一种辨识铁路轨道结构模态特征的方法与流程

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种辨识铁路轨道结构模态特征的方法。

背景技术：

钢轨模态是铁路轨道结构综合模态特征的体现，反应轨道结构的固有动力学特征，对分析轨道结构动力学特性、优化轨道结构及部件设计参数、揭示轨道结构及部件动力学伤损机理等方面具有重大意义，因此轨道结构模态特征辨识方法和系统是十分重要的，钢轨的模态特征辨识分为钢轨垂向和横向模态特征辨识两类，均采用锤击试验法，现有钢轨模态特征辨识方法具有如下缺点：

首先从钢轨垂向模态测点布置上来看，测点布置范围l没有明确，测试时凭经验随机设置，若测点范围小，无法有效测试钢轨的低阶模态特征，若测点范围过大，则会大大降低测试效率；力锤激励点位置和数量未明确，测试时凭经验随机设置，若激励点太少或过于集中，则数据较差，无法有效得到模态特征；若激励点太多，则同样会大大降低测试效率；采用等间距布置测点，测点间距为0.5个扣件间距，垂向测试模态频率有效范围为0～1500hz，因测点不足够多，无法测试更高频率的模态特征；由于未明确测点布置范围l、激励点位置及数量，因此测试数据之间的可比性较差，多个检测周期内进行测试的测试结果之间没有可比性，检测出的变化，不能确定是结构本身发生了变化还是因为多次测试的激励点之间的差异造成的。

再者，在钢轨横向模态测点布置上来看，测点布置范围l没有明确，测试时凭经验随机设置，受实验员人为影响大，若测点范围小，无法有效测试钢轨的低阶模态特征，极可能漏掉重要的测试点；若测点范围过大，则会大大降低测试效率，在线测试时，测试窗口期时间短，极可能不能一次测完，可能需要多次重复布置测点进行测试；力锤激励点位置和数量未明确，测试时凭经验随机设置，若激励点太少或过于集中，则数据较差，无法有效得到模态特征；若激励点太多，则同样会大大降低测试效率；采用等间距布置测点，测点间距为0.5个扣件间距，横向测试模态频率有效范围为0～600hz，无法测试更高频率的模态特征；由于未明确测点布置范围l、激励点位置及数量，因此测试数据之间的可比性较差。

综上所述，现有测试方法存在测试效率低、测试质量差、测试数据对比性差和测试频率范围小等缺点。

技术实现要素：

(一)发明目的

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种辨识铁路轨道结构模态特征的方法，测试频率范围大，测试质量好，可有效辨识钢轨垂向和横向的模态特征，测试效率高，可在维修时间窗口内完成作业，测试数据之间的对比性好，可对不同时间和不同地点的测试数据进行有效对比分析。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提出了一种辨识铁路轨道结构模态特征的方法，包括：

在铁路轨道上布置多个传感器，每个传感器的位置作为一个测点；

选择部分或全部测点作为力锤敲击的激励点；

在用力锤敲击所述激励点时，通过多个传感器记录测点的响应情况，进而用于分析铁路轨道的模态特征；

在铁路轨道上选择固定的多个扣件间距，作为测试范围，用于布置测点；

测试范围固定，且激励点的位置固定。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

测点位置固定，测试频率范围大，可有效测试钢轨0～1500hz范围内的模态特征；测试质量好，可有效辨识钢轨垂向和横向的模态特征；测试效率高，可在维修时间窗口内完成作业；测试数据之间的对比性好，可对不同时间和不同地点的测试数据进行有效对比分析。

附图说明

图1为本发明提出的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中垂向模态测点布置的一个实例的结构示意图。

图2为本发明提出的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中横向模态测点布置的一个实例的结构示意图。

图3为本发明提出的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中测试范围内各区域测点布置的一个实例的结构示意图。

图4为本发明提出的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中横向高阶模态测点布置的一个实例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1为本发明提出的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中垂向模态测点布置的一个实例的结构示意图。

图2为本发明提出的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中横向模态测点布置的一个实例的结构示意图。

结合图1和图2，在本发明的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中，在铁路轨道上布置多个传感器，每个传感器的位置作为一个测点；选择部分或全部测点作为力锤敲击的激励点；在用力锤敲击激励点时，通过多个传感器记录测点的受力情况，进而用于分析铁路轨道的模态特征；在铁路轨道上选择固定的多个扣件间距，作为测试范围，用于布置测点；测试范围固定，且激励点的位置固定。

在本发明的一个实施例中，测试范围，例如图1和图2中的l所示，可以包括位于其中央的中央区域，例如图1和图2所示的a区。测试范围还可以包括位于中央区域两侧的一对或多对对称区域，例如图1和图2所示的对称区域b1区、b2区，对称区域c1区、c2区，对称区域d1区、d2区等。

优选的，在图1和图2所示的实例中，测试范围l为二十四个扣件间距d，中央区域a区、以及对称区域b1区、b2区均为两个扣件间距，对称区域c1区、c2区均为三个扣件间距，对称区域d1区、d2区均为六个扣件间距。

在本发明的一个实施例中，中央区域内的测点可以比对称区域内的测点布置得更紧密。例如图1和图2所示的实例中，测试范围l沿铁路轨道长度方向从左至右共布置三十一个测点，其中，a区、b1区、b2区、c1区、c2区、d1区、d2区的端部均不重复地布置有一个测点，中央区域a区内还均匀布置有七个测点，对称区域b1区、b2区还分别均匀布置有三个测点，对称区域c1区、c2区内还均匀布置有两个测点，对称区域d1区、d2区还分别均匀布置有三个测点。需注意，在图1和图2所示的实例中，虽然c1区、c2区内布置的测点比d1区、d2区内布置的测点少，但c1区、c2区比d1区、d2区的长度短的多，因此，仍然是处于内侧的c1区、c2区比处于外侧的d1区、d2区内布置的测点更密。

优选的，在图1和图2所示的实例中，结合图3，在总共三十一个测点中，从左至右第一个测点、第四个测点、第六个测点、第八个测点、第十一个测点、第十四个测点、第十六个测点、第二十个测点、第二十三个测点、第二十七个测点、第三十个测点选定为激励点。

图3为本发明提出的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中测试范围内各区域测点布置的一个实例的结构示意图。

在本发明的一个实施例中，在中央区域布置测点和激励点的方式，例如，图1、图2、图3所示的实例中a区布置测定和激励点的方式，用于测试铁路轨道的垂向pinned-pinned模态和横向pinned-pinned模态。此时，中央区域外侧的一对对称区域，例如图1、图2所示的实例中的b1区、b2区，作为pinned-pinned测试的延伸区域。

在本发明的一个实施例中，在中央区域和紧邻中央区域的一对对称区域布置测点和激励点的方式，例如，图1、图2、图3所示的实例中a区以及b1区、b2区布置测定和激励点的方式，用于测试铁路轨道的垂向低阶模态。此时，该对对称区域外侧紧邻的另一对对称区域，例如图1、图2、图3所示的实例中的c1区、c2区，作为垂向低阶模态的延伸区域。

在本发明的一个实施例中，在中央区域、紧邻中央区域的一对对称区域、以及该对对称区域外侧紧邻的第二对对称区域布置测点和激励点的方式，例如，图1、图2、图3所示的实例中a区以及b1区、b2区、c1区、c2区布置测定和激励点的方式，用于测试铁路轨道的横向低阶模态。此时，第二对对称区域外侧紧邻的第三对对称区域，例如图1、图2、图3所示的实例中的d1区、d2区，，作为横向低阶模态的延伸区域。

在本发明的一个实施例中，测试铁路轨道的垂向模态时，传感器布置在铁路轨道的轨顶，测试频率范围可以为0至1500hz。

在本发明的一个实施例中，测试铁路轨道的横向低阶模态时，传感器布置在铁路轨道的轨头，测试频率范围可以为0-700hz。

图4为本发明提出的辨识铁路轨道结构模态特征的方法中横向高阶模态测点布置的一个实例的结构示意图。

在本发明的铁路轨道横向高阶模态测试的一个实施例中，可以在中央区域的轨头、轨腰和轨底上沿铁路轨道长度方向分别布置多个测点。高阶模态测试的测试频率范围可以为400-1500hz。

例如，在图4所示的实例中，优选的，中央区域a区为两个扣件间距，在中央区域a区的轨头、轨腰的两端及两端之间可以分别均匀布置九个测点。在中央区域a区的轨底的每个扣件节点位置不布置测点，优选的，在中央区域a区的轨底的每个扣件间距内均匀布置三个测点，那么，在中央区域a区的轨底共布置六个测点。

在图4所示的实例中，中央区域的轨头布置的九个测点中，优选的，从左至右第一个测点、第三个测点、第五个测点、第六个测点、第九个测点为激励点。中央区域的轨腰布置的九个测点中，优选的，从左至右第二个测点、第七个测点为激励点。中央区域的轨底布置的六个测点中，优选的，从左至右第一个测点、第二个测点为激励点。

本发明测点位置固定，测试频率范围大，可有效测试铁路轨道0～1500hz范围内的模态特征；测试质量好，可有效辨识铁路轨道垂向和横向的模态特征；测试效率高，可在维修时间窗内完成作业；测试数据之间的对比性好，可对不同时间、不同地点的测试数据进行有效对比分析等。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、组合、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。