本發(fā)明屬于高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種利用質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)鐵軌在列車通過時(shí)及其它外噪聲影響下軌距變化的監(jiān)測(cè)裝置與設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

鐵路線路是我國(guó)運(yùn)輸業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，在高速鐵路線路里程不斷增加，鐵路運(yùn)輸、高鐵和地鐵的大力發(fā)展背景下，隨著使用年限的增加，由于鐵軌受到列車載荷的影響，將會(huì)造成鐵軌橫向的位移變形，從而導(dǎo)致軌距等參數(shù)超過建設(shè)初期的安全設(shè)計(jì)指標(biāo)，造成列車運(yùn)行的不平穩(wěn)，產(chǎn)生鐵軌側(cè)面和輪緣的磨耗，會(huì)產(chǎn)生一系列事故隱患。鐵軌軌間距的變化對(duì)高速運(yùn)行的列車會(huì)產(chǎn)生很大的危害，將直接影響到列車是否能安全的運(yùn)行，關(guān)系到國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)的安全。為預(yù)防因線路老化問題帶來(lái)的重大事故的發(fā)生，需要準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測(cè)軌距，從而將鐵軌軌距限制在其規(guī)定的規(guī)格內(nèi)，對(duì)鐵軌進(jìn)行維護(hù)，從而維持列車高效、無(wú)間斷、安全地運(yùn)行。目前，監(jiān)測(cè)鐵軌軌距常用的方法是軌檢車與量距儀。軌檢車由檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩大部分組成，檢測(cè)裝置包括：慣性基準(zhǔn)軌道不平順測(cè)量裝置、光點(diǎn)軌距測(cè)量裝置和多功能振動(dòng)測(cè)量裝置等。但是此方法耗費(fèi)大，系統(tǒng)較為負(fù)載，是傳統(tǒng)的測(cè)量方法。量距儀通過在兩軌道間安裝量距儀，來(lái)測(cè)量軌距的變化，但是該方法操作起來(lái)較為繁瑣，并且精度不高。這些傳統(tǒng)方法都不能在列車通過時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)時(shí)軌距，因?yàn)樾枰环N可以方便、簡(jiǎn)單、低成本、高效的動(dòng)態(tài)以及實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)鐵軌軌距的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是準(zhǔn)確的測(cè)得鐵軌變形加速度響應(yīng)，克服直接用加速度傳感器貼到鐵軌翼緣處的一系列缺陷。直接用加速度傳感器貼到軌道翼緣處的缺陷有兩個(gè)方面：一是加速度的信號(hào)來(lái)源有很多，由加速度變形引起的加速度信號(hào)只是其中的一類。除此之外，還有脈沖、聲波等引起的加速度信號(hào)，然而我們需要捕捉的是由鐵軌變形引起的加速度信號(hào)；二是這些由非位移引起的加速度信號(hào)往往是高頻的，由此進(jìn)行積分獲得的位移是不準(zhǔn)確的。本發(fā)明目的是有效的捕捉由鐵軌變形導(dǎo)致的加速度信號(hào)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于應(yīng)變量測(cè)反演變形加速度響應(yīng)的軌距動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)裝置，所述的軌距動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)裝置包括單自由度體系2和外罩3，單自由度體系2固定在鐵軌1的翼緣處，外罩3將單自由度體系圍罩起來(lái)并且固定到鐵軌翼緣處，用于保護(hù)單自由度體系2。

所述的單自由度體系2包括質(zhì)點(diǎn)4、桿件5、應(yīng)變片6、加速度傳感器a7、加速度傳感器b8。所述的質(zhì)點(diǎn)4為球形實(shí)體，質(zhì)點(diǎn)4固定在桿件5的一端，桿件5的另一端固定在鐵軌1的翼緣處。所述的加速度傳感器a7固定在質(zhì)點(diǎn)4的一側(cè)，用于感應(yīng)列車通過時(shí)質(zhì)點(diǎn)4總的加速度響應(yīng)；所述的加速度傳感器b8固定在桿件5與鐵軌1翼緣相連的一端，用于感應(yīng)列車通過之前外界環(huán)境中的加速度響應(yīng)。所述的應(yīng)變片6粘貼于桿件5與鐵軌翼緣相連的一端，用于獲得單自由度體系2的應(yīng)變進(jìn)而獲得質(zhì)點(diǎn)4的相對(duì)位移。

與此同時(shí)，為了確保體系對(duì)外荷載的高度敏感性，反演出更準(zhǔn)確的加速度響應(yīng)，需要根據(jù)加速度響應(yīng)中不同譜值設(shè)計(jì)幾種不同長(zhǎng)度桿件的單自由度體系，選擇與加速度反應(yīng)譜峰值即卓越頻率相對(duì)應(yīng)的單自由度體系既可。所述的桿件5的長(zhǎng)度根據(jù)列車通過前所采集到外界環(huán)境的卓越頻率確定，不同的單自由度體系中只有桿件5的長(zhǎng)度不同。在列車通過前幾秒時(shí)通過加速度傳感器b8測(cè)得外噪聲的聲源信號(hào)即加速度反應(yīng)譜，將此信號(hào)做傅里葉頻譜分析找到卓越頻率。其中卓越頻率與桿件剛度的關(guān)系為k＝m*ω²，其中，k為桿件的剛度、m為桿件的質(zhì)量、ω為卓越頻率，桿的質(zhì)量與長(zhǎng)度的關(guān)系m＝ρa(bǔ)l，其中，ρ為桿件的密度(已知量)，a為桿件的橫截面積(已知量)，所以k＝ρa(bǔ)l*ω²。通過剛度與桿件的長(zhǎng)度的關(guān)系即k＝3ei/l³，可得出卓越頻率與桿件長(zhǎng)度之間的關(guān)系即進(jìn)而選取相應(yīng)長(zhǎng)度桿件的單自由度體系，其中，e為彈性模量、i為截面慣性矩、l為桿件長(zhǎng)度。由于不同的環(huán)境下所采集的卓越頻率是不同的，例如橋上的軌道，隧道中的軌道，地面上的軌道，相同的列車以相同速度通過時(shí)得到的頻率是不同的。因此用此方法可使體系對(duì)所需的變形響應(yīng)更敏感從而消除外在噪聲等響應(yīng)的影響。

上述基于應(yīng)變量測(cè)反演變形加速度響應(yīng)的軌距動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

第一步，在列車通過之前用激光測(cè)距儀量測(cè)出兩條軌道之間的距離。

第二步，選某一型號(hào)的軌距動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)裝置固定在鐵軌1的翼緣處，先行記錄加速度傳感器b8采集到外界環(huán)境中的加速度響應(yīng)，計(jì)算環(huán)境震動(dòng)的卓越頻率，選出與環(huán)境的卓越頻率相應(yīng)桿件型號(hào)的單自由度體系，將其重新固定在鐵軌1翼緣處。

第三步：列車通過時(shí)，由于受到地震動(dòng)的影響質(zhì)點(diǎn)4會(huì)產(chǎn)生加速度。質(zhì)點(diǎn)4上的加速度傳感器a7記錄的加速度a(t)由兩部分構(gòu)成即a(t)＝ag+ü，其中，a(t)為總加速度、ag為變形加速度、ü為相對(duì)加速度。所述的a(t)的值由帖放在質(zhì)點(diǎn)上的加速度傳感器a測(cè)得，ü根據(jù)應(yīng)變片6量測(cè)的應(yīng)變求出

第四步，求變形加速度ag以及鐵軌變形量

質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移u可根據(jù)應(yīng)變與位移之間的關(guān)系即ε＝3eiu/eal³求出。其中，ε為應(yīng)變值、e為桿件的彈性模量、i為桿件的截面慣性矩、u為質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移、a為桿件的截面面積、l為桿件長(zhǎng)度。將質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移u對(duì)時(shí)間兩次微分可得出質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)加速度ü，根據(jù)等式a(t)＝ag+ü可求出變形加速度ag。將變形加速度ag對(duì)時(shí)間進(jìn)行兩次積分可得到鐵軌的變形量，即鐵軌的位移。

第五步，對(duì)兩條鐵軌的位移求和得到軌距總的動(dòng)態(tài)位移變化量，再與初始軌距求和可得到列車通過時(shí)的軌距，通過與規(guī)定的軌距相比較可判斷現(xiàn)軌距是否在安全范圍內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果是：成本低，測(cè)得的位移值可靠，監(jiān)測(cè)速度快，結(jié)果精準(zhǔn)有效；結(jié)構(gòu)精小，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而保證鐵路交通運(yùn)行的安全。

附圖說(shuō)明

圖1為單自由度體系固定在鐵軌翼緣處示意圖

圖2為單自由度體系(圖1中單自由度體系的放大圖)

圖3為基于離散快速傅里葉變換的波譜-卓越頻率圖。

圖4為單自由度體系中質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移-時(shí)間曲線。

圖5為單自由度體系中質(zhì)點(diǎn)相對(duì)加速度-時(shí)間曲線。

圖6為變形加速度-時(shí)間曲線。

圖7為鐵軌的位移-時(shí)間曲線。

圖中：1鐵軌；2單自由度體系；3外罩；4質(zhì)點(diǎn)；5桿件；6應(yīng)變片；7加速度傳感器a；8加速度傳感器b。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖，詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式：

一種基于應(yīng)變量測(cè)反演變形加速度響應(yīng)的軌距動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)裝置，所述的軌距動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)裝置包括單自由度體系2和外罩3，單自由度體系2固定在鐵軌1的翼緣處，外罩3將單自由度體系圍罩起來(lái)并且固定到鐵軌翼緣處，用于保護(hù)單自由度體系2。單自由度體系2中的質(zhì)點(diǎn)4固定在桿件5的一端，桿件5的另一端固定在鐵軌1的翼緣處；加速度傳感器a7固定在質(zhì)點(diǎn)4的一側(cè)，用于感應(yīng)列車通過時(shí)質(zhì)點(diǎn)4總的加速度響應(yīng)；加速度傳感器b8固定在桿件5與鐵軌1翼緣相連的一端，用于感應(yīng)列車通過之前外界環(huán)境中的加速度響應(yīng)；應(yīng)變片6粘貼于桿件5與鐵軌翼緣相連的一端，用于獲得單自由度體系2的應(yīng)變進(jìn)而獲得質(zhì)點(diǎn)4的相對(duì)位移。

軌距定義為左右兩股鐵軌頂面下16mm處點(diǎn)間的距離，在鐵軌頂面下16mm翼緣處安置單自由度體系，如圖1所示。在列車通過之前用激光測(cè)距儀量測(cè)出兩條軌道之間的距離，假定值為s，加速度傳感器8記錄在列車通過之前的的加速度反應(yīng)譜，將其做離散快速傅里葉變換找出其卓越頻率ω，如圖3所示。由ω與桿件長(zhǎng)度l之間的關(guān)系選出與卓越頻率相對(duì)應(yīng)的桿件長(zhǎng)度的單自由度體系。

當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，由圖2中的6記錄的應(yīng)變值，通過應(yīng)變與位移的關(guān)系即ε＝3eiu/eal³可得出質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移值。假定左側(cè)鐵軌上質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移為u1＝0.005sinωt；右側(cè)鐵軌上質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移值為如圖4所示。將u1與u2時(shí)間進(jìn)行兩次微分得到如圖5所示的相對(duì)加速度分別為：ü1＝-0.005ω²sinωt、假定圖2中7記錄的a(t)＝0.01sinωt，則兩側(cè)鐵軌的變形加速度響應(yīng)分別為：如圖6所示，將變形加速度ag進(jìn)行兩次微分后得出鐵軌左右兩側(cè)的位移值分別為：如圖7所示。將兩股鐵軌的最終位移求和即為軌距的改變量，與初始軌距求和即s′＝s+u1+u2為列車通過時(shí)的實(shí)時(shí)軌距。

由材料力學(xué)推導(dǎo)原理公式如下：

對(duì)于懸臂梁來(lái)說(shuō)，ε＝δl/l(1)

其中ε為桿的應(yīng)變，δl為桿的長(zhǎng)度變化量，l為桿的長(zhǎng)度

δl＝fl/ea(2)

將(2)式代入(1)中可得：

ε＝f/ea(3)

懸臂梁桿件端部的位移：

u＝fl³/3ei(4)

將(3)代入(4)中可得：

ε＝3eiu/eal³即應(yīng)變與位移的關(guān)(5)

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)可知桿件的剛度k與ω之間的關(guān)系為：

k＝m*ω²(6)

桿件質(zhì)量與桿件長(zhǎng)度之間的關(guān)系為：

m＝ρa(bǔ)l(7)

由材料力學(xué)可知k與桿件長(zhǎng)度l之間的關(guān)系為：

k＝3ei/l³(8)

將(7)式和(8)式均代入(6)式中可得桿件長(zhǎng)度與卓越頻率之間的關(guān)系，如公式(9)所示。

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