利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的测试方法

摘要

本发明实施例提供了一种利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的测试方法。该方法主要包括：在测试区段的钢轨上设置测点，在测点上布置加速度传感器和位移传感器，在测点旁布置数据采集仪；当列车经过钢轨时，采集和记录测点处的钢轨振动加速度及钢轨振动位移数据；根据采集的数据计算三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值，根据所述三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值和轨枕间距计算钢轨振动衰减率。本发明实施例提供的方法操作简单，不需要对钢轨进行多点锤击测试，可一次完成多段钢轨的振动衰减率测试，测试所需的工作量少，测试时间短，测试效率高，测试结果可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及钢轨振动测试技术领域，尤其涉及一种利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的测试方法。

背景技术

钢轨振动衰减率DR(Decay Rate)是指振动沿钢轨纵向传递的变化率。钢轨振动衰减率以dB/m为单位，在三分之一倍频程上描述振动在钢轨中的衰减特性。钢轨振动衰减率是轨道本身的固有动力特性，是用于评估轨道阻尼大小以及列车运行引起的轮轨噪声大小的基本参数。

目前，钢轨振动衰减率测试及数据处理通常按照下面的欧洲规范进行：BS EN 15461:2008+A1:2010“Railway applications—Noise emission—Characterization of the dynamic Properties of track selections for pass by noise measurements.”。根据规范BS EN 15461:2008+A1:2010，采用锤击法测试钢轨振动衰减率。具体地，在钢轨上设置测点和大量的锤击点，同时布置振动加速度传感器和数据采集仪，如图1所示。图1中，除了c点为测点，其余箭头所指示的点全部为锤击点。具体测试时，采用力锤对每个锤击点进行锤击，数据采集仪采集并记录每次锤击的锤击力和测点处的振动加速度数据，根据锤击力和振动加速度数据计算每次锤击时测点处的三分之一倍频程频响函数，根据该函数以及各个锤击点到测点的距离计算钢轨振动衰减率。

然而，上述通过锤击法测试钢轨振动衰减率的方法存在以下问题：

(1)测试复杂，测试所需时间较长。因为锤击点较多，而每个锤击点的位置都需要精确标定，所以锤击之前的准备工作耗时较长；锤击点位置标定完毕后，需要对每个锤击点进行锤击激励，每个锤击点至少需要激励5-10次，所以总的锤击时间也较长。此外，在测试期间，不能进行列车运营，尤其是地铁列车，需要在地铁停运的天窗时间(一般为凌晨1点至4点)内进行测试，客观上限制了测试时间，故钢轨振动衰减率的测试时间紧张，有时甚至无法保证测试的效果。

(2)锤击激励时，钢轨背景振动对振动加速度传感器采集的锤击振动干扰较大。因为钢轨振动衰减率要求的采样频率很高，通常会在10000Hz以上，这就要求测试所用的激励力锤必须质量小且精度高，而这样的力锤激励出的振动响应幅值较小，所以钢轨本身的背景振动对锤击激励出的振动会有较大的干扰，这就导致较多锤击激励出的振动数据无法使用，这造成了钢轨振动衰减率测试很难一次成功，经常要重复测试多次，才能得到较为满意的结果。

(3)通常情况下，一段钢轨需要选择多个测试区段，分别测试每个区段的钢轨振动衰减率，多次测试的结果可以互相验证，也可以求多次结果的平均值，避免测试结果的离散化。但是，测试每个区段的钢轨振动衰减率时都需要布置测点、标定锤击点、对每个锤击点进行锤击测试，所以工作量非常大，需要耗费大量的人力、物力，通常无法一次完成多段钢轨的振动衰减率测试。

发明内容

本发明的实施例提供了一种利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的测试方法，可有效地测量钢轨振动衰减率。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的测试方法，包括：

在测试区段的钢轨上设置测点，在所述测点上布置加速度传感器和位移传感器，在所述测点旁布置数据采集仪，其中，所述数据采集仪连接所述加速度传感器和位移传感器；

在所述数据采集仪操作系统上设置触发加速度，当行进在钢轨上的列车引起的钢轨振动加速度大于或等于所述触发加速度时，所述数据采集仪开始采集和记录测点处的钢轨振动加速度及钢轨振动位移数据，其中，所述数据采集仪开始采集和记录的时刻记为t₀；

根据所述钢轨振动位移数据确定列车第一个轮对到达所述测点的时刻t₁并计算列车速度；

把从t₀时刻到t₁时刻的钢轨振动加速度时程分割成若干个时程段，每个时程段的长度均为Δt；

计算每个时程段Δt的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值，根据所述三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值和轨枕间距计算钢轨振动衰减率。

进一步地，所述的在测试区段的钢轨上设置测点，在所述测点上布置加速度传感器和位移传感器，包括：

在列车停运期间，在列车匀速运行区段的钢轨上设置一个或多个测点，其中，所述测点位于两个轨枕之间；

在每个测点上布置两个加速度传感器和一个位移传感器，

其中，

一个加速度传感器布置在轨脚底板上，为竖直方向的加速度传感器，用于测试列车通过时钢轨的竖直方向振动加速度；

另外一个加速度传感器布置在轨腰，为水平方向的加速度传感器，用于测试列车通过时钢轨的水平方向振动加速度；

所述位移传感器布置于轨脚一侧，为竖直方向的位移传感器，用于测试列车通过时钢轨的竖向振动位移。

进一步地，所述的在所述数据采集仪操作系统上设置触发加速度，当行进在钢轨上的列车引起的钢轨振动加速度大于或等于所述触发加速度时，所述数据采集仪开始采集和记录测点处的钢轨振动加速度及钢轨振动位移数据，包括：

在数据采集仪上设置触发加速度，所述触发加速度大于钢轨背景振动加速度幅值；

当钢轨振动加速度大于或等于所述触发加速度时，所述数据采集仪开始采集记录测点处的钢轨振动加速度和钢轨振动位移数据；

当钢轨振动加速度小于所述触发加速度时，所述数据采集仪停止采集记录测点处的钢轨振动加速度和钢轨振动位移数据。

进一步地，所述的根据所述钢轨振动位移数据确定列车第一个轮对到达所述测点的时刻t₁并计算列车速度，包括：

通过所述位移传感器和数据采集仪得到列车通过时测点处的钢轨竖向振动位移；

根据钢轨竖向振动位移的峰值确定列车的第一个轮对到达所述测点的时刻t₁以及列车的第二个转向架前轮对到达测点的时刻t₂；

设列车一节车厢的两个转向架前轮对之间的距离为L₁，则列车速度v的计算公式如下：

v＝L₁/(t₂-t₁)。

进一步地，所述的把从t₀时刻到t₁时刻的钢轨振动加速度时程分割成若干个时程段，每个时程段的长度均为Δt，包括：

根据轨枕间距d_s和列车速度v按照下式计算列车通过一个轨枕间距的时间Δt：

Δt＝d_s/v

把从t₀时刻到t₁时刻的钢轨振动加速度时程分割成若干个时程段，每个时程段的长度均为Δt，其中，所述若干个时程段的数量m的计算公式如下：

其中，若m是整数，则保留m不变；若m是小数，则对m做取整处理，保留m的整数部分，舍弃小数部分。

进一步地，所述的计算每个时程段Δt的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值，根据所述三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值和轨枕间距计算钢轨振动衰减率，包括：

对于m个时程段，从t₁时刻开始向前到t₀时刻，分别计算每个时程段Δt的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值，其中，第一个时程段的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值记为A_rms(0)，其余时程段的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值记为A_rms(n)，n＝1～(m-1)；

根据如下公式计算钢轨振动衰减率DR：

进一步地，所述的方法还包括：

当有多趟列车通过时，在同一个测点上，分别计算每趟列车通过时的钢轨振动衰减率；

计算所述多趟列车对应的钢轨振动衰减率的平均值；

将所述平均值作为该测点对应的最终的钢轨振动衰减率。

进一步地，所述的方法还包括：

当所述测试区段内有一种轨道形式时，在所述轨道形式的钢轨上设置多个测点；

分别计算每个测点对应的钢轨振动衰减率；

计算所述多个测点对应的钢轨振动衰减率的平均值；

将所述平均值作为所述轨道形式最终的钢轨振动衰减率。

进一步地，所述的方法还包括：

当所述测试区段内有多种轨道形式时，在每种轨道形式的钢轨上设置一个或多个测点；

通过设置的测点分别计算每种轨道形式的钢轨振动衰减率。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过在测试区段的钢轨上设置测点，在每个测点上布置加速度传感器和位移传感器，在测点旁布置数据采集仪，根据数据采集仪采集和记录的列车通过时测点处的钢轨振动加速度及钢轨振动位移数据计算出钢轨振动衰减率，可以有效地利用运行列车作为激励测试出钢轨振动衰减率。相比于传统的锤击测试方法，本发明实施例提出的方法操作简单，不需要对钢轨进行多点锤击测试，可一次完成多段钢轨的振动衰减率测试，测试所需的工作量少，测试时间短，测试效率高，测试结果可靠性高。

附图说明

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。

图1为采用锤击法测试钢轨振动衰减率时测点及锤击点的布置示意图；

图2为本发明实施例提出的一种利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的测试方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种在钢轨上布置的振动加速度传感器和位移传感器的位置示意图；

图4为本发明实施例提供的现场实测的列车通过时钢轨竖向振动位移时程示意图；

图5为本发明实施例提供的现场实测的列车通过时钢轨竖向振动加速度时程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的现场测试流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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。

本技术领域普通技术人员可以理解，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。

本技术领域普通技术人员可以理解，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。

为便于理解本发明的实施例，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步地解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

图2为本发明实施例提出的一种利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的测试方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤。

步骤S210，在测试区段的钢轨上设置测点，在所述测点上布置加速度传感器和位移传感器，在所述测点旁布置数据采集仪，其中，所述数据采集仪连接所述加速度传感器和位移传感器。

步骤S220，在所述数据采集仪操作系统上设置触发加速度，当行进在钢轨上的列车引起的钢轨振动加速度大于或等于所述触发加速度时，所述数据采集仪开始采集和记录测点处的钢轨振动加速度及钢轨振动位移数据，其中，所述数据采集仪开始采集和记录的时刻记为t₀。

步骤S230，根据所述钢轨振动位移数据确定列车第一个轮对到达所述测点的时刻t₁并计算列车速度。

步骤S240，把从t₀时刻到t₁时刻的钢轨振动加速度时程分割成若干个时程段，每个时程段的长度均为Δt。

步骤S250，计算每个时程段Δt的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值，根据所述三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值和轨枕间距计算钢轨振动衰减率。

本发明实施例提出的利用运行列车作为激励进行钢轨振动衰减率测试的方法的测试条件如下所示：

1、测点布置在列车匀速运行区段；

2、在列车停运期间进行钢轨上的传感器安装和拆除；

3、在列车运行期间进行钢轨振动数据采集。

根据本发明实施例，钢轨上的测点可按照下述方法进行布置。

在列车停运期间，在列车匀速运行区段的钢轨上设置测点，具体地可布置一个或多个测点，且测点位于两个轨枕之间。当布置多个测点时，可以获得多组数据，从而减小测试结果的离散性，提高测试结果的准确性和可靠性。

在每个测点上布置两个加速度传感器和一个位移传感器，如图3所示。图3示出的是测点处的钢轨横剖面，在图3中，1为加速度传感器，2为位移传感器。其中，一个加速度传感器布置在轨脚底板上，为竖直方向的加速度传感器，可以测试列车通过时钢轨的竖直方向振动加速度；另外一个加速度传感器布置在轨腰，为水平方向的加速度传感器，可以测试列车通过时钢轨的水平方向振动加速度。位移传感器布置于轨脚一侧，为竖直方向的位移传感器，可以测试列车通过时钢轨的竖向振动位移。在本发明实施例中，因为测点位于两个轨枕之间的钢轨上，所以上述加速度传感器和位移传感器也都布置在两个轨枕之间的钢轨上。

在每个测点旁均布置一个数据采集仪，该数据采集仪和它旁边对应测点上的加速度传感器、位移传感器连接。该数据采集仪的通道数量大于其连接的加速度传感器和位移传感器的数量。数据采集仪与加速度传感器协同工作来采集和记录测点处的钢轨的振动加速度数据，数据采集仪与位移传感器协同工作来采集和记录测点处的钢轨的振动位移数据。

本发明实施例提出的利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率测试方法的测试原理如下所述。

根据钢轨振动衰减率的定义，钢轨在受到某种外部激励时，振动从激励点开始沿着钢轨传播并衰减。本发明实施例利用运行列车作为外部激励，测试在此种激励下钢轨上的振动沿着钢轨传播时钢轨上不同点的加速度值，并依此计算钢轨振动衰减率。

图3中的位移传感器可现场实测列车通过时测点处的钢轨的竖向振动位移数据。下面以图4所示的现场实测的钢轨竖向振动位移时程示意图为例进行说明。图4中包括测点1对应的钢轨竖向振动位移时程曲线1以及测点2对应的钢轨竖向振动位移时程曲线2。从图4中可以得到列车每个转向架轮对经过测点的时刻。具体地，可根据钢轨竖向振动位移的峰值确定列车的每个转向架的轮对到达测点的时刻。设列车第一个转向架前轮对(即列车第一节车厢的第一个轮对，以下简称为列车第一个轮对)到达测点的时刻为t₁，第二个转向架前轮对到达测点的时刻为t₂，在t₁、t₂时刻，钢轨竖向振动位移达到峰值，t₁、t₂可以在数据采集仪操作系统上读出，其精度可以达到微秒。而列车一节车厢的两个转向架前轮对之间的距离(记为L₁)是已知的，所以可以根据测得的钢轨竖向振动位移时程按照下式计算出列车的运行速度v：

v＝L₁/(t₂-t₁)(1)

根据本发明实施例，在测点处布置两个加速度传感器时，在数据采集仪的操作系统上设置一个参数，此参数可称为触发加速度，且该触发加速度的值大于钢轨背景振动加速度幅值，其中，该背景振动加速度为没有任何列车通过情况下钢轨的振动加速度。触发加速度用来触发数据采集仪，即当钢轨的振动加速度大于或等于触发加速度时，数据采集仪开始采集和记录测点处的钢轨振动数据，其中，钢轨振动数据包括钢轨的振动加速度和钢轨的振动位移数据。当钢轨的振动加速度小于触发加速度时，数据采集仪停止采集记录测点处的钢轨振动数据。

根据本发明实施例，当列车从远处驶来，距离测点一段距离时，测点处的钢轨振动加速度大于或等于触发加速度，这时数据采集仪开始采集和记录测点处的钢轨振动加速度和钢轨振动位移数据。数据采集仪开始采集和记录钢轨振动数据的时刻称为触发时刻，记为t₀。t₀可以在数据采集仪操作系统上读出，其精度可以达到微秒。此后，随着列车行进，列车距测点的距离越来越小，测点处的钢轨振动加速度和钢轨振动位移幅值会越来越大。当列车第一个轮对到达测点时，测点处的钢轨振动加速度和振动位移幅值均达到峰值。图5为现场实测的典型的钢轨竖向振动加速度时程示意图。从图5可以看到列车第一个轮对到达测点时的钢轨振动加速度峰值。

然后，根据轨枕间距(记为d_s)和列车速度v，按照下式计算出列车通过一个轨枕间距的时间Δt：

Δt＝d_s/v(2)

接下来，把从t₀时刻到t₁时刻的钢轨振动加速度时程分割成若干个时程段，每个时程段的长度均为Δt。设时程段的数量为m，其计算公式如下：

若m是整数，则保留m不变；若m是小数，则对m做取整处理，即只保留m的整数部分，舍弃小数部分，例如，如果m＝33.1，则对m取整后为33；如果m＝45.9，则对m取整后为45。

接下来，计算每个时程段的三分之一倍频程钢轨振动加速度频响函数。具体地，对于m个时程段，其计算顺序为从t₁时刻开始向前计算到t₀时刻。第一个时程段的三分之一倍频程钢轨振动加速度频响函数记为A(0)，其余时程段的三分之一倍频程钢轨振动加速度频响函数记为A(n)(n＝1～(m-1))。根据本发明实施例，上述三分之一倍频程钢轨振动加速度频响函数的定义为频域内在任意一点的单位激励力作用下测点处的钢轨振动加速度在三分之一倍频程中的有效值。由于频响函数A(0)和A(n)的激励力相同，即A(0)和A(n)都以同一运行列车为激励，所以可以略去激励力，用三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值代替三分之一倍频程钢轨振动加速度频响函数即可，具体地，对于m个时程段，从t₁时刻开始向前到t₀时刻，分别计算每个时程段Δt的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值，其中，第一个时程段的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值记为A_rms(0)，其余时程段的三分之一倍频程钢轨振动加速度有效值记为A_rms(n)(n＝1～(m-1))。

根据本发明实施例，可按照如下公式计算钢轨振动衰减率DR：

另外，根据本发明实施例，在设置多个测点的情况下，各个测点之间是相互独立的，每个测点分别连接一台数据采集仪。通过一个测点就可以测得一个钢轨振动衰减率，通过多个测点可以同时测出多个钢轨振动衰减率。

根据本发明实施例，对于一个具体的测点而言，可以测试多趟列车通过时钢轨的振动加速度和振动位移，所以可以计算出多个钢轨振动衰减率，这些钢轨振动衰减率的平均值可作为此测点对应的最终的钢轨振动衰减率，这样就大大提高了测试的可靠性。具体地，当有多趟列车通过时，在同一个测点上，分别计算每趟列车通过时的钢轨振动衰减率；然后计算所述多趟列车对应的钢轨振动衰减率的平均值，将所述平均值作为最终的钢轨振动衰减率。具体的钢轨振动衰减率的测试和计算方法如前所述，在此不再赘述。

根据本发明实施例，如果在一个轨道测试区段上布置多个测点(设此区段只有一种轨道形式)，则当列车通过，就可以同时测出多个测点对应的钢轨振动衰减率，该轨道形式最终的钢轨振动衰减率是多个测点对应的钢轨振动衰减率的平均值，这样就大大提高了测试效率和测试的可靠性。具体地，当测试区段内有一种轨道形式时，在所述轨道形式的钢轨上设置多个测点；分别计算每个测点对应的钢轨振动衰减率；计算所述多个测点对应的钢轨振动衰减率的平均值；将所述平均值作为所述轨道形式最终的钢轨振动衰减率。具体的钢轨振动衰减率的测试和计算方法如前所述，在此不再赘述。

根据本发明实施例，如果一个测试区段内有多种轨道形式，则本发明实施例提出的方法可以同时测得该多种轨道形式的钢轨振动衰减率。具体地，当测试区段内有多种轨道形式时，在每种轨道形式的钢轨上设置一个或多个测点；通过设置的测点分别计算每种轨道形式的钢轨振动衰减率。具体的每种轨道形式的钢轨振动衰减率的测试和计算方法如前所述，在此不再赘述。

图6为本发明实施例提供的一种利用运行列车为激励的钢轨振动衰减率的现场测试流程图。如图6所示，该流程包括如下的处理步骤。

步骤601，选择列车匀速运行的测试区段。

步骤602，在测试区段内的钢轨上设置一个或多个测点。

步骤603，在列车停运期间，在各个测点上布置加速度传感器和位移传感器，上述传感器与数据采集仪连接，在数据采集仪操作系统上设置触发加速度。

步骤604，在列车通过时段进行数据采集。

步骤605，列车停运后，拆除钢轨上的加速度传感器和位移传感器。

步骤606，进行数据处理，计算钢轨振动衰减率。

综上所述，本发明实施例通过在测试区段的钢轨上设置测点，在每个测点上布置加速度传感器和位移传感器，在测点旁布置数据采集仪，根据数据采集仪采集和记录的列车通过时测点处的钢轨振动加速度及钢轨振动位移数据计算出钢轨振动衰减率，可以有效地利用运行列车作为激励测试出钢轨振动衰减率。相比于传统的锤击测试方法，本发明实施例提出的方法操作简单，不需要对钢轨进行多点锤击测试，可一次完成多段钢轨的振动衰减率测试，测试所需的工作量少，测试时间短，测试效率高，测试结果可靠性高。

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。

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。

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。