一种轨道扣件损伤的监测方法
阅读说明：本技术 一种轨道扣件损伤的监测方法 (Method for monitoring damage of rail fastener ) 是由 蒋吉清 苏鑫杰 章亦然 蔡泽甬 吴熙 孙苗苗 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种轨道扣件损伤的监测方法,包括步骤：步骤1、钢轨位移响应计算；步骤2、摩擦纳米发电机输出信号计算；步骤3、摩擦纳米发电机实测。本发明的有益效果是：在实际运营轨道安装摩擦纳米发电机,将监测所得电信号与计算所得的输出电压时程曲线进行对比,推算扣件损伤情况,并结合多个摩擦纳米发电机进行分析。直接对比模拟计算电压和实测电压,使用简单便捷。该方法可以监测轨道扣件损伤情况,保障列车系统运营安全。并且利用摩擦纳米发电机作为自供能传感器,减少人工检修耗费的人力物力。(The invention relates to a method for monitoring damage of a track fastener, which comprises the following steps: step 1, calculating the displacement response of the steel rail; step 2, calculating an output signal of the friction nano generator; and 3, actually measuring the friction nano generator. The invention has the beneficial effects that: installing the friction nano generator on an actual operation track, comparing the monitored electric signal with the calculated output voltage time-course curve, calculating the damage condition of the fastener, and analyzing by combining a plurality of friction nano generators. The direct comparison analog computation voltage and the actual measurement voltage are simple and convenient to use. The method can monitor the damage condition of the rail fastener and guarantee the operation safety of the train system. And utilize the friction nanometer generator as self-power supply sensor, reduce the manpower and materials that artifical maintenance consumed.)
技术领域
本发明涉及地下工程技术领域，具体说，它涉及一种轨道扣件损伤的监测方法。
背景技术
地铁轨道在长期运营后，扣件作为连接钢轨和轨道板的元件，在地铁持续运行过程中，容易产生扣件弹条断裂、脱落等情况，加剧地铁车轨系统的动力响应，甚至影响列车的正常运行。因此研究扣件损伤的检测方法，对于维护地铁轨道安全和保护周边环境，具有重要的指导意义和应用价值。
钢轨扣件损伤后，其支撑刚度锐减，使得列车经过时钢轨的振动响应发生较大变化，并且与扣件损伤位置和个数均有关联。目前关于损伤扣件的检测方法主要有：频域信号处理法、图像处理法和人工巡检法等。还没有利用扣件损伤改变局部钢轨振动响应特性来进行监测扣件损伤位置的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种轨道扣件损伤的监测方法。
轨道扣件损伤的监测方法，包括如下步骤：首先,通过车轨耦合理论计算和摩擦纳米发电机理论计算，得到钢轨下摩擦纳米发电机在不同扣件损伤情况下的输出信号规律；其次,在实际运营轨道中安装所述摩擦纳米发电机，使用巡检车在非运营时段巡检，记录每个摩擦纳米发电机输出电信号，在不同扣件损伤情况下的输出信号规律图中找到对应扣件损伤状况。
作为优选，具体包括如下步骤：
步骤1、钢轨位移响应计算：
建立列车-钢轨-道床耦合计算有限元模型，其中车体采用10自由度多刚体列车模型，即车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；钢轨采用柔性实体模型，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧-阻尼单元模拟；道床和衬砌采用刚性模型；钢轨状态理想，不考虑轨道不平顺；
选取多种扣件损伤工况，其中包括扣件损伤个数及扣件损伤位置，扣件损伤时扣件与钢轨脱离刚度取值为0；通过列车-钢轨-道床耦合计算有限元模型进行计算，获得两个扣件之间的中点位置，即摩擦纳米发电机安装位置的钢轨位移时程曲线z(t)；
步骤2、摩擦纳米发电机输出信号计算：
摩擦纳米发电机的输出信号根据下式计算
其中d0＝d1/εr1+d2/εr2为有效厚度常数，d1(d2)和εr1(εr2)分别为尼龙和PTFE的厚度和介电常数；ε0为真空中的介电常数，σ为介电材料表面的电荷密度，R为外接电阻大小，S为摩擦对的面积，D(t)为摩擦对间隙，按下式计算
其中z(t)为监测位置的钢轨位移，A为摩擦对的初始间隙，摩擦对初始间隙根据计算结果取值，应大于无扣件损伤时的钢轨位移，小于多个扣件损伤时的钢轨位移；
采用数值积分的方式，可以得到在监测位置的摩擦纳米发电机的输出信号与扣件损伤个数和位置的关系，制成扣件损伤情况与摩擦纳米发电机输出信号对应的表格，并检查表格中是否有不同损伤工况下摩擦纳米发电机输出信号接近，若有，则改变摩擦对初始间隙并据此重新计算每种工况并制作表格；
步骤3、摩擦纳米发电机实测：
将若干所述摩擦纳米发电机安装于钢轨和道床之间，两个扣件的中间位置，初始间隙依据步骤2所最终采用初始间隙；定期在非运营时段使用测试车进行定速巡检，测试车车体参数和行驶参数应与步骤1所建立有限元模型相同；
提取测试车经过的钢轨下摩擦纳米发电机的输出电信号，将其记录，并找到对应扣件损伤工况，得到单个监测器件所测得扣件损伤状况；联合比对多个摩擦纳米发电机监测工况，最终确定扣件损伤个数及位置。
作为优选：所述摩擦纳米发电机，基于接触-分离式摩擦纳米发电机，由摩擦对、电极层、支撑层和缓冲层组成，放置于钢轨与道床之间，位于每两个扣件的中间位置。工作原理是：列车经过引起钢轨的往复振动，当钢轨发生竖向下位移时，钢轨带动摩擦对的上半部向下移动，摩擦对的内表面不断接近直至接触并产生摩擦和电荷转移，此时缓冲层被挤压，保护摩擦纳米发电机不在列车荷载作用下破坏；之后钢轨位移竖向上回复，摩擦对分开，此时摩擦对之间的间隙变化，两侧电极层之间的电势改变从而产生电势差，因此在导线连接的外电路产生电流。当钢轨扣件发生损伤甚至失效时，钢轨振动响应发生改变，从而引起摩擦纳米发电机输出信号变化，根据电信号，推测扣件损伤的个数和位置。
作为优选：所述摩擦纳米发电机的摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，顶部和底部介电薄膜层之间保留有一定初始间隙；所述电极层为两片铜箔，分别粘接于所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层，位于摩擦对的外侧，所述铜箔上连接有导线，可将输出电流；所述支撑层为两块亚力克平板，分别粘接于电极层的两片铜箔外侧，使得所述摩擦对和所述电极层均保持平面；所述缓冲层为海绵或橡胶材料，位于下方的支撑层下，用于缓冲列车荷载，同时保护摩擦纳米发电机结构安全。
本发明的有益效果是:采用有限元软件计算不同扣件损伤工况下钢轨位移响应时程曲线，代入摩擦纳米发电机输出计算公式，并计算得到每个工况下摩擦纳米发电机的输出电信号。在实际运营轨道安装摩擦纳米发电机，将监测所得电信号与计算所得的输出电压时程曲线进行对比，推算扣件损伤情况，并结合多个摩擦纳米发电机进行分析。直接对比模拟计算电压和实测电压，使用简单便捷。该方法可以监测轨道扣件损伤情况，保障列车系统运营安全。并且利用摩擦纳米发电机作为自供能传感器，减少人工检修耗费的人力物力。
附图说明
图1为摩擦纳米发电机在轨道中的安装位置侧视图
图2为摩擦纳米发电机在轨道中的安装位置俯视图
图3为摩擦纳米发电机的结构示意图
图4为4种扣件损伤工况下的摩擦纳米发电机输出信号计算结果
图5为监测结果示例
附图标记说明：1-钢轨；2-钢轨扣件I；3-钢轨扣件II；4-轨枕；5-摩擦纳米发电机；6-道床；7-上支撑层；8-上电极层；9-摩擦对上半部(顶部介电材料层)；10-摩擦对下半部(底部介电材料层)；11-下电极层；12-下支撑层；13-缓冲层；14-导线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
作为一种实施例：
如图1-2所示，本发明的摩擦纳米发电机5安装在钢轨1和道床6之间，且安装在钢轨两个扣件中间的位置，相邻扣件根据与摩擦纳米发电机的位置关系可以分为距离较近的2-钢轨扣件I和较远的3-钢轨扣件II。
如图3所示，该摩擦纳米发电机由摩擦对、电极层、支撑层和缓冲层组成，所述摩擦对由采用商业尼龙薄膜的摩擦对上半部9和采用聚四氟乙烯薄膜的摩擦对下半部10组成，摩擦对上半部9与摩擦对下半部10尺寸相同，完全铺平且平行相对，之间保留有初始间隙。所述摩擦对上半部9上侧粘接有一层由铜箔制成的上电极层8，在其上侧粘接亚力克板制成的上支撑层7，所述摩擦对下半部10下侧粘接有一层由铜箔制成的下电极层11，在其下侧粘接亚力克板制成的下支撑层12，在其下侧设有海绵或橡胶缓冲层13。在上电极层8和下电极层11均设置有导线14。
当列车驶过时，由于列车荷载和振动，钢轨1在列车经过时先向下位移，然后向上位移恢复。在这个过程中，所述摩擦纳米发电机5由于静电感应效应，在上电极层8和下电极层11之间产生电势差，通过导线14在外电路产生两次正负相反的脉冲电流。
当钢轨扣件发生损伤时，其支撑刚度变小，使得列车经过时钢轨位移变大，因此摩擦纳米发电机5的产生不同的电信号。
作为一种实施例：
(1)制作扣件损伤工况与摩擦纳米发电机输出电信号对应表：采用有限元软件建立列车-钢轨-道床耦合计算有限元模型，计算多种扣件损伤工况下的钢轨位移，将钢轨位移代入摩擦纳米发电机理论计算公式，并选取适当初始间隙进行计算，得到扣件损伤工况与摩擦纳米发电机输出电信号对应表。
(2)扣件损伤状况监测：在实际运营轨道的钢轨和道床之间，每两个扣件的中间位置安装所述摩擦纳米发电机，将监测所得电压记录并于所述扣件损伤工况与摩擦纳米发电机输出电信号对应表中寻找对应工况，同时多个不同位置的摩擦纳米发电机交叉比对，推算扣件损伤工况。
所述摩擦纳米发电机由摩擦对、电极层、支撑层和缓冲层组成。
所述摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，介电薄膜之间保留有一定初始间隙。
所述电极层为两片铜箔，分别粘接于所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层，位于摩擦对的外侧，所述铜箔上连接有导线，可将输出电流。
所述支撑层为两块亚力克平板，分别粘接于电极层的两片铜箔外侧，使得所述摩擦对和所述电极层均保持平面。
所述缓冲层为海绵或橡胶材料，位于下方的支撑层下，起到增强发电机俘能效率、缓冲列车荷载，同时保护摩擦纳米发电机结构安全的重要效果。
所述监测方法包括以下步骤，其中步骤1和步骤2是制作扣件损伤工况与摩擦纳米发电机输出电信号对应表，步骤3为扣件损伤实测。
所述监测方法包括以下步骤：
步骤1、钢轨位移响应计算：
建立列车-钢轨-道床耦合计算有限元模型，其中车体采用10自由度多刚体列车模型，即车体和转向架考虑竖向与点头位移，轮对只考虑竖向位移，转向架和轮对、车厢和转向架之间分别用一系和二系悬挂连接；钢轨采用柔性实体模型，钢轨下方扣件等距离离散分布，采用弹簧-阻尼单元模拟；道床和衬砌采用刚性模型；钢轨状态理想，不考虑轨道不平顺。
选取多种扣件损伤工况，其中包括扣件损伤个数及扣件损伤位置，扣件损伤时扣件与钢轨脱离刚度取值为0。通过列车-钢轨-道床耦合计算有限元模型进行计算，获得两个扣件之间的中点位置，即摩擦纳米发电机安装位置的钢轨位移时程曲线z(t)。
步骤2、摩擦纳米发电机输出信号计算：
摩擦纳米发电机的输出信号根据下式计算
其中d0＝d1/εr1+d2/εr2为有效厚度常数，d1(d2)和εr1(εr2)分别为尼龙和PTFE的厚度和介电常数；ε0为真空中的介电常数，σ为介电材料表面的电荷密度，R为外接电阻大小，S为摩擦对的面积，D(t)为摩擦对间隙，按下式计算
其中z(t)为监测位置的钢轨位移，A为摩擦对的初始间隙，摩擦对初始间隙根据计算结果取值，应大于无扣件损伤时的钢轨位移，小于多个扣件损伤时的钢轨位移。
采用数值积分的方式，可以得到在监测位置的摩擦纳米发电机的输出信号与扣件损伤个数和位置的关系，制成扣件损伤情况与摩擦纳米发电机输出信号对应的表格，并检查表格中是否有不同损伤工况下摩擦纳米发电机输出信号接近，若有，则改变摩擦对初始间隙并据此重新计算每种工况并制作表格。
在本实例中，选择了4种工况进行计算，分别为扣件I损伤，扣件II损伤，扣件I、II均损伤及无扣件损伤。计算结果如图4所示，4种工况下摩擦纳米发电机的输出信号均具有特异性，其中输出电压随扣件损伤个数增加而增加，单个扣件损伤时，距摩擦纳米发电机较近的扣件I损伤时输出信号电压大于距摩擦纳米发电机较远的扣件II损伤时的输出信号电压。因此，可以制作不同扣件损伤个数和位置对应的摩擦纳米发电机输出对应信号表。例如，本实例中，无扣件损伤、扣件I损伤、扣件II损伤和扣件I\II均损伤时摩擦纳米发电机峰值电压分别为3.1V、52.3V、23.6V和109.2V，将数据记录以供步骤3使用。
步骤3、摩擦纳米发电机实测：
将若干所述摩擦纳米发电机安装于钢轨和道床之间，两个扣件的中间位置，初始间隙依据步骤2所最终采用初始间隙。定期在非运营时段使用测试车进行定速巡检，测试车车体参数和行驶参数应与步骤1所建立有限元模型相同。
提取测试车经过的钢轨下摩擦纳米发电机的输出电信号，将其记录，并找到对应扣件损伤工况，得到单个监测器件所测得周边扣件损伤状况。联合比对多个摩擦纳米发电机监测工况，最终确定扣件损伤个数及位置。
对监测结果举例说明，如图5所示，当某扣件失效时，该扣件两端各两个摩擦纳米发电机依次输出电压分别为23.6V、52.3V、52.3V和23.6V。即监测时，若某个摩擦纳米发电机输出电压为52.3V，则说明该器件某侧相邻的第一个扣件存在一个损伤，并且其他扣件均无损伤。此时可以再次读取相邻一侧摩擦纳米发电机的读数，若读取到52.3V，则说明损伤扣件位于读取的两个摩擦纳米发电机中间位置。若读取到23.6V，则说明扣件损伤位于第一次读取到52.3V的摩擦纳米发电机远离第二次读取到23.6V的器件的一侧。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种基于传感网络的轨道交通系统