無縫線路長鋼軌道線路穩(wěn)定性分析判定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了無縫線路長鋼軌道線路穩(wěn)定性分析判定方法，該分析判定方法分為整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性、綜合穩(wěn)定性；整體穩(wěn)定性是對(duì)無縫線路的溫度壓力與軌道橫向位移的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)定線路的最大允許溫度應(yīng)力，建立無縫線路整體穩(wěn)定性能量計(jì)算公式。局部穩(wěn)定性是利用離散短時(shí)傅里葉變換方法，確定線路局部穩(wěn)定性的評(píng)估條件；綜合穩(wěn)定性中是利用積分求和的思想將無縫線路鋼軌分段，利用每一段中離散短時(shí)傅里葉變換得到局部穩(wěn)定性評(píng)估條件的最大值，得到無縫線路應(yīng)力波動(dòng)的整體標(biāo)準(zhǔn)偏差。本發(fā)明采用自動(dòng)控制技術(shù)切換金屬磁記憶和磁巴克豪森噪聲工作系統(tǒng)，形成了在線、快速、無損的檢測(cè)長鋼軌溫度應(yīng)力方法。
【專利說明】
無縫線路長鋼軌道線路穩(wěn)定性分析判定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于高速鐵路無縫線路軌道穩(wěn)定性的檢測(cè)和評(píng)估領(lǐng)域，設(shè)及到在線檢測(cè)無 縫線路鋼軌溫度應(yīng)力的檢測(cè)技術(shù)、方法。W及無縫線路長鋼軌道整體、局部和綜合穩(wěn)定性檢 測(cè)技術(shù)，檢測(cè)方案、方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 將數(shù)十根25米長的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌焊接在一起變成無縫線路是實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)營的趨 勢(shì)。隨著鐵路年運(yùn)載量的增加，全國鐵路主要干線已經(jīng)鋪設(shè)60kg/m的重型鋼軌，作為一種新 型的軌道結(jié)構(gòu)，W增大鋼軌橫向剛度，增強(qiáng)抗彎能力，提高線路的穩(wěn)定性。但是由于扣件阻 力和道床阻力作用，相當(dāng)于無數(shù)雙巨手將鋼軌固定，結(jié)構(gòu)上限制了鋼軌的伸縮，當(dāng)溫度變化 較大時(shí)無縫線路鋼軌只能在兩端約100米內(nèi)（向兩軌縫隙處)發(fā)生熱脹冷縮，中間部分不隨 軌溫變化稱之為"固定區(qū)"。于是鋼軌內(nèi)儲(chǔ)存了由于鋼軌溫度變化引起巨大的縱向溫度應(yīng) 力，利用簡單的力學(xué)公式得出軌溫每變化rC，固定區(qū)內(nèi)鋼軌變化25kg/cm2的力，60kg/m鋼 軌的橫截面積為77.45cm2,鋼軌溫度每變化一度，每根鋼軌要承受1936kg的力，若炎熱夏季 軌溫變化為50°C (最高軌溫Tmax通常高于氣溫20°C )，則每根鋼軌將承受近97000kg的力，當(dāng) 氣溫升高到一定限度時(shí)，線路受不了它的巨大壓力，就會(huì)在某一較短的長度內(nèi)發(fā)生縱向和 橫向位移，W釋放鋼軌內(nèi)的能量，于是整個(gè)線路扭曲變形，即"脹軌跑道"。
[0003] 長期W來我國和世界許多有無縫線路國家的鐵路部口現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定無縫線路鋼軌縱 向溫度應(yīng)力主要采用①觀測(cè)粧法，②溫度補(bǔ)償銅尺法，③普通鋼尺法。在線檢測(cè)準(zhǔn)確度極 低，但是迄今還沒有更好的方法取代鐵路傳統(tǒng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、肉眼觀測(cè)的方法。近十年來，人們 幾乎采用了一切可能的方法，用W檢測(cè)鋼軌縱向溫度應(yīng)力，經(jīng)歸納有:X射線法，超聲波法和 應(yīng)變片法。X射線法檢測(cè)是通過金屬晶格形變檢測(cè)應(yīng)力，受電磁趨膚效應(yīng)影響，檢測(cè)深度僅 達(dá)數(shù)Mi，設(shè)備復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)工程檢測(cè)不方便;超聲波法是通過測(cè)量超聲波在鐵磁材料中力學(xué)性 能相異方向上傳播速度差異來測(cè)定應(yīng)力，因?yàn)槌暡ǘU合的因素，嚴(yán)重影響檢測(cè)精度;應(yīng)變 片法是依靠貼在鋼軌腰部中軸應(yīng)變片內(nèi)部的電阻絲柵隨鋼軌發(fā)生彈性形變來檢測(cè)應(yīng)力，若 無縫線路固定區(qū)內(nèi)鋼軌固定不產(chǎn)生形變，則無法檢測(cè)內(nèi)部溫度應(yīng)力。
[0004] 本發(fā)明歸納現(xiàn)有的金屬磁記憶(metal magnetic memory,簡記MMM)和磁己克豪森 噪聲(MagnetiC Bar化ausen Noise簡記MBN)兩種磁法檢測(cè)技術(shù)，MMM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：不需要 對(duì)受檢對(duì)象表面作任何清理;不需要人工磁化;是唯一能W Imm位移精度，W 150m/分鐘速度 測(cè)定構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)域和分布的方法。缺點(diǎn)是：只能檢測(cè)構(gòu)件應(yīng)力的集中區(qū)域、分布和集中 程度，缺乏對(duì)應(yīng)力大小、破壞程度的判斷。MBN技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:可W對(duì)同材質(zhì)，同工藝經(jīng)表面 處理的鐵磁構(gòu)件進(jìn)行定點(diǎn)、定量和瞬間檢測(cè)。缺點(diǎn)是:采用主動(dòng)交流磁化，傳感器需要貼在 構(gòu)件的表面，對(duì)構(gòu)件表面的粗糖度有一定要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述工程問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為無縫線路長鋼軌道線路穩(wěn)定性分 析判定方法，將MBN、MMM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，缺點(diǎn)互働，采用快速全線覆蓋的融合檢測(cè)方式，首先 采用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)快速檢測(cè)鋼軌線路的溫度應(yīng)力集中變化區(qū)域，然后根據(jù)區(qū)域內(nèi)應(yīng) 力變化的程度采用磁己克豪森噪聲技術(shù)逐點(diǎn)檢測(cè)溫度應(yīng)力變化的大小，提高了應(yīng)力檢測(cè)的 精度和在線檢測(cè)的速度。最終根據(jù)線路設(shè)計(jì)承受載荷載的能力，確定無縫線路軌道的穩(wěn)定 性。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為無縫線路長鋼軌道線路穩(wěn)定性分析判 定方法，該分析判定方法分為整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性、綜合穩(wěn)定性，其中，整體穩(wěn)定性中， W對(duì)無縫線路的溫度壓力與軌道橫向位移的關(guān)系進(jìn)行分析，并給予最大允許溫度應(yīng)力，建 立無縫線路整體穩(wěn)定性能量計(jì)算公式。局部穩(wěn)定性中，利用離散短時(shí)傅里葉變換方法，根據(jù) 無縫線路穩(wěn)定性的波動(dòng)理論，確定線路局部穩(wěn)定性的評(píng)估條件。綜合穩(wěn)定性中，對(duì)整條線路 綜合的穩(wěn)定性評(píng)估，利用積分求和的思想將無縫線路鋼軌分段，利用每一段中離散短時(shí)傅 里葉變換得到的局部穩(wěn)定性的評(píng)估條件的最大值，得到無縫線路中應(yīng)力波動(dòng)的整體標(biāo)準(zhǔn)偏 差，由無縫線路中應(yīng)力波動(dòng)的整體標(biāo)準(zhǔn)偏差線路進(jìn)行最終判定。
[0007] (1)整體穩(wěn)定性
[0008] 對(duì)于無縫線路，當(dāng)鋼軌溫度升高時(shí)將在固定區(qū)產(chǎn)生溫度壓力，溫度壓力與軌道橫 向位移的關(guān)系如圖1所示，該關(guān)系曲線共分為〇A、AB、服、KS、SK'段，上述各段依次連接組成 光滑曲線。
[0009] 圖1中橫坐標(biāo)表示軌道橫向位移，縱坐標(biāo)表示溫度壓力，OA段為鋼軌的原始彎曲矢 度fo,在AB段中，鋼軌溫度上升，溫度壓力增加，軌道不發(fā)生橫向位移，溫度壓力W能量的形 式儲(chǔ)存在鋼軌中，稱為持穩(wěn)階段;在BK段中，鋼軌隨溫度的升高而發(fā)生微小橫向位移，軌道 的彎曲矢度進(jìn)一步擴(kuò)大，當(dāng)鋼軌溫度達(dá)到A Tk時(shí)，溫度壓力上升至Pk,此時(shí)軌道有可能產(chǎn)生 突發(fā)性膨曲，稱為脹軌階段，相應(yīng)的溫度壓力Pk稱為臨界壓力;在KK'段中，鋼軌溫度超過A Tk并進(jìn)一步上升，軌道橫向位移將突然增加，稱為跑道階段，此過程中溫度壓力P引起軌道 變形而做功，鋼軌中累積的溫度壓力減小，即圖中KS段，直至達(dá)到新的穩(wěn)定位置S處，相對(duì)應(yīng) 的溫度壓力為Ps。當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，已變形的鋼軌中累積溫度壓力仍會(huì)增加，即圖中SK' 段。
[0010] 為保證線路不因鋼軌溫度的變化而產(chǎn)生過大的彈性形變，需對(duì)鋼軌溫度壓力的允 許值進(jìn)行控制，根據(jù)中國鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，取2mm作為橫向位移量的最大允許值，對(duì)應(yīng)的鋼軌 溫度壓力用Pn表示，則最大允許溫度應(yīng)力值[門為：
[0011]
[0012] 式中：G為安全系數(shù)，取1.2-1.5,在溫差較大的地區(qū)需選取較大的安全系數(shù)，在溫 差較小的地區(qū)可選取較小的安全系數(shù)。
[0013] W無縫線路長度為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)力值為縱坐標(biāo)，建立無縫線路水巧穩(wěn)定 性模型如圖2所示。水巧模型的腰部對(duì)應(yīng)了無縫線路的伸縮區(qū)，而水巧模型的底部對(duì)應(yīng)了無 縫線路的固定區(qū)，無縫線路固定區(qū)的溫度應(yīng)力不均勻地分布在水巧的底部。水巧模型的長 度和高度能夠直觀地反映無縫線路的受力穩(wěn)定性，根據(jù)水巧斷面面積法則，建立無縫線路 整體穩(wěn)定性能量計(jì)算公式： 閨
…........(1)
[0015] 式中：X1為線路固定區(qū)長度;X2為線路總長度；Oi為固定區(qū)各測(cè)量點(diǎn)的溫度應(yīng)力；S 為線路所存儲(chǔ)的能量;n為檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。能量法通過計(jì)算無縫線路中儲(chǔ)存的能量值判斷線 路整體的穩(wěn)定性。
[0016] (2)局部穩(wěn)定性
[0017] 無縫線路鋼軌各點(diǎn)處應(yīng)力的大小和隨鋼軌長度應(yīng)力的變化是分析局部無縫線路 穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，不僅需要確定無縫線路鋼軌各點(diǎn)應(yīng)力峰值的位置，還需要從波動(dòng)角度 分析線路各點(diǎn)處應(yīng)力的變化。針對(duì)W上問題，本方法引入離散短時(shí)傅里葉變換方法對(duì)應(yīng)力 信號(hào)進(jìn)行分析。短時(shí)傅里葉變換通過在時(shí)間軸上，即鋼軌縱向上添加一個(gè)窗函數(shù)g(x)，將鋼 軌劃分成若干局部小段。通過平移窗函數(shù)覆蓋全局信號(hào)，在每一個(gè)小區(qū)段中進(jìn)行傅里葉變 換，找出每一個(gè)小區(qū)段內(nèi)的應(yīng)力峰的幅值與相應(yīng)的頻率值，分析局部無縫線路穩(wěn)定性。應(yīng)力 信號(hào)O (X ^的鉛時(shí)値里日卡巧拖吿公責(zé).
[001 引
'.……...巧)
[0019] 式中：X為鋼軌長度;f為應(yīng)力隨鋼軌長度變化的頻率;O(T)為隨鋼軌長度變化的應(yīng) 力信號(hào);hkUr是復(fù)共輛窗函數(shù)。公式（2)是連續(xù)短時(shí)傅里葉變換的表達(dá)形式，在工程問題 中，通常待處理的應(yīng)力信號(hào)O(X)經(jīng)過數(shù)字系統(tǒng)采樣后會(huì)轉(zhuǎn)化為離散形式，需要對(duì)公式(2)進(jìn) 行離散化々h圍.相脈的離部庶時(shí)值里肝巧梅宙公為：
[0020]
......(3)
[0021] 式中：A表示分帖序列號(hào)，相當(dāng)于檢測(cè)過程中的采樣點(diǎn)標(biāo)號(hào);f/表示采樣頻率;R為 帖移長度;H(T)為窗函數(shù)，窗函數(shù)的寬度由1表示，本方法選用Hamming窗。通過改變離散短 時(shí)傅里葉變換中窗函數(shù)的寬度能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)頻譜的分辨率。由于受化isenberg不確定準(zhǔn) 則的限制，離散短時(shí)傅里葉變換的窗函數(shù)面積不能小于2。
[0022] 無縫線路應(yīng)力信號(hào)經(jīng)過離散短時(shí)傅里葉變換后，能夠很容易的得到應(yīng)力信號(hào)的幅 值和所對(duì)應(yīng)的頻率值。根據(jù)無縫線路穩(wěn)定性的波動(dòng)理論，無縫線路鋼軌各點(diǎn)處應(yīng)力值的大 小W及變化速度是分析局部無縫線路穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，并且應(yīng)力信號(hào)的幅值是決定參 數(shù)。由此提出線路局部穩(wěn)定性的評(píng)估條件：
[002；3]
..........................,,.'(4)
[0024] 式中：Fi是離散短時(shí)傅里葉變換頻譜中應(yīng)力信號(hào)的幅值，是線路穩(wěn)定性評(píng)估的第 一參數(shù);Vi是離散短時(shí)傅里葉變換頻譜中幅值對(duì)應(yīng)的頻率值，是線路穩(wěn)定性評(píng)估的第二參 數(shù);根據(jù)W上局部穩(wěn)定性評(píng)估條件的定義，LSEC的值越小，線路對(duì)應(yīng)局部的穩(wěn)定性越好。
[0025] (3)綜合穩(wěn)定性
[0026] 為評(píng)估整條線路綜合的穩(wěn)定性，利用積分求和的思想將無縫線路鋼軌分為m段，利 用每一段中離散短時(shí)傅里葉變換得到的局部穩(wěn)定性的評(píng)估條件的最大值求得無 縫線路中應(yīng)力波動(dòng)的整體標(biāo)準(zhǔn)偏差：
[0027] ........(5)
[002引 I值。GSD值越小說明線路綜合穩(wěn)定性越 好。
[0029] 本發(fā)明將兩種技術(shù)融合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，缺點(diǎn)互除，采用自動(dòng)控制技術(shù)切換金屬磁記憶 和磁己克豪森噪聲工作系統(tǒng)，形成了在線、快速、無損的MMM-MBN融合檢測(cè)應(yīng)力方法。建立了 無縫線路整體穩(wěn)定性水巧模型和能量計(jì)算的數(shù)學(xué)公式。建立了無縫線路穩(wěn)定性評(píng)估條件和 無縫線路中應(yīng)力波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式。對(duì)無縫線路的左、右股鋼軌穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，提出整 條線路綜合穩(wěn)定性判據(jù):對(duì)于兩根鋼軌組成的整條線路，應(yīng)取應(yīng)力波動(dòng)較大的鋼軌的波動(dòng) 程度來反映整體線路的波動(dòng)性;而對(duì)于單根鋼軌而言，應(yīng)取波動(dòng)程度最大的局部段的波動(dòng) 性代表整條鋼軌的波動(dòng)性。
【附圖說明】
[0030] 圖1溫度壓力與軌道橫向位移的關(guān)系 [0031 ]圖2無縫線路水巧穩(wěn)定性模型
[0032] 圖3無縫線路左股鋼軌固定區(qū)溫度應(yīng)力分布
[0033] 圖4無縫線路左股鋼軌固定區(qū)歸一化后的溫度應(yīng)力離散傅里葉變化頻譜
[0034] 圖5無縫線路左股鋼軌固定區(qū)溫度應(yīng)力的離散短時(shí)傅里葉變換頻譜
[0035] 圖6無縫線路右股鋼軌固定區(qū)溫度應(yīng)力的離散短時(shí)傅里葉變換頻譜
[0036] 圖7左股鋼軌固定區(qū)分段應(yīng)力波動(dòng)
[0037] 圖8為本發(fā)明方法的實(shí)施流程圖。
【具體實(shí)施方式】 [003引實(shí)施例1
[0039] 首先利用自制系統(tǒng)對(duì)中國某鐵路局某工務(wù)段下行一段長度為900m正在服役中的 無縫線路進(jìn)行溫度應(yīng)力的檢測(cè)。假定鋼軌同一截面受力均等，本發(fā)明確定鋼軌腰部為應(yīng)力 檢測(cè)區(qū)域?？紤]軌道原始彎曲矢度的變化，根據(jù)靜力平衡的虛功原理和無縫線路具體參數(shù)， 建立無縫線路溫度應(yīng)力表達(dá)式。無縫線路每千米鋪設(shè)1840根軌枕，該段線路的曲線半徑為 900m，軌枕參數(shù)為84.3N/cm，線路彎曲變形矢度為0.2cm，60kg/m鋼軌橫截面積為77.45cm2， 計(jì)算得到線路溫度應(yīng)力為：
[0040]
...............館）
[0041] 式中:E為線路楊氏彈性模量;I為兩股鋼軌對(duì)垂直中軸的慣性矩(cm4) 為線路框 架剛度系數(shù);1為線路原始彎曲波長;fne為彈性原始彎曲；f為變形曲線失度;R為變形曲率;Q 為軌枕參數(shù);F為鋼軌橫截面積。
[0042] 則最大允許溫度應(yīng)力值[0]為：
[0043]
......................................巧)
[0044] 式中：G為安全系數(shù)，一般取1.2-1.5。在溫差較大的地區(qū)需選取較大的安全系數(shù)， 在溫差較小的地區(qū)可選取較小的安全系數(shù)，北京地區(qū)為1.3。
[0045] 采用MMM-MBN融合在線檢測(cè)應(yīng)力方法，根據(jù)無縫線路整體穩(wěn)定性能量計(jì)算公式 (1)，計(jì)算無縫線路儲(chǔ)存的能量，判斷線路整體的穩(wěn)定性。
[0046] 然后引入離散短時(shí)傅里葉變換法對(duì)實(shí)測(cè)的無縫線路溫度應(yīng)力進(jìn)行分析。W無縫線 路左股鋼軌900m固定區(qū)為例，W鋼軌長度為橫坐標(biāo)，表1中對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為縱坐標(biāo)建立笛卡 爾坐標(biāo)系，得到了應(yīng)力在鋼軌中的離散分布，如圖3所示。
[0047] 從圖3可W看出此段鋼軌固定區(qū)的溫度應(yīng)力主要分布在-46到-60MPa之間，并且在 運(yùn)一范圍內(nèi)不斷波動(dòng)，說明無縫線路鋼軌內(nèi)部應(yīng)力分布是不均勻的，負(fù)號(hào)表示壓縮應(yīng)力。在 固定區(qū)距離為640m附近區(qū)域出現(xiàn)一些奇異點(diǎn)，表明此處存在較大的溫度壓應(yīng)力，無縫線路 在此處失穩(wěn)的可能性較大。
[004引將應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，W無縫線路的長度代替傅里葉變換的時(shí)間軸，無縫 線路左股鋼軌900m固定區(qū)歸一化后的溫度應(yīng)力離散傅里葉變化頻譜如圖4所示。
[0049] 引入時(shí)間成分(鋼軌長度坐標(biāo))從頻域拓展到時(shí)頻域，W觀察溫度應(yīng)力的頻譜特性 與鋼軌長度坐標(biāo)的關(guān)系。本發(fā)明利用MATLAB環(huán)境中離散短時(shí)傅里葉變換工具箱，繪制出溫 度應(yīng)力的離散短時(shí)傅里葉變換頻譜，如圖5所示。
[0050] 在被測(cè)鋼軌固定區(qū)距離為640m處出現(xiàn)幅值最高峰，頻率為0.097Hz，幅值為7.493， 此外在其他區(qū)域還分布一些小高峰。運(yùn)些峰的高低直接反映了無縫線路鋼軌中應(yīng)力的分布 狀態(tài)，峰值越高，就表示相應(yīng)位置處的鋼軌內(nèi)部累積的應(yīng)力越大;而峰值對(duì)應(yīng)的頻率反應(yīng)了 應(yīng)力的變化速度，頻率越高，應(yīng)力波動(dòng)越大。根據(jù)幅值峰的高低和對(duì)應(yīng)的頻率的大小可W快 速找到鋼軌局部的穩(wěn)定性奇異區(qū)。
[0051 ] 測(cè)量無縫線路的左股和右股鋼軌，鋼軌溫度都為45± 2°C，左右兩股鋼軌的測(cè)量點(diǎn) 一一對(duì)應(yīng)，得到表1和2中的數(shù)據(jù)。利用波動(dòng)法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到無縫線路右股鋼軌固 定區(qū)的離散短時(shí)傅里葉變換頻譜，如圖6所示。
[0化2] 親1韋縫錶路右盼鋼軌溫底脈九擲據(jù) [0化3]
[0化4]
[0化5]
[0化6]
[0化7]
[005引圖6可W看到同樣在距離為640m附近區(qū)域出現(xiàn)了幅值最高峰，頻率為0.094Hz，峰 值為5.718，說明無縫線路的左右兩股鋼軌在此處都存在較大的應(yīng)力集中。但應(yīng)力幅值和頻 率值不完全相同，并且在其他區(qū)域分布的一些小高峰，運(yùn)些小高峰的位置與左股鋼軌離散 短時(shí)傅里葉變換頻譜中的小高峰的位置不相同。運(yùn)說明線路的左右兩股鋼軌存在穩(wěn)定性相 似的區(qū)域，也存在穩(wěn)定性不同的區(qū)域。本實(shí)施例分別取圖5和圖6中最高的前5個(gè)幅度的峰值 和對(duì)應(yīng)的頻率值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示：
[0059] 表3無縫線路左、右股鋼軌固定區(qū)的離散短時(shí)傅里葉變換頻譜峰值和頻率值
[0060]
[0061 ]將表3中的數(shù)據(jù)代入公式4,并將5個(gè)點(diǎn)的LSEC值求和得到：
[0062]
[0063]
[0064] f W對(duì)該段無縫線路而言，從局部角度考慮，右股鋼軌的 穩(wěn)定性要好于左股鋼軌。但對(duì)兩根鋼軌組成的線路，應(yīng)取應(yīng)力波動(dòng)較大的鋼軌的波動(dòng)程度 來反映整體線路的波動(dòng)性。因此，W左股鋼軌的波動(dòng)性為依據(jù)判斷整體線路的波動(dòng)性。 [00化]表4左股鋼軌固定區(qū)各個(gè)局部段值
[0066]
[0067] 為考察此段無縫線路的整體波動(dòng)性，本文將左股鋼軌固定區(qū)分為9個(gè)局部段，每段 長度為100m。分段后的應(yīng)力幅度的峰值和對(duì)應(yīng)的頻率值在鋼軌中的分布如圖7所示。利用每 一段中離散短時(shí)傅里葉變換得到的穩(wěn)定性的評(píng)估條件的最大值如表4所示，代入 公式(5)中，求得無縫線路中應(yīng)力波動(dòng)的整體標(biāo)準(zhǔn)偏差GSD=I.30。從整條線路波動(dòng)性來看， 其值越小說明線路穩(wěn)定性越好。通過對(duì)比9個(gè)局部段中穩(wěn)定性評(píng)估條件的最大值￡<SECTx， 應(yīng)取波動(dòng)程度最大的局部段的波動(dòng)性（
）代表整條線路的波動(dòng)性。
[0068] 最后為評(píng)估整條線路綜合穩(wěn)定性，對(duì)于兩根鋼軌組成的線路線路，應(yīng)取應(yīng)力波動(dòng) 較大的單根鋼軌的波動(dòng)程度來反映整條線路的波動(dòng)性。而對(duì)于單根鋼軌而言，應(yīng)取波動(dòng)程 度最大的局部段的波動(dòng)性代表整條鋼軌的波動(dòng)性。W此作為無縫線路鋼軌綜合穩(wěn)定性判 據(jù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.無縫線路長鋼軌道線路穩(wěn)定性分析判定方法，其特征在于：該分析判定方法分為整 體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性、綜合穩(wěn)定性，從三個(gè)角度對(duì)無縫線路運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行全面分析判 定;其中，整體穩(wěn)定性是以對(duì)無縫線路的溫度壓力與軌道參數(shù)、橫向位移的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算分 析，設(shè)定線路的最大允許溫度應(yīng)力，建立無縫線路整體穩(wěn)定性能量計(jì)算公式;局部穩(wěn)定性是 利用離散短時(shí)傅里葉變換方法，根據(jù)無縫線路穩(wěn)定性的波動(dòng)理論，確定線路局部穩(wěn)定性的 評(píng)估條件;綜合穩(wěn)定性中是利用積分求和的思想將無縫線路鋼軌分段，利用每一段中離散 短時(shí)傅里葉變換得到局部穩(wěn)定性評(píng)估條件的最大值，得到無縫線路應(yīng)力波動(dòng)的整體標(biāo)準(zhǔn)偏 差，由無縫線路中應(yīng)力波動(dòng)的整體標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)整條線路綜合的穩(wěn)定性評(píng)估和最終判定； (1) 整體穩(wěn)定性 對(duì)于無縫線路，當(dāng)鋼軌溫度升高時(shí)將在固定區(qū)產(chǎn)生溫度壓力，溫度壓力與軌道橫向位 移的關(guān)系曲線中，該關(guān)系曲線共分為(^)8、81(、1(5、51('段，上述各段依次連接組成光滑曲 線;橫坐標(biāo)表示軌道橫向位移，縱坐標(biāo)表示溫度壓力，OA段為鋼軌的原始彎曲矢度f〇,在AB 段中，鋼軌溫度上升，溫度壓力增加，軌道不發(fā)生橫向位移，溫度壓力以能量的形式儲(chǔ)存在 鋼軌中，稱為持穩(wěn)階段;在BK段中，鋼軌隨溫度的升高而發(fā)生微小橫向位移，軌道的彎曲矢 度進(jìn)一步擴(kuò)大，當(dāng)鋼軌溫度達(dá)到A Tk時(shí)，溫度壓力上升至Ρκ，此時(shí)軌道有可能產(chǎn)生突發(fā)性膨 曲，稱為脹軌階段，相應(yīng)的溫度壓力Pk稱為臨界壓力；在KK '段中，鋼軌溫度超過A Tk并進(jìn)一 步上升，軌道橫向位移將突然增加，稱為跑道階段，此過程中溫度壓力P引起軌道變形而做 功，鋼軌中累積的溫度壓力減小，即圖中KS段，直至達(dá)到新的穩(wěn)定位置S處，相對(duì)應(yīng)的溫度壓 力為Ps;當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，已變形的鋼軌中累積溫度壓力仍會(huì)增加，即SK'段； 為保證線路不因鋼軌溫度的變化而產(chǎn)生過大的彈性形變，需對(duì)鋼軌溫度壓力的允許值 進(jìn)行設(shè)定控制，根據(jù)中國鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，取2mm作為橫向位移量的最大允許值，對(duì)應(yīng)的鋼軌 溫度壓力用Pn表示，則最大允許溫度應(yīng)力值[P]為：式中：G為安全系數(shù)，取1.2-1.5，在溫差較大的地區(qū)需選取較大的安全系數(shù)，在溫差較 小的地區(qū)可選取較小的安全系數(shù)； 以無縫線路長度為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)力值為縱坐標(biāo)，建立無縫線路水壩穩(wěn)定性模 型：水壩模型的腰部對(duì)應(yīng)了無縫線路的伸縮區(qū)，而水壩模型的底部對(duì)應(yīng)了無縫線路的固定 區(qū)，無縫線路固定區(qū)的溫度應(yīng)力不均勻地分布在水壩的底部;水壩模型的長度和高度能夠 直觀地反映無縫線路的受力穩(wěn)定性，根據(jù)水壩斷面面積法則，建立無縫線路整體穩(wěn)定性能 量計(jì)算公式：式中：X1為線路固定區(qū)長度;X2為線路總長度;〇1為固定區(qū)各測(cè)量點(diǎn)的溫度應(yīng)力；S為線 路所存儲(chǔ)的能量;η為檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量;能量法通過計(jì)算無縫線路中儲(chǔ)存的能量值判斷線路整 體的穩(wěn)定性； (2) 局部穩(wěn)定性 無縫線路鋼軌各點(diǎn)處應(yīng)力的大小和隨鋼軌長度應(yīng)力的變化是分析局部無縫線路穩(wěn)定 性的關(guān)鍵參數(shù)，不僅需要確定無縫線路鋼軌各點(diǎn)應(yīng)力峰值的位置，還需要從波動(dòng)角度分析 線路各點(diǎn)處應(yīng)力的變化;針對(duì)以上問題，本方法引入離散短時(shí)傅里葉變換方法對(duì)應(yīng)力信號(hào) 進(jìn)行分析;短時(shí)傅里葉變換通過在時(shí)間軸上，即鋼軌縱向上添加一個(gè)窗函數(shù)g( x)，將鋼軌劃 分成若干局部小段;通過平移窗函數(shù)覆蓋全局信號(hào)，在每一個(gè)小區(qū)段中進(jìn)行傅里葉變換，找 出每一個(gè)小區(qū)段內(nèi)的應(yīng)力峰的幅值與相應(yīng)的頻率值，分析局部無縫線路穩(wěn)定性;應(yīng)力信號(hào) 0 (X)的短時(shí)値里口 +奪拖宙為，式中：X為鋼軌長度;f為應(yīng)力隨鋼軌長度變化的頻率;σ(τ)為隨鋼軌長度變化的應(yīng)力信 號(hào);hk(xf是復(fù)共輒窗函數(shù);公式(2)是連續(xù)短時(shí)傅里葉變換的表達(dá)形式，在工程問題中，通 常待處理的應(yīng)力信號(hào)σ(χ)經(jīng)過數(shù)字系統(tǒng)采樣后會(huì)轉(zhuǎn)化為離散形式，需要對(duì)公式(2)進(jìn)行離 散化々卜理，相應(yīng)的離散短時(shí)傅里葉奪換宙^為：式中：λ表示分幀序列號(hào)，相當(dāng)于檢測(cè)過程中的采樣點(diǎn)標(biāo)號(hào)；F表示采樣頻率;R為幀移 長度;Η(τ)為窗函數(shù)，窗函數(shù)的寬度由1表示，本方法選用Hamming窗;通過改變離散短時(shí)傅 里葉變換中窗函數(shù)的寬度能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)頻譜的分辨率；由于受Heisenberg不確定準(zhǔn)則的 限制，離散短時(shí)傅里葉變換的窗函數(shù)面積不能小于2; 無縫線路應(yīng)力信號(hào)經(jīng)過離散短時(shí)傅里葉變換后，能夠很容易的得到應(yīng)力信號(hào)的幅值和 所對(duì)應(yīng)的頻率值;根據(jù)無縫線路穩(wěn)定性的波動(dòng)理論，無縫線路鋼軌各點(diǎn)處應(yīng)力值的大小以 及變化速度是分析局部無縫線路穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，并且應(yīng)力信號(hào)的幅值是決定參數(shù)；由 此提出線路局部穩(wěn)定性的評(píng)估條件：式中=F1是離散短時(shí)傅里葉變換頻譜中應(yīng)力信號(hào)的幅值，是線路穩(wěn)定性評(píng)估的第一參 數(shù)是離散短時(shí)傅里葉變換頻譜中幅值對(duì)應(yīng)的頻率值，是線路穩(wěn)定性評(píng)估的第二參數(shù);根 據(jù)以上局部穩(wěn)定性評(píng)估條件的定義，LSEC的值越小，線路對(duì)應(yīng)局部的穩(wěn)定性越好； (3)綜合穩(wěn)定性 為評(píng)估整條線路綜合的穩(wěn)定性，利用積分求和的思想將無縫線路鋼軌分為m段，利用每 一段中離散短時(shí)傅里葉變換得到的局部穩(wěn)定性的評(píng)估條件的最大值'，求得無縫線 路中應(yīng)力波動(dòng)的整體標(biāo)準(zhǔn)偏差：式中為線路綜合波動(dòng)期望值;GSD值越小說明線路綜合穩(wěn)定性越好。
【文檔編號(hào)】G06F17/14GK106021683SQ201610320293
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】陳娟, 祁欣
【申請(qǐng)人】北京化工大學(xué)