[发明专利]一种浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法

权利要求书

1.一种浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先,通过有限元建模和摩擦纳米发电机理论计算，得到多个位置使用多个不同初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与浮置板橡胶支座刚度的规律；

其次,选择规律有明显单调性的位置，在实际运营轨道的浮置板下方安装摩擦纳米发电机，其初始间隙同样应使得其输出信号与橡胶支座刚度有明显单调性规律；

最后，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信号，与所述多个位置使用多个不同初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与浮置板橡胶支座刚度的规律对比，推算浮置板橡胶支座刚度；

具体包括如下步骤：

步骤1、不同橡胶支座刚度下的浮置板位移响应计算：

建立列车-钢轨-浮置板-衬砌耦合计算有限元模型，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；浮置板采用柔性实体模型，橡胶支座采用离散分布的弹簧阻尼单元，与刚性接地的衬砌直接相连；钢轨状态理想；

通过列车-钢轨-浮置板-衬砌耦合计算有限元模型进行计算，获得不同橡胶支座刚度下的浮置板位移时程曲线z(t)，包括浮置板多个监测位置；

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/ε_r1+d₂/ε_r2为有效厚度常数，d₁、d₂分别为尼龙和PTFE的厚度，ε_r1、ε_r2分别为尼龙和PTFE的介电常数；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)为监测位置的浮置板位移，A为摩擦对的初始间隙；

采用数值积分的方式，可以得到在浮置板监测位置的多种初始间隙的摩擦纳米发电机的输出信号与橡胶支座刚度的关系；选取输出信号与橡胶支座刚度具有明显单调性规律的安装位置及初始间隙的组合，绘制电压-橡胶支座刚度曲线；

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浮置板与衬砌之间，安装位置包括浮置板多个监测位置，初始间隙取多种，并且所述安装位置和初始间隙应在为步骤2所计算输出信号与橡胶支座刚度具有明显单调性规律的组合；定期在非运营时段使用巡检车进行定速巡检，巡检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；

提取巡检车经过的浮置板下摩擦纳米发电机的输出信号，将其电压值绘制在步骤2中所述电压-橡胶支座刚度曲线，并找到对应橡胶支座刚度，得到单个监测器件所测得橡胶支座刚度；将单块浮置板下多个监测器件所测得支座刚度取平均值，得到单块浮置板橡胶支座刚度；记录每次所测得橡胶支座刚度，绘制橡胶支座刚度-时间变化曲线，评判橡胶老化历史，根据评判指标决定是否维修更换橡胶支座。

2.根据权利要求1所述的浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法，其特征在于：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，放置于浮置板与衬砌之间，位于浮置板多个监测位置；工作原理是：列车经过引起浮置板的往复振动，当浮置板发生竖向下位移时，浮置板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；之后浮置板位移竖向上回复，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；当浮置板下橡胶支座发生老化时，橡胶支座竖向刚度会增长，从而引起浮置板在列车经过时的位移幅值发生变化，摩擦纳米发电机产生的电信号也相应变化；根据电信号，推测橡胶支座的刚度，并检测橡胶老化程度。

3.根据权利要求2所述的浮置板橡胶支座老化引起刚度增长的监测方法，其特征在于：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。