鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)

■ 劉伶萍 戚妍娟 蔣曙光 甄宇峰 楊愛紅

1 概述

鋼軌波浪磨耗是鋼軌頂面沿縱向分布的周期性類似波浪形狀的不平順現(xiàn)象，是產(chǎn)生噪聲和引起輪軌相互作用力變化的主要原因之一。目前工務段尚無檢測鋼軌波浪磨耗的專門儀器，主要靠技術人員觀察，憑經(jīng)驗判斷。典型磨耗波形出現(xiàn)后，用平尺或塞尺測量復核，這時波浪磨耗往往已達0.3 mm以上?，F(xiàn)場對鋼軌波浪磨耗的處理方式主要是打磨，打磨車每次的打磨能力為0.1～0.2 mm。由于鋼軌波浪磨耗發(fā)現(xiàn)時已較嚴重，需要多次打磨，打磨成本很高，且有時打磨不到位，并未完全消除波浪磨耗，導致以后運行中波浪磨耗會很快發(fā)展，最終只能換軌。

鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）是安裝在檢測車上對鋼軌波浪磨耗進行動態(tài)在線檢測的裝置，采用慣性基準法原理，在列車運行過程中對安裝在軸箱上的加速度信號進行在線處理和分析，最終輸出代表鋼軌波浪磨耗狀況的RMS值。

2 系統(tǒng)功能及原理

系統(tǒng)采用慣性基準法原理，對加速度信號進行兩次積分得到位移，系統(tǒng)在QNX實時操作系統(tǒng)平臺下實現(xiàn)對原始加速度信號的等距離采樣、積分、濾波、顯示和存儲，同時通過串口和兼容接口協(xié)議實現(xiàn)檢測過程中里程的自動修正。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、可靠性好、實用性強的優(yōu)點。

在波浪磨耗幾何參數(shù)合成處理計算中，采用解偏、積分和濾波相結(jié)合的方法。加速度信號經(jīng)二階模擬低通濾波器抗混疊處理后，進入A/D采樣，采用解偏濾波器去除原始信號中容易引起積分飽和的低頻成分，然后進行數(shù)值積分運算，最后，通過數(shù)字高通濾波器截取需要的可測波長范圍。數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

2.1 解偏濾波

解偏濾波器的作用主要是去除原始信號中容易引起積分飽和的低頻成分，如加速度安裝方向不垂直所產(chǎn)生的直流量、長波長的變化、信號漂移等。解偏濾波器的系統(tǒng)函數(shù)如下：

在z=1處設置一個零點，在z=1附近設置一個極點，以實現(xiàn)截頻極低的高通數(shù)字濾波，ωd的大小決定了過渡帶的衰減特性和過渡帶寬。根據(jù)要求的波長范圍選擇合適的ωd。解偏濾波器在不同ωd下的頻率響應曲線見圖2。

2.2 數(shù)字積分

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

圖2 解偏濾波器在不同ωd下的頻響曲線

對于實測的加速度信號采用數(shù)字積分的方法，即把信號波形分成適當數(shù)量的小區(qū)間，在這些小區(qū)間里用常數(shù)（矩形法）、一次方線形曲線（梯形法）或拋物線（辛普生法）代替小區(qū)段，計算小區(qū)間的面積，然后把這些面積逐個累加，求得不同時刻的積分數(shù)值，描繪出積分變換后的新的波形。系統(tǒng)采用二次插值多項式進行積分運算。設從第1個到第n個采樣點的加速度值為a（1）、a（2）、……、a（n），對應采樣點的積分分別為s（1）、s（2）、……、s（n），Tn為第n個采樣點與第n-1個采樣點之間的時間間隔，則：

由零極點分布可知，傳遞函數(shù)有z=1的極點，這就是造成積分飽和的原因。因此，在積分時需要結(jié)合解偏濾波器選擇合適的ωd，使結(jié)果的漂移值較小。

2.3 高通濾波

高通濾波器V（z）的功能為濾除長波長，截取需要的波長范圍，保證檢測精度。為此，設計了一個3階低通數(shù)字濾波器U（z），用來提取不需要的長波長信號。其系統(tǒng)函數(shù)如下：

然后再采用一個全通濾波器UAP（z），由下式得到V（z）：

根據(jù)試驗及標定選擇合適的k值，可以選取特定的可測波長范圍，圖3為系統(tǒng)傳遞函數(shù)。即將加速度計安裝在振動臺上，給出不同振動幅值及頻率，用信號發(fā)生器的信號代替實際運行時的速度傳感器信號，對應不同速度，在一定波長范圍內(nèi)，將系統(tǒng)的輸出值與給定輸入振動幅值作比較，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。由圖3可知，在通帶內(nèi)，系統(tǒng)增益等于1±10%。

3 系統(tǒng)組成

鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)由傳感器、預處理裝置、采集計算機、數(shù)據(jù)處理計算機、應用軟件等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

原始傳感器收集檢測列車左、右軸箱的振動加速度信號，預處理裝置對原始傳感器信號進行調(diào)零、放大、抗混疊濾波，QNX實時采集計算機對經(jīng)過預處理后的原始傳感器信號進行等距離采樣、數(shù)字積分和濾波處理，采用速度傳感器信號進行速度和里程計算，數(shù)據(jù)處理計算機的主要功能是接收通過網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、按照評價標準摘取超限數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫、輸出超限報表、顯示波形圖、歷史波形數(shù)據(jù)對比等。

4 技術特點

鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)是應用慣性法原理、運用空間數(shù)字濾波技術和計算機技術研制的、安裝在檢測列車上的動態(tài)在線檢測系統(tǒng)，主要技術特點如下：

（1）采用慣性法原理，將檢測系統(tǒng)安裝在檢測列車上，實現(xiàn)了動態(tài)在線檢測鋼軌波浪磨耗。

（2）采用數(shù)字積分及濾波技術，正確選取可測波長，使輸出結(jié)果在可測波長范圍內(nèi)傳遞函數(shù)接近于1，并滿足一定的檢測精度，消除了列車速度和運行方向?qū)z測結(jié)果的影響。圖5為系統(tǒng)在不同波長下的傳遞函數(shù)速度相關性測試曲線（僅選取2種波長）。由圖5可知，在不同的速度下，系統(tǒng)的增益波動很小，即檢測結(jié)果不受速度變化的影響。

（3）系統(tǒng)采用多任務并行處理技術，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、傳輸、顯示、報表輸出等多項任務的同時處理。

圖3 系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

（4）采用網(wǎng)絡和計算機信息處理技術，實現(xiàn)波浪磨耗檢測數(shù)據(jù)的信息化處理。如對結(jié)果進行顯示和存儲、按里程輸出波形圖、通過網(wǎng)絡傳輸波形數(shù)據(jù)、按照不同檢測標準把超限數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫、報表輸出、歷史數(shù)據(jù)對比等。

（5）實現(xiàn)了里程信息的自動修正。利用串口和里程接收軟件解析探傷系統(tǒng)發(fā)來的里程信息，進行里程的自動修正。里程信息精確到小數(shù)點后3位，不僅解決了檢測過程中的里程偏差問題，同時也實現(xiàn)了探傷車上各檢測系統(tǒng)里程信息的統(tǒng)一。

5 系統(tǒng)應用

鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)研制完成后，安裝在檢測列車上應用，并進行了現(xiàn)場復核，復核結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠較好的反映鋼軌波浪磨耗狀況。圖6為系統(tǒng)檢測出的鋼軌波浪磨耗產(chǎn)生地點，在現(xiàn)場用平直尺針對磨耗處進行了靜態(tài)測量，總體復核結(jié)果較好。

目前系統(tǒng)已在西安鐵路局GTC-302、武漢客運專線基礎設施維修基地TS02、蘭州鐵路局GTC-304、北京鐵路局GTC-303、鐵道部基礎設施檢測中心GTC-301等檢測列車上安裝應用，經(jīng)過系統(tǒng)驗收和用戶長期檢驗，系統(tǒng)在各項性能指標及重復性和可靠性方面均達到了預期要求。系統(tǒng)的應用能為鋼軌打磨計劃的制定提供科學依據(jù)，同時也能為制定波浪磨耗評價體系提供大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。圖7為2次檢測結(jié)果的波形對比圖，可以看出系統(tǒng)具有良好的重復性。

圖5 不同波長下系統(tǒng)傳遞函數(shù)的速度相關性曲線

圖6 現(xiàn)場波浪磨耗情況

圖7 2次檢測結(jié)果的重復性對比圖

6 結(jié)論

鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、方便直觀，不僅解決了多任務并行處理、等距離采樣、數(shù)據(jù)存儲、波形圖對比、超限數(shù)據(jù)入庫、里程自動修正等技術難點，同時還為定性評價鋼軌波浪磨耗、輔助評價旅客乘車舒適度、合理利用檢測數(shù)據(jù)指導鋼軌打磨奠定了良好的基礎。

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