基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法

本发明属于铁路线路服役状态监测和运营维护，具体涉及基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法。

背景技术：

1、作为有砟轨道结构的重要组成部分，轨枕不仅承受着由轮轨动态接触产生的剧烈相互作用，还要将动态作用力均匀地传递给道床，同时也要有效保持钢轨的轨距、方向和位置。然而，重载列车剧烈循环载荷的长期作用下，轨道结构不可避免地会出现道床粉碎、路基沉降等问题，导致轨枕支撑失效。同时，轨枕支承失效会进一步加剧轮轨相互作用，降低车辆和轨道结构的使用寿命，甚至威胁行车安全。因此，有必要对轨枕的支撑状态进行准确检测，以便有效指导轨道维护，保障重载铁路安全稳定运营。

2、现有的轨枕支撑状态检测方法主要包括人工上道检测(即静态检测)和轨道检测车。前者简单易行但主观性强、效率低且存在安全隐患，后者可以实现动态检测，但检测周期相对固定，且轨道检测车与实际运营车辆存在明显差异，难以反映真实运营环境下的轨枕支撑状态。由于运营车辆振动响应传感器(车体加速度传感器)便于安装和维护，且不干涉铁路正常运营秩序，近些年基于运营车辆振动响应的轨道状态检测技术逐渐受到广泛关注。然而，由于轨枕支撑状态与重载车辆振动信号之间的关联关系尚未明晰，且车轮多边形、轨道不平顺等激扰引起的车辆振动响应成分可能会淹没轨枕支撑状态特征，目前仍缺乏行之有效的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法。

技术实现思路

1、为克服上述存在之不足，提出了基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，本发明以理论轨枕激励频率为初始参数，驱动变分模式分解方法提取车体垂向加速度，可成功分离出其中的轨枕激励分量，再利用激励分量计算轨枕支撑状态指数ss，基于轨枕激励分量设计轨枕支撑状态评价指数和规则，可实现重载铁路轨枕支撑状态的分级评价，具有准确高效，稳定可靠等特点。为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法。其步骤包括：

2、s1，在设定的采样频率下采集车体的车体垂向加速度信号；

3、s2，利用变分模式分解方法从车体垂向加速度信号中提取轨枕激励分量；

4、s3，计算轨枕支撑状态指数ssi，据此评价轨枕支撑状态，实现支撑失效程度的分级评定与位置的精准识别；

5、s3.1，利用希尔伯特变换计算轨枕激励分量的包络信号；

6、s3.2，利用轨枕间距和采样频率确定滑窗长度；

7、s3.3，根据滑窗长度截取轨枕激励分量的包络信号，计算轨枕支撑状态指数ssi。

8、根据本发明所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其进一步的优选技术方案是：步骤s1中，车体垂向加速度信号是利用安装于重载货车2位轮对中心正上方的车体加速度传感器获得。

9、根据本发明所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其进一步的优选技术方案是：步骤s1中，车体加速度的采样频率取200hz～300hz。

10、根据本发明所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其进一步的优选技术方案是：步骤s2具体步骤为：

11、s2.1，根据车辆运行速度和轨枕间距获得理论轨枕激励频率fse：

12、

13、其中，ν为车辆运行速度，单位为km/h；l为轨枕间距，单位为m，需根据实际线路进行设置；

14、s2.2，利用fse为初始中心频率驱动变分模式分解方法，从车体垂向加速

15、度信号中提取轨枕激励分量m(t)：

16、m(t)＝vmd[s(t),fse]

17、其中，s(t)表示测得的车体加速度，vmd[·]表示变分模式分解方法。

18、根据本发明所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其进一步的优选技术方案是：步骤s3具体步骤为：

19、s3.1，利用希尔伯特变换计算轨枕激励分量的包络信号a(t)：

20、a(t)＝|h[m(t)]|

21、其中，h[·]表示希尔伯特变换，|·|表示绝对值运算；

22、s3.2，根据轨枕间距l和采样频率fs确定滑窗长度ls：

23、

24、s3.3，根据窗长ls截取轨枕激励分量的包络信号，计算轨枕支撑状态指数ssi：

25、

26、其中，ssi本质上是轨枕激励分量的倒数；n表示长度为ls的滑窗截取的数据数量；ai(t)表示其中第i个包络值；μ为常数系数，取10-4；

27、s3.4，通过轨枕支撑状态评价规则分级评定轨枕支撑状态，并精准识别轨枕支撑失效程度与位置。

28、根据本发明所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其进一步的优选技术方案是：步骤s2.2中，变分模式分解方法作为最优带通滤波器，只提取1个轨枕激励分量。

29、根据本发明所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其进一步的优选技术方案是：步骤s3.4中，中轨枕支撑状态评价

30、规则如轨枕支撑状态等级评价规则如下表所示：

31、

32、相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

33、1、本发明以车体垂向加速度为监测信号，可利用一系、二系悬挂系统有效消除车轮多边形、轨道短波不平顺等激扰引起的高频干扰成分，进而使得结果更加准确。

34、2、本发明以理论轨枕激励频率为初始参数，驱动变分模式分解方法提取车体垂向加速度中的轨枕激励分量，再利用激励分量计算轨枕支撑状态指数ssi，最终构建基于轨枕激励分量的轨枕支撑状态评价规则，可实现重载铁路轨枕支撑状态的分级评价，具有准确高效，稳定可靠等特点。

技术特征：

1.基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其特征在于，其步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其特征在于，步骤s1中，车体垂向加速度信号是利用安装于重载货车2位轮对中心正上方的车体加速度传感器获得。

3.根据权利要求1所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其特征在于，步骤s1中，车体加速度的采样频率取200hz～300hz。

4.根据权利要求1所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其特征在于，步骤s2具体步骤为：

5.根据权利要求4所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其特征在于，步骤s3具体步骤为：

6.根据权利要求4所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其特征在于，步骤s2.2中，变分模式分解方法作为最优带通滤波器，只提取1个轨枕激励分量。

7.根据权利要求4所述的基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，其特征在于，步骤s3.4中，轨枕支撑状态等级评价规则如下表所示：

技术总结
本发明公开了一种基于变分模式分解的重载铁路轨枕支撑状态车载检测方法，操作步骤为在设定的采样频率下采集车体垂向加速度信号，然后以理论轨枕激励频率为初始参数，驱动变分模式分解方法提取车体垂向加速度中的轨枕激励分量，再利用激励分量计算轨枕支撑状态指数SSI，最终构建基于轨枕激励分量的轨枕支撑状态评价规则，可实现重载铁路轨枕支撑状态的分级评价，具有准确高效，稳定可靠等特点。

技术研发人员：陈是扦,王红兵,王开云,翟婉明,戴雨龙
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/10