得的位移值可靠，监测速度快，结果精准有效；结构精小，实时监测，保证铁路交通运行的安全。

Description

一种基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置与设计方法
技术领域
本发明属于高速铁路基础设施安全监测技术领域，提供了一种利用质点的相对运动监测铁轨在列车通过时及其它外噪声影响下轨距变化的监测装置与设计方法。
背景技术
铁路线路是我国运输业的基础设备，在高速铁路线路里程不断增加，铁路运输、高铁和地铁的大力发展背景下，随着使用年限的增加，由于铁轨受到列车载荷的影响，将会造成铁轨横向的位移变形，从而导致轨距等参数超过建设初期的安全设计指标，造成列车运行的不平稳，产生铁轨侧面和轮缘的磨耗，会产生一系列事故隐患。铁轨轨间距的变化对高速运行的列车会产生很大的危害，将直接影响到列车是否能安全的运行，关系到国家和人民的生命财产的安全。为预防因线路老化问题带来的重大事故的发生，需要准确、可靠的监测轨距，从而将铁轨轨距限制在其规定的规格内，对铁轨进行维护，从而维持列车高效、无间断、安全地运行。目前，监测铁轨轨距常用的方法是轨检车与量距仪。轨检车由检测装置和数据处理***两大部分组成，检测装置包括：惯性基准轨道不平顺测量装置、光点轨距测量装置和多功能振动测量装置等。但是此方法耗费大，***较为负载，是传统的测量方法。量距仪通过在两轨道间安装量距仪，来测量轨距的变化，但是该方法操作起来较为繁琐，并且精度不高。这些传统方法都不能在列车通过时动态测量实时轨距，因为需要一种可以方便、简单、低成本、高效的动态以及实时的监测铁轨轨距的方法。
发明内容
本发明要解决的技术难题是准确的测得铁轨变形加速度响应，克服直接用加速度传感器贴到铁轨翼缘处的一系列缺陷。直接用加速度传感器贴到轨道翼缘处的缺陷有两个方面：一是加速度的信号来源有很多，由加速度变形引起的加速度信号只是其中的一类。除此之外，还有脉冲、声波等引起的加速度信号，然而我们需要捕捉的是由铁轨变形引起的加速度信号；二是这些由非位移引起的加速度信号往往是高频的，由此进行积分获得的位移是不准确的。本发明目的是有效的捕捉由铁轨变形导致的加速度信号。
本发明的技术方案：
一种基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置，所述的轨距动态变化监测装置包括单自由度体系2和外罩3，单自由度体系2固定在铁轨1的翼缘处，外罩3将单自由度体系围罩起来并且固定到铁轨翼缘处，用于保护单自由度体系2。
所述的单自由度体系2包括质点4、杆件5、应变片6、加速度传感器A7、加速度传感器B8。所述的质点4为球形实体，质点4固定在杆件5的一端，杆件5的另一端固定在铁轨1的翼缘处。所述的加速度传感器A7固定在质点4的一侧，用于感应列车通过时质点4总的加速度响应；所述的加速度传感器B8固定在杆件5与铁轨1翼缘相连的一端，用于感应列车通过之前外界环境中的加速度响应。所述的应变片6粘贴于杆件5与铁轨翼缘相连的一端，用于获得单自由度体系2的应变进而获得质点4的相对位移。
与此同时，为了确保体系对外荷载的高度敏感性，反演出更准确的加速度响应，需要根据加速度响应中不同谱值设计几种不同长度杆件的单自由度体系，选择与加速度反应谱峰值即卓越频率相对应的单自由度体系既可。所述的杆件5的长度根据列车通过前所采集到外界环境的卓越频率确定，不同的单自由度体系中只有杆件5的长度不同。在列车通过前几秒时通过加速度传感器B8测得外噪声的声源信号即加速度反应谱，将此信号做傅里叶频谱分析找到卓越频率。其中卓越频率与杆件刚度的关系为K＝M*ω2，其中，K为杆件的刚度、M为杆件的质量、ω为卓越频率，杆的质量与长度的关系M＝ρAL，其中，ρ为杆件的密度(已知量)，A为杆件的横截面积(已知量)，所以K＝ρAL*ω2。通过刚度与杆件的长度的关系即K＝3EI/L3，可得出卓越频率与杆件长度之间的关系即进而选取相应长度杆件的单自由度体系，其中，E为弹性模量、I为截面惯性矩、L为杆件长度。由于不同的环境下所采集的卓越频率是不同的，例如桥上的轨道，隧道中的轨道，地面上的轨道，相同的列车以相同速度通过时得到的频率是不同的。因此用此方法可使体系对所需的变形响应更敏感从而消除外在噪声等响应的影响。
上述基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置的设计方法，包括以下步骤：
第一步，在列车通过之前用激光测距仪量测出两条轨道之间的距离。
第二步，选某一型号的轨距动态变化监测装置固定在铁轨1的翼缘处，先行记录加速度传感器B8采集到外界环境中的加速度响应，计算环境震动的卓越频率，选出与环境的卓越频率相应杆件型号的单自由度体系，将其重新固定在铁轨1翼缘处。
第三步：列车通过时，由于受到地震动的影响质点4会产生加速度。质点4上的加速度传感器A7记录的加速度a(t)由两部分构成即a(t)＝ag+ü，其中，a(t)为总加速度、ag为变形加速度、ü为相对加速度。所述的a(t)的值由帖放在质点上的加速度传感器A测得，ü根据应变片6量测的应变求出
第四步，求变形加速度ag以及铁轨变形量
质点的相对位移u可根据应变与位移之间的关系即ε＝3EIu/EAL3求出。其中，ε为应变值、E为杆件的弹性模量、I为杆件的截面惯性矩、u为质点相对位移、A为杆件的截面面积、L为杆件长度。将质点的相对位移u对时间两次微分可得出质点的相对加速度ü，根据等式a(t)＝ag+ü可求出变形加速度ag。将变形加速度ag对时间进行两次积分可得到铁轨的变形量，即铁轨的位移。
第五步，对两条铁轨的位移求和得到轨距总的动态位移变化量，再与初始轨距求和可得到列车通过时的轨距，通过与规定的轨距相比较可判断现轨距是否在安全范围内。
本发明的有益效果是：成本低，测得的位移值可靠，监测速度快，结果精准有效；结构精小，实时监测，进而保证铁路交通运行的安全。
附图说明
图1为单自由度体系固定在铁轨翼缘处示意图
图2为单自由度体系(图1中单自由度体系的放大图)
图3为基于离散快速傅里叶变换的波谱-卓越频率图。
图4为单自由度体系中质点的相对位移-时间曲线。
图5为单自由度体系中质点相对加速度-时间曲线。
图6为变形加速度-时间曲线。
图7为铁轨的位移-时间曲线。
图中：1铁轨；2单自由度体系；3外罩；4质点；5杆件；6应变片；7加速度传感器A；8加速度传感器B。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式：
一种基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置，所述的轨距动态变化监测装置包括单自由度体系2和外罩3，单自由度体系2固定在铁轨1的翼缘处，外罩3将单自由度体系围罩起来并且固定到铁轨翼缘处，用于保护单自由度体系2。单自由度体系2中的质点4固定在杆件5的一端，杆件5的另一端固定在铁轨1的翼缘处；加速度传感器A7固定在质点4的一侧，用于感应列车通过时质点4总的加速度响应；加速度传感器B8固定在杆件5与铁轨1翼缘相连的一端，用于感应列车通过之前外界环境中的加速度响应；应变片6粘贴于杆件5与铁轨翼缘相连的一端，用于获得单自由度体系2的应变进而获得质点4的相对位移。
轨距定义为左右两股铁轨顶面下16mm处点间的距离，在铁轨顶面下16mm翼缘处安置单自由度体系，如图1所示。在列车通过之前用激光测距仪量测出两条轨道之间的距离，假定值为S，加速度传感器8记录在列车通过之前的加速度反应谱，将其做离散快速傅里叶变换找出其卓越频率ω，如图3所示。由ω与杆件长度L之间的关系选出与卓越频率相对应的杆件长度的单自由度体系。
当列车经过时，由图2中的6记录的应变值，通过应变与位移的关系即ε＝3EIu/EAL3可得出质点的相对位移值。假定左侧铁轨上质点的相对位移为u1＝0.005sinωt；右侧铁轨上质点的相对位移值为如图4所示。将u1与u2时间进行两次微分得到如图5所示的相对加速度分别为：ü1＝-0.005ω2sinωt、假定图2中7记录的a(t)＝0.01sinωt，则两侧铁轨的变形加速度响应分别为： 如图6所示，将变形加速度ag进行两次微分后得出铁轨左右两侧的位移值分别为： 如图7所示。将两股铁轨的最终位移求和即为轨距的改变量，与初始轨距求和即S′＝S+U1+U2为列车通过时的实时轨距。
由材料力学推导原理公式如下：
对于悬臂梁来说，ε＝ΔL/L   (1)
其中ε为杆的应变，ΔL为杆的长度变化量，L为杆的长度
ΔL＝FL/EA   (2)
将(2)式代入(1)中可得：
ε＝F/EA   (3)
悬臂梁杆件端部的位移：
u＝FL3/3EI   (4)
将(3)代入(4)中可得：
ε＝3EIu/EAL3即应变与位移的关   (5)
根据结构动力学可知杆件的刚度K与ω之间的关系为：
K＝M*ω2   (6)
杆件质量与杆件长度之间的关系为：
M＝ρAL   (7)
由材料力学可知K与杆件长度L之间的关系为：
K＝3EI/L3   (8)
将(7)式和(8)式均代入(6)式中可得杆件长度与卓越频率之间的关系，如公式(9)所示。

Claims (3)

1.一种基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置，其特征在于，所述的轨距动态变化监测装置包括单自由度体系(2)和外罩(3)，单自由度体系(2)固定在铁轨(1)翼缘处，外罩(3)罩在单自由度体系(2)外侧，并固定在铁轨(1)翼缘处，用于保护单自由度体系(2)；
所述的单自由度体系(2)包括质点(4)、杆件(5)、应变片(6)、加速度传感器A(7)、加速度传感器B(8)；所述的质点(4)为球形实体，质点(4)固定在杆件(5)的一端，杆件(5)的另一端固定在铁轨(1)的翼缘处；所述的加速度传感器A(7)固定在质点(4)的一侧，用于感应列车通过时质点(4)总的加速度响应；所述的加速度传感器B(8)固定在杆件(5)与铁轨(1)翼缘相连的一端，用于感应列车通过之前外界环境中的加速度响应；所述的应变片(6)粘贴于杆件(5)与铁轨翼缘相连的一端，用于获得单自由度体系(2)的应变进而获得质点(4)的相对位移；所述的杆件(5)的长度根据列车通过前采集到的外界环境的卓越频率确定，不同的单自由度体系中杆件(5)的长度不同。
2.根据权利要求1所述的一种基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置，其特征在于，所述的卓越频率由加速度传感器B(8)测得外噪声的加速度反应谱通过傅里叶频谱分析得到，卓越频率与杆件(5)的长度关系为：
Figure FDA0004145362840000011
其中，ω为卓越频率；E为杆件的弹性模量；I为杆件的截面惯性矩；L为杆件长度；ρ为杆件的密度，A为杆件的横截面积。
3.应用权利要求1或2所述的基于应变量测反演变形加速度响应的轨距动态变化监测装置的监测方法，其特征在于以下步骤：
第一步，在列车通过之前用激光测距仪量测出两条轨道之间的距离；
第二步，将某一型号的轨距动态变化监测装置固定在铁轨(1)的翼缘处，先行记录加速度传感器B(8)采集到外界环境中的加速度响应，计算环境震动的卓越频率，选出与环境的卓越频率相对应杆件型号的单自由度体系，将其重新固定在铁轨(1)翼缘处；
第三步：列车通过时，由于受到地震动的影响质点(4)产生加速度；质点(4)上的加速度传感器A(7)记录的总的加速度为a(t)，a(t)的值由帖放在质点(4)上的加速度传感器A(7)测得；
Figure FDA0004145362840000021
其中，ag为变形加速度、
Figure FDA0004145362840000022
为相对加速度；
Figure FDA0004145362840000023
根据应变片(6)测量的应变求出；
第四步，求变形加速度ag以及铁轨变形量
质点(4)的相对位移u根据应变值与位移之间的关系求出，具体如下：
ε＝3EIu/EAL3
其中，ε为应变值、E为杆件的弹性模量、I为杆件的截面惯性矩、u为质点相对位移、A为杆件的截面面积、L为杆件长度；
由质点的相对位移u对时间进行两次微分得到质点的相对加速度
Figure FDA0004145362840000024
并根据等式
Figure FDA0004145362840000025
求出变形加速度ag；
由变形加速度ag对时间进行两次积分得到铁轨的变形量，即铁轨的位移；
第五步，对两条铁轨的位移求和得到轨距总的动态位移变化量，再与初始轨距求和可得到列车通过时的轨距，通过与规定的轨距相比较可判断现轨距是否在安全范围内。
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