一种轨道结构的脉冲激励加载机构及其使用方法

1.本发明涉及轨道检测技术领域，尤其涉及一种轨道结构的脉冲激励加载机构及其使用方法。


背景技术：

2.轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统。最典型的轨道交通就是由传统火车和标准铁路所组成的铁路系统。随着火车和铁路技术的多元化发展，轨道交通呈现出越来越多的类型，不仅遍布于长距离的陆地运输，也广泛运用于中短距离的城市公共交通中。
3.随着轨道交通运营里程不断增加，在列车荷载的往复作用下，轨道结构陆续出现了多种不同的病害，对于轨道线路的养护维修和轨道检测的需求不断提高。
4.现有技术中的一种轨道检测方法为现场人工巡检。该方法的缺点为：对于现场工人巡检的方式而言，该方式对于工人的操作经验依赖较多，不同操作工人的检测水平不一，缺乏一种准确且不依赖于人工经验的检测方法。
5.现有技术中的另一种轨道检测方法为基于激光技术、图像处理技术的检测方式。该方法的缺点为：受光照环境及结构表面脏污情况影响较为严重，对于一些外观正常但实际力学状态已经失效的隐蔽病害的检测也存在一定难度。
6.对于轨道动刚度的检测，现有技术中的一种轨道检测方法为采用大型疲劳试验机对钢轨施加不同频率的激振力，然后分别通过力传感器、加速度传感器采集施加不同频率下的激振力与钢轨加速度响应，从而计算得到整个轨道在各个激振频率下对应的动刚度。这种方法受加载幅值及加载频率影响，只能得到轨道结构在低频下的动刚度，无法得到轨道结构在高频范围内的动刚度，同时大型试验台在测试时对轨道结构施加的边界条件与现场也有以一定区别。
7.现有技术中的另一种轨道检测方法为采用可以现场固定的小型激振设备，该设备在预设时间内向钢轨施加预设激振频率范围内的激振力，通过采集钢轨上的力信号和位移信号，计算得到轨道结构动刚度与激振频率的对应变化关系。这种方法施加力的幅值较小，与行车荷载有一定区别，加载频率范围较低，单组测试过程较慢，测试效率较低。


技术实现要素：

8.本发明的实施例提供了一种轨道结构的脉冲激励加载机构及其使用方法，以实现对测试轨道进行有效的病害识别。
9.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
10.根据本发明的一个方面，提供了一种轨道结构的脉冲激励加载机构，包括：动力驱动系统、数据采集装置、装配式加载车轮和支撑骨架，通过支撑骨架将所述动力驱动系统、数据采集装置和装配式加载车轮固定连接，所述动力驱动系统中的电池对整个装置进行供电；
11.对装配式加载车轮进行切面处理，所述动力驱动系统中的旋转电机驱动整个装置沿着测试轨道前进，所述装配式加载车轮旋转前进过程中每旋转一周就对轨道产生一次冲击荷载，从而实现脉冲激励的加载；
12.所述数据采集装置通过传感器实时采集并存储所述装配式加载车轮撞击所述测试轨道产生的撞击力信号、振动加速度和声压信息。
13.优选地，所述动力驱动系统包括蓄电池、旋转电机、电气控制柜、控制开关盒、转轴、链轮、转轴和速度调节器；
14.所述数据采集装置包括二合一传感器、声压传感器、旋转滑环、控制器和显示屏；
15.所述装配式加载车轮包括分体式车轮、挡边法兰、压柱和导向柱。
16.优选地，所述支撑骨架包括型材架、扶手、显示屏固定支架、电机支架、采集仪器安装板、底板、连接板和立板；
17.配套辅助配件包括链条护罩、六角螺栓、垫片、圆螺母、带防尘盖的深沟球轴承、隔环和旋转支架。
18.优选地，把分体式车轮进行切边，通过导向柱将压柱与二合一传感器连接，压柱的浮动球头超出分体式车轮切面2mm，分体式车轮的切面前后楞处设置圆角，通过挡边法兰将两个分体式车轮连接，车轮每旋转一周，压柱撞击钢轨一次。
19.优选地，所述支撑骨架中的型材架与采集仪器安装板和底板连接，所述型材架用于安装控制器、蓄电池和旋转电机，所述扶手与所述型材架连接，所述显示屏固定支架与型材架连接，所述立板连接转轴与支撑骨架，所述连接板的两端分别与立板连接。
20.优选地，所述数据采集装置中的二合一力传感器安装在分体式车轮的内部，通过导向柱与压柱连接，所述声压传感器固定安装在型材架下方，所述旋转滑环与转轴和立板连接，控制器与二合一传感器、声压传感器电路连接。
21.优选地，所述动力驱动系统中的蓄电池固定在采集仪器安装板上，旋转电机固定在电机支架上，电气控制柜固定在型材架上，电气控制柜内设置有24v直流电源、继电器和断路器，控制开关盒固定在型材架上，用于控制加载机构启动和停止，一个链轮与旋转电机连接，另一个链轮与转轴连接，转轴连接两个链轮，转轴与链轮、立板、装配式加载车轮、旋转滑环连接，链条、链轮和转轴共同作用，使旋转电机得以驱动装配式加载车轮滚动前进，速度调节器固定在电气柜表面，用于调节电机旋转速度。
22.优选地，所述配套辅助配件中的链条护罩安装在链条外部，通过六角螺栓、垫片连接各部件，通过圆螺母、带防尘盖的深沟球轴承、隔环连接转轴与立板，通过旋转支架连接立板与旋转滑环，使旋转滑环一端固定，另一端随转轴转动。
23.根据本发明的另一个方面，提供了一种所述的轨道结构的脉冲激励加载机构的使用方法，包括：
24.根据测试轨道的实际扣件间距更换装配式加载车轮，将装配式加载车轮的初始位置设置在测试轨道的扣件正上方，所述装配式加载车轮的周长与测试轨道的扣件间距相近，用户沿前进方向扶好设备，按下启动开关，所述动力驱动系统中的旋转电机驱动整个装置沿着测试轨道按设定速度前进；
25.对装配式加载车轮进行切面处理，所述动力驱动系统中的旋转电机驱动整个装置沿着测试轨道前进，所述装配式加载车轮旋转前进过程中每旋转一周就对轨道产生一次冲
击荷载，从而实现脉冲激励的加载，二合一传感器实时采集并存储所述装配式加载车轮撞击所述测试轨道产生的撞击力信号、振动加速度，声压传感器实时采集噪声信号，装置上安装显示屏，二合一传感器和声压传感器将采集的信号传输给显示屏，所述显示屏显示二合一传感器和声压传感器采集的信号数据。
26.优选地，在装配式加载车轮的切面前后楞处设置圆角，每次加载装配式加载车轮都在扣件附近，所述装配式加载车轮每旋转一周，压柱撞击钢轨一次，实现脉冲激励的加载，控制所述装配式加载车轮的行进速度不变的条件下，保证每次的激振力大小一致；
27.通过调节加载机构的重量和行进速度，调整加载力的大小，且每次下落的最高点高度只与轮径大小和扁平面的设计高度有关。
28.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的装置可以在保证加载力幅值及脉冲特性的前提下，通过调节加载机构的重量和行进速度，调整加载力的大小，使得施加的激励力更加稳定，故而可作为标准的脉冲激励源。并利用标准脉冲荷载的特性，同一个激励源作用下轨道结构响应不同时可识别轨道病害。通过对测得钢轨加速度和力信号的时域响应进行傅里叶变换，得到钢轨加速度和力信号的频域响应，进而得到不同激振频率下轨道动刚度曲线。
29.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例提供的一种轨道结构的脉冲激励加载机构的整体装配图；
32.图2为本发明实施例提供的一种轨道结构的脉冲激励加载机构的整体装配图正视图；
33.图3为本发明实施例提供的一种轨道结构的脉冲激励加载机构的整体装配图侧视图；
34.图4为本发明实施例提供的一种装配式加载车轮的结构图。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
36.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在
中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
37.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
38.为了更清楚地说明本发明，下面结合附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
39.本发明实施例提出了一种轨道结构的脉冲激励加载机构，该机构的工作过程主要包括：首先，把装配式加载车轮做切面处理，使车轮沿测试轨道前进时可实现脉冲激励的加载。旋转电机驱动整个机构沿着测试轨道前进，在前进过程中，数据采集装置通过传感器采集并存储装配式加载车轮撞击测试轨道产生的撞击力信号、振动加速度和声压信息。最后对数据采集装置存储的所有数据进行分析，得到轨道结构动刚度和轨道病害信息。
40.本发明实施例提出的一种轨道结构的脉冲激励加载机构的整体装配图如图1所示，装配图正视图如图2所示，装配图侧视图如图3所示。包括动力驱动系统、数据采集装置、装配式加载车轮3、支撑骨架和配套辅助配件。通过支撑骨架将所述动力驱动系统、数据采集装置和装配式加载车轮固定连接，所述动力驱动系统中的电池对整个装置进行供电。
41.圆形车轮自身对轨道没有冲击作用，将车轮加工出一个切面，使车轮在轨道上运动时会对轨道形成冲击作用，故而车轮沿轨道前进时，每旋转一周就会对轨道施加一次冲击荷载，称该冲击荷载为脉冲激励。所述动力驱动系统中的旋转电机驱动整个装置沿着测试轨道前进，实现脉冲激励的加载。上述本发明实施例的轨道结构的脉冲激励加载机构作为标准的激励源，能供提供稳定的脉冲激励，在不同的轨道结构上接触力基本一致。
42.所述数据采集装置通过传感器实时采集并存储所述装配式加载车轮撞击所述测试轨道产生的撞击力信号、振动加速度和声压信息。然后，对存储的的撞击力信号、振动加速度和声压信息进行分析，得到轨道病害识别结果。
43.动力驱动系统包括蓄电池101、旋转电机102、电气控制柜103、控制开关盒104、转轴105、链轮106、转轴107和速度调节器108。
44.数据采集装置包括二合一传感器201、声压传感器202、旋转滑环203、控制器204和显示屏205。
45.装配式加载车轮3包括分体式车轮301、挡边法兰302、压柱303和导向柱304。
46.支撑骨架包括型材架401、扶手402、显示屏固定支架403、电机支架404、采集仪器安装板405、底板406、连接板407和立板408。
47.配套辅助配件包括链条护罩501、六角螺栓502、垫片503、圆螺母504、带防尘盖的深沟球轴承505、隔环506和旋转支架507。
48.本发明实施例提供的一种装配式加载车轮的装配图如图4所示。装配式加载车轮3包括分体式车轮301、挡边法兰302、压柱303和导向柱304(导向柱304在二合一传感器201与压柱303之间，图中未标出)。把分体式车轮301进行切边，通过导向柱304将压柱303与二合一传感器201连接，压柱的浮动球头超出分体式车轮切面2mm，用于向轨道施加脉冲激励。另
外，分体式车轮301的切面前后楞处设置圆角，避免棱角对轨道造成二次冲击。通过挡边法兰302将两个分体式车轮301连接，方便二合一传感器201及轮体301的更换，挡边法兰有避让通道，方便传感器线路接出。
49.在本实施例中，可根据不同的轨道扣件间距更换装配式加载车轮3，使装配式车轮3的周长与待测轨道的扣件间距相近，保证装配式加载车轮3的初始位置在扣件正上方时，车轮每旋转一周，压柱撞击钢轨一次，且每次加载均在扣件附近。
50.参见图2，支撑骨架包括型材架401、扶手402、显示屏固定支架403、电机支架404、采集仪器安装板405、底板406、连接板407和立板408。型材架401作为主要骨架结构，与采集仪器安装板405和底板406连接，用于安装控制器204、蓄电池101和旋转电机102。扶手402与型材架401连接，方便用户手扶加载机构，使用户能够稳定前行。显示屏固定支架403与型材架401连接，用于安装显示屏。立板407连接转轴105与支撑骨架。连接板406两端分别与立板407连接，用于保证立板的稳定。
51.参见图3与图4，数据采集装置包括二合一传感器201、声压传感器202、旋转滑环203、控制器204和显示屏205。二合一力传感器201安装在分体式车轮301的内部，通过导向柱与压柱连接，用于采集撞击力信号与分体式车轮3的振动加速度信号。声压传感器202固定安装在型材架401下方，用于采集压柱撞击轨道时的声压信号，旋转滑环204与转轴105和立板407连接，用于取出二合一传感器201采集到的撞击力信号与振动加速度信号。控制器204与二合一传感器201、声压传感器202连接，用于存储采集到的撞击力信号、振动加速度和声压信息。显示屏205可实时观察采集数据是否准确。
52.参见图2，动力驱动系统包括蓄电池101、旋转电机102、电气控制柜103、控制开关盒104、转轴105、链轮106、转轴107和速度调节器108，其中转轴105、链轮106和速度调节器108在图中未标出。蓄电池101固定在采集仪器安装板405上，向小车供电。旋转电机102固定在电机支架404上，向小车提供前进动力。电气控制柜103固定在型材架401上，电气控制柜内有24v直流电源、继电器、断路器等部件。24v直流电源将240v交流电转换为24v直流电，向传感器等电子部件供电；继电器提供简单的控制逻辑，如开关的手动挡与自动挡切换，转动圈数的计数等；断电器提供用电保障。控制开关盒104固定在型材架401上，有手动、自动和停止按钮，用于控制加载机构启动和停止。链轮106一个与旋转电机102连接，另一个与转轴107连接，转轴105连接两个链轮，转轴107与链轮、立板、装配式加载车轮3、旋转滑环连接，链条102、链轮106、转轴107共同作用，使旋转电机102得以驱动装配式加载车轮3滚动前进。速度调节器108固定在电气柜表面，用于调节电机旋转速度、从而控制加载机构的行进速度。
53.配套辅助配件包括链条护罩501、六角螺栓502、垫片503、圆螺母504、带防尘盖505的深沟球轴承、隔环506和旋转支架507。链条护罩501安装在链条外部，用于保护链条。六角螺栓502、垫片503用于各部件之间的连接。圆螺母504、带防尘盖505的深沟球轴承、隔环506用于转轴105与立板407之间的连接。旋转支架507用于与连接立板407与旋转滑环204，使旋转滑环一端固定，另一端随转轴转动。
54.在本发明提供的优选实施例中，二合一传感器、声压传感器和控制器等均可采用现有技术的产品，表1中提供了上述仪器的选用示例。
55.表1仪器参数:
[0056][0057]
上述本发明实施例提出的一种轨道结构的脉冲激励加载机构通过蓄电池进行供电，利用驱动装备前进，通过开关盒控制装置工作，利用速度调节器调节行进速度。该装置可采集到向轨道加载时的力、振动加速度和噪声信号，结合已有的数据分析程序，使得轨道病害的检测过程成为一套完整的体系。上述本发明实施例提出的一种轨道结构的脉冲激励加载机构的工作过程包括:
[0058]
整套装备通过蓄电池进行供电，通过旋转电机驱动装置前进。首先，把装配式加载车轮做切面处理，使车轮沿测试轨道前进时可实现脉冲激励的加载。执行试验任务时，根据实际扣件间距提前更换好周长与扣件间距相近的装配式加载车轮，实验时，将装配式加载车轮的扁平面放置在扣件正上方，一人沿前进方向扶好设备，按下启动开关，装置将按设定速度前进。在装配式加载车轮旋转前进的同时，车轮切面会与钢轨发生接触，从而使压柱撞击钢轨。装配式加载车轮每旋转一周，压柱撞击钢轨一次，从而实现脉冲激励的加载。振动加速度二合一传感器、声压传感器实时采集数据，并存储在控制器中；到达实验任务结束位置时，按下停止开关，导出控制器采集的数据，做后续分析。
[0059]
装配式加载车轮的切面前后楞处设置圆角，避免二次冲击干扰实验结果。利用二合一传感器采集撞击力信号和车轮的振动加速度信号，利用声压传感器采集噪声信号。
[0060]
装配式加载车轮在行进过程中自动完成激励的施加，控制行进速度不变的条件下，可保证每次的激振力大小一致，可解决人工敲击时力幅不均匀的问题。可通过调节加载机构的重量和行进速度，调整加载力的大小，且每次下落的最高点高度只与轮径大小和扁平面的设计高度有关，因此施加的激励力更加稳定，而且能保证加载机构的稳定性，可解决其他移动加载装置增大加载力引起稳定性下降的问题。
[0061]
设计时，使装配式加载车轮的周长与测试轨道的扣件间距相近，保证加载装配式加载车轮的初始位置在扣件正上方时，之后每次加载装配式加载车轮都在扣件的附近，使采集到的信息更能反应出扣件的状态，提高了准确性，可解决其他移动加载装置加载位置偏离扣件较远的问题。
[0062]
设备上安装显示屏，在现场测试时观察采集数据是否准确。采集的所有数据存储在本地控制器，完成现场测试后可进行数据导出。然后，对撞击力信号、振动加速度和声压信息进行分析，通过已有的数据分析程序，对轨道病害进行定量分析，得到轨道病害识别结果，其结果真实可靠。相比传统的依靠人工经验判的检测方法更加准确，且能在病害未表征出较为明显的状态时及时发现。
[0063]
从上述本发明的实施方式可以看出，上述轨道结构的脉冲激励加载机构的主要功能有三个：
[0064]
第一，能够提供稳定的脉冲激励，在不同的轨道结构上接触力基本一致，可作为标
准的激励源。
[0065]
第二，能同时测试力和加速度，从而计算轨道接触点处的动刚度。通过测试的力和加速度数据，分别对力及加速度数据进行快速傅里叶变换，得到激振力与加速度的频率响应，并根据下式计算出轨道接触点的动刚度，取一定长度内的每次冲击下的刚度结果的平均值作为该区段内的轨道结构动刚度；
[0066]
第三，通过采集标准激励作用下轨道结构的振动、噪声信号，根据振动、噪声的差异性来进行轨道病害的识别。
[0067][0068]
z
d
(ω)为动刚度矩阵，f(ω)为频域内冲击荷载向量，a(ω)为钢轨加速度频域响应向量，ω为频率。
[0069]
综上所述，本发明实施例的装置可以在保证加载力幅值及脉冲特性的前提下，通过调节加载机构的重量和行进速度，调整加载力的大小，且每次下落的最高点高度只与轮径大小和扁平面的设计高度有关，因此施加的激励力更加稳定，而且能保证加载机构的稳定性，保证检测小车运行更加平稳，可作为标准的脉冲激励源。上述应用方法能同时测试力和加速度，通过导纳计算出轨道接触点的动刚度。利用标准脉冲荷载的特性，在同一个激振源作用下结构响应不同时可识别轨道病害。本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0070]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0071]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。