铁路轨道结构系统能量场测试方法及系统与流程

1.本技术涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种铁路轨道结构系统能量场测试方法及系统。


背景技术：

2.在轨道交通，例如铁路、地铁以及城市轨道等，为了得到轨道结构的能量场的分布，需要进行具体分析。其中，现有技术手段中，常用的做法是建立轨道结构的有限元分析模型，通过输入各个部件的技术参数，进行理论计算，分析得出轨道结构系统的传递和分布特征，进而得出能量场的传递和分布规律。其中，该种方法的分析结果的准确性很大程度上依赖各部件参数的选取和仿真模型的建立。对于技术参数来说，首先，各部件，例如钢轨，技术参数本身难于获取，另外由于部件的参数具有非线性和频变性的特点，技术参数具有多变性，因此最终选取的技术参数与实际的结构有着较大的差距，最终导致能量场的分析结果与实际结构不一致，无法获取准确的轨道结构的系统能量场特征。


技术实现要素：

3.针对现有技术中，在进行轨道结构的系统能量场确定时，无法准确真实地反映轨道能量场的真事分布情况，准确性不高的问题，本技术提出一种铁路轨道结构系统能量场测试方法及系统。
4.在本技术的一个技术方案中，提供一种铁路轨道结构系统能量场测试方法，包括：在预设长度的铁路钢轨上布设多个加速度传感器，每个加速度传感器用以获取钢轨对应位置的加速度响应信号；以多个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点，对钢轨进行划分，得到对应的多个钢轨单元；在钢轨上方施加垂直激励，通过加速度传感器获取各个钢轨单元对应的加速度响应信号；对加速度响应信号进行积分处理，得到多个钢轨单元分别对应的速度及位移；根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场。
5.可选的，以多个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点，对钢轨进行划分，得到对应的多个钢轨单元，包括：将相邻加速度传感器对应布设位置间的中点作为钢轨单元的端点；将相邻端点之间的钢轨，作为钢轨单元。
6.可选的，在钢轨上方施加垂直激励，包括：利用激励装置在钢轨的中间位置垂直施加激励，激励装置包括力锤。
7.可选的，根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场，包括：按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应动能的排布，确定钢轨对应的动能能量场；按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应势能的排布，确定钢轨对应的势能能量场。
8.可选的，根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场，还包括：根据各个钢轨单元对应的动能和
势能，计算各个钢轨单元对应的总能量；按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应总能量的排布，确定钢轨对应的总能量能量场。
9.可选的，在预设长度的铁路钢轨上均匀布设多个加速度传感器，包括：按照预设间隔在钢轨上均匀布设多个加速度传感器，其中预设间隔小于第一倍数的扣件间距，大于第二倍数的扣件间距。
10.可选的，预设间隔小于2倍的扣件间距，大于0.5倍的扣件间距。
11.在本技术的一个技术方案中，提供一种铁路轨道结构系统能量场测试系统，包括：激励装置，其在预设长度的铁路钢轨上施加垂直激励，通过在钢轨上布设的多个加速度传感器获取各个钢轨单元对应的加速度响应信号，其中以多个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点，对钢轨进行划分，得到对应的多个钢轨单元；能量场确定装置，其对加速度响应信号进行积分处理，得到多个钢轨单元分别对应的速度及位移，并根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场。
12.本技术的有益效果是：本技术通过在轨道的钢轨上布设加速度传感器，并测量轨道的各个钢轨单元的加速度响应信号，进而获得各个单元的在对应时间内的速度和位移，进而得到各个单元对应的势能、动能和总能量，得到对应能量场。确定的能量场更加准确，与实际的轨道结构一致，能够得到准确的系统能量场特征。
附图说明
13.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本技术铁路轨道结构系统能量场测试方法的一个实施方式的流程示意图；
15.图2是本技术加速度传感器布设的一个实例的示意图；
16.图3是本技术钢轨单元划分的一个实例的示意图；
17.图4是本技术铁路轨道结构系统能量场测试系统的一个实施方式的结构示意图。
18.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
19.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
20.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除
了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的产品或设备不必限于清楚地列出的哪些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。
21.在轨道交通，例如铁路、地铁以及城市轨道等，为了得到轨道结构的能量场的分布，需要进行具体分析。其中，现有技术手段中，常用的做法是建立轨道结构的有限元分析模型，通过输入各个部件的技术参数，进行理论计算，分析得出轨道结构系统的传递和分布特征，进而得出能量场的传递和分布规律。其中，该种方法的分析结果的准确性很大程度上依赖各部件参数的选取和仿真模型的建立。对于技术参数来说，首先，各部件，例如钢轨，技术参数本身难于获取，另外由于部件的参数具有非线性和频变性的特点，技术参数具有多变性，因此最终选取的技术参数与实际的结构有着较大的差距，最终导致能量场的分析结果与实际结构不一致，无法获取准确的轨道结构的系统能量场特征。
22.针对上述问题本技术提出一种铁路轨道结构系统能量场测试方法及系统。本技术的铁路轨道结构系统能量场测试方法包括：在预设长度的铁路钢轨上均匀布设多个加速度传感器，每个加速度传感器用以获取对应位置的钢轨加速度响应信号；以多个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点，对钢轨进行划分，得到对应的多个钢轨单元；在钢轨上方施加垂直激励，通过加速度传感器获取各个钢轨单元对应的加速度响应信号；对加速度响应信号进行积分处理，得到多个钢轨单元分别对应的速度及位移；根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场。。
23.本技术通过在轨道的钢轨上布设加速度传感器，并测量轨道的各个单元的加速度信息，进而获得各个钢轨单元的在对应时间内的速度和位移，进而得到各个单元对应的势能、动能和总能量，得到对应能量场。确定的能量场更加准确，与实际的轨道结构一致，能够得到准确的系统能量场特征。
24.下面以具体地实施例对本技术的技术方案以及本技术的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本技术的实施例进行描述。
25.图1示出了本技术铁路轨道结构系统能量场测试方法的一个实施方式。
26.在图1所示的实施方式中，本技术的基于钢轨的轨道结构系统能量场测试方法包括：过程s101，在预设长度的铁路钢轨上布设多个加速度传感器，每个加速度传感器用以获取对应位置的钢轨加速度响应信号。
27.在该实施方式中，由于现有技术中在对轨道系统能量场的分布进行分析时，由于各部件技术参数难于获取，以及选取不准确，无法准确反映真实轨道结构的问题，本技术利用一定规格的加速度传感器实地对轨道的能量分布进行测量，从而对能量的分布进行分析，得出准确的结果。其中，在对轨道系统中的钢轨的能量场测试时，选取预定长度的铁路钢轨，并在该钢轨上均匀布设多个加速度传感器。加速度传感器用以获取钢轨对应位置的加速度响应信号。通过加速度传感器的均匀布置，能够保证对钢轨加速度相应信号测量的准确性，保证最终得到的能量场更能够反映真实的能量分布情况。
28.可选的，在预设长度的铁路钢轨上均匀布设多个加速度传感器，包括：按照预设间
隔在钢轨上均匀布设多个加速度传感器，其中预设间隔小于第一倍数的扣件间距，大于第二倍数的扣件间距。
29.在该可选实施例中，在进行加速度传感器的布设时，需要满足相邻的加速度传感器之间的距离要小于小于第一倍数的扣件间距，以保证加速度传感器的测量结果能够真实反映钢轨的能量变化。如果加速度相距较远，可能导致一部分钢轨的能量变化，无法通过加速度传感器测量出来，从而导致测量结果与真实结构不匹配。同样，也要满足相邻的加速度传感器之间的距离大于第二倍数的扣件间距，避免因为家间距过小，导致测量成本的增加。
30.可选的，预设间隔小于2倍的扣件间距，大于0.5倍的扣件间距。
31.具体的，预设长度的钢轨可选择为30-60m的钢轨。其中，具体的测试钢轨的长度可根据实际的测试条件和要求进行合理选择，本技术不进行具体限制。相邻加速度传感器之间的布设间隔可设置为两倍轨道扣件间距，即布置的预设间隔l≤2a，其中a为相邻扣件之间的间距。另外，如果加速度传感器设置较为紧密，对测量准确性的提升不大，反而会增加成本。因此，在具体设置时，布布置的预设间隔l》0.5a。
32.具体的，图2示出了本技术加速度传感器布设的一个实例。
33.如图2所示，在预设长度l的钢轨上，均匀布设多个加速度传感器，见图中的各个黑点。其中，相邻加速度传感器之间的距离用l表示，其中布置间距l≤2a，同时l》0.5a。
34.在图1所示的实施方式中，本技术的基于钢轨的轨道结构系统能量场测试方法包括：过程s102，以多个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点，对钢轨进行划分，得到对应的多个钢轨单元。
35.在该实施方式中，在多个加速度传感器在钢轨上布设完毕后，加速度传感器的位置便会确定，以各个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点对钢轨进行划分，得到各个加速度传感器分别对应的钢轨单元，其中该加速度传感器所获取的加速度响应信号反映出对应的钢轨单元的加速度变化情况。其中，进行钢轨单元的划分时，能够将钢轨完全划分，不留剩余。从而保证该段钢轨的能量场变化均能够在各个钢轨单元中进行提体现，保证能量场测量的准确性。
36.可选的，以多个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点，对钢轨进行划分，得到对应的多个钢轨单元，包括：将相邻加速度传感器对应布设位置间的中点作为钢轨单元的端点；将相邻端点之间的钢轨，作为钢轨单元。
37.在该可选实施例中，在根据加速度传感器的位置进行钢轨单元的划分时，首先确定相邻加速度传感器设位置间的中点，并将多个中点作为对应的钢轨单元的端点，从而确定各个钢轨单元。
38.具体的，图3示出了本技术钢轨单元划分的一个实例。
39.如图3所示，图中钢轨上的各个黑点表示布设的多个加速度传感器，分别取相邻加速度传感器之间的中点作为钢轨单元的端点，得出对应的各个钢轨单元。如图3钢轨上的黑色小段。其中，由于各个加速度传感器均匀布置，在相邻加速度传感器之间的间距为l时，各个钢轨单元的长度与为l，如图3所示。
40.在图1所示的实施方式中，本技术的基于钢轨的轨道结构系统能量场测试方法包括：过程s103，在钢轨上方施加垂直激励，通过加速度传感器获取各个钢轨单元对应的加速度响应信号。
41.在该实施方式中，在加速度传感器布设完成，相应的钢轨单元划分完成后，在该钢轨上施加垂直激励，通过钢轨上布设的多个加速度传感器进行各个钢轨单元的加速度响应信号，为后续能量场的测量做好准备。
42.可选的，在钢轨上方施加垂直激励，包括：利用激励装置在钢轨的中间位置垂直施加激励，激励装置包括力锤。
43.在该可选实施例中，为了能够准确的进行能量场的测量，利用激励装置在钢轨的中间位置施加激励。其中，激励装置包括力锤、激振器等。
44.具体的，在利用力锤施加激励时，可使用力锤向钢轨冲击三次，通过加速度传感器感知冲击时间内钢轨的加速度响应信号。或者还可以使用激振器对钢轨进行激励，其中激振器可使用简谐力对钢轨进行激励。
45.在图1所示的实施方式中，本技术的基于钢轨的轨道结构系统能量场测试方法包括：过程s104，对加速度响应信号进行积分处理，得到多个钢轨单元分别对应的速度及位移。
46.在该实施方式中，通过加速度传感器能够测量到各个钢轨单元对应的加速度信息，利用积分原理，可根据加速度信息得到该钢轨单元对应的速度信息以及位移信息。其中，根据加速度信息，进行积分得到速度吗，再对速度进行积分得到位移的过程，是常用的技术手段，在此本技术不进行赘述。
47.在图1所示的实施方式中，本技术的基于钢轨的轨道结构系统能量场测试方法包括：过程s105，根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场。
48.在该实施方式中，在获得各个钢轨单元对应的速度和位移后，便可对各个钢轨单元的动能和势能进行计算，进而得到整个钢轨的能量场。
49.具体的，在进行钢轨单元的动能计算时，可通过公式(1)进行计算，如下：
[0050][0051]
其中，m表示钢轨的单位长度质量，l表示钢轨单元的长度，l
ri
表示编号为i的钢轨单元的速度。通过上述公式可计算求得各个钢轨单元的动能。
[0052]
在进行钢轨单元的势能计算时，可通过公式(2)进行计算，如下：
[0053][0054]
其中，kr为扣件支承刚度，x
ri
表示编号为i的钢轨单元的位移。通过上述公式可计算求得各个钢轨单元的势能。
[0055]
可选的，根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场，包括：按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应动能的排布，确定钢轨对应的动能能量场；按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应势能的排布，确定钢轨对应的势能能量场。
[0056]
在该可选实施例中，在计算出各个钢轨单元的动能和势能后，按照各个钢轨单元的位置，进行动能变化图和势能变化图的绘制，得到最终的动能能量场和势能能量场。
[0057]
可选的，根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别
对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场，还包括：根据各个钢轨单元对应的动能和势能，计算各个钢轨单元对应的总能量；按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应总能量的排布，确定钢轨对应的总能量能量场。
[0058]
在该可选实施例中，将各个钢轨单元对应的动能和势能叠加，得到该钢轨单元对应的总能量。然后按照各个钢轨单元的位置，进行总能量变化图的绘制，得到最终的总能量能量场。
[0059]
具体的，在进行轨道结构系统能量场的测试时，除了在钢轨上布设加速度传感器进行钢轨上的能量场的测试外，还可在轨道系统的其他部件，例如轨道板上布设加速度传感器，进行轨道板能量场的测试，进而确定轨道板能量场的分布情况。
[0060]
本技术的基于钢轨的轨道结构系统能量场测试方法通过在轨道的钢轨上布设加速度传感器，并测量轨道的各个单元的加速度信息，进而获得各个钢轨单元的在对应时间内的速度和位移，进而得到各个单元对应的势能、动能和总能量，得到对应能量场。更加准确，与实际的轨道结构一致，能够得到准确的系统能量场特征。
[0061]
图4示出了本技术铁路轨道结构系统能量场测试系统的一个实施方式。
[0062]
在图4所示的实施方式中，本技术的铁路轨道结构系统能量场测试系统包括：激励装置401，其在预设长度的铁路钢轨上施加垂直激励，通过在钢轨上布设的多个加速度传感器获取各个钢轨单元对应的加速度响应信号，其中以多个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点，对钢轨进行划分，得到对应的多个钢轨单元；能量场确定装置402，其对加速度响应信号进行积分处理，得到多个钢轨单元分别对应的速度及位移，并根据多个钢轨单元分别对应的速度及位移，计算得到多个钢轨单元分别对应的动能和势能，进而得到钢轨对应的能量场。
[0063]
可选的，以多个加速度传感器的布设位置作为各个钢轨单元的中点，对钢轨进行划分，得到对应的多个钢轨单元，包括：将相邻加速度传感器对应布设位置间的中点作为钢轨单元的端点；将相邻端点之间的钢轨，作为钢轨单元。
[0064]
可选的，利用激励装置401在钢轨的中间位置垂直施加激励，激励装置包括力锤。
[0065]
可选的，在能量场确定装置402中，按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应动能的排布，确定钢轨对应的动能能量场；按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应势能的排布，确定钢轨对应的势能能量场。
[0066]
可选的，在能量场确定装置402中，根据各个钢轨单元对应的动能和势能，计算各个钢轨单元对应的总能量；按照钢轨单元在钢轨上的位置进行各个钢轨单元对应总能量的排布，确定钢轨对应的总能量能量场。
[0067]
可选的，在预设长度的铁路钢轨上均匀布设多个加速度传感器，包括：按照预设间隔在钢轨上均匀布设多个加速度传感器，其中预设间隔小于第一倍数的扣件间距，大于第二倍数的扣件间距。第一倍数可选择2，第二倍数可选择0.5。需要说明的是，关于具体数值的选择可根据实际的测量要求进行合理设置。
[0068]
本技术的铁路轨道结构系统能量场测试系统通过在轨道的钢轨上布设加速度传感器，并测量轨道的各个单元的加速度信息，进而获得各个单元的在对应时间内的速度和位移，进而得到各个钢轨单元对应的势能、动能和总能量，得到对应能量场。更加准确，与实际的轨道结构一致，能够得到准确的系统能量场特征。
[0069]
在本技术所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0070]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0071]
以上仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。