一种基于振动模态的钢轨锁定轨温检测方法

技术领域

本发明属于铁路钢轨状态检测技术领域，具体涉及一种基于振动模态的钢轨锁定轨温检测方法。

背景技术

随着铁路无缝线路钢轨的大量铺设，钢轨受纵向力影响越来越大，所以锁定轨温是铁路衡量钢轨状态的重要指标，对于如何快速、便捷检测钢轨锁定轨温一直是困扰铁路工务部门的难题。目前针对锁定轨温检测方案：1、观测桩法实现锁定轨温测量；2、应力放散法实现锁定轨温测量；3、超声波检测法实现锁定轨温测量。观测桩法有如下缺点：1）观测桩法采用的人工观测，观测误差比较大；2）观测桩法只能观测本区段内平均锁定轨温，不能实现对应力集中点观测；3）观测桩法需要铺设大量观测桩，工作量大。应力放散法的缺点如下：应力放散法比较能准确测算出本区段锁定轨温，但需要将铁路扣件松开进行放散作业，工作时长，工作量大，不适合快速测量。超声波检测法的缺点：不能直接测量出锁定轨温，需要输入初始锁定轨温、初始钢轨拉伸状态、钢轨材质等信息，对于既有铁路往往这些信息获取比较困难。

发明内容

针对现有技术观测桩观测误差比较大、放散法工作量大、超声波不能实现直接测量的问题，本发明提出一种基于振动模态的钢轨锁定轨温检测方法，通过测量钢轨振动模态、钢轨温度，利用钢轨纵向力与钢轨固有频率间的近似线性关系，选取多个固有频率，综合计算钢轨纵向力。通过钢轨纵向力与温度间关系，不需外部输入条件，直接实现锁定轨温测量。

本发明采用如下技术方案：

一种基于振动模态的钢轨锁定轨温检测方法，包括如下步骤：

步骤一、在钢轨上布置温度传感器、振动传感器；

步骤二、采用力锤进行信号激励，通过采集力锤信号与采集的模态数据进行相关性对比，判断数据的有效性；

步骤三、采用高精度模拟量采集设备对振动模态及力锤激励信号进行采集，将采集的数据传递给人机处理单元进行数据处理、计算；

步骤四、人机处里单元进行数据处理，通过快速傅立叶变换将时域信号转换为频域信号，获得频率数据；

步骤五、对获得的频率数据进行筛选，得到有效的固有频率；

步骤六、根据纵向力与固有频率间的线性关系获得钢轨纵向力；

步骤七、根据锁定轨温与钢轨纵向力间的关系计算锁定轨温。

进一步地，所述步骤一中，温度传感器布设在钢轨轨腰处；振动传感器采用磁吸的方式布设在钢轨轨腰中性轴上，水平方向为一跨四等分的1/4、1/2、3/4处。

进一步地，所述振动传感器底部依次与绝缘垫、失电型电磁座固定相连。

进一步地，所述步骤五中，对获得的频率数据进行筛选，具体为：对测试数据选择剔除500Hz以下的低频信号；从采集数据中选择多阶频率；并选取多个固有频率，与固有频率数据库进行比对，结合扣件间距、扣件刚度、扣件数量、扣件阻尼、钢轨长度对固有频率的影响，选取有效的固有频率进行加权取平均计算。

进一步地，所述步骤七中，锁定轨温计算公式如下：

T=T

其中：T为锁定轨温、T

本发明的优点与效果为：

本发明的基于振动模态的钢轨锁定轨温检测方法，能够实现钢轨锁定轨温快速、直接测量，其检测的精度高、速度快，实现设备小型化以及便携式测量，解决了铁路部门对于应力集中点锁定轨温测量，为铁路部门维修、维护提供重要依据。

采用本发明方法不需人工观测，可实现对应力集中点观测，同时不需要铺设大量观测桩，不需要将铁路扣件松开进行放散作业，减少了工作量，适合快速测量，同时规避了超声波检测法的缺点。

附图说明

图1为锁定轨温检测装置布设示意图；

图2为底部设有绝缘垫、失电型电磁座的振动传感器。

图中部件：1为振动传感器、2为绝缘垫、3为磁座。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步解释。

本发明为一种基于振动模态的钢轨锁定轨温检测方法，包括如下步骤：

步骤一、温度传感器布设在钢轨轨腰处，用于测试钢轨温度。振动传感器采用磁吸方式布设在钢轨轨腰中性轴，水平方向为一跨四等分的1/4、1/2、3/4处。采用失电型电磁铁实现传感器的快速安装与拆卸。电磁铁平时不供电，有磁性，传感器可安装在钢轨上；电磁铁加电，磁铁失去磁力，实现传感器拆卸。为减小轨道电路、钢轨牵引回流等电信号对采集信号影响，在传感器与磁座间增加绝缘垫，绝缘垫选材应保证能实现与传感器快速连接，同时不影响振动信号传递。失电型电磁铁、绝缘垫、传感器间通过螺纹或粘接实现连接，如图2所示，振动传感器1底部依次与绝缘垫2、失电型电磁座3固定相连。

步骤二、通过在布设传感器的相邻跨用力锤敲击钢轨轨腰多个敲击点，实现信号源激励。敲击点选择在钢轨轨腰中性轴，水平方向为一跨四等分的0、1/4、1/2、3/4处。

步骤三、采用高精度模拟量采集设备（数据采集单元）实现振动模态及力锤激励信号采集。振动传感器主要采集钢轨横向振动加速度时域信号。将采集数据传递给人机处理单元进行数据处理、计算。将力锤信号与采集振动模态数据进行相关性比对，判断数据有效性，如图1所示。

步骤四、人机处里单元进行数据处理，通过快速傅立叶变换将时域信号转换为频域信号。轨道振动低频部分容易受到道床、路基、桥梁、隧道的影响，500Hz以上频率与道床结构无关，因此对测试数据选择剔除500Hz以下的低频信号。选择多阶频率可以降低扣件间距和扣件刚度对测量纵向力的影响。例如通过多通道比对获得在1KHz-5KHz间多个频率点，频率点数会根据测试环境不同而不同。

步骤五、单一固有频率无法在全部测试场景识别，从采集数据中选取多个频率点，并与固有频率数据库进行比对，结合扣件间距、扣件刚度、扣件数量、扣件阻尼、钢轨长度对固有频率的影响筛选频率点，选取有效的频率点1210Hz、1508Hz、2007Hz，数据库中固有频率分别为1200 Hz、1500 Hz、2000 Hz，计算每个固有频率点频率变化量，进行加权取平均计算频率变化量。

步骤六、根据纵向力与固有频率间的线性关系式计算钢轨纵向力。

步骤七、根据锁定轨温与钢轨纵向力间的关系计算锁定轨温：

锁定轨温计算公式如下：

T=T

式中T：锁定轨温、T

通过上述方法即可获得钢轨锁定轨温。本发明通过测量钢轨振动模态、钢轨温度，利用钢轨纵向力与钢轨固有频率间的近似线性关系，选取多个固有频率，综合计算钢轨纵向力。通过钢轨纵向力与温度间关系，不需外部输入条件，直接实现锁定轨温测量。能够实现钢轨锁定轨温快速、直接测量，其检测的精度高、速度快，实现设备小型化以及便携式测量，解决了铁路部门对于应力集中点锁定轨温测量，为铁路部门维修、维护提供重要依据。