基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，包括以下测量步骤：测量载体以一定速度行驶在钢轨上；测量某时刻点测量载体的行驶速度和钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，以及测量载体施加给钢轨的压力载荷；挠曲线斜率方程组引入测量载体的行驶速度和上述钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，计算得到挠曲线参数；根据钢轨最大挠度值计算公式，计算得到钢轨最大挠度值；根据钢轨刚度计算公式，计算得到钢轨刚度。本发明支持动态采集，测量结果不受钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、轨道不平顺等因素的影响，在快速测量的基础上，准确测量轨道刚度，间接的降低了对成本的消耗。
【专利说明】基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种轨道刚度测量方法。
【背景技术】
[0002]轨道刚度是指为使钢轨产生单位下沉所需的竖直载荷(单位:kN/mm)，其中钢轨产生的单位下沉是指钢轨在竖直压力载荷作用下发生的单位垂直变形量。
[0003]轨道刚度是影响轨道结构振动与变形、列车运行安全性、平稳性及轨道养护维修工作量的重要参数，合理的轨道刚度不仅能保证列车安全、平稳的运行，还能有效减缓轮轨相互作用，减轻轨道结构的动应力，保持轨道的几何状态良好，从而减轻钢轨的养护维修工作量。
[0004]目前有多种方法可用于轨道垂直刚度的测量，有的为静态离散测量、有的为动态连续测量，但这些测量方法均为基于距离的轨道刚度测方法。其中，静态测量的方式无法满足高速测试的要求；而采用动态连续测量方法的测量过程中，由于钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、测量载体的震动等原因，动态连续测量方法的误差较大。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是以克服上述现有技术的不足，提供一种基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供的基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，在测量载体上，安装若干速度传感器和压力载荷测量装置，其中，一速度传感器用于测量载体的行驶速度，另多个速度传感器分别用于测量钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，所述多个速度传感器之间的距离已知，所述压力载荷测量装置用于测量所述测量载体的车轮施加给钢轨的压力载荷；包括以下测量步骤:
[0007]1.让所述测量载体以一定速度行驶在钢轨上，
[0008]i1.控制所述若干速度传感器以及压力载荷测量装置同时测量，得到某时刻点的测量载体的行驶速度和钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，以及测量载体施加给钢轨的压力载荷；
[0009]ii1.在挠曲线斜率方程组中，引入测量载体的行驶速度和上述钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，计算得到钢轨最大挠度值计算公式的挠曲线参数；
[0010]iv.根据钢轨最大挠度值计算公式，引入上述挠曲线参数，计算得到钢轨最大挠度值；
[0011]V.根据钢轨刚度计算公式，计算得到钢轨刚度。
[0012]所述测量载体的每个车轮产生的挠曲线相互之间不产生影响时，所述挠曲线斜率方程组为下列公式(11)，
VR1 jVC = ^(sm (炉 D1 ))e—叫
VR1 /VC = ^ism (5 * D0
[0013]I *■"
mn/VC = A(SiniB-Dii))^ 11⑴
[0014]其中，VR1、VR2、…、VRn*别为多个测点P1、P2、…、Pn处钢轨垂直变形速度；VC为测量载体的测量速度；A、B为挠曲线参数；DpD2、…、Dn分别为测点PpP2、…、PJg离载荷中心的水平距离。
[0015]在上述的挠曲线斜率方程组中，钢轨垂直变形速度可通过速度传感器测量获取；测量载体的测量速度可通过速度传感器测量获取；测点距离载荷中心的水平距离由传感器的安装位置决定，为已知值。故，挠曲线斜率方程组中只有A、B两个未知参数。所述钢轨最大挠度值y(0) = -^，A、B为挠曲线参数。
Lu
[0016]所述测量载体的相邻车轮产生的挠曲线相互之间产生影响时，所述挠曲线斜率方程组为下列公式(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 (炉 D?)K抑” +(sm{B(Dn+d)))e-mD^d>]⑵
[0018]其中VR1、VR2、…、VRjIj为测点Pr P2、…、Pn钢轨垂直变形速度；VC为测量载体的测量速度；A、B为挠曲线参数；DpD2、…、Dn分别为测点PpP2、…、PJg离载荷中心的水平距离，d为同一转向架上两火车轮的轴距。
[0019]在上述的挠曲线斜率方程组中，钢轨垂直变形速度可通过速度传感器测量获取；测量载体的测量速度可通过速度传感器测量获取；测点距离载荷中心的水平距离由传感器的安装位置决定，为已知值；d由载体车决定，为已知值。故，挠曲线斜率方程组中只有A、B两个未知参数，只要在挠曲线内选择2个以上的测点，通过的挠曲线斜率方程组(式12)即可得到挠曲线参数A、B。所述钢轨最大挠度值
y{0) = -^[l + e^B*el (co&(B^d) + sin(B*d))] ，A、B 为挠曲线参数。
LU
[0020]所述压力载荷测量装置为压力传感器或加速度计，安装在测量载体的车轮上。
[0021]本发明支持动态采集，测量结果不受钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、轨道不平顺等因素的影响，在快速测量的基础上，准确测量轨道刚度，间接的降低了对成本的消耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0023]图1为【具体实施方式】的轨道刚度测量流程图。
[0024]图2为钢轨受力后的简化模型图。
[0025]图3为火车轮及其坐标系示意图。
[0026]图4为单轮情况下速度测量位置示意图。
[0027]图5为双轮情况下速度测量位置示意图。
【具体实施方式】
[0028]为更好理解本发明，下面首先对本发明的原理进行描述。
[0029]1.钢轨变形挠曲线模型的建立。
[0030]假设钢轨为弹性地基上的无限长梁，如图2所示，根据欧拉-伯努利梁理论和Winkler地基模型，可以推导出钢轨变形曲线的挠曲线微分方程，如式I所示，其中F是该点的正压力，E是钢轨刚性，I是钢轨的转动惯量，k是弹性系数，X为距离载荷中心的水平距尚，y为接度。
(I z
[0031 ] E1-η—yi^) + 紗 W =-F、
Λ(3)
[0032]1.1单轮作用下的挠曲线方程:
[0033]如图3所示，单轮作用下，即相邻两轮距离较远，相邻两轮的挠曲线间相互不产生影响，此钢轨挠曲线常规方程为:
PR ,,
[0034])，W = -^re /,ν+ sin(A'))
2k (4)
[0035]其中F为车轮施加给钢轨的集中压力载荷，k为基床系数(反应模量)，X为挠曲线水平位置，y为挠度，，B = (^)1/4，可得两个参数的弯沉盆曲线方程y (X)(式3)。同时可求出挠曲线的一阶导数即挠曲线在任意点的切线斜率(式4)。由于挠曲线导数即钢轨变形速度与行驶速度的比，根据式(4)可知，通过同一挠曲线上多点的切线斜率数据可以求出一组A、B的值，根据A、B的值，就可以计算载荷中心钢轨最大挠度值(式5)，利用求得的弯沉盆曲线参数A、B，可以绘制挠曲线。
[0036]两参数的挠曲线方程:
[0037]少(A)= ~Υβ(' Βλ+ {Βχ))(5)
[0038]挠曲线斜率方程:
[0039]y，(X) = A(sin(Bx))e—Bx(6)
[0040]载荷中心钢轨最大挠度值:
_] (7)
[0042]1.2双轮作用下挠曲线方程:
[0043]如图5所示，对于双轮(同一转向架上两火车轮距离较近，它们产生的挠曲线相互产生影响)作用下的挠曲线方程的获取，如图3所示，假设两轮(\与\)的轴距为d(—般情况下，货车转向架轴距约为1.8m)，两轮(Wa与Wb)对钢轨施加的压力载荷均为F。
[0044]假设测量系统安装在火车轮Wb右侧，以火车轮Wb产生的载荷作用点为坐标原点，X表示距离载荷中心的水平距离，y表示钢轨发生的垂直变形量(挠度)。
[0045]由载荷轮Wb产生的右侧挠曲线方程为:
[0046]ya (x) = c M (cos (Bx) + sin (Bx))(8)
LO
[0047]由载荷轮Wa产生的右侧挠曲线方程为:
[0048]Jj4 (x) = ~^e B{X+d) (cos (B(x+d)) + sin (B(x + d)))(9)
[0049]在双轮对的影响情况下，火车轮B右侧的叠加挠曲线方程为:
[0050]
>' (/) = —(cos(&) + sm(&))+e—说一 (cos{B(x + d)) + su\{B(x+d)))] (10)
[0051]火车轮Wb右侧的叠加挠曲线斜率方程为:
[0052]y'(x) -4；(sin(Bx))e^ +[sin(B(x + d)))eB(x+d}](11)
[0053]火车轮Wb载荷中心的钢轨最大挠度值:
[0054]_y(0) = -通[1+6 5i/(cosOB*ii) + sinCS*d))](⑵
[0055]在双轮作用下，由于挠曲线导数即钢轨变形速度与行驶速度的比，根据式(9)可知，通过同一挠曲线上多点的切线斜率数据可以求出一组A、B的值，根据A、B的值，就可以计算火车轮Wb载荷中心钢轨最大挠度值(式10)，利用求得的弯沉盆曲线参数A、B，可以绘制挠曲线。
[0056]2.钢轨垂直变形速度获取
[0057]在测量载体上，安装速度传感器，测量挠曲线内多个点的钢轨垂直变形速度，如图
3、4、图5所示，假设距离测点水平距离最近的火车轮载荷中心为O点，挠曲线内的测点分别为P:、P2、P3、…、Pn，其中测点距离载荷中心的水平距离分别为Dp D2、D3、…、Dn，在测量载体的测量速度为VC情况下，速度传感器测得测点的钢轨垂直变形速度分别为VRp VR2,VR3>...、VRn。
[0058]3.钢轨挠度获取模型
[0059]3.1单轮作用下的挠度获取模型
[0060]结合挠曲线斜率方程(式4)，利用钢轨变形速度与行车速度之比即为挠曲线斜率，得到挠曲线斜率方程组，其中VRp VR2、…、VRn分别为测点Pp P2、…、Pn钢轨垂直变形速度；VC为测量载体的测量速度；A、B为挠曲线参数；DpD2、…、Dn分别为测点Pp P2、…、Pn距离载荷中心的水平距离。
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]在上述的挠曲线斜率方程组中，钢轨垂直变形速度可通过速度传感器测量获取；测量载体的测量速度可通过速度传感器测量获取；测点距离载荷中心的水平距离由传感器的安装位置决定，为已知值。故，挠曲线斜率方程组中只有A、B两个未知参数，只要在挠曲线内选择2个以上的测点，通过的挠曲线斜率方程组(式11)即可得到挠曲线参数A、B，再通过.Κο) = -g，得到单轮作用下载荷中心的最大挠度。
[0063]3.2双轮作用下的挠度获取模型
[0064]结合挠曲线斜率方程(式9)，利用钢轨变形速度与行车速度之比即为挠曲线斜率，得到挠曲线斜率方程组，其中VRp VR2、…、VRn分别为测点Pp P2、…、Pn钢轨垂直变形速度；VC为测量载体的测量速度；A、B为挠曲线参数；DpD2、…、Dn分别为测点Pp P2、…、Pn距离载荷中心的水平距离，d为同一转向架上两火车轮的轴距。
'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]在上述的挠曲线斜率方程组中，钢轨垂直变形速度可通过速度传感器测量获取；测量载体的测量速度可通过速度传感器测量获取；测点距离载荷中心的水平距离由传感器的安装位置决定，为已知值；d由载体车决定，为已知值。故，挠曲线斜率方程组中只有A、B两个未知参数，只要在挠曲线内选择2个以上的测点，通过的挠曲线斜率方程组(式12)即可得到挠曲线参数A、B，再通过JK(O) =-^[1+e—胸(cosOBV) + sin(炉叫]，得到双轮作用
Lo
下载荷中心的最大挠度。
[0067]4.钢轨刚度计算模型
[0068]由轨道刚度定义可知，轨道是指使钢轨产生单位下沉所需的竖直载荷(单位:kN/mm) ο
[0069]5 =y(15)
[0070]其中S为轨道刚度，F为车轮施加给钢轨的压力载荷，y为压力载荷为F情况下，载荷中心的钢轨垂直变形量。
[0071]其中车轮施加给钢轨的压力载荷F可通过在火车轮上安装压力传感器或加速度计等获取。无论是单轮作用下或双轮作用下的挠曲线，在挠度计算的过程中获取到挠曲线参数A、B，则单由当前载荷轮中心压力载荷F引起的钢轨垂直变形量为，结合式13可
IB
得:
[0072]5=(16)
YT.
[0073]如图1所示，本发明基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，在测量载体上，安装若干速度传感器，压力传感器或加速度计，其中，一速度传感器用于测量载体的行驶速度，另多个速度传感器分别用于测量钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度。多个速度传感器之间的距离已知，压力传感器或加速度计安装在车轮上，测量车轮施加给钢轨的压力载荷；包括以下测量步骤:
[0074]1.让测量载体以一定速度行驶在钢轨上，
[0075]i1.控制若干速度传感器、压力传感器同时测量，得到某时刻点的测量载体的行驶速度和钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，以及车轮施加给钢轨的压力载荷；
[0076]ii1.在挠曲线斜率方程组中，引入测量载体的行驶速度和上述钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，计算得到钢轨最大挠度值计算公式的挠曲线参数；
[0077]iv.根据钢轨最大挠度值计算公式，引入上述挠曲线参数，计算得到钢轨最大挠度值；
[0078]V.根据钢轨刚度计算公式，计算得到钢轨刚度。
[0079]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，其特征在于，在测量载体上，安装若干速度传感器和压力载荷测量装置，其中，一速度传感器用于测量载体的行驶速度，另多个速度传感器分别用于测量钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，所述多个速度传感器之间的距离已知，所述压力载荷测量装置用于测量所述测量载体的车轮施加给钢轨的压力载荷；包括以下测量步骤: 1.让所述测量载体以一定速度行驶在钢轨上， i1.控制所述若干速度传感器同时测量，得到某时刻点的测量载体的行驶速度和钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，以及测量载体施加给钢轨的压力载荷； ii1.在挠曲线斜率方程组中，引入测量载体的行驶速度和上述钢轨挠曲线上多个点的钢轨垂直变形速度，计算得到钢轨最大挠度值计算公式的挠曲线参数； iv.根据钢轨最大挠度值计算公式，引入上述挠曲线参数，计算得到钢轨最大挠度值； V.根据钢轨刚度计算公式，计算得到钢轨刚度。
2.根据权利要求1所述的基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，其特征在于，所述测量载体的每个车轮产生的挠曲线相互之间不产生影响时，所述挠曲线斜率方程组为下列公式(11)， VRJVC =D,))e l!l> VRjVC^AUmiB-D^e /;/) VRuIVC = A^\n(B^Dtt))e 叫⑴ 其中，VR1、VR2、…、VRn*别为多个测点PpP2、…、Pn处钢轨坐直变形速度；VC为测量载体的测量速度；A、B为挠曲线参数；DpD2、…、Dn分别为测点PpP2、…、Pn距离载荷中心的水平距离。
3.根据权利要求2所述的基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，其特征在于，所述钢轨最大挠度值y(O) = -4，A、B为挠曲线参数。
ZD
4.根据权利要求1所述的基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，其特征在于，所述测量载体的相邻车轮产生的挠曲线相互之间产生影响时，所述挠曲线斜率方程组为下列公式(12)，
=4(sin (MD1)) e+ (sin +d)))e-B{D'+d>]
VR2/VC = 4(sm {B*D2 ))e-脚=+ (sm (B(D2 +i/)))e-婦一] VRJVC = ,4[(sin (B- D,,))e—+(<nn{B(DH + d)))e-BtD"+d>]⑵ 其中VRpVRy…、VRjIj为测点Pp P2、…、P1JR轨垂直变形速度；VC为测量载体的测量速度；A、B为挠曲线参数；DpD2、…、Dn分别为测点PpP2、…、Pn距离载荷中心的水平距离，d为同一转向架上两火车轮的轴距。
5.根据权利要求4所述的基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，其特征在于，所述钢轨最大挠度值y(0) = -^|[l + e—_(cos(炉A+smOBM))] ，A、B为挠曲线参数。
6.根据权利要求1所述的基于钢轨变形速度的轨道刚度快速测量方法，其特征在于，所述压力载荷测量装置为压力传感器或加速度计，安装在测量载体的车轮上。
【文档编号】B61K9/08GK104129405SQ201410353102
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】李清泉, 张德津, 曹民, 林红, 曲旋, 王新林, 孙小进, 马斌 申请人:武汉武大卓越科技有限责任公司