铁路轨道动力响应监测系统开发与应用

论文摘要

随着经济的发展，人们对生活质量的要求越来越高，在选择列车出行方面，人们要求列车不仅能平稳舒适，而且能方便快捷。经过工程师们和研究人员等的不懈努力，现今列车的运行情况基本能够满足以上要求。然而，随着列车速度的提高，列车的行车事故却频繁发生，这些安全问题越来越受社会关注。因此对于列车行车安全的监测显得尤为重要，而对铁路轨道动力响应的监测是监测列车安全的关键，是保证列车行车安全的重要环节。本文所做的主要工作是基于LabVIEW虚拟仪器编程环境建立一套铁路轨道动力响应的监测系统。该系统主要监测对象为轮轨力应变信号，通过轮轨力应变信号来计算轮轨力，进而得到脱轨系数和轮重减载率等列车行车安全评价指标。该系统主要实现的性能主要有：实时性，即系统能够实时的监测到轮轨力应变信号，并且能够通过快速的计算，得到轮轨力和相关指标；准确性，即对于所测得的信号，系统应该有一定的程序对其进行处理，使得处理后得到的结果能够与理论一致。该系统主要实现的功能为：参数设置、示波、数据采集、数据储存、数据分析。在开发本系统时，本文主要做了以下研究：（1）研究了基于电阻应变片的轮轨力测试方法，包括横向力测试方法和垂向力测试方法，其中横向力测试方法主要有剪应力法、轨底内外缘纵向应力差法、轨腰弯曲法、轨腰弯矩差法，垂向力测试方法主要有剪应力法、轨腰压缩法，在经过对比分析后发现，测试这两种力的最佳方法为剪应力法。（2）研究了基于小波变换的轮轨力应变信号去噪方法。基于电测法的轮轨力应变信号会夹杂着一定程度的噪声，在LabVIEW环境当中，利用离散小波变换的方法能够对信号进行相关处理，主要包括消除基线漂移、消除宽带噪声、提取信号特征，经过以上处理，可以准确的检测到轮轨力应变峰值，进而算得轮轨力。（3）基于LabVIEW编程软件研究了本系统的程序设计方法，该程序主要包括前面板设计和程序框图设计，本文在前面板设计了一个简洁明了、操作简便的交互式界面，用户只需用鼠标点击前面板上的几个控件便能完成对整个系统功能的操控；而在程序框图中，本文设计了事件处理循环、UI消息循环、数据采集循环、数据显示循环、数据储存循环和数据分析循环，这些循环主要完成控件事件的创建以及相关功能的处理，除此之外还创建了若干个消息队列和数据队列，消息队列完成了事件消息在各循环中的通信，数据队列完成了数据在各数据处理循环当中的通信，通过以上设计，使得前面板中的操作控件所创建的事件能够有序实现。（4）在实验室对所开发的系统进行了实际应用，通过测试发现：1）系统在运行时具有很强的实时性，所采集的应变数据能够实时的显示在前面板中的波形图表当中；2）在系统中编写的数据处理模块对实验数据处理的效果明显，能够很好的消除相关的噪声，并且提取信号特征；3）通过标定系数换算得到的轮轨力与所施加的已知荷载大小相等，因此该系统所测得的结果具有很高的准确性。在以上研究中，基于小波变换的轮轨力应变信号去噪方法和系统的程序设计为本文的创新点。在以往的研究中，小波变换方法主要用于图像处理或心电信号处理等领域，极少用于铁路轮轨力应变信号的处理，本文在LabVIEW环境下利用离散小波变换理论对该信号进行了研究，经过对实验数据处理发现该方法效果明显，能够很好的获得所需结果；系统的程序主要围绕系统的功能而设计，在该程序当中，前面板控件有：参数设置、示波、采集、分析、停止、退出，在程序框图中对这些控件事件赋予响应值，并且通过消息队列和数据队列的通信，使得该程序能够依次实现数据的采集、储存和分析等功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文工作和文章的结构安排
• 第二章 铁路轨道动力响应监测系统设计理论
• 2.1 铁路轨道动力响应监测系统的动力理论
• 2.1.1 垂向力
• 2.1.2 横向水平力
• 2.1.3 脱轨系数
• 2.1.4 轮重减载率
• 2.2 铁路轨道动力响应监测系统的总体设计
• 2.2.1 系统需要实现的功能
• 2.2.2 系统需求分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统的软硬件
• 3.1 系统的软件
• 3.1.1 LabVIEW 简介
• 3.1.2 虚拟仪器 VI
• 3.2 系统的硬件
• 3.2.1 硬件简介
• 3.2.2 硬件特性
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于电阻应变片的轮轨力测试方法
• 4.1 轮轨垂向力测试方法
• 4.1.1 剪应力法
• 4.1.2 轨腰压缩法
• 4.1.3 轮轨垂向力测试方法比较分析
• 4.2 轮轨横向力测试方法
• 4.2.1 剪应力法
• 4.2.2 轨底内外缘纵向应力差法
• 4.2.3 轨腰弯曲法
• 4.2.4 轨腰弯矩差法
• 4.2.5 轮轨横向力测试方法比较分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 数据处理方法
• 5.1 小波变换理论
• 5.1.1 小波变换与傅立叶变换的比较
• 5.1.2 连续小波变换
• 5.1.3 离散小波变换
• 5.1.4 多分辨率分析
• 5.2 消除基线漂移
• 5.2.1 数字滤波器法
• 5.2.2 离散小波变换方法
• 5.3 消除宽带噪声
• 5.4 信号特征的提取
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统的程序设计
• 6.1 程序的需求分析
• 6.2 程序的前面板设计
• 6.3 程序的程序框图设计
• 6.3.1 程序框图整体设计
• 6.3.2 创建事件处理循环
• 6.3.3 创建 UI 消息循环
• 6.3.4 创建各循环间的通信
• 6.3.5 数据采集循环
• 6.3.6 数据储存循环
• 6.3.7 数据分析循环
• 6.4 本章小结
• 第七章 系统的应用
• 7.1 实验准备
• 7.2 标定
• 7.3 实验过程
• 7.4 实验结果
• 7.4.1 系统的实时性
• 7.4.2 数据分析效果
• 7.4.3 轮轨力计算结果
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要工作回顾与结论
• 8.2 不足与展望
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢