一种确定损伤扣件位置的理论检测方法技术

本发明专利技术涉及一种确定损伤扣件位置的理论检测方法，包括步骤：1)敏感指标限值计算:采用模态叠加法，经过正交分解，可以分别得到钢轨和衬砌的常微分振动方程，将其跟列车车体公式联立，引入单个扣件损伤，损伤扣件位置x0处扣件刚度为0，得到车体首轮经过损伤位置上方时的车体竖向加速度

A Theoretical Detection Method for Determining the Location of Damaged Fasteners

【技术实现步骤摘要】
一种确定损伤扣件位置的理论检测方法
本专利技术涉及地下工程
，更具体地说，它涉及一种确定损伤扣件位置的理论检测方法。
技术介绍
近年来城市人口急剧增长，给城市交通带来了巨大压力。为缓解地面交通拥堵问题，国内各大中城市开始大力发展地下轨道交通。地铁具有运量大、快捷便利等优势，但是，由于复杂的地下环境、周边工程施工影响、地铁长期运营荷载作用等多种原因，各类地铁安全问题也越来越引起大家的注意，这其中就包括扣件损伤问题。扣件作为连接钢轨和轨道板的元件，在地铁持续运行过程中，容易产生扣件弹条断裂、脱落等情况，加剧地铁车轨系统的动力响应，甚至影响列车的正常运行。因此研究扣件损伤的检测方法，对于维护地铁轨道安全和保护周边环境，具有重要的指导意义和应用价值。然而，目前还没有关于直接利用车轨动力特性确定损伤扣件位置方法的研究成果。因此，很有必要进行相关方法的研究。目前关于损伤扣件的检测方法主要有：频域信号处理法、图像处理法和人工巡检法等。而针对损伤扣件的位置判定的研究则仅有以下三者：频域信号处理法中：张丽华针对扣件松脱这一损伤形式,采用适合处理非平稳信号的HHT分析方法对钢轨的振动信号进行了分析。图像处理法中：刘甲甲等针对轨道扣件缺陷自动识别问题，提出一种基于图像融合特征和贝叶斯压缩感知的图像分类识别方法。人工巡检法中：铁路工人凭借自己的经验，对轨道进行人工巡检，来判断扣件损伤位置。综上所述，目前还没有直接利用系统动力特性进行损伤扣件位置判定方面的研究成果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种确定损伤扣件位置的检测方法。确定损伤扣件位置的检测方法，包括如下步骤：步骤1、敏感指标限值计算：首先作以下模拟：1)车体采用10自由度刚体模型，即车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；2)钢轨用两端简支的Euler梁模拟，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧-阻尼单元模拟；3)整体道床浇筑在隧道衬砌上，两者用一根两端简支的Timoshenko梁进行模拟，土体视为均布的弹簧阻尼单元与衬砌直接相连；4)钢轨状态理想，不考虑轨道不平顺；5)扣件损伤时扣件与钢轨脱离刚度取值为0；做如下参数定义：vc为车体竖向位移，单位符号为m；ψc为车体点头位移，单位符号为rad；mc为车体质量，单位符号为kg；Jc为车体转动惯量，单位符号为kg·m2；k2为二系悬挂刚度，单位符号为N/m；c2为二系悬挂阻尼，单位符号为N·s/m；mb为转向架质量，单位符号为kg；Jb为转向架转动惯量，单位符号为kg·m2；vb为转向架的竖向位移，单位符号为m；ψb为转向架点头位移，单位符号为rad；k1为一系悬挂刚度，单位符号为N/m；c1为一系悬挂阻尼，单位符号为N·s/m；zwi(i＝1,…,4)为四个轮对的竖向位移，单位符号为m；ErIr为钢轨抗弯刚度，单位符号为N·m2；ρrAr为钢轨分布质量，单位符号为kg/m；ρhAh为道床与衬砌的分布质量，单位符号为kg/m；κAhGh为道床与衬砌整体剪切刚度，单位符号为N；EhIh为道床与衬砌整体抗弯刚度，单位符号为N·m2；kg为地基等效刚度，单位符号为N/m；cg为地基等效阻尼，单位符号为N·s/m；基于达朗贝尔原理，建立列车的动力平衡方程如下：式中：M、C和K分别为列车的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；v为列车的位移向量，包括车体竖向位移vc和点头位移ψc、转向架的竖向位移vb和点头位移ψb、四个轮对的竖向位移zwi(i＝1,…,4)；上标“˙”和“˙˙”分别表示位移关于时间的一阶和两阶导数；F为列车各部分所受的外力矩阵；钢轨由两端简支的Euler梁模拟，其控制方程为：式中：vr为钢轨竖向位移，单位符号为m；xrs,j为第j个扣件的位置，单位符号为m；nrs为扣件数量；xw,i(t)为第i轮对t时刻所在位置；nc为列车编组数量；Prs,j为第j个扣件的扣件力，其中：Krs为扣件刚度，单位符号为N/m；Crs为扣件阻尼，单位符号为N·s/m；Pa,i(xw,i(t))为第a车第i轮对的轮轨接触力，Pa,i(xw,i(t))＝Kwr(zw,a,i(t)-ε(xw,a,i)vr(xw,a,i,t))其中：Kwr为轮轨接触刚度，单位符号为N/m；道床与衬砌浇筑成整体，采用两端简支Timoshenko梁模拟：式中：Fh(x,t)为道床衬砌整体所受竖向外力，单位符号为N；mh(x,t)为道床衬砌整体所受外加弯矩，单位符号为N·m；ρh为道床衬砌整体的密度，单位符号为kg/m3；Ih为道床衬砌整体的截面惯性矩，单位符号为m4；vh为道床衬砌整体的转角位移，单位符号为m；Φh为道床衬砌整体的转角位移，单位符号为rad；采用模态叠加法，经过正交分解，可以分别得到钢轨和衬砌的常微分振动方程，将其跟列车车体公式联立，引入单个扣件损伤，损伤扣件位置x0处扣件刚度为0，得到车体首轮经过损伤位置上方时的车体竖向加速度即为敏感指标限值；步骤2、损伤位置的判别：轨道存在不平顺的情况下，对维修后不存在扣件损伤时的轨道以恒定速度进行巡检，采集车体竖向加速度数据，并作为初始数据运行一段时间对轨道进行再次巡检，得到车体竖向加速度得到前后两次的差值曲线若则此区段轨道扣件状况良好，没有扣件损伤情况；若则此区段存在单个扣件损伤，并且损伤扣件位置也就是曲线中满足的曲线段中第一个峰值点对应的x位置；若则此区段存在连续的多个扣件损伤，并且第一个损伤扣件位置也就是曲线中满足的曲线段中第一个峰值点对应的x位置；若不存在扣件损伤，则将作为下一次检测的初始数据；如果存在扣件损伤，先对损伤扣件进行替换后，再检测得到的数据作为下次的初始数据，以此类推。作为优选：当扣件不完全断裂或者产生其他损伤时，扣件刚度和阻尼可以用βKrs和βCrs表示；式中：Krs为扣件刚度，单位符号为N/m；Crs为扣件阻尼，单位符号为N·s/m；β为折减系数，且0≤β≤1；将βKrs和βCrs带入步骤1得到限值，再利用步骤2来判断损伤扣件位置。本专利技术的有益效果是：本专利建立了地铁整体道床车轨耦合模型，基于结构动力学理论建立了地铁列车-整体道床(隧道衬砌)-土体耦合分析模型，并引入敏感指标车体竖向加速度a和损伤扣件刚度为0的情况，计算出敏感指标限值。使得本专利技术可以适用于单个扣件损伤和多个扣件损伤的工况。可以根据地铁线路和车型的实际参数，如车体质量mc、车体转动惯量Jc、二系悬挂刚度k2、二系悬挂阻尼c2、转向架质量mb、转向架转动惯量Jb、一系悬挂刚度k1、一系悬挂阻尼c1、钢轨抗弯刚度ErIr、钢轨分布质量ρrAr、扣件刚度Krs、扣件阻尼Crs、轮轨接触刚度Kwr、道床与衬砌的分布质量ρhAh、道床与衬砌整体剪切刚度κAhGh、道床与衬砌整体抗弯刚度EhIh、地基等效刚度kg、地基等效阻尼cg，即可计算出敏感指标的限值。基于敏感指标限值的计算结果，根据先后两次车体竖向加速度的差值曲线，使扣件损伤造成的作用更加明显，以此判断扣件损伤位置。在实际情况中存在轨道不平顺，采集的数据往往不能直接的显示出损伤扣件造成的影响。一般情况下，扣件损伤的检测可以采用人工检查，或者将时域信号转换为频域信号进行判断，但是这样费本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定损伤扣件位置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、敏感指标限值计算：首先作以下模拟：1)车体采用10自由度刚体模型，即车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；2)钢轨用两端简支的Euler梁模拟，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧‑阻尼单元模拟；3)整体道床浇筑在隧道衬砌上，两者用一根两端简支的Timoshenko梁进行模拟，土体视为均布的弹簧阻尼单元与衬砌直接相连；4)钢轨状态理想，不考虑轨道不平顺；5)扣件损伤时扣件与钢轨脱离刚度取值为0；做如下参数定义：vc为车体竖向位移，单位符号为m；ψc为车体点头位移，单位符号为rad；mc为车体质量，单位符号为kg；Jc为车体转动惯量，单位符号为kg·m

【技术特征摘要】
1.一种确定损伤扣件位置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、敏感指标限值计算：首先作以下模拟：1)车体采用10自由度刚体模型，即车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；2)钢轨用两端简支的Euler梁模拟，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧-阻尼单元模拟；3)整体道床浇筑在隧道衬砌上，两者用一根两端简支的Timoshenko梁进行模拟，土体视为均布的弹簧阻尼单元与衬砌直接相连；4)钢轨状态理想，不考虑轨道不平顺；5)扣件损伤时扣件与钢轨脱离刚度取值为0；做如下参数定义：vc为车体竖向位移，单位符号为m；ψc为车体点头位移，单位符号为rad；mc为车体质量，单位符号为kg；Jc为车体转动惯量，单位符号为kg·m2；k2为二系悬挂刚度，单位符号为N/m；c2为二系悬挂阻尼，单位符号为N·s/m；mb为转向架质量，单位符号为kg；Jb为转向架转动惯量，单位符号为kg·m2；vb为转向架的竖向位移，单位符号为m；ψb为转向架点头位移，单位符号为rad；k1为一系悬挂刚度，单位符号为N/m；c1为一系悬挂阻尼，单位符号为N·s/m；zwi(i＝1,…,4)为四个轮对的竖向位移，单位符号为m；ErIr为钢轨抗弯刚度，单位符号为N·m2；ρrAr为钢轨分布质量，单位符号为kg/m；ρhAh为道床与衬砌的分布质量，单位符号为kg/m；κAhGh为道床与衬砌整体剪切刚度，单位符号为N；EhIh为道床与衬砌整体抗弯刚度，单位符号为N·m2；kg为地基等效刚度，单位符号为N/m；cg为地基等效阻尼，单位符号为N·s/m；基于达朗贝尔原理，建立列车的动力平衡方程如下：式中：M、C和K分别为列车的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；v为列车的位移向量，包括车体竖向位移vc和点头位移ψc、转向架的竖向位移vb和点头位移ψb、四个轮对的竖向位移zwi(i＝1,…,4)；上标“˙”和“˙˙”分别表示位移关于时间的一阶和两阶导数；F为列车各部分所受的外力矩阵；钢轨由两端简支的Euler梁模拟，其控制方程为：式中：vr为钢轨竖向位移，单位符号为m；xrs,j为第j个扣件的位置，单位符号为m；nrs为扣件数量...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋吉清，董北北，苏鑫杰，章亦然，张鑫海，蔡泽甬，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33