一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于测量钢轨纵向高低不平顺的复合弦测法。
【背景技术】
[0002] 理论研究和工程实践已经证明，轨道不平顺是引起机车车辆产生振动、引起轮轨 作用力增大、导致线路方面直接限制行车速度的主要因素。因此，准确测量掌握轨面不平顺 的实际情况是实现对轨道平顺状态进行科学评定和监控管理的前提条件。
[0003] 轨道上存在的高低不平顺波形是空间分布的随机性变形，波长范围从几十毫米到 百余米，波长越长幅值越大，要将轨道上存在的不平顺完全准确地检测出来是很困难的。由 于车辆动力学的性能不同，车辆只对一定波长范围的轨道不平顺波形有响应。因此，检测系 统仅需对特定波长范围内的不平顺波形进行复原和测量。在高速条件下，20m~70m的波长 不平顺，将使固有频率较低的车体发生激振，一般铁路或重载铁路（速度80Km/h~120Km/ h)只对中波长（5m~12m)不平顺加以限制，高速铁路特别重视对短波长（30mm~1000mm) 不平顺的控制。据此设置恢复带为30mm~60m。
[0004] 目前，世界各国用来测量高低不平顺的方法可归纳为惯性基准法和弦测法两大 类。
[0005] 惯性基准法是在运动的车体内通过加速度传感器建立一个惯性参考基准，利用车 体上的位移传感器来测量轨道相对于基准的相对位置，从而得到钢轨顶面在惯性坐标系内 的相对位置。原理如图1所示。
[0006] 设A (t)代表车体的垂直振动加速度，它是由安装在车体地板上的加速度计来测 量的，车体的振动和冲击相对较小，最大不超过几个g(重力加速度）。D(L)代表轴箱与车 体间的垂向相对位移，它是由安装在轴箱和加速度计之间的位移传感器来测量的，对加速 度作相应的积分处理就可得到加速度计安装点的运动轨迹，进一步与D(L)作代数运算即 可得到轨道顶面的轨迹P(L)。其运算表达式为：
[0007] P (L) = / / A (t) dt2-D (L) (1)
[0008] 弦测法沿轨道纵向按照预先设计的间距一字排列开数个位移传感器，通过位移传 感器测量光源入射点与轨面距离，然后按照弦长划分比推导得到弦测值，最基本的弦测系 统是两点弦或三点等弦测量系统。以三点等弦为例，原理如图2所示。
[0009] 弦测值bo并不等于轨道不平顺的实际值bb'，而是实际值与系统传递函数的乘 积。
[0010] 惯性基准法在理论上能够满足测量要求。但是由于轨道不平顺引起的轴箱加速度 动态范围很大，若要测出0.1 m至50m波长的不平顺，分辨精度为1毫米，则需要测量加速度 动态范围是0. 〇〇13g-311g，频率范围是0. 56Hz-278Hz。目前的传感器和电测仪器均很难在 这样大的动态范围内保证这样的分辨精度。同时，其检测精度受列车运行速度影响，对短波 检测有一定盲区，主要应用于大型轨道检测车上。
[0011] 弦测法复原准确性受传递函数制约，主要分为两点弦、三点等弦、三点偏弦和四点 偏弦等4种测量方法，相应传递函数的幅频特性曲线如图3所示（弦长取330mm，三点偏弦 弦长划分为1:10,四点偏弦弦长划分为3:17:1)。
[0012] 其中，两点弦和三点等弦（正矢法）振幅增益随不平顺波长变化较快，主要用于 对长波长成份进行复原，此时其弦长一般为数十米。两点弦只能对波长 >弦长的不平顺波 形进行复原，三点等弦只能对波长> 1/2弦长的不平顺波形进行复原。三点偏弦和四点偏 弦（偏矢法）传递函数较为复杂，振幅增益随波长变化平缓，主要用于对短波长成份进行复 原，其弦长一般不足1米。
[0013] 针对设置的30mm~60m恢复带，以上4种方法单独使用时均不能有效满足需求。
[0014] 惯性基准法检测和数据处理系统较为复杂且价格昂贵，弦测法只能对特定的长波 长或短波长成份进行复原，不能对设置的30mm~60m全部恢复带进行复原。
【发明内容】
[0015] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于测量钢轨纵向 高低不平顺的复合弦测法。
[0016] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于测量钢轨纵向高低 不平顺的复合弦测法，包括以下步骤：
[0017] 1)在轨道的左轨和右轨上分别设置三个激光传感器；
[0018] 2)令 i = 0 ;
[0019] 3)左轨或者右轨上的三个激光传感器同步采集到的光源入射点到钢轨表面的距 离数据，三个激光传感器采集的距离数据分别存入数组l#(i)，2# (i)，3# (i)中；
[0020] 4)令i = i+1，重复上述步骤3)，直到i = 50000 ;
[0021 ] 5)将步骤4)得到的三个数组分别赋给数组11# (j)，12# (j)，13# (j);
[0022] 6)去除数组11#(j)，12#(j)，13#(j)中的异常值，得到新的数组111#(j)， 112#(j),113#(j)；
[0023] 7)三点偏弦计算：令 S1= 111#(j)、s 2= 112#(j)、s 3= 113#(j)，利用
计算三点偏弦弦测值y (X)'，利用三点偏弦弦测值设计三点偏弦逆 滤波器，恢复弦测波形30mm~1200mm短波长成分；其中s = 1000mm，a = 30mm，b = 970mm ;
[0024] 8)两点偏弦计算：令k = 0。判断j% 100是否为零，若是，21#(k) = lll#(j)， 23#(k) = 113#(j)，k = k+1 ;否则，令j = j+1，重复上述步骤对j值进行取余判断，直到j =50000 ；
[0025] 9)令 s/ = 21#(k)、s2' = 23#(k)，利用公式 y(x) = s/_s3' 计算两点弦弦测值 y (X)，并利用两点弦弦测值y (X)设计两点偏弦逆滤波器，恢复弦测波形1200mm~60m长波 长成分。
[0026] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在改进传统弦测法单纯用 于短波长（30mm~Im)或长波长（Im~60m)弦测波形复原的基础上，通过比较选用Im特定 弦长，结合3:97弦长划分比、最优FIR逆滤波器设计方法、同组3个传感器的灵活结合等手 段，将短波长和长波长检测融为一体，能够精确复原全部恢复带内的轨道实际不平顺波形。
【附图说明】
[0027] 图1为惯性基准法原理图；
[0028] 图2为弦测法原理图。
[0029] 图3为四种弦测方法的传递函数幅频特性图；
[0030] 图4为本发明检测系统硬件框图；
[0031] 图 5 (a)为 s = 330mm，a = 30mm、40mm、50mm 三点偏弦幅频曲线图；图 5 (b)为 a = 30mm，b:a = l、b:a = 5、b:a = 10、b:a = 15、b:a = 20、b:a = 30 三点偏弦幅频曲线图； 图 5(c)为 a = 30mm，s = 330mm、500mm、800mm、1000mm 三点偏弦幅频曲线图；
[0032] 图6为本发明两点弦频率采样法设计流程图；
[0033] 图7为本发明三点弦最优法设计流程图；
[0034] 图8为本发明弦测波形复原流程