无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法

摘要

本发明公开了无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法，该分析判定方法分为整体稳定性、局部稳定性、综合稳定性；整体稳定性是对无缝线路的温度压力与轨道横向位移的关系进行计算分析，设定线路的最大允许温度应力，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式。局部稳定性是利用离散短时傅里叶变换方法，确定线路局部稳定性的评估条件；综合稳定性中是利用积分求和的思想将无缝线路钢轨分段，利用每一段中离散短时傅里叶变换得到局部稳定性评估条件的最大值，得到无缝线路应力波动的整体标准偏差。本发明采用自动控制技术切换金属磁记忆和磁巴克豪森噪声工作系统，形成了在线、快速、无损的检测长钢轨温度应力方法。

主权项

无缝线路长钢轨道线路稳定性分析判定方法，其特征在于：该分析判定方法分为整体稳定性、局部稳定性、综合稳定性，从三个角度对无缝线路运行的稳定性进行全面分析判定；其中，整体稳定性是以对无缝线路的温度压力与轨道参数、横向位移的关系进行计算分析，设定线路的最大允许温度应力，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式；局部稳定性是利用离散短时傅里叶变换方法，根据无缝线路稳定性的波动理论，确定线路局部稳定性的评估条件；综合稳定性中是利用积分求和的思想将无缝线路钢轨分段，利用每一段中离散短时傅里叶变换得到局部稳定性评估条件的最大值，得到无缝线路应力波动的整体标准偏差，由无缝线路中应力波动的整体标准偏差对整条线路综合的稳定性评估和最终判定；(1)整体稳定性对于无缝线路，当钢轨温度升高时将在固定区产生温度压力，温度压力与轨道横向位移的关系曲线中，该关系曲线共分为OA、AB、BK、KS、SK'段，上述各段依次连接组成光滑曲线；横坐标表示轨道横向位移，纵坐标表示温度压力，OA段为钢轨的原始弯曲矢度f₀，在AB段中，钢轨温度上升，温度压力增加，轨道不发生横向位移，温度压力以能量的形式储存在钢轨中，称为持稳阶段；在BK段中，钢轨随温度的升高而发生微小横向位移，轨道的弯曲矢度进一步扩大，当钢轨温度达到ΔT_K时，温度压力上升至P_K，此时轨道有可能产生突发性膨曲，称为胀轨阶段，相应的温度压力P_K称为临界压力；在KK'段中，钢轨温度超过ΔT_K并进一步上升，轨道横向位移将突然增加，称为跑道阶段，此过程中温度压力P引起轨道变形而做功，钢轨中累积的温度压力减小，即图中KS段，直至达到新的稳定位置S处，相对应的温度压力为P_S；当温度继续上升时，已变形的钢轨中累积温度压力仍会增加，即SK'段；为保证线路不因钢轨温度的变化而产生过大的弹性形变，需对钢轨温度压力的允许值进行设定控制，根据中国铁路行业标准，取2mm作为横向位移量的最大允许值，对应的钢轨温度压力用P_N表示，则最大允许温度应力值[P]为：$\left[P\right]=\frac{P_N}{G}$式中：G为安全系数，取1.2‑1.5，在温差较大的地区需选取较大的安全系数，在温差较小的地区可选取较小的安全系数；以无缝线路长度为横坐标，对应的温度应力值为纵坐标，建立无缝线路水坝稳定性模型：水坝模型的腰部对应了无缝线路的伸缩区，而水坝模型的底部对应了无缝线路的固定区，无缝线路固定区的温度应力不均匀地分布在水坝的底部；水坝模型的长度和高度能够直观地反映无缝线路的受力稳定性，根据水坝断面面积法则，建立无缝线路整体稳定性能量计算公式：$S=\frac{1}{2}(x_1+x_2)\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\pm {\sigma }_i}{n}...\left(1\right)$式中：x₁为线路固定区长度；x₂为线路总长度；σ_i为固定区各测量点的温度应力；S为线路所存储的能量；n为检测点的数量；能量法通过计算无缝线路中储存的能量值判断线路整体的稳定性；(2)局部稳定性无缝线路钢轨各点处应力的大小和随钢轨长度应力的变化是分析局部无缝线路稳定性的关键参数，不仅需要确定无缝线路钢轨各点应力峰值的位置，还需要从波动角度分析线路各点处应力的变化；针对以上问题，本方法引入离散短时傅里叶变换方法对应力信号进行分析；短时傅里叶变换通过在时间轴上，即钢轨纵向上添加一个窗函数g(x)，将钢轨划分成若干局部小段；通过平移窗函数覆盖全局信号，在每一个小区段中进行傅里叶变换，找出每一个小区段内的应力峰的幅值与相应的频率值,分析局部无缝线路稳定性；应力信号σ(x)的短时傅里叶变换定义为：$STFT(x,f)={\int }_{-\propto }^{+\propto }\left[\sigma \left(\tau \right)h^{*}(\tau -x)\right]e^{-j2\pi f\tau }d\tau ...\left(2\right)$式中：x为钢轨长度；f为应力随钢轨长度变化的频率；σ(τ)为随钢轨长度变化的应力信号；h_k(x)^*是复共轭窗函数；公式(2)是连续短时傅里叶变换的表达形式，在工程问题中，通常待处理的应力信号σ(x)经过数字系统采样后会转化为离散形式，需要对公式(2)进行离散化处理，相应的离散短时傅里叶变换定义为：$DSTFT(\lambda ,f^{\prime })=\underset{\tau =0}{\overset{l-1}{\Sigma }}\sigma (\lambda R+\tau )H\left(\tau \right)e^{j2{\mathrm{\pi f}}^{\prime }\tau /l}...\left(3\right)$式中：λ表示分帧序列号，相当于检测过程中的采样点标号；f′表示采样频率；R为帧移长度；H(τ)为窗函数，窗函数的宽度由l表示，本方法选用Hamming窗；通过改变离散短时傅里叶变换中窗函数的宽度能够动态调整时频谱的分辨率；由于受Heisenberg不确定准则的限制，离散短时傅里叶变换的窗函数面积不能小于2；无缝线路应力信号经过离散短时傅里叶变换后，能够很容易的得到应力信号的幅值和所对应的频率值；根据无缝线路稳定性的波动理论，无缝线路钢轨各点处应力值的大小以及变化速度是分析局部无缝线路稳定性的关键参数，并且应力信号的幅值是决定参数；由此提出线路局部稳定性的评估条件：LSEC_i＝F_i²·ν_i…………………………(4)式中：F_i是离散短时傅里叶变换频谱中应力信号的幅值，是线路稳定性评估的第一参数；ν_i是离散短时傅里叶变换频谱中幅值对应的频率值，是线路稳定性评估的第二参数；根据以上局部稳定性评估条件的定义，LSEC的值越小，线路对应局部的稳定性越好；(3)综合稳定性为评估整条线路综合的稳定性，利用积分求和的思想将无缝线路钢轨分为m段，利用每一段中离散短时傅里叶变换得到的局部稳定性的评估条件的最大值求得无缝线路中应力波动的整体标准偏差：$GSD=\sqrt{\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{({\mathrm{LSEC}}_i^{max}-\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\mathrm{LSEC}}_i^{\max })}^2}...\left(5\right)$式中：为线路综合波动期望值；GSD值越小说明线路综合稳定性越好。