[发明专利]一种基于运营列车振动信号实时量测铁路轨道支撑刚度的高效方法

说明书

本发明公开了一种基于运营列车振动信号实时量测铁路轨道支撑刚度的高效方法，属于铁道工程健康监测领域。本发明基于车体/轨道耦合系统的简化物理模型，所采用的列车模型为双自由度系统，并推导出了双自由度车轨耦合系统中轮/轨接触点响应、车体响应封闭解析解，为后续研究提供严谨的理论依据。本发明利用实际测量的车体响应反算出轮/轨接触点响应，并从轮/轨接触点加速度响应频谱图中识别轨道频率，反算出轨道的支撑刚度，以高效、低成本的方法实现检测铁路轨道健康的目的。

技术领域

本发明涉及铁道工程健康监测领域，具体涉及一种基于运营列车振动信号实时量测铁路轨道支撑刚度的高效方法。

背景技术

铁路一直被认为是人民和物流的重要运输方式，尤其在世界高速铁路快速发展的今天，因此，及时监测铁路的健康状态，对于确保整个铁路网的正常运行至关重要。在列车的重复性和冲击荷载作用下，铁路的健康状态不可避免会受到影响，同时，结构所采用的材料性能也会随着使用寿命的延长而恶化，最终表现出来的铁路中轨道、轨枕、道砟等部件的损坏，如果不能直接检测到这些损坏，乘坐的舒适度将大大降低，甚至恶化为脱轨事故。为了解决这个问题，非常需要一种有效的测试技术来及时识别这些损坏，防止潜在的灾难性故障。

传统的在铁路部件上安装传感器直接测量后进行识别损伤，直接测量可以提供最有效的数据来评估健康状况或检测铁路部件某些部分的损坏情况。然而，直接测量技术仅仅被用于监测局部范围内的状况，难以将其部署在数百或数千公里的大型铁路网的全范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于运营列车振动信号实时量测铁路轨道支撑刚度的高效方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于运营列车振动信号实时量测铁路轨道支撑刚度的高效方法，包括以下步骤：

1)基于车体轨道耦合系统的简化物理模型，建立车体运动方程，轨道运动方程，车体和轨道相互作用力的表达式；

2)分析计算得出轨道振动方程，结合零初始条件获得铁轨的位移响应，引入接触点与铁轨位移关系，关于时间求二阶导得到轮轨接触点加速度响应的封闭解析解通用表达式；

3)通过频域变化求得车体振动响应封闭解析解通用表达式；

4)列车通过铁轨，安装在列车上的传感器采集数据，并传送到数据分析系统；

5)根据步骤4)中实测到的车体经过铁轨时的加速度响应间接计算出轮轨接触点加速度响应，并用步骤3)获得的车体响应理论表达式验证此反算公式的正确性或其精度值；

6)对步骤2)和5)中获得的接触点加速度响应进行FFT变换，得到频谱图；

7)从步骤6)获得的频谱图中分别识别出轨道自振频率ω_bn的实际测量值和理论值；

8)利用识别出来的轨道自振频率与铁路轨道支撑刚度的关系反算出轨道支撑刚度k_f。

进一步，在步骤1)所述的车体轨道耦合系统的简化物理模型中，车体简化为双自由度系统，轨道简化为两端简支的伯努利欧拉梁，车体轨道耦合系统为双自由度车辆轨道耦合系统。

进一步，在步骤3)中，基于所述双自由度车辆轨道耦合系统，利用频域方法推导出了轨道响应、车体响应以及轮轨接触点加速度响应封闭解析解通用表达式。

进一步，所述轨道自振频率ω_bn包括一阶自振频率ω_b1，步骤8)中利用轨道的一阶自振频率ω_b1对轨道支撑刚度k_f进行识别。

进一步，识别所述轨道自振频率ω_bn时，所使用的滤波器通带截止频率为0HZ，阻带截止频率为250HZ。