CN101813666A - 无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，包括如下步骤：使轨枕产生振动信号；由拾振器将振动信号转换为电信号输入到计算机的多路A/D转换模块对振动信号进行转换，并将转换后的信号上传到计算机的数据处理模块；由计算机对振动信号进行运算处理：对振动信号采用模糊小波法滤波，消除噪声；对响应信号进行傅里叶变换，得到频谱和相位；计算健全度指标；查询轨枕健全度基础数据库，得到轨枕裂纹程度评价。本发明的积极效果是：无碴轨道轨枕裂纹的瞬时振动检测方法方便快捷、简便可靠，可以实现轨枕的快速检测，保证线路的安全；大大降低铁路线路施工人员劳动强度，提高自动化测量水平。

Description

无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，尤其是涉及一种无碴轨道健全度(包括轨枕裂纹等)的瞬时振动检测方法。

背景技术

传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成，钢轨固定放在枕木上，之下为小碎石铺成的路砟。路砟和枕木均起加大受力面、分散火车压力、帮助铁轨承重的作用，防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里。传统有碴轨道具有铺设简便、综合造价低廉的特点，但容易变形，维修频繁，维修费用较大，列车速度受到限制。无碴轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可以减少维护、降低粉尘、美化环境，而且列车时速可以达到200公里以上。

无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，轨枕是否存在裂纹等缺陷目前没有有效的检测方法。主要依靠施工人员的经验和组织管理来保证轨枕的质量，通常需要有很多人来完成质量的监控工作，消耗很多人力物力。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种无碴轨道轨枕裂纹的瞬时振动检测方法，通过瞬时振动法获得无碴轨道轨枕的固有频率，进而判断轨枕的裂纹的性质以及健全度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，包括如下步骤：

第一步，使轨枕产生振动信号；

第二步，由拾振器将振动信号转换为电信号输入到计算机的多路A/D转换模块对振动信号进行转换，并将转换后的信号上传到计算机的数据处理模块；

第三步，由计算机对振动信号进行运算处理：

(1)对振动信号采用模糊小波法滤波，消除噪声；

(2)对响应信号进行傅里叶变换，得到频谱和相位；

(3)计算健全度指标；

第四步，查询轨枕健全度基础数据库，得到轨枕裂纹程度评价。

所述使轨枕产生振动信号的方法是利用3-50公斤的重锤击打轨枕，使轨枕产生振动信号；所述使轨枕产生振动信号的方法是利用列车驶过监测路段的铁轨时，列车对轨道的瞬时冲击作用使轨枕产生振动信号。

在所述第三步，由计算机对振动信号进行运算处理时，在对振动信号采用模糊小波法滤波后，可对多组响应信号叠加，进一步消除随机因素的影响。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：无碴轨道轨枕裂纹的瞬时振动检测方法方便快捷、简便可靠，可以实现轨枕的快速检测，保证线路的安全；大大降低铁路线路施工人员劳动强度，提高自动化测量水平。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一种无碴轨道轨枕裂纹的瞬时振动检测方法，包括如下步骤：

第一步，使轨枕产生振动信号：

对于便携式轨枕裂纹检测系统，采用静态法获得振动信号。即利用3-50公斤的重锤击打轨枕，由于瞬间的冲击作用，轨枕将产生振动信号。

对于固定式轨枕裂纹监测系统，采用动态法获得振动信号。当列车通过监测路段的铁轨时，列车对轨道的瞬时冲击作用，轨枕将产生振动信号。

第二步，由拾振器将振动信号转换为电信号输入到计算机的PCM3718多路A/D转换模块对振动信号进行转换，并将转换后的信号通过数据采集的I/O端口上传到计算机的数据处理模块。

拾振器是将振动信号变为化学的、机械的或(最常用的)电学的信号，且所得信号的强度与所检测的振动量成比例的换能装置。按检测量的不同，可以分为加速度计、速度拾振器和位移拾振器等几种。按能量转化的原理来分，又有质量弹簧式、压电式、电动式、电磁式等许多种类。在振动测量中，目前最广泛应用的是压电式加速计，因为它具有测量频段宽、动态范围大、体积小、重量轻、结构简单、使用方便等诸多优点。另外，加速计与适当的电路网络配合，即可给出相应振动的速度和位移值。2000-1型拾振器主要用于土木工程中超低频振动和一般工程振动测量。拾振器上有一四档微型拨动开关，选择拨动开关不同档位即可改变拾振器的通频带、测量量程和分辨率。最低可测频率为0.1Hz，最大可测位移为80mm。

数据采集：数据采集子线程专门负责板卡的数据采集，通过操作专用的采集板卡PCM3718进行数据采集，并把数据存入固定的缓冲区内。缓冲区的大小至少能存放一次无缝捕获的数据，由数据处理子线程进行相应的处理，以保证实时性。PCM3718具有8路差分模拟量输入，8路数字信号输入/输出，采样频率可达100kHZ(在DMA模式下)，可采集模拟量信号以及输入输出数字量信号。

第三步，由计算机对振动信号进行运算处理：

(1)滤波：对振动信号采用模糊小波法滤波。

由于产生的振动信号含有不同频率的噪声，而且噪声的来源多，频带复杂，因此采用模糊小波消除噪声。

对于测得的振动信号序列X＝{x_t，t＝1，2，...n}，其中x_t是对应t时刻的数据值。利用如下Mallat塔式算法，

$c_{j,k}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{h}}_{n-2k}{c}_{j+1,n}$

$d_{j,k}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{g}}_{n-2k}{c}_{j+1,n}$

对振动信号X进行N层尺度分解，得到N组细节信号w_i(i＝1，2，…N)和一组平滑信号v_N。采用模糊软、硬阈值折衷法来消除噪声，其计算公式如下：

${\hat{w}}_i=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(w_i\right)\&CenterDot;\left(\right|w_i|-\mathrm{a\&lambda;})& \left|w_i\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}\\ 0& \left|w_i\right|<\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.,0\&le;a\&le;1$

式中为消除噪声后的细节信号，λ为阈值，其有模糊系统确定。

Mallat重构算法为：

对于平滑信号采用同样的方法得到消除噪声后的平滑信号然后对每组细节信号

和平滑

单独利用Mallat塔式算法重构到原尺度上，

$c_{j+1,k}=\underset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{k-2l}{c}_{j,l}+\underset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}{g}_{k-2l}{c}_{j,l}$

得到重构的细节信号

和平滑信号

则消除噪声后的振动信号X′可以表示为：

$X^{\&prime;}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\tilde{w}}_i+{\tilde{v}}_N$

(2)叠加：对多组响应信号叠加，进一步消除随机因素的影响。

每次测量三次振动信号，滤波后得到三组X′₁＝{x_t，t＝1，2，...n}，X′₂＝{x_t，t＝1，2，...n}，X′₃＝{x_t，t＝1，2，...n}。求出每组信号平均幅值，以此幅值的为位置对齐信号。然后将三组信号相加求平均，得到X″＝{x_t，t＝1，2，...n}为叠加后的信号。

(3)傅里叶变换：对响应信号进行傅里叶变换，得到频谱和相位。

利用快速傅里叶变换FFT，得到信号X″＝{x_t，t＝1，2，...n}的频谱和相位，相位差为90度或270度的幅值对应的频率即为轨枕的自振频率。

(4)计算健全度指标： $J=\frac{f_c}{f_n}$

其中f_c为固有频率计算值，f_n固有频率标准值。

第四步，查询轨枕健全度基础数据库，得到轨枕裂纹程度评价。

第五步，将所得出的结果通过触摸显示屏显示，存储在数据存储器中，通过USB、RS232、网络接口将上述结果传送给远程计算机和中央控制室。通过触摸显示屏修改仪器参数和查询显示历史数据。并有自检功能，能监测PCM3718多路A/D转换和数据采集及I/O模块、拾振压力器等设备的状态，并能及时报警。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，其特征是：包括如下步骤：

第一步，使轨枕产生振动信号；

第二步，由拾振器将振动信号转换为电信号输入到计算机的多路A/D转换模块对振动信号进行转换，并将转换后的信号上传到计算机的数据处理模块；

第三步，由计算机对振动信号进行运算处理：

(1)对振动信号采用模糊小波法滤波，消除噪声；

(2)对响应信号进行傅里叶变换，得到频谱和相位；

(3)计算健全度指标；

第四步，查询轨枕健全度基础数据库，得到轨枕裂纹程度评价。

2.根据权利要求1所述的无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，其特征是：所述使轨枕产生振动信号的方法是利用3-50公斤的重锤击打轨枕，使轨枕产生振动信号。

3.根据权利要求1所述的无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，其特征是：所述使轨枕产生振动信号的方法是利用列车驶过监测路段的铁轨时，列车对轨道的瞬时冲击作用使轨枕产生振动信号。

4.根据权利要求1所述的无碴轨道健全度的瞬时振动检测方法，其特征是：在所述第三步，由计算机对振动信号进行运算处理时，在对振动信号采用模糊小波法滤波后，可对多组响应信号叠加，进一步消除随机因素的影响。