（电路与系统专业论文）调整铁路轨道振动监测系统的研究与实现.pdf

兰避杰塑主塑笙壅 摘要 露。1 9 6 4 年1 0 月在日本诞生世界上第一条高速铁路以来，高速铁路以其速度快捷、 安全可靠、节能环保、经济实惠、运载量大等诸多优势成为世界交通业发展的重要趋势。 轨道是行车的基础，其作用是丐l 导机车车辆乎稳、安全运行，直接承受来自车轮的载荷， 并将其传递给路基、桥隧等建筑物。 随着既有铁路的大提速以及高速铁路的快速发展，机车车辆和轨道的振动增大，轨 道及其各部件交变应力幅度和振动加速度也将增大。同时，为了适应行车速度，动力结 构也将朝着高速化、复杂化、轻量化的方向发展，由此带来的工程振动和噪声润题显得 尤为突出，社会公众更加关心铁路沿线特别是城市周围的轨道振动与嗓声问题。高速列 车引起的振动公害不仅影响沿线居民的正常生活和工作，还会对周围的建筑物、交通车 辆以及精密仪器的使用造成一定程度的损害。 本文在对高速铁路轨道振动分析研究的基础上，设计完成了一种新型的振动监测系 统。研究工作包括以下几个方面： f 1 ) 回顾了世界高速铁路和中国高速铁路的发展历程，详细阐述了高速铁路引起魄 振动公害。 ( 2 ) 分析研究了传统轨道结构和高速铁路轨道结构，叙述了轨道振动和噪声的成因。 f 3 ) 分析研究了现代振动量测技术，设计了一种基于嵌入式技术和u s b 2 0 总线的 振动信号采集系统。该系统以8 9 1 。2 型测振仪作为测振传感器，负责采集轨道面上的振 动信号；以a r m 7 t d m 。s 为内核的嵌入式微控制器l p c 2 1 4 8 作为核心控制芯片，实现 了单通道1 6 通道、1 6 位高速、高精度连续采集。 系统地研究了虚拟仪器技术，采用l a b v i e w 编程语言成功设计了上位应用软 件，实现了采集信号的时域分析、频域分析、实时显示以及数据回放等功能。 ( 5 ) 系统地研究了u s b 2 0 总线协议，完成了嵌入式程序的编写。剥用n i - v i s a 生 成u s b 接口驱动程序，成功实现了上、下位机间的数据通信，有效提高了传输速度。 试验测试表明，系统性能稳定，传输速度快，采集精度高，可适用于铁路轨道振动 的工程监测，具有一定的实用和推广价值。 关键词：高速铁路；轨道；振动；测振仪；l p 0 2 1 4 8 论文类型：应用技术研究 a b s t r a c t s i n c et h eb i r t ho ft h ew o r l d sf i r s t h i g h s p e e dr a i li nj a p a ni no c t o b e r19 6 4 t h e h i g h s p e e dr a i l w a y ，w i t ht h ea d v a n t a g e s w f a s ts p e e d ，s a f e t y ，r e l i a b i l i t y ，e n e r g y s a v i n g ， e c o n o m ya n dl a r g ec a p a c i t y ，h a sb e c o m et h es i g n i f i c a n tt r e n do ft h e d e v e l o p m e n to f t r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r yi nt h ew o r l d 。t h et r a c k , t h en e c e s s i t yo ft r a i nt r a n s p o r t a t i o n ，p l a y st h e r o l eo fg u i d i n gt h el o c o m o t i v et om o v es m o o t h l ya n d s a f e l y ，b e a r st h el o a d sc o m i n gd i r e c t l y f r o mt h ew h e e l s ，a n dp a s s e si tt ot h er o a d b e d ，b r i d g eo rt u n n e l t h ev i b r a t i o nc a u s e db yt h ef r i c t i o no fr o l l i n gs t o c ka n dt r a c ki n c r e a s e sa sar e s u l to f 城g ha c c e l e r a t i o no ft h ee x i s t i n gr a i l w a ya n dr a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l t h es a m e i st r u eo ft h ea l t e r n a t i n gs t r e s sa m p l i t u d ea n dt h ea c c e l e r a t i o no fv i b r a t i o no ft r a c ka n di t s v a r i o u sc o m p o n e n t s f u r t h e r m o r e ，t h ep o w e rs y s t e mw i l l d e v e l o pi nt h ed i r e c t i o no ft h e h i g h - s p e e d ，c o m p l e x i t y ，l i g h t w e i g h ti no r d e rt oa d a p tt ot h ed r i v i n gs p e e d 。a sar e s u l t , t h e p r o b l e m so fe n g i n e e r i n gv i b r a t i o na n dn o i s eb e c o m ep a r t i c u l a r l yp r o m i n e n t ，a n dt h u s i n c r e a s i n g l yb e c o m et h ec o n c e mo ft h ep u b l i c ，p a r t i c u l a r l ya l o n gt h er a i l w a yt r a c ka n da r o u n d t h eu r b a na r e a 。v i b r a t i o nn u i s a n c ei n d u c e db yh i g h - s p e e dt r a i nn o to n l ya f f e c t st h en o r m a ll i f e a n dw o r ko fr e s i d e n t sa l o n g s i d e ，b u ta l s od a m a g e st h es u r r o u n d i n gb u i l d i n g s ，t r a n s p o r t v e h i c l e s ，a sw e l la st h eu s eo f p r e c i s i o ni n s t r u m e n t st oac e r t a i nd e g r e e t h et h e s i s ，a f t e rs t u d y i n gt h eh i g h * s p e e dr a i l w a yt r a c kv i b r a t i o n ，h a sd e s i g n e dan e w t y p eo ft r a c kv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gf i v e s t e p s ： f i r s t l y ，t h i st h e s i sr e v i e w st h ed e v e l o p i n gp r o c e s so f t h eh i g h s p e e dr a i lb o t hi nt h ew o r l d a n di nc h i n a , a n dt h e ne l a b o r a t e st h ev i b r a t i o nn u i s a n c ec a u s e db yt h eh i g h s p e e dr a i li n d e 城l s s e c o n d l y ，i ts t u d i e st h es t r u c t u r e so ft r a d i t i o n a lt r a e ka n dh i g h - s p e e dr a i l w a yt r a c k , a n d a n a l y s e st h ec a u s e so f t r a c kv i b r a t i o na n dn o i s e t h i r d l y ，i ta n a l y s e st h et e c h n o l o g yo fm o d e m v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，a n dt h e nd e s i g n sa v i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g ya n du s b2 0i n t e r f a c e 。 t h es y s t e m , w i m8 9 1 - 2v i b r o m e t e ra sv i b r a t i o ns e n s o rt oa c q u i r et h es i g n a l so nt h et r a c k ，a n d l p c 214 8a sac e n t r a lc o n t r o lc h i p ，a c h i e v e sas i n g l e c h a n n e l 16c h a n n e l s ，16h i g h - s p e e d ， h i g h - p r e c i s i o nc o n t i n u o u sa c q u i s i t i o n f o u r t h l y ，i ts y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t n n n e n t , t h e nd e s i g n s a p p l i c a t i o ns o f t w a r es u c c e s s f u l l yb yu s i n gl a b v i e w ，a n da c h i e v e st h ea n a l y s i so fa c q u i s i t i o n s i g n a l si nt i m ed o m a i n ，a n a l y s i so ff r e q u e n c yd o m a i n , r e a l t i m ed i s p l a ya n d d a t ap l a y b a c k 。 f i n a l l y ，t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h eu s b 2 0i n t e r f a c ep r o t o c o l ，c o m p l e t e st h e p r e p a r a t i o no ft h ee m b e d d e dp r o g r a m ，u s e sn i v i s at og e n e r a t et h eu s bi n t e r f a c ed r i v e r ， 离逮铁路轨道振动监测系统的研究与实现 s u c c e s s f u l l ya c h i e v e st h ed a t ac o m m u n i c a t i o na n de f f e c t i v e l yi m p r o v e st h et r a n s m i s s i o n s p e e d t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h i sm o m t o r i n gs y s t e m ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fs t a b l e p e r f o r m a n c e , f a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d ，a n d 媳hp r e c i s i o no fs i g n a l - a c q u i s i t i o n , i ss u i t a b l ef o r e n g i n e e r i n gm o n i t o r i n go ft h ev i b r a t i o n o i lt h er a i lt r a c k ，a n dh a sac e r t a i np r a c t i c a la n d p r o m o t i o n a lv a l u e k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；t r a e k ：v i b r a t i o n ；v i b r o m e t e r ：l p c 2 1 4 8 兰州交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 课题的背景和意义 1 。1 。1 课题的提出 铁路是我国主要的交通运输方式之一，随着国民经济的发展，以及由于其他运输方 式的竞争，中霆铁路已经跨入了以“高速客运、重载货运”为特征的时代l l j 。2 0 0 8 年， 国务院根据我国铁路交通建设需求，对原有的中长期铁路网规划作了相应的调整， 规划明确了我国未来1 0 年铁路的发展方向：即到2 0 2 0 年，我国铁路薷业里程应达 到1 2 万公里以上，建设高速铁路1 6 万公里以上。 作为铁路和地铁主要技术装备之一的轨道，是行车的基础，其作用是引导机车车辆 平稳、安全运行，直接承受来自车轮的载荷，并将载荷传递绘路基、桥隧等建筑物。列 车在线路上运行时，轮轨闻的冲击彳乍用将弓陡；轨道振动，振动波通过轨道基础传递到周 围的地层，经过大地向四周传播，激发周边建筑物产生振动，并进步诱发室内结构的 二次振动和嗓声。高速列车在运行过程中产生的噪声辐射会对沿线建筑物及居民区产生 很大的影响。 随着列车速度的不断提高，列车对轨道和地面的动力作蔫也相应加大，在高速列车 运行的条件下，这种现象尤其严重。研究表明，当列车速度达到或超过某种临界速度时， 高速列车将诱发地面波引起轨道结构的强烈振动，其后采是影响列车运行的安全性和舒 适性，严重时将造成列车脱轨。同时，通过道碴和路基的传播还将弓| 起轨道线路周边建 筑物的强烈振动和结构噪声翱。过量的噪声和振动将严重影螭人们正常的工作和休息、 损害身心健康、降低工作效率，还会使振动物体产生疲劳损坏，减少使用寿命。高速列 车诱发地面波与轨道强振动已经引起匿际学术赛和各雷政府的密切关注。瑞典的 m a d s h u s & k a y n i a ( 1 9 9 8 ) 在x 2 0 0 0 高速列车上通过试验得出结论：高速列车诱发轨道结 构强烈振动时的动力系数可高达茏常情况下的l o 倍【2 】。可见，行车速度是诱发轨道强振 动的关键因素之一。国际上已把振动噪声列药七大环境公害之一，发布了环境嗓声绿皮 书并对交通环境振动与振动噪声给予了充分叙述1 3 j 。近年来，我国商速铁路和城市轨道 交通迎来了极大的发展空间，与此圊时，振动和噪声问题也弓l 起了各方面的关注，如果 不加以有效的控制，英污染将成为制约高速铁路发展的重要因素。中华人民共和国环 境嗓声污染防治法第三十九条明确规定应当减轻因铁路运行造成的环境噪声污染。 高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现 1 1 2 课题的意义 振动与噪声测试技术是关系到高速铁路安全运营的关键技术之一，为了适应列车的 高速运行，监测并研究轨道的振动信号，就显得尤为重要，并具有一定的现实意义。 ( 1 ) 为轨道设计合理的减振降噪方案提供科学的方向性指导。监测系统通过采集、 分析和处理振动信号，自动完成振动信号频谱图的绘制。频谱图非常直观地展示了由振 动产生的噪声信号主要集中的频率范围和频率特性，人们可以针对这些振动和噪声的主 频范围采取相应的处理措施，从而达到减振降噪的目的。 ( 2 ) 为轨道振动的理论研究提供科学的实测数据。振动测试与理论计算是解决振动 问题的两种手段。然而，在工程实际工作中，我们面对的现场环境要比实验环境更为恶 劣，需要解决的问题往往会很复杂、很繁琐。这种情况下，通过分析计算可以解决许多 结构振动方面的问题，但所依据的模型和边界条件却很难完全符合实际情况，仅靠现有 的振动理论和计算方法作分析判断就显得力不从心。通常在进行理论分析计算前，要进 行调查研究或振动试验，以作实际观察，提炼出简化的计算模型，而此计算模型是否反 映事物的本质又需要通过试验来验证。此外，各种不同的计算方法往往也需要通过试验 来确定其是否可靠，并为提出更合理的计算理论提供依据；而在计算时需要的一些参数， 如固有频率、阻尼、刚度等，则需要通过现场试验来获得。在研究结构产生振动的原因 及其规律时，除了理论分析之外，进行振动测试是一个不可或缺的重要手段。 ( 3 ) 为高速铁路系统的设计和改进提供科学的依据。通过对高速铁路轨道振动的监 测以及对振动信号的分析处理，可以对轨道的动力学性能进行评估。在设计过程中，振 动和噪声试验用于检验计算方法的可靠性或改进计算方法；在新设备建成后，通过振动 和噪声测试可以鉴定其性能，建立动力模型，为高速铁路系统的设计和改进提供重要依 据。 1 2 高速铁路发展概况 1 2 1 世界高速铁路的发展历程 世界上第一条高速铁路于1 9 6 4 年1 0 月在日本问世，全名为日本东海道干线，全长 5 1 5 4 公里，运行速度达到2 1 0 公里d , 时，日均运送旅客3 6 万人次，年运输量达1 2 亿 人次。这条专门用于客运的电气化、标准轨距的双线铁路，代表了当时世界第一流的高 速铁路技术水平。高速铁路自诞生以来，经历了三次建设高潮，形成了四种不同的模式， 即日本的新干线模式、法国的t g v 模式、德国的i c e 模式和英国a p t 模式。1 9 6 4 年 1 9 9 0 年是世界高速铁路发展的初期阶段，主要由发达国家日本、法国、意大利和德国推 动了这一次建设高潮。总建设里程3 1 9 8 公里，历时3 2 年完成。上世纪8 0 年代末至9 0 兰州交通大学硕士学位论文 年代中期，世界各国尤其是欧洲发达国家在借鉴日本高速铁路成功案例的基础之上，对 高速铁路相继投入了极大的关注并付诸实践。欧洲的法国、德国、意大利、西班牙、比 利时、荷兰、瑞典和英国等最为突出。这一阶段，世界高速铁路总的建设里程为1 4 2 6 公里。自上世纪9 0 年代中期至今，世界各国掀起了高速铁路建设的第三个高潮，这次 建设高潮涉及到亚洲、北美、大洋洲以及整个欧洲，形成了世界交通运输业的一场革命 性的转型升级。迄今为止，全球投入运营的高速铁路近2 5 万公里，分布在中国、日本、 法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典、英国、韩国、中国台湾等1 7 个 国家和地区。高速铁路以其速度快捷、安全可靠、节能环保、经济实惠、运载量大等优 势已经成为世界交通业发展的重要趋势【4 j 。 图1 1 日本j r 新干线高速铁路 图1 2 法国巴黎到里昂的高速铁路 高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现 图1 3 “欧洲之星”高速铁路 1 2 2 中国高速铁路的发展概况 1 8 7 6 年，中国第一条铁路诞生。然而，同其他国家相比我国铁路无论是运营里程， 还是技术水平、装备质量等方面都相差甚远。改革开放以来，国民经济持续高速发展对 于交通运输的巨大需求常常得不到满足，铁路运输业沦落为瓶颈产业。发展高速铁路不 仅适合我国国情，而且是我国铁路走向复兴的需要与选择，是国家为进一步提升铁路行 业建设、制造、运营、维修和管理水平作出的战略决策。 1 9 9 7 年4 月1 日，我国开始第一次铁路大提速，在随后的1 0 年中，又持续实行六 次大提速。第六次提速以后既有线列车最高运营速度提高到了2 0 0 k m h ，部分区间达到 了2 5 0 k m h ，全国铁路时速2 0 0 k m 及以上线路里程达到6 0 0 3 k m ，其中速度2 5 9 k m h 的 线路延展长度达到8 4 0 k m 。它的成功实践为我国高速铁路的建设奠定了技术基础，大大 加速了中国铁路的现代化进程。 2 0 0 4 年1 月，国务院批准了中长期铁路网规划，确定了“扩大规模、完善结构、 提高质量、快速扩充运输能力、迅速提高装备水平”的铁路网发展目标。为了进一步适 应国民经济和铁路交通发展的需要，国务院子2 0 0 8 年对铁路网规划进行了调整， 中 长期铁路网规划( 2 0 0 8 年调整) 规划到2 0 2 0 年将建成1 6 0 0 0 k m ，时速2 5 0 k m 以上的 高速铁路；全国铁路营业里程达到1 2 0 0 0 0 k m 以上，复线率和电化率分别达到5 0 和6 0 以上，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平 【5 】。在“十一五”期间，中国铁路将建成7 0 0 0 k m 世界上最大的高速铁路网；到2 0 1 2 年 将建成1 2 5 0 0 k m 的高速铁路，其中时速2 5 0 k m 的高速铁路6 0 0 0 k m ，时速3 5 0 k m 的高 速铁路6 5 0 0 k m ；京哈、京沪、京广、沿海通道、沿江通道、沪昆通道、东陇海、青太 兰州交通大学硕士学位论文 等高速铁路构成“四纵四横”高速铁路网的基本构架，城际高速铁路覆盖环渤海、长三 角和珠三角经济圈。 2 0 0 7 年，国产和谐号动车组批量下线，其时速达到2 5 0 k m ，完全自主知识产权。2 0 0 8 年8 月1 日，京津城际铁路投入运营，最高运营速度达到3 5 0 k m h ，代表我国目前高速 铁路技术的最高水平。京津城际铁路的开通意味着国内高速铁路建设迈向了一个新的台 阶，也标志着我国高速铁路跨入了世界先进领域1 6 j 。 图1 4 中国京沪高速铁路 1 3 高速铁路引起的振动公害 随着既有铁路的大提速以及高速铁路的快速发展，动力结构也朝着高速化、复杂化、 轻量化的方向发展，由此带来的工程振动和噪声问题显得尤为突出，社会公众更加关心 铁路沿线特别是城市周围的轨道振动与噪声问题。高速列车引起的振动公害不仅影响沿 线居民的正常生活和工作，还会对周围的建筑物、交通车辆以及精密仪器的使用造成一 定程度的损害。 1 3 1 对人体的影晌 众所周知，人体对振动的感应是由振动信号的频率来确定的。实验研究表明，人体 的各部分组织都有其固有频率。例如，人全身固有频率约为6 h z ，腹腔约为8h z ，胸腔 约为2 1 2 h z ，头部约为1 7 - - 2 5 h z 。当外界激励的振动频率接近或等于人体各部分组 织的固有频率时，会引起人体的共振，使人体器官受到影响或损害。表1 1 列出了人体 高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现 对不同振动级和噪声级的反应，该表是美国联邦铁路管理局制定铁路环境振动标准的依 据。 表1 1 人体对地面振动诱发的不同噪声级和振动级的响应 振动试验表明，振动强度愈大，对人体造成的损害也愈大。铁道部卫生研究所通过 对我国几个典型城市铁路环境振动的现场实测，考察铁路沿线居民区受列车运行引起的 环境振动污染现状。针对铁路沿线共1 9 1 6 名居民进行的调查表明：8 0 d b 的振动强度己 经使5 0 左右的居民产生“高度烦恼”【7 j 。2 0 0 4 年9 月底，北京地铁沿线4 0 0 0 多户居 民投诉地铁运行时产生的振动和噪音严重干扰了他们正常的生活和工作。2 0 0 6 年底，中 国台湾高速铁路通车运营后，列车行驶产生的振动噪声严重影响了沿线居民的正常生活 和人体健康。七成以上居民表示晚上8 1 2 时受到高速铁路振动噪声的影响，并表示已 经影响到其睡眠休息；半数以上居民期望能加强隔音减振措施，并由政府制订符合居民 主观意识的管制标准。日本环境厅对新干线附近1 0 0 0 户居民进行了振动公害调查，结 果表明，当振级达到6 5 d b 时，居民投诉率为3 0 ；当振级达到7 0 d b 时，居民投诉率 为4 0 ；当振级达到7 5 d b 时，居民投诉率为5 0 1 7 j 。 1 3 2 对建筑物的影响 高速列车运行时产生的振动经过周围地层的传播，会对沿线的建筑物造成一定的影 响，同时还会引起周边建筑物的二次振动。这种振动的振幅和能量都比较小，虽然不会 像地震那样对建筑物造成直接危害，但由于其反复性和持续性的特征，其对建筑物的静 力状况会产生一定程度的影响。从而破坏建筑物的结构特性，引起建筑物结构的动力疲 兰州交通大学硕士学位论文 劳和应力集中，增加建筑物基础不均匀沉降，加剧已有的裂缝。常见的现象表现为：基 础下沉或不均匀下沉、墙皮裂缝或剥落、石块滑动、地板裂缝、建筑物倾斜甚至局部损 坏等，重者可使建筑物倒塌。尤英是对于那些已经受到地震破坏的建筑物，高速列车引 起的振动将可能对其结构产生严重的破坏作用。 另外，对于那些用石材等脆性材料建成的各种古建筑，这种振动的危害将更加严重。 这种微小的振动使石材闻的灰泥如现裂缝，导致石块闻的连接失效，使本来就脆弱的古 建筑结构更加恶化 7 1 。据报道，在我国包括洛阳龙门石窟、西安钟楼、杭州六和塔等吉 建筑在不同程度上都受到列车振动的破坏。为了保护龙f l 石窟，相关铁路线曾改线7 0 0 余米；在布拉格、哈斯特帕斯两地，甚至发生了列车引起的振动诱发古教堂倒塌事件； 在意大利，政府为减小威尼斯水城和比萨斜塔受列车振动的影响，相关的铁路线也曾被 改线。 1 3 3 对精密仪器和设备的影响 高速列车运行时产生的振动对周边工厂、医院、学校、实验室等的精密仪器和设备 会产生一定的影响，而这些精密仪器和超精密仪器设备对使用环境的振动要求比较苛刻， 有些特殊精密仪器设备甚至提出了小于1 , u e ( 1 0 。7 m s 2 ) 微振动控制量级的要求，表1 2 列 出了部分精密仪器对振动的允许值标准【8 1 。 袭1 2 部分精密仪器对振动的允许值标准 振动对精密仪器设备的影响大体上可以归纳为以下三个方面：第一，降低精密仪器 的测量精度，影响其正常运行。剧烈的振动会减少设备的使用寿命，甚至立刻损坏仪器 高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现 仪表。第二，对于一些灵敏度要求很高的控制系统而言，由振动诱发的误动作，使控制 流程发生混乱，严重时还会造成生产事故。第三，对于精密加工，振动会降低加工精度， 使力n - r - 质量无法保证。 随着高速铁路和城市轨道交通的不断发展，铁路网密度不断增加，列车振动所引起 的环境公害对沿线精密仪器设备的使用造成的影响和危害已经成为国内外专家学者研 究探讨的热点，并引起了社会各界和环保部门的高度关注 9 1 【1 3 】。例如，广州市环保所所 处位置交通状况比较复杂，其一侧3 0 m 处有广深高速铁路通过，该所内的仪器设备对使 用环境要求较为严格，使用环境要远离振源【1 4 】。为了保护仪器的正常工作，该所曾对周 围环境振动进行了现场实测和评价，从而确定是否需要采取隔振措施。 1 4 课题研究的主要内容 本课题在对高速铁路及其轨道振动研究的基础上，充分调研了国内外振动监测技术 的发展状况，着重于实现高速铁路轨道振动信号采集和分析系统的研究，论文章节安排 如下。 第一章是绪论，该部分回顾了世界高速铁路和中国高速铁路的发展历程，重点论述 了高速铁路引起的振动公害以及课题提出的背景和意义。 第二章在对传统轨道结构和高速铁路轨道结构研究的基础上，分析了轮轨间的相互 作用力，论述了高速铁路振动噪声产生的机理、声源位置、声源强度和频率范围。 第三章从振动信号的测量和数据采集2 个方面阐述了振动监测系统的技术基础。 第四章和第五章是本文的重点章节。第四章从总体设计方案的制订、测振传感器的 选型、u s b 2 0 总线和嵌入式系统设计5 个方面，详细阐述了下位机系统的实现方案。 第五章利用l a b v i e w 开发平台设计了上位机系统，着重阐述u s b 接口驱动程序的生成 方法、系统总体架构和各功能模块的设计方案。 第六章是系统测试，该部分详细论述了电源测试、u s b 通信测试、采样测试和系统 整体测试的内容、过程和结果。 结论部分既对全文进行了总结，又提出了论文存在的不足和今后继续开展工作的方 向。 兰州交通大学硕士学位论文 2 轨道及轨道振动噪声 2 1 轨道结构 列车运行过程中，轨道是机车平稳、安全运行的基础和保证。轨道直接承受着来自 车轮的载荷，并将载荷传递给路基、桥隧等建筑物。轨道结构应具备足够的强度、冲击 韧性、平顺性和耐磨性，以保证机车车辆达到规定范围内的最大载重和最高时速i l ”。 2 。1 。1 传统孰道结构 从横断面看，传统轨道自上而下出钢轨、轨枕、碎石道床等力学性能不同的材料组 成，钢轨和轨枕用扣件联结成轨排浮铺予碎石道床上。从轨道平面看，钢轨与钢孰用接 头联结零件联结，在站场上还有用于列车转换轨道的道岔。 钢轨位于轨道结构的最上层，它是轨道最重要的组成部件，强度最高。钢轨的功用 是：为车轮提供连续、平顺的滚动表面，引导车辆运行；直接承受来鲁车轮的压力，并 分布传递给轨枕；在毫气化铁路或自动闭塞区段，还兼做轨道电路之用。 钢轨联结是将标准长度的钢轨联结起来，使钢轨联结部分具有与钢轨一样的整体 性，给列车提供连续的滚动表面，承受列车遥过时作用于其上的动荷载，并满足钢轨伸 缩的要求。钢轨联结方式可分为钢轨接头联结和钢轨焊接两种。 轨枕承受着来鲁钢孰的各向噩力，并分布传递给道床。轨枕应具备必要的坚固性、 弹性和耐久性以及抵抗纵向和横向位移的能力，以有效保持轨道的几何形位，尤其是轨 距和轨向。依其材质不同，轨枕可分为木枕、混凝土枕和钢枕等，我国绝大部分线路跫 铺设混凝土枕。 对接扣件是连接钢轨和轨枕的中闻联结零件，由两个分扣件组成。其作用是将钢轨 固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵、横向移动。对接扣伴应具有足够 的强度、耐久性和一定的弹性，有效保证钢鞔与轨枕之闯的可靠联结。 道床是轨道的重要组成部分，是轨道框架的基础。它的作用是承受来自孰枕的压力 并均匀地传递到路基表面；提供轨道的纵、横向阻力，保持轨道的稳定；提供轨道弹性， 减缓和吸收轮轨的冲击和振动；提供良好的排水功能，以提高路基的承载麓力及减少基 床病害。 2 1 2 高速铁路的轨道结构 和传统轨道结构一样，高速铁路轨道结构也是由钢轨、轨枕、扣件、道床和道岔等 部分组成，这些力学性质不同的部件承受列车荷载，它们的工作紧密相关，任何一个轨 高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现 道部件的结构、性能、强度的变化都会影响所有其他部件的正常工作，对高速铁路的正 常行车产生影响。 目前，应用在高速铁路上的轨道结构大体可分为有碴轨道和无碴轨道两种类型。由 于这两种轨道类型自身的优缺点，目前世界高速铁路轨道结构的发展趋势是完善有碴轨 道结构和运用无碴轨道 1 6 1 。 图2 1 高速铁路有碴轨道 图2 2 高速铁路无碴轨道 兰州交通大学硕士学位论文 高速铁路有碴轨道在结构上与普通的有碴轨道没有本质的区别，为了满足高速列车 运行平稳与安全的需要，只是在部件的性能和维修标准上要求更高、更严。为了保证轨 面的高平顺性和高稳定性，对钢轨、混凝土轨枕、扣件、道碴的材质和道床断面尺寸等 也均比普通的有碴轨道严格的多。如为减小枕下作用荷载和增加轨道横向阻力，焉增大 轨枕底部与道床表露接触面积，溅现了重型轨枕和宽轨枕结构形式：为了增大轨枕纵向 支撑的连续性，采用宽轨枕、框架轨枕和纵肉轨枕；为了提高轨道的弹性，在孰下、枕 下和道碴下应用弹性垫层等。 高速铁路无碴轨遂与有碴轨道结构的根本区别在于用塑性、变形小、耐久性好的混 凝土或沥青材料代替了有碴轨道结构中容易磨耗、粉化和破碎的道碴材料。无碴轨道结 构具有以下优点：结构高度低、囊重轻，可降低隧道开挖面积，减少桥梁二裳恒载；轨 道变形缓慢，养护维修工作相对减少；道床整洁美观，避免了车辆高速运行时的道碴飞 溅；其稳定性、平顺性和耐久性与有穗轨道相比均有大幅提高。缺点是初期投资费用高， 嚣l 度较大，孰道弹性较差，振动噪声较大。无碴轨道结构在高速线路上已经得到了广泛 应用，舀本自东海道以后的新干线均以铺设无碴轨道为主，德国在经历多年的有碴轨道 运营后，也提出以无碴轨道为发展趋势的意向。法国、中国台湾等高速线路都大比例的 应用无碴轨道，荷兰、嚣班牙、意大利、韩国等世界各毽也都积极进行无碴轨道的试验 和铺设。我国在客运专线的建设中积极推广和研究开发无碴轨道，在桥梁、隧道和路基 稳定的地段采用无碴轨道。 2 2 轮轨作用力分析 由于轨道所承受的来自机车车辆的荷载具有随机性和重复性，因面在轨道结构的各 部件中产生了非常复杂的应力、变形和其它的动力响应( 振动加速度等) 。此外，轨道 特别是道床，还会不可避免地产生不均匀下沉和残余变形积累，使轨道几何形位发生偏 差，形成各种轨面及方向上的不平顺，增大轮轨之间的相互作用力，加速轨道的破坏， 严重时甚至会造成列车脱轨。 机车车辆作用于轨道上的力大体可分为竖向力垂直于轨面、横向水平力垂 直于钢轨和纵向水平力平行于钢轨l l7 1 ，如图2 3 所示。竖向力起支撑机车的作用， 其主要组成部分是车轮的轮载。轮载是机车车辆静止时同一个轮对的左右两个车轮对称 地作用于平直孰道上的荷载。列车行驶过程中，车轮实际作用于轨道上的竖向力称车轮 的动轮载。动轮载随机车车辆和轨道的构造及其状态以及机车车辆的运动状态面变化。 在轮轨接触点上，除了作用着垂直于轨面的竖向力外，还存在着车轮轮缘作用于轨 头侧面上的导向力和轮轨踏愿上的横向蠕滑力合成的轮轨横向水平力，如图2 4 所示。 高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现 产生横向水平力的原因有：机车车辆在方向不平顺的轨道上运行时，车辆蛇形运动产生 往复周期性的横向水平力；机车车辆运行时在接头死弯、道岔尖轨、辙叉翼轨和护轨等 处的轮轨冲击引起的横向水平力；机车车辆通过曲线轨道时，因欠超高或过超高引起未 被平衡的横向水平力；机车车辆通过曲线轨道时，因转向架转向，使车轮轮缘作用于钢 轨侧面的导向力。 轨道所承受的纵向水平力主要有三个，分别是列车的制动力、钢轨承受的摩擦纵向 力和温度力。当列车停车或减速时，因操纵制动闸瓦对车轮施加强大压力而在轮轨接触 点上产生制止列车前进的力称为制动力。摩擦纵向力是由于列车通过曲线轨道时，因转 向架转向，在轮踏面上产生的作用于钢轨顶面的摩擦力的纵向分力。由于钢轨在受到阻 力约束的情况下，其不能随轨温的变化而自由伸缩，由此在钢轨内部会产生温度力。 l i , - , i i 手一 图2 3 轮轨间的作用力图2 4 轮轨接触点上的作用力 2 3 轨道振动与噪声 在线路的平直道区段，钢轨并不是理想的平直状态，两根钢轨在高低和左右方向上 相对于理想的平直轨道呈某种波状变化而产生偏差，这种几何参数的偏差就称为轨道的 不平顺。轨道几何形状的变化是引起车辆系统各种动态响应的主要原因之一。 列车在轨道上运行时，由于客观存在的轨道不平顺、车轮不圆顺、车辆的蛇形运动 等原因，使轮轨系统产生冲击和振动。轨道在列车荷载的反复作用下，逐渐改变其几何 形位，形成轨道不平顺。轨道不平顺不仅对列车运行的稳定性和舒适度会产生不良影响， 同时作为轮轨系统的激振源，将引起轮轨接触的动作用力，加剧轮轨系统的振动，对设 兰州交通大学硕士学位论文 备造成破坏，严重时甚至会造成脱轨1 8 】。由于不平顺的波长、波深、出现位置都有很大 的不确定性，因此轨道振动及振动产生的荷载是随机的。研究表明，列车行车速度愈高， 机车和轨道的振动强度就愈大，作用于轨道上的动荷载越大，轨道的几何形状越容易发 生变化，轨道及其各部件所承受的交变应力幅度和振动加速度也就越大。世界各国根据 各自的特点和要求，制订了铁路环境的振动要求，如表2 1 所示。 表2 1 各国铁路环境振动限值 随着运行速度的提高，列车轨道振动也随之加剧，这也决定了其相应的噪声特征。 振动与噪声是密切相关、不可分割的两部分，振动由固体介质传播，噪声由空气介质传 播，物体振动时能引起噪声，同样噪声也能引起固体介质的振动，如图2 5 所示。列车 产生的噪声由几部分组成，每一部分噪声都有其产生的机理、声源位置、声源强度和频 率范围等。高速列车的主要噪声源可参照图2 6 所示。 图2 5 轮轨噪声辐射 高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现 图2 6 高速列车的主要噪声源 研究表明，铁路噪声主要有牵引电机和动力设备噪声、轮轨相互作用和轨道结构振 动噪声、车体的空气动力噪声、受电弓噪声以及结构的二次噪声。日本专家通过研究认 为，高速列车的噪声主要由4 部分组成：轮轨噪声、结构噪声、受电弓噪声和车体空气 动力噪声，这四种噪声形成综合噪声l l 圳，其计算公式为： l = 1 0 l o g 。( 1 0 m 7 1 0 + 1 0 z s 7 1 0 + 1 0 l p 7 1 0 + 1 0 2 7 1 0 ) ( 2 1 ) 其中，l 为列车通过时的综合噪声；l r 为轮轨噪声；l s 为结构噪声；l p 为受电弓 噪声；l a 为车体空气动力噪声。 目前，轮轨噪声治理是我国铁路噪声治理的一个主要方面。轮轨噪声有三种主要类 型，即尖叫噪声、冲击噪声和滚动噪声，所有的轮轨噪声都是由车轮和钢轨之间相互作 用产生的振动并向外辐射声波引起。尖叫噪声是指列车沿小半径曲线轨道运行时产生的 强烈噪声。当列车沿曲线运行时，车轮受钢轨约束而不能沿钢轨曲线的切线方向运行， 此时造成车轮沿钢轨滚动时，在钢轨横断面上产生横向滑动，结果使车轮表面上出现粘 着作用和滑行，使车轮在共振情况下产生振动，从而产生了强烈的窄带噪声。冲击噪声 是车轮经过钢轨接缝处或钢轨其它不连续部分及表面呈波纹状钢轨时所产生的噪声。当 车轮撞击这些不连续部位时，就会在垂直速度上产生瞬时变化，这一变化可以导致轮轨 接触面产生一个巨大的力，从而激励车辆和钢轨振动，辐射出强烈的噪声。滚动噪声是 当车轮踏面凹凸不平时，沿连续焊接钢轨切线处发出的主要噪声。当车轮在钢轨粗糙面 上滚动或遇到小坑及伤痕时就跳起来，然后冲击钢轨，结果使钢轨与车轮间产生受迫振 动从而产生轰鸣声。 兰州交通大学硕士学位论文 研究表明，车轮噪声峰值约在1 - - 2 k i - i z 范围内，属于高频噪声；钢轨噪声峰值约 在5 0 0 h z - 1 k h z 范围内，属于中、低频噪声；滚动噪声峰值在5 0 0 h z - 1 k h z 范嗣内， 主频集中在5 0 0 h z 左右，以中、低频成分为主；尖羁q 噪声的频率集中在4 - 6 k h z 高频 范围内。 高速铁路轨道振动监测系统的研究与实现 3 振动监测系统的技术基础 3 1 振动测量技术基础 3 1 1 振动的类型及特征 振动是物质运动的一种形式，它是指运动的某个参量在某一基准值附近作随时间反 复增减的振荡现象【2 0 】。工程实际中遇到的振动形式多样，在研究和分析时往往要加以归 纳分类，根据其规律归纳出它们的共性。分析研究的出发点不同，分类的方法也就不同。 例如在振动理论中常把物体的振动分成单自由度振动、多自由度振动和弹性体振动；从 其运动规律看，又可分成自由振动和强迫振动；从振动特性看，又常分为线性振动和非 线性振动等。而振动测量是在某些特定条件下量测被研究对象的某些振动参数，其结果 可用数学表达式或图表来表示。此外，还可以用更为直观的图示方法来表示，常见的有 振幅频谱图、相位频谱图、自功率谱、能量谱等。 通常把机械振动按信息与数据的形式分为确定性振动和随机振动两大类。 确定性振动也称定型振动或有规则振动，它的运动规律可以用精确的数学表达式加 以描述。如果重复作试验，只要一切条件完全相同，并且不考虑仪器的偶然误差，则可 以得到完全相同的试验结果。确定性振动又可分为周期振动和非周期振动两类。周期振 动可用数学表达式表示，它还可以进一步分为简谐振动及复杂周期振动两类；非周期振 动又可分为准周期振动及瞬变振动两类。对于确定性振动，通常要确定其主要谐波分量 的频率值及其对应的幅值。 随机振动是一种非确定性振动，它普遍存在于各个方面。例如车辆在不平整的路面 上行驶时产生的振动，风、地震作用于建筑物产生的振动，海浪引起海上建筑物的振动 等，高速铁路的轨道振动属于随机振动。随机振动可分为平稳随机过程和非平稳随机过 程两类，平稳随机过程又可分为各态历经过程和非各态历经过程。这种振动的共同特点 是：振动的瞬时值是无法精确预测的。此外，即使在相同的条件下重复做多次试验，也 不会出现完全相同的结果。随机振动是由连续分布在一定频带内所有频率上的正弦波组 成，故它的频率谱是在一定频率范围内的连续谱。随机振动虽然无法用精确的数学关系 式来描述，但是在大量的观测中，随机振动在任何一段时间的状态都具有一定的统计规 律性，利用概率论中的随机过程理论来描述这种规律性，是随机振动理论的一个重要方 面。随机振动可用概率统计特性参数平均值、均方值、均方根值、幅值概率密度函 数、相关函数、功率谱密度等来描述【2 1 j 【2 2 】。 兰州交通大学硕士学位论文 3 1 ，2 振动的测量方法 所谓振动，实际