无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法技术

本发明专利技术公开了无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法，该分析判定方法分为整体稳定性、局部稳定性、综合稳定性；整体稳定性是对无缝线路的温度压力与轨道横向位移的关系进行计算分析，设定线路的最大允许温度应力，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式。局部稳定性是利用离散短时傅里叶变换方法，确定线路局部稳定性的评估条件；综合稳定性中是利用积分求和的思想将无缝线路钢轨分段，利用每一段中离散短时傅里叶变换得到局部稳定性评估条件的最大值，得到无缝线路应力波动的整体标准偏差。本发明专利技术采用自动控制技术切换金属磁记忆和磁巴克豪森噪声工作系统，形成了在线、快速、无损的检测长钢轨温度应力方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高速铁路无缝线路轨道稳定性的检测和评估领域，涉及到在线检测无缝线路钢轨温度应力的检测技术、方法。以及无缝线路长钢轨道整体、局部和综合稳定性检测技术，检测方案、方法。
技术介绍
将数十根25米长的标准钢轨焊接在一起变成无缝线路是实现高速铁路运营的趋势。随着铁路年运载量的增加，全国铁路主要干线已经铺设60kg/m的重型钢轨，作为一种新型的轨道结构，以增大钢轨横向刚度，增强抗弯能力，提高线路的稳定性。但是由于扣件阻力和道床阻力作用，相当于无数双巨手将钢轨固定，结构上限制了钢轨的伸缩，当温度变化较大时无缝线路钢轨只能在两端约100米内(向两轨缝隙处)发生热胀冷缩，中间部分不随轨温变化称之为“固定区”。于是钢轨内储存了由于钢轨温度变化引起巨大的纵向温度应力，利用简单的力学公式得出轨温每变化1℃，固定区内钢轨变化25kg/cm2的力，60kg/m钢轨的横截面积为77.45cm2，钢轨温度每变化一度，每根钢轨要承受1936kg的力，若炎热夏季轨温变化为50℃(最高轨温Tmax通常高于气温20℃)，则每根钢轨将承受近97000kg的力，当气温升高到一定限度时，线路受不了它的巨大压力，就会在某一较短的长度内发生纵向和横向位移，以释放钢轨内的能量，于是整个线路扭曲变形，即“胀轨跑道”。长期以来我国和世界许多有无缝线路国家的铁路部门现场测定无缝线路钢轨纵向温度应力主要采用①观测桩法，②温度补偿铟尺法，③普通钢尺法。在线检测准确度极低，但是迄今还没有更好的方法取代铁路传统费时、费力、肉眼观测的方法。近十年来，人们几乎采用了一切可能的方法，用以检测钢轨纵向温度应力，经归纳有：X射线法，超声波法和应变片法。X射线法检测是通过金属晶格形变检测应力，受电磁趋肤效应影响，检测深度仅达数μm，设备复杂，现场工程检测不方便；超声波法是通过测量超声波在铁磁材料中力学性能相异方向上传播速度差异来测定应力，因为超声波耦合的因素，严重影响检测精度；应变片法是依靠贴在钢轨腰部中轴应变片内部的电阻丝栅随钢轨发生弹性形变来检测应力，若无缝线路固定区内钢轨固定不产生形变，则无法检测内部温度应力。本专利技术归纳现有的金属磁记忆(metal magnetic memory，简记MMM)和磁巴克豪森噪声(Magnetic Barkhausen Noise简记MBN)两种磁法检测技术，MMM技术的优点是：不需要对受检对象表面作任何清理；不需要人工磁化；是唯一能以1mm位移精度，以150m/分钟速度测定构件应力集中区域和分布的方法。缺点是：只能检测构件应力的集中区域、分布和集中程度，缺乏对应力大小、破坏程度的判断。MBN技术的优点是：可以对同材质，同工艺经表面处理的铁磁构件进行定点、定量和瞬间检测。缺点是：采用主动交流磁化，传感器需要贴在构件的表面，对构件表面的粗糙度有一定要求。
技术实现思路
为解决上述工程问题，本专利技术采用的技术方案为无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法，将MBN、MMM技术优点互补，缺点互锄，采用快速全线覆盖的融合检测方式，首先采用金属磁记忆检测技术快速检测钢轨线路的温度应力集中变化区域，然后根据区域内应力变化的程度采用磁巴克豪森噪声技术逐点检测温度应力变化的大小，提高了应力检测的精度和在线检测的速度。最终根据线路设计承受载荷载的能力，确定无缝线路轨道的稳定性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法，该分析判定方法分为整体稳定性、局部稳定性、综合稳定性，其中，整体稳定性中，以对无缝线路的温度压力与轨道横向位移的关系进行分析，并给予最大允许温度应力，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式。局部稳定性中，利用离散短时傅里叶变换方法，根据无缝线路稳定性的波动理论，确定线路局部稳定性的评估条件。综合稳定性中，对整条线路综合的稳定性评估，利用积分求和的思想将无缝线路钢轨分段，利用每一段中离散短时傅里叶变换得到的局部稳定性的评估条件的最大值，得到无缝线路中应力波动的整体标准偏差，由无缝线路中应力波动的整体标准偏差线路进行最终判定。(1)整体稳定性对于无缝线路，当钢轨温度升高时将在固定区产生温度压力，温度压力与轨道横向位移的关系如图1所示，该关系曲线共分为OA、AB、BK、KS、SK'段，上述各段依次连接组成光滑曲线。图1中横坐标表示轨道横向位移，纵坐标表示温度压力，OA段为钢轨的原始弯曲矢度f0，在AB段中，钢轨温度上升，温度压力增加，轨道不发生横向位移，温度压力以能量的形式储存在钢轨中，称为持稳阶段；在BK段中，钢轨随温度的升高而发生微小横向位移，轨道的弯曲矢度进一步扩大，当钢轨温度达到ΔTK时，温度压力上升至PK，此时轨道有可能产生突发性膨曲，称为胀轨阶段，相应的温度压力PK称为临界压力；在KK'段中，钢轨温度超过ΔTK并进一步上升，轨道横向位移将突然增加，称为跑道阶段，此过程中温度压力P引起轨道变形而做功，钢轨中累积的温度压力减小，即图中KS段，直至达到新的稳定位置S处，相对应的温度压力为PS。当温度继续上升时，已变形的钢轨中累积温度压力仍会增加，即图中SK'段。为保证线路不因钢轨温度的变化而产生过大的弹性形变，需对钢轨温度压力的允许值进行控制，根据中国铁路行业标准，取2mm作为横向位移量的最大允许值，对应的钢轨温度压力用PN表示，则最大允许温度应力值[P]为： [ P ] = P N G ]]>式中：G为安全系数，取1.2-1.5，在温差较大的地区需选取较大的安全系数，在温差较小的地区可选取较小的安全系数。以无缝线路长度为横坐标，对应的温度应力值为纵坐标，建立无缝线路水坝稳定性模型如图2所示。水坝模型的腰部对应了无缝线路的伸缩区，而水坝模型的底部对应了无缝线路的固定区，无缝线路固定区的温度应力不均匀地分布在水坝的底部。水坝模型的长度和高度能够直观地反映无缝线路的受力稳定性，根据水坝断面面积法则，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式： S = 1 2 ( x 1 + x 2 ) Σ i = 1 n ± σ i n ... ( 1 ) ]]>式中：x1为线路固定区长度；x2为线路总长度；σi为固定区各测量点的温度应力；S为线路所存储的能量；n为检测点的数量。能量法通过计算无缝线路中储存的能量值判断线路整体的稳定性。(2)局部稳定性无缝线路钢轨各点处应力的大小和随钢轨长度应力的变化是本文档来自技高网...

【技术保护点】
无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法，其特征在于：该分析判定方法分为整体稳定性、局部稳定性、综合稳定性，从三个角度对无缝线路运行的稳定性进行全面分析判定；其中，整体稳定性是以对无缝线路的温度压力与轨道参数、横向位移的关系进行计算分析，设定线路的最大允许温度应力，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式；局部稳定性是利用离散短时傅里叶变换方法，根据无缝线路稳定性的波动理论，确定线路局部稳定性的评估条件；综合稳定性中是利用积分求和的思想将无缝线路钢轨分段，利用每一段中离散短时傅里叶变换得到局部稳定性评估条件的最大值，得到无缝线路应力波动的整体标准偏差，由无缝线路中应力波动的整体标准偏差对整条线路综合的稳定性评估和最终判定；(1)整体稳定性对于无缝线路，当钢轨温度升高时将在固定区产生温度压力，温度压力与轨道横向位移的关系曲线中，该关系曲线共分为OA、AB、BK、KS、SK'段，上述各段依次连接组成光滑曲线；横坐标表示轨道横向位移，纵坐标表示温度压力，OA段为钢轨的原始弯曲矢度f0，在AB段中，钢轨温度上升，温度压力增加，轨道不发生横向位移，温度压力以能量的形式储存在钢轨中，称为持稳阶段；在BK段中，钢轨随温度的升高而发生微小横向位移，轨道的弯曲矢度进一步扩大，当钢轨温度达到ΔTK时，温度压力上升至PK，此时轨道有可能产生突发性膨曲，称为胀轨阶段，相应的温度压力PK称为临界压力；在KK'段中，钢轨温度超过ΔTK并进一步上升，轨道横向位移将突然增加，称为跑道阶段，此过程中温度压力P引起轨道变形而做功，钢轨中累积的温度压力减小，即图中KS段，直至达到新的稳定位置S处，相对应的温度压力为PS；当温度继续上升时，已变形的钢轨中累积温度压力仍会增加，即SK'段；为保证线路不因钢轨温度的变化而产生过大的弹性形变，需对钢轨温度压力的允许值进行设定控制，根据中国铁路行业标准，取2mm作为横向位移量的最大允许值，对应的钢轨温度压力用PN表示，则最大允许温度应力值[P]为：[P]=PNG]]>式中：G为安全系数，取1.2‑1.5，在温差较大的地区需选取较大的安全系数，在温差较小的地区可选取较小的安全系数；以无缝线路长度为横坐标，对应的温度应力值为纵坐标，建立无缝线路水坝稳定性模型：水坝模型的腰部对应了无缝线路的伸缩区，而水坝模型的底部对应了无缝线路的固定区，无缝线路固定区的温度应力不均匀地分布在水坝的底部；水坝模型的长度和高度能够直观地反映无缝线路的受力稳定性，根据水坝断面面积法则，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式：S=12(x1+x2)Σi=1n±σin...(1)]]>式中：x1为线路固定区长度；x2为线路总长度；σi为固定区各测量点的温度应力；S为线路所存储的能量；n为检测点的数量；能量法通过计算无缝线路中储存的能量值判断线路整体的稳定性；(2)局部稳定性无缝线路钢轨各点处应力的大小和随钢轨长度应力的变化是分析局部无缝线路稳定性的关键参数，不仅需要确定无缝线路钢轨各点应力峰值的位置，还需要从波动角度分析线路各点处应力的变化；针对以上问题，本方法引入离散短时傅里叶变换方法对应力信号进行分析；短时傅里叶变换通过在时间轴上，即钢轨纵向上添加一个窗函数g(x)，将钢轨划分成若干局部小段；通过平移窗函数覆盖全局信号，在每一个小区段中进行傅里叶变换，找出每一个小区段内的应力峰的幅值与相应的频率值,分析局部无缝线路稳定性；应力信号σ(x)的短时傅里叶变换定义为：STFT(x,f)=∫-∝+∝[σ(τ)h*(τ-x)]e-j2πfτdτ...(2)]]>式中：x为钢轨长度；f为应力随钢轨长度变化的频率；σ(τ)为随钢轨长度变化的应力信号；hk(x)*是复共轭窗函数；公式(2)是连续短时傅里叶变换的表达形式，在工程问题中，通常待处理的应力信号σ(x)经过数字系统采样后会转化为离散形式，需要对公式(2)进行离散化处理，相应的离散短时傅里叶变换定义为：DSTFT(λ,f′)=Στ=0l-1σ(λR+τ)H(τ)ej2πf′τ/l...(3)]]>式中：λ表示分帧序列号，相当于检测过程中的采样点标号；f′表示采样频率；R为帧移长度；H(τ)为窗函数，窗函数的宽度由l表示，本方法选用Hamming窗；通过改变离散短时傅里叶变换中窗函数的宽度能够动态调整时频谱的分辨率；由于受Heisenberg不确定准则的限制，离散短时傅里叶变换的窗函数面积不能小于2；无缝线路应力...

【技术特征摘要】
1.无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法，其特征在于：该分析判定方法分为整体稳定性、局部稳定性、综合稳定性，从三个角度对无缝线路运行的稳定性进行全面分析判定；其中，整体稳定性是以对无缝线路的温度压力与轨道参数、横向位移的关系进行计算分析，设定线路的最大允许温度应力，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式；局部稳定性是利用离散短时傅里叶变换方法，根据无缝线路稳定性的波动理论，确定线路局部稳定性的评估条件；综合稳定性中是利用积分求和的思想将无缝线路钢轨分段，利用每一段中离散短时傅里叶变换得到局部稳定性评估条件的最大值，得到无缝线路应力波动的整体标准偏差，由无缝线路中应力波动的整体标准偏差对整条线路综合的稳定性评估和最终判定；(1)整体稳定性对于无缝线路，当钢轨温度升高时将在固定区产生温度压力，温度压力与轨道横向位移的关系曲线中，该关系曲线共分为OA、AB、BK、KS、SK'段，上述各段依次连接组成光滑曲线；横坐标表示轨道横向位移，纵坐标表示温度压力，OA段为钢轨的原始弯曲矢度f0，在AB段中，钢轨温度上升，温度压力增加，轨道不发生横向位移，温度压力以能量的形式储存在钢轨中，称为持稳阶段；在BK段中，钢轨随温度的升高而发生微小横向位移，轨道的弯曲矢度进一步扩大，当钢轨温度达到ΔTK时，温度压力上升至PK，此时轨道有可能产生突发性膨曲，称为胀轨阶段，相应的温度压力PK称为临界压力；在KK'段中，钢轨温度超过ΔTK并进一步上升，轨道横向位移将突然增加，称为跑道阶段，此过程中温度压力P引起轨道变形而做功，钢轨中累积的温度压力减小，即图中KS段，直至达到新的稳定位置S处，相对应的温度压力为PS；当温度继续上升时，已变形的钢轨中累积温度压力仍会增加，即SK'段；为保证线路不因钢轨温度的变化而产生过大的弹性形变，需对钢轨温度压力的允许值进行设定控制，根据中国铁路行业标准，取2mm作为横向位移量的最大允许值，对应的钢轨温度压力用PN表示，则最大允许温度应力值[P]为： [ P ] = P N G ]]>式中：G为安全系数，取1.2-1.5，在温差较大的地区需选取较大的安全系数，在温差较小的地区可选取较小的安全系数；以无缝线路长度为横坐标，对应的温度应力值为纵坐标，建立无缝线路水坝稳定性模型：水坝模型的腰部对应了无缝线路的伸缩区，而水坝模型的底部对应了无缝线路的固定区，无缝线路固定区的温度应力不均匀地分布在水坝的底部；水坝模型的长度和高度能够直观地反映无缝线路的受力稳定性，根据水坝断面面积法则，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式： S = 1 2 ( x 1 + x 2 ) Σ i = 1 n ± σ i n ... ( 1 ) ]]>式中：x1为线路固定区长度；x2为线路总长度；σi为固定区各测量点的温度应力；S为线路所存储的能量；n为检测点的数量；能量法通过计算无缝线路中储存的能量值判断线路整体的稳定性；(2)局部稳定性无缝线路钢轨各点处应力的大小和随钢轨长度应力的变化是分析局部无缝线路稳定性的关键参数，不仅需要确定无缝线路钢轨各点应力峰值的位置，还需要从波动角度分析线路各点处应力的变化；针对以上问题，本方法引入离散短时傅里叶变换方法对应力信号进行分析；短时傅里叶变换通过在时间轴上，即钢轨纵向上添加一个窗函数g(x)，将钢轨划分成若干局部小段；通过平移窗函数覆盖全局信号，在每一个小区段中进行傅里叶变换，找出每一个小区段内的应力峰的幅值与相应的频率值,分析局部无缝线路稳定性；应力信号σ(x)的短时傅里叶变换定义为： S T F T ( x , f ) = ∫ - ∝ + ∝ [ σ ( τ ) h * ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈娟，祁欣，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11