[发明专利]一种轨道扣件损伤的监测方法

权利要求书

1.一种轨道扣件损伤的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先,通过车轨耦合理论计算和摩擦纳米发电机理论计算，得到钢轨下摩擦纳米发电机在不同扣件损伤情况下的输出信号规律；

然后,在实际运营轨道中安装所述摩擦纳米发电机，使用巡检车在非运营时段巡检，记录每个摩擦纳米发电机输出电信号，在不同扣件损伤情况下的输出信号规律图中找到对应扣件损伤状况；具体包括如下步骤：

步骤1、钢轨位移响应计算：

建立列车-钢轨-道床耦合计算有限元模型，车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；钢轨采用柔性实体模型，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧-阻尼单元模拟；道床和衬砌采用刚性模型；钢轨状态理想；

选取多种扣件损伤工况，其中包括扣件损伤个数及扣件损伤位置，扣件损伤时扣件与钢轨脱离刚度取值为0；通过列车-钢轨-道床耦合计算有限元模型进行计算，获得两个扣件之间的中点位置，即摩擦纳米发电机安装位置的钢轨位移时程曲线z(t)；

步骤2、摩擦纳米发电机输出信号计算：

摩擦纳米发电机的输出信号根据下式计算

其中d₀＝d₁/ε_r1+d₂/ε_r2为有效厚度常数，所述摩擦纳米发电机的摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，顶部介电材料层为尼龙薄膜，底部介电材料层为PTFE薄膜，d₁、d₂分别为尼龙和PTFE的厚度，ε_r1、ε_r2分别为尼龙和PTFE的介电常数；ε₀为真空中的介电常数，σ为介电材料表面的电荷密度，R为外接电阻大小，S为摩擦对的面积，D(t)为摩擦对间隙，按下式计算

其中z(t)为监测位置的钢轨位移，A为摩擦对的初始间隙，摩擦对初始间隙根据计算结果取值，应大于无扣件损伤时的钢轨位移，小于多个扣件损伤时的钢轨位移；

采用数值积分的方式，可以得到在监测位置的摩擦纳米发电机的输出信号与扣件损伤个数和位置的关系，制成扣件损伤情况与摩擦纳米发电机输出信号对应的表格，并检查表格中是否有不同损伤工况下摩擦纳米发电机输出信号接近，若有，则改变摩擦对初始间隙并据此重新计算每种工况并制作表格；

步骤3、摩擦纳米发电机实测：

将若干所述摩擦纳米发电机安装于钢轨和道床之间，两个扣件的中间位置，初始间隙依据步骤2所最终采用初始间隙；定期在非运营时段使用测试车进行定速巡检，测试车车体参数和行驶参数应与步骤1所建立有限元模型相同；

提取测试车经过的钢轨下摩擦纳米发电机的输出电信号，将其记录，并找到对应扣件损伤工况，得到单个监测器件所测得扣件损伤状况；联合比对多个摩擦纳米发电机监测工况，最终确定扣件损伤个数及位置。

2.根据权利要求1所述的轨道扣件损伤的监测方法，其特征在于：所述摩擦纳米发电机，基于接触-分离式摩擦纳米发电机，由摩擦对、电极层、支撑层和缓冲层组成，放置于钢轨与道床之间，位于每两个扣件的中间位置；工作原理是：列车经过引起钢轨的往复振动，当钢轨发生竖向下位移时，钢轨带动摩擦对的上半部向下移动，摩擦对的内表面不断接近直至接触并产生摩擦和电荷转移，此时缓冲层被挤压，保护摩擦纳米发电机不在列车荷载作用下破坏；之后钢轨位移竖向上回复，摩擦对分开，此时摩擦对之间的间隙变化，两侧电极层之间的电势改变从而产生电势差，因此在导线连接的外电路产生电流；当钢轨扣件发生损伤甚至失效时，钢轨振动响应发生改变，从而引起摩擦纳米发电机输出信号变化，根据电信号，推测扣件损伤的个数和位置。

3.根据权利要求2所述的轨道扣件损伤的监测方法，其特征在于：所述摩擦纳米发电机的摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，顶部和底部介电薄膜层之间保留有一定初始间隙；所述电极层为两片铜箔，分别粘接于所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层，位于摩擦对的外侧，所述铜箔上连接有导线，可将输出电流；所述支撑层为两块亚力克平板，分别粘接于电极层的两片铜箔外侧，使得所述摩擦对和所述电极层均保持平面；所述缓冲层为海绵或橡胶材料，位于下方的支撑层下，用于缓冲列车荷载，同时保护摩擦纳米发电机结构安全。