一种适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统及方法，属于铁路环保技术领域。

背景技术

高速铁路声屏障一般安装于铁路路肩或桥梁栏杆处，位于线路一侧或双侧，距离近侧轨道中心线约3.4m到4.2m不等。列车通过时，会产生列车风荷载，还会引起路基、桥梁主体结构振动，列车风荷载作用于声屏障表面，对其产生压力和吸力的交变荷载作用，并在极短时间内产生压力换向，轮轨激励振动通过轨道板及道床传递到声屏障结构基础，声屏障同时承受列车风致振动与轮轨激励振动的影响。

声屏障振动激励源主要来自于气动荷载和轮轨激励，其中，气动荷载以低频为主，轮轨激励以中高频为主，目前，针对声屏障振动特性研究，以声屏障本体结构振动响应为主，未有效分离气动荷载和轮轨激励的影响，无法提出针对性的振动控制建议。列车气动荷载直接作用于声屏障结构物表面，诱发风致振动，列车轮轨相互激励产生作用力，进一步传递至轨道板、道床及声屏障结构上，诱发随机振动，但是，目前，尚未形成统一有效的检测方法。

我国高速铁路插板式声屏障大都采用通环[2009]8323、通环[2009]8323A、通环[2009]8223、通环[2013]8323、通环[2013]8223、通环[2016]8223、通环[2018]8223等通用参考图进行设计。随着我国高速铁路大规模开通运营，大量声屏障进入维护保养阶段，依据实际工程中的养护经验，各代声屏障通用参考图进行了一定程度的改良，如增加顶部盖板与底部托板设计，并应用于新建高铁线路声屏障工程中，可有效规避部分养护维修中产生的共性问题，但通用参考图对声屏障的日常维护、保养只做出了原则性的规定和要求，随着声屏障服役期增长，列车运行速度提高，部分声屏障结构出现疲劳劣化现象，目前，尚未建立完整和有效的高速铁路声屏障结构安全测试评价方法，缺乏对声屏障结构疲劳劣化程度的评判方法(标准)，缺乏声屏障结构安全性能快速检测手段。

2022年04月22日公开的专利申请号为202111631187.1、发明创造名称为一种地下高铁站的结构物振动响应自动监测装置的中国发明专利申请公开了一种地下高铁站的结构物振动响应自动监测装置，包括数据采集模块、列车通过信号触发模块、列车风压测试模块、列车轮轨激励振动测试模块、地下高铁站结构物振动响应测试模块、站台站厅振动响应测试模块、数据综合处理分析模块、数据传输模块及供电模块；其中，列车通过信号触发模块与数据采集模块相连接，列车风压测试模块、列车轮轨激励振动测试模块、地下高铁站结构物振动响应测试模块、站台站厅振动响应测试模块分别与数据采集模块的输入端相连接，数据采集模块的输出端分别与数据传输模块及供电模块相连接，数据传输模块通过数据综合处理分析模块与供电模块相连接。但是，声屏障属于高速铁路附属结构物，地下车站测试的对象是车站的主体结构，背景技术和目标对象差异较大；声屏障结构主要由立柱和单元板组合形成，轮轨激励振动通过钢轨、轨道板、道床系统后传递到钢立柱上，列车风压振动则直接作用在单元板上，且声屏障立柱与单元板之间为三元乙丙橡胶支撑下的弱结构联结，存在阻尼结构与解耦结构，声屏障立柱与单元板的振动存在互相消纳能量与振动反馈的相互作用关系，与车站主体结构的联结方式差异较大；上述地下高铁站的结构物振动响应自动监测装置不能简单移置，用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统，需要对测试系统进行实质性改进。

因此，本发明提供一种改进的测试系统，能够快捷、简化的适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试，为开展高速铁路声屏障列车风致振动及轮轨激励振动测算，提供支撑，为声屏障优化设计及养护维修，提供依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的测试系统，能够快捷、简化的适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试，实现高速铁路列车气动荷载及轮轨激励荷载引发的声屏障结构振动系统测试，为声屏障结构优化设计和安全运营提供支撑。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统，其特征在于：包括数据采集存储模块、列车通过信号触发模块、列车风压测试模块、列车轮轨激励振动测试模块、声屏障结构振动测试模块、数据综合处理分析模块、数据传输模块以及供电模块；列车通过信号触发模块、列车风压测试模块、列车轮轨激励振动测试模块、声屏障结构振动测试模块分别与数据采集模块的输入端相连接；数据采集模块的输出端分别与数据传输模块及供电模块相连接，数据传输模块通过数据综合处理分析模块与供电模块相连接。

优选地，所述数据采集模块为在声屏障安装位置底部布设的数据采集仪，数据采集仪与各测试模块相连接，数据采集仪通过各测试模块采集原始的列车风压、振动以及结构物振动响应信号，并将原始风压振动数据记录在数据综合处理分析模块的硬盘之中。

优选地，所述列车通过信号触发模块为安装于钢轨底部的钢轨振动加速度传感器，通过强力磁座吸附在钢轨底部，磁座设计为胶圈绝缘形式，实现振动加速度传感器与钢轨之间的绝缘效果。

优选地，所述列车通过信号触发模块为非接触的磁钢车轮传感器，在上、下行铁轨线各选一条钢轨进行安装。

优选地，所述列车风压测试模块由列车风压传感器及导线组成，列车风压传感器布设在声屏障结构立柱及单元板表面，包括不同高度处风压测点。

优选地，所述列车轮轨激励振动测试模块由列车轮轨激励振动传感器及导线组成，列车轮轨激励振动传感器布设在钢轨底部、轨道板表面及道床表面。

优选地，所述声屏障结构振动测试模块包括：在声屏障结构立柱及单元板表面布设声屏障振动传感器，包括立柱顶部，单元板中部及边部位置。

优选地，所述数据综合处理分析模块包括硬件和软件，硬件为可编程逻辑控制器。

优选地，所述数据传输模块由传感器导线、无线路由器和终端设备组成；传感器导线连接各传感器以及数据采集模块，无线路由器作为备选连接方式；终端设备为手机、平板电脑或计算机。

优选地，所述供电模块为大容量蓄电池，通过电源逆变器产生220V交流电。

本发明的另一目的是提供一种适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种适用于高速铁路声屏障的列车风压及轮轨激励振动系统测试方法，其特征在于，主要包含列车信号自动触发模块、列车风压测试、列车轮轨激励振动测试、声屏障结构振动响应测试、数据综合分析处理；

所述列车信号自动触发模块，为在测试区段钢轨底部安装振动加速度传感器，在所述数据采集仪控制系统上设置触发振动加速度值，当高速列车经过传感器布设区段时，行进在钢轨上的列车引发的钢轨振动加速度大于或等于所设置的触发振动加速度值时，所述数据采集仪开始采集和记录连接到数据采集仪上的风压及振动测试数据；

所述列车风压测试方法，为在声屏障结构表面布设列车风压传感器，立柱及单元板分别布设，有条件的情况下分别在立柱不同高度位置布设；

所述列车轮轨激励振动测试，为在声屏障振动测试区段轨行区布设振动加速度传感器，在轨行区内布设于钢轨底部、轨道板表面，包含垂向及横向振动信号采集；

所述声屏障结构物振动响应测试，为在声屏障立柱及单元板结构表面布设振动加速度传感器，包含不同高度处的振动测点；

所述数据综合分析处理方法，为通过对采集获得的单列动车组诱发声屏障结构振动的影响因素及振动响应进行综合分析，通过钢轨加速度信号可计算得到通过列车的实际车速，通过列车风压测试数据，获取列车作用于声屏障结构表面的风压时域及频域特性；通过列车轮轨激励振动测试数据，获得列车轮轨激励振动源强值及振动传递衰减特性；通过声屏障振动响应测试数据，由相关性分析获得列车风致振动及轮轨激励振动贡献特性。

有益效果：

本发明的适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统及方法，基于通过高速列车诱发声屏障结构振动的两种主要因素，列车风压及轮轨激励振动，设计了一种可自动、同步采集的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统，测试系统中，轮轨振动通过钢轨-轨道板-道床-声屏障立柱形成振动测试传递路径；单元板为测试不同高度的单元板；声屏障结构振动中风压的影响占据了主要影响因素，数据分析结果可以实现对两种影响因素的区分，实现了高速铁路声屏障列车风致结构振动响应的系统测试，实现了列车风压和轮轨激励振动两种振动激励源信号的同步采集及综合分析，为高速铁路声屏障的结构优化设计和安全运营提供支撑。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明实施例1中适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统的结构示意图。

主要附图标记说明：

1数据采集存储模块

2列车通过信号触发模块

3列车风压测试模块

4列车轮轨激励振动测试模块

5声屏障结构振动测试模块

6数据综合处理分析模块

7数据传输模块

8供电模块

具体实施方式

除非特别说明，下述实施例中，所述零部件均为本领域市场可购的常规零部件，零部件之间的连接均为常规连接，所涉及的软件均为本领域的常规软件。

如图1所示，为本发明实施例1中适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统的结构示意图，其中，1为数据采集存储模块，2为列车通过信号触发模块，3为列车风压测试模块，4为列车轮轨激励振动测试模块，5为声屏障结构振动测试模块，6为数据综合处理分析模块，7为数据传输模块，8为供电模块；本发明实施例1的适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统包括数据采集存储模块1、列车通过信号触发模块2、列车风压测试模块3、列车轮轨激励振动测试模块4、声屏障结构振动测试模块5、数据综合处理分析模块6、数据传输模块7以及供电模块8；列车通过信号触发模块2、列车风压测试模块3、列车轮轨激励振动测试模块4、声屏障结构振动测试模块5分别与数据采集模块1的输入端相连接；数据采集模块1的输出端分别与数据传输模块7及供电模块8相连接，数据传输模块7通过数据综合处理分析模块6与供电模块8相连接；

数据采集模块1为在声屏障安装位置底部布设的数据采集仪(北京东方所生产销售的振动风压数据采集系统INV3062)，数据采集仪与各测试模块相连接，数据采集仪通过各测试模块采集原始的列车风压、振动以及结构物振动响应信号，并将原始风压振动数据记录在数据综合处理分析模块6的硬盘之中；

列车通过信号触发模块2为安装于钢轨底部的钢轨振动加速度传感器，通过强力磁座吸附在钢轨底部，磁座设计为胶圈绝缘形式，实现振动加速度传感器与钢轨之间的绝缘效果；列车通过信号触发模块2还可为非接触的磁钢车轮传感器，在上、下行铁轨线各选一条钢轨进行安装；

列车风压测试模块3由列车风压传感器及导线组成，列车风压传感器(北京朗斯公司生产的E810G-010，量程为±2kPa)布设在声屏障结构立柱及单元板表面，包括不同高度处风压测点；所述列车风压传感器至少三个，立柱及单元板分别布设，有条件的情况下分别在立柱不同高度位置布设。

列车轮轨激励振动测试模块4由列车轮轨激励振动传感器及导线组成，列车轮轨激励振动传感器布设在钢轨底部、轨道板表面及道床表面；

声屏障结构振动测试模块5包括：在声屏障结构立柱及单元板表面布设声屏障振动传感器，包括立柱顶部，单元板中部及边部位置，包含不同高度处的振动测点；

数据综合处理分析模块6包括硬件和软件，硬件为可编程逻辑控制器(市场可购，如深圳市品鑫达电子有限公司销售的CY7C43683V-15AC)，软件为东方所公司开发的数据采集仪控制系统Coinv DASP V11)；

数据传输模块7由传感器导线、无线路由器和终端设备组成；传感器导线连接各传感器以及数据采集模块，无线路由器作为备选连接方式；终端设备为手机、平板电脑或计算机；

供电模块8为其余各模块的正常工作提供电能，通常为大容量蓄电池，通过电源逆变器产生220V交流电；

本发明实施例1中适用于高速铁路声屏障的列车风致振动与轮轨激励振动测试方法的步骤如下：

(1)数据采集

在声屏障测试区段轨行区布设振动加速度传感器：在轨行区内的钢轨底部和轨道板表面布设振动加速度传感器，在声屏障安装位置底部适当位置处布设数据采集仪，其中，所述数据采集仪与所述振动加速度传感器相连接；

高速诱发结构物振动响应主要有两种因素，分别为列车风压及列车轮轨激励振动，当列车驶入声屏障区段时，所携带的压缩波及膨胀波作用于声屏障结构物表面，对结构物形成推拉作用，诱发车站结构物振动响应；列车驶入声屏障区间，由轮轨相互作用形成轮轨激励振动，并通过轨下结构轨道板、道床等传递到声屏障立柱基础处，诱发结构振动；列车风压传感器主要布设在声屏障结构立柱及单元板表面，包括不同高度处风压测点；列车轮轨激励振动传感器主要布设在钢轨底部、轨道板及道床表面；布设于钢轨底部的振动加速度传感器，用于列车信号触发及车速识别。

声屏障振动响应测试传感器主要布设在声屏障立柱顶部、单元板中部及边部位置，通过使用角铁固定装置使得声屏障振动响应测试传感器与结构物紧密相连，声屏障振动响应测试传感器可捕捉到列车通过由于列车风压及轮轨激励振动诱发的车站结构物振动响应；

在数据采集模块1(数据采集仪)上设置触发振动加速度值，所设置的触发振动加速度值应大于钢轨背景振动加速度幅值，并在数据采集仪上设置采集负延时时长，数据采集仪处于示波状态，触发采集后，同步记录负延时时长内的风压及振动信号数据；

当钢轨振动加速度值大于或等于所设置的触发加速度值时，所述数据采集仪开始记录钢轨振动加速度数据，并通过系统控制所述列车风压传感器及所述声屏障振动响应测试传感器开始采集列车风压及结构物振动加速度数据；

当钢轨振动加速度值小于所设置的触发加速度值时，所述数据采集仪停止记录钢轨振动加速度数据，并通过系统控制所述列车风压传感器及所述声屏障振动响应测试传感器停止采集列车风压及结构物振动加速度数据，并将系统调整至示波状态，等待下一次触发采集；

(2)数据综合分析

数据综合处理分析模块6通过对采集获得的一列动车组诱发振动的影响因素及振动响应进行综合分析，通过钢轨加速度信号可计算得到通过列车的实际车速，通过列车风压测试数据，获取列车作用于声屏障结构立柱及单元板表面的风压时域及频域特性；通过列车轮轨激励振动测试数据，获得列车轮轨激励振动源强值及振动传递衰减特性；通过结构物振动响应测试数据，由相关性分析获得风致振动及轮轨激励振动贡献特性；通过声屏障结构立柱及单元板表面测试数据，获取声屏障主体结构的振动响应。

应用实施例1

在安徽某地设有高速铁路声屏障的地段安装了本发明的列车风致振动与轮轨激励振动测试系统，获得列车通过声屏障区段时的风压极值在600～800Pa之间；钢轨振动加速度峰值为100m/s

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。