基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法

2023-09-23 11:20:40 1

基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，包括以下測量步驟：測量載體以一定速度行駛在鋼軌上；測量某時刻點測量載體的行駛速度和鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，以及測量載體施加給鋼軌的壓力載荷；撓曲線斜率方程組引入測量載體的行駛速度和上述鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，計算得到撓曲線參數；根據鋼軌最大撓度值計算公式，計算得到鋼軌最大撓度值；根據鋼軌剛度計算公式，計算得到鋼軌剛度。本發明支持動態採集，測量結果不受鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區不平順、軌道不平順等因素的影響，在快速測量的基礎上，準確測量軌道剛度，間接的降低了對成本的消耗。
【專利說明】基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種軌道剛度測量方法。

【背景技術】
[0002]軌道剛度是指為使鋼軌產生單位下沉所需的豎直載荷(單位:kN/mm)，其中鋼軌產生的單位下沉是指鋼軌在豎直壓力載荷作用下發生的單位垂直變形量。
[0003]軌道剛度是影響軌道結構振動與變形、列車運行安全性、平穩性及軌道養護維修工作量的重要參數，合理的軌道剛度不僅能保證列車安全、平穩的運行，還能有效減緩輪軌相互作用，減輕軌道結構的動應力，保持軌道的幾何狀態良好，從而減輕鋼軌的養護維修工作量。
[0004]目前有多種方法可用於軌道垂直剛度的測量，有的為靜態離散測量、有的為動態連續測量，但這些測量方法均為基於距離的軌道剛度測方法。其中，靜態測量的方式無法滿足高速測試的要求；而採用動態連續測量方法的測量過程中，由於鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區不平順、測量載體的震動等原因，動態連續測量方法的誤差較大。


【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是以克服上述現有技術的不足，提供一種基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供的基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，在測量載體上，安裝若干速度傳感器和壓力載荷測量裝置，其中，一速度傳感器用於測量載體的行駛速度，另多個速度傳感器分別用於測量鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，所述多個速度傳感器之間的距離已知，所述壓力載荷測量裝置用於測量所述測量載體的車輪施加給鋼軌的壓力載荷；包括以下測量步驟:
[0007]1.讓所述測量載體以一定速度行駛在鋼軌上，
[0008]i1.控制所述若干速度傳感器以及壓力載荷測量裝置同時測量，得到某時刻點的測量載體的行駛速度和鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，以及測量載體施加給鋼軌的壓力載荷；
[0009]ii1.在撓曲線斜率方程組中，引入測量載體的行駛速度和上述鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，計算得到鋼軌最大撓度值計算公式的撓曲線參數；
[0010]iv.根據鋼軌最大撓度值計算公式，引入上述撓曲線參數，計算得到鋼軌最大撓度值；
[0011]V.根據鋼軌剛度計算公式，計算得到鋼軌剛度。
[0012]所述測量載體的每個車輪產生的撓曲線相互之間不產生影響時，所述撓曲線斜率方程組為下列公式(11)，
VR1 jVC = ^(sm (爐 D1 ))e—叫
VR1 /VC = ^ism (5 * D0
[0013]I *■"
mn/VC = A(SiniB-Dii))^ 11⑴
[0014]其中，VR1、VR2、…、VRn*別為多個測點P1、P2、…、Pn處鋼軌垂直變形速度；VC為測量載體的測量速度；A、B為撓曲線參數；DpD2、…、Dn分別為測點PpP2、…、PJg離載荷中心的水平距離。
[0015]在上述的撓曲線斜率方程組中，鋼軌垂直變形速度可通過速度傳感器測量獲取；測量載體的測量速度可通過速度傳感器測量獲取；測點距離載荷中心的水平距離由傳感器的安裝位置決定，為已知值。故，撓曲線斜率方程組中只有A、B兩個未知參數。所述鋼軌最大撓度值y(0) = -^，A、B為撓曲線參數。

Lu
[0016]所述測量載體的相鄰車輪產生的撓曲線相互之間產生影響時，所述撓曲線斜率方程組為下列公式(12)，
VR1 /VC = 4(sin (fi * D1 ))e^ +(Sin(SCi)1 +i/)))e-卿")]
VR1 /VC = 4(sm (5* A ))e-B*^ +km(B{D, +d)))e—卿°]
[0017]I""
P^/FC=4(sm (爐 D?)K抑」 +(sm{B(Dn+d)))e-mD^d>]⑵
[0018]其中VR1、VR2、…、VRjIj為測點Pr P2、…、Pn鋼軌垂直變形速度；VC為測量載體的測量速度；A、B為撓曲線參數；DpD2、…、Dn分別為測點PpP2、…、PJg離載荷中心的水平距離，d為同一轉向架上兩火車輪的軸距。
[0019]在上述的撓曲線斜率方程組中，鋼軌垂直變形速度可通過速度傳感器測量獲取；測量載體的測量速度可通過速度傳感器測量獲取；測點距離載荷中心的水平距離由傳感器的安裝位置決定，為已知值；d由載體車決定，為已知值。故，撓曲線斜率方程組中只有A、B兩個未知參數，只要在撓曲線內選擇2個以上的測點，通過的撓曲線斜率方程組(式12)即可得到撓曲線參數A、B。所述鋼軌最大撓度值
y{0) = -^[l + e^B*el (co&(B^d) + sin(B*d))] ，A、B 為撓曲線參數。
LU
[0020]所述壓力載荷測量裝置為壓力傳感器或加速度計，安裝在測量載體的車輪上。
[0021]本發明支持動態採集，測量結果不受鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區不平順、軌道不平順等因素的影響，在快速測量的基礎上，準確測量軌道剛度，間接的降低了對成本的消耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步具體說明。
[0023]圖1為【具體實施方式】的軌道剛度測量流程圖。
[0024]圖2為鋼軌受力後的簡化模型圖。
[0025]圖3為火車輪及其坐標系示意圖。
[0026]圖4為單輪情況下速度測量位置示意圖。
[0027]圖5為雙輪情況下速度測量位置示意圖。

【具體實施方式】
[0028]為更好理解本發明，下面首先對本發明的原理進行描述。
[0029]1.鋼軌變形撓曲線模型的建立。
[0030]假設鋼軌為彈性地基上的無限長梁，如圖2所示，根據歐拉-伯努利梁理論和Winkler地基模型，可以推導出鋼軌變形曲線的撓曲線微分方程，如式I所示，其中F是該點的正壓力，E是鋼軌剛性，I是鋼軌的轉動慣量，k是彈性係數，X為距離載荷中心的水平距尚，y為接度。

(I z
[0031 ] E1-η—yi^) + 紗 W =-F、
Λ(3)
[0032]1.1單輪作用下的撓曲線方程:
[0033]如圖3所示，單輪作用下，即相鄰兩輪距離較遠，相鄰兩輪的撓曲線間相互不產生影響，此鋼軌撓曲線常規方程為:

PR ,,
[0034])，W = -^re /,ν+ sin(A'))
2k (4)
[0035]其中F為車輪施加給鋼軌的集中壓力載荷，k為基床係數(反應模量)，X為撓曲線水平位置，y為撓度，，B = (^)1/4，可得兩個參數的彎沉盆曲線方程y (X)(式3)。同時可求出撓曲線的一階導數即撓曲線在任意點的切線斜率(式4)。由於撓曲線導數即鋼軌變形速度與行駛速度的比，根據式(4)可知，通過同一撓曲線上多點的切線斜率數據可以求出一組A、B的值，根據A、B的值，就可以計算載荷中心鋼軌最大撓度值(式5)，利用求得的彎沉盆曲線參數A、B，可以繪製撓曲線。
[0036]兩參數的撓曲線方程:
[0037]少(A)= ~Υβ(' Βλ+ {Βχ))(5)
[0038]撓曲線斜率方程:
[0039]y，(X) = A(sin(Bx))e—Bx(6)
[0040]載荷中心鋼軌最大撓度值:
_] (7)
[0042]1.2雙輪作用下撓曲線方程:
[0043]如圖5所示，對於雙輪(同一轉向架上兩火車輪距離較近，它們產生的撓曲線相互產生影響)作用下的撓曲線方程的獲取，如圖3所示，假設兩輪(\與\)的軸距為d(—般情況下，貨車轉向架軸距約為1.8m)，兩輪(Wa與Wb)對鋼軌施加的壓力載荷均為F。
[0044]假設測量系統安裝在火車輪Wb右側，以火車輪Wb產生的載荷作用點為坐標原點，X表示距離載荷中心的水平距離，y表示鋼軌發生的垂直變形量(撓度)。
[0045]由載荷輪Wb產生的右側撓曲線方程為:
[0046]ya (x) = c M (cos (Bx) + sin (Bx))(8)

LO
[0047]由載荷輪Wa產生的右側撓曲線方程為:
[0048]Jj4 (x) = ~^e B{X+d) (cos (B(x+d)) + sin (B(x + d)))(9)
[0049]在雙輪對的影響情況下，火車輪B右側的疊加撓曲線方程為:
[0050]
>' (/) = —(cos(&) + sm(&))+e—說一 (cos{B(x + d)) + su\{B(x+d)))] (10)
[0051]火車輪Wb右側的疊加撓曲線斜率方程為:
[0052]y'(x) -4；(sin(Bx))e^ +[sin(B(x + d)))eB(x+d}](11)
[0053]火車輪Wb載荷中心的鋼軌最大撓度值:
[0054]_y(0) = -通[1+6 5i/(cosOB*ii) + sinCS*d))](⑵
[0055]在雙輪作用下，由於撓曲線導數即鋼軌變形速度與行駛速度的比，根據式(9)可知，通過同一撓曲線上多點的切線斜率數據可以求出一組A、B的值，根據A、B的值，就可以計算火車輪Wb載荷中心鋼軌最大撓度值(式10)，利用求得的彎沉盆曲線參數A、B，可以繪製撓曲線。
[0056]2.鋼軌垂直變形速度獲取
[0057]在測量載體上，安裝速度傳感器，測量撓曲線內多個點的鋼軌垂直變形速度，如圖
3、4、圖5所示，假設距離測點水平距離最近的火車輪載荷中心為O點，撓曲線內的測點分別為P:、P2、P3、…、Pn，其中測點距離載荷中心的水平距離分別為Dp D2、D3、…、Dn，在測量載體的測量速度為VC情況下，速度傳感器測得測點的鋼軌垂直變形速度分別為VRp VR2,VR3>...、VRn。
[0058]3.鋼軌撓度獲取模型
[0059]3.1單輪作用下的撓度獲取模型
[0060]結合撓曲線斜率方程(式4)，利用鋼軌變形速度與行車速度之比即為撓曲線斜率，得到撓曲線斜率方程組，其中VRp VR2、…、VRn分別為測點Pp P2、…、Pn鋼軌垂直變形速度；VC為測量載體的測量速度；A、B為撓曲線參數；DpD2、…、Dn分別為測點Pp P2、…、Pn距離載荷中心的水平距離。
VR1 /VC = v4(sm {B * D1 ))e——
VR>/VC^A(sm(B*D1))e 111
[0061] 二 ""
VRJVC = A(Sm(B*Dn))e-s^(13)
[0062]在上述的撓曲線斜率方程組中，鋼軌垂直變形速度可通過速度傳感器測量獲取；測量載體的測量速度可通過速度傳感器測量獲取；測點距離載荷中心的水平距離由傳感器的安裝位置決定，為已知值。故，撓曲線斜率方程組中只有A、B兩個未知參數，只要在撓曲線內選擇2個以上的測點，通過的撓曲線斜率方程組(式11)即可得到撓曲線參數A、B，再通過.Κο) = -g，得到單輪作用下載荷中心的最大撓度。
[0063]3.2雙輪作用下的撓度獲取模型
[0064]結合撓曲線斜率方程(式9)，利用鋼軌變形速度與行車速度之比即為撓曲線斜率，得到撓曲線斜率方程組，其中VRp VR2、…、VRn分別為測點Pp P2、…、Pn鋼軌垂直變形速度；VC為測量載體的測量速度；A、B為撓曲線參數；DpD2、…、Dn分別為測點Pp P2、…、Pn距離載荷中心的水平距離，d為同一轉向架上兩火車輪的軸距。
'VR./VC = ^(^{8*0^6-^ +(sin (B(I)1 +d)))e-mD'+d>]
VRy/VC=D,))e-B^ +(sin(取 +d)))e-ma+fl>]
[0065]]~
VRtl/VC=A(MmDn)y BD +(sm{B(Dn+d)))e-B^+d>]
[0066]在上述的撓曲線斜率方程組中，鋼軌垂直變形速度可通過速度傳感器測量獲取；測量載體的測量速度可通過速度傳感器測量獲取；測點距離載荷中心的水平距離由傳感器的安裝位置決定，為已知值；d由載體車決定，為已知值。故，撓曲線斜率方程組中只有A、B兩個未知參數，只要在撓曲線內選擇2個以上的測點，通過的撓曲線斜率方程組(式12)即可得到撓曲線參數A、B，再通過JK(O) =-^[1+e—胸(cosOBV) + sin(爐叫]，得到雙輪作用


Lo
下載荷中心的最大撓度。
[0067]4.鋼軌剛度計算模型
[0068]由軌道剛度定義可知，軌道是指使鋼軌產生單位下沉所需的豎直載荷(單位:kN/mm) ο
[0069]5 =y(15)
[0070]其中S為軌道剛度，F為車輪施加給鋼軌的壓力載荷，y為壓力載荷為F情況下，載荷中心的鋼軌垂直變形量。
[0071]其中車輪施加給鋼軌的壓力載荷F可通過在火車輪上安裝壓力傳感器或加速度計等獲取。無論是單輪作用下或雙輪作用下的撓曲線，在撓度計算的過程中獲取到撓曲線參數A、B，則單由當前載荷輪中心壓力載荷F引起的鋼軌垂直變形量為，結合式13可



IB
得:
[0072]5=(16)

YT.
[0073]如圖1所示，本發明基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，在測量載體上，安裝若干速度傳感器，壓力傳感器或加速度計，其中，一速度傳感器用於測量載體的行駛速度，另多個速度傳感器分別用於測量鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度。多個速度傳感器之間的距離已知，壓力傳感器或加速度計安裝在車輪上，測量車輪施加給鋼軌的壓力載荷；包括以下測量步驟:
[0074]1.讓測量載體以一定速度行駛在鋼軌上，
[0075]i1.控制若干速度傳感器、壓力傳感器同時測量，得到某時刻點的測量載體的行駛速度和鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，以及車輪施加給鋼軌的壓力載荷；
[0076]ii1.在撓曲線斜率方程組中，引入測量載體的行駛速度和上述鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，計算得到鋼軌最大撓度值計算公式的撓曲線參數；
[0077]iv.根據鋼軌最大撓度值計算公式，引入上述撓曲線參數，計算得到鋼軌最大撓度值；
[0078]V.根據鋼軌剛度計算公式，計算得到鋼軌剛度。
[0079]最後所應說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，其特徵在於，在測量載體上，安裝若干速度傳感器和壓力載荷測量裝置，其中，一速度傳感器用於測量載體的行駛速度，另多個速度傳感器分別用於測量鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，所述多個速度傳感器之間的距離已知，所述壓力載荷測量裝置用於測量所述測量載體的車輪施加給鋼軌的壓力載荷；包括以下測量步驟: 1.讓所述測量載體以一定速度行駛在鋼軌上， i1.控制所述若干速度傳感器同時測量，得到某時刻點的測量載體的行駛速度和鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，以及測量載體施加給鋼軌的壓力載荷； ii1.在撓曲線斜率方程組中，引入測量載體的行駛速度和上述鋼軌撓曲線上多個點的鋼軌垂直變形速度，計算得到鋼軌最大撓度值計算公式的撓曲線參數； iv.根據鋼軌最大撓度值計算公式，引入上述撓曲線參數，計算得到鋼軌最大撓度值； V.根據鋼軌剛度計算公式，計算得到鋼軌剛度。
2.根據權利要求1所述的基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，其特徵在於，所述測量載體的每個車輪產生的撓曲線相互之間不產生影響時，所述撓曲線斜率方程組為下列公式(11)， VRJVC =D,))e l!l> VRjVC^AUmiB-D^e /;/) VRuIVC = A^\n(B^Dtt))e 叫⑴ 其中，VR1、VR2、…、VRn*別為多個測點PpP2、…、Pn處鋼軌坐直變形速度；VC為測量載體的測量速度；A、B為撓曲線參數；DpD2、…、Dn分別為測點PpP2、…、Pn距離載荷中心的水平距離。
3.根據權利要求2所述的基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，其特徵在於，所述鋼軌最大撓度值y(O) = -4，A、B為撓曲線參數。

ZD
4.根據權利要求1所述的基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，其特徵在於，所述測量載體的相鄰車輪產生的撓曲線相互之間產生影響時，所述撓曲線斜率方程組為下列公式(12)，
=4(sin (MD1)) e+ (sin +d)))e-B{D'+d>]
VR2/VC = 4(sm {B*D2 ))e-腳=+ (sm (B(D2 +i/)))e-婦一] VRJVC = ,4[(sin (B- D,,))e—+(]⑵ 其中VRpVRy…、VRjIj為測點Pp P2、…、P1JR軌垂直變形速度；VC為測量載體的測量速度；A、B為撓曲線參數；DpD2、…、Dn分別為測點PpP2、…、Pn距離載荷中心的水平距離，d為同一轉向架上兩火車輪的軸距。
5.根據權利要求4所述的基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，其特徵在於，所述鋼軌最大撓度值y(0) = -^|[l + e—_(cos(爐A+smOBM))] ，A、B為撓曲線參數。
6.根據權利要求1所述的基於鋼軌變形速度的軌道剛度快速測量方法，其特徵在於，所述壓力載荷測量裝置為壓力傳感器或加速度計，安裝在測量載體的車輪上。
【文檔編號】B61K9/08GK104129405SQ201410353102
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】李清泉, 張德津, 曹民, 林紅, 曲旋, 王新林, 孫小進, 馬斌 申請人:武漢武大卓越科技有限責任公司