高速鐵路軌道短波病害動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)綜述與展望

支洋

（中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 工電部，100844）

0 引言

軌道結(jié)構(gòu)是整個(gè)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，車(chē)輛運(yùn)行安全性和舒適性要求線路具備高平順性和高可靠性。目前，我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)高鐵線路總里程數(shù)將近4萬(wàn)km，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，軌道在車(chē)輛動(dòng)載荷反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)狀態(tài)將產(chǎn)生變化，微小變形積累到一定程度會(huì)形成軌道不平順，如不及時(shí)整治將演變?yōu)檐壍啦『Α２ㄩL(zhǎng)1 m以下的短波病害，如焊接接頭不良、擦傷、鋼軌波磨等，易引起軌道-車(chē)輛系統(tǒng)的劇烈振動(dòng)，縮短車(chē)輛及軌道部件的使用壽命，增加鐵路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，是危害行車(chē)安全的潛在隱患。

軌道短波病害主要分為2類(lèi)，一類(lèi)是單點(diǎn)沖擊短波病害，如焊接接頭不良、凹坑和軌面擦傷等；另一類(lèi)是連續(xù)周期性短波病害，如打磨痕跡、鋼軌波磨等。軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)的有效檢測(cè)波長(zhǎng)范圍通常在2～120 m，難以評(píng)判波長(zhǎng)1 m以下的短波病害對(duì)高速鐵路軌道-車(chē)輛系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和舒適性的影響，需要研究其他診斷和評(píng)判方法。

軸箱直接與輪對(duì)相連，利用軸箱加速度評(píng)判軌道短波狀態(tài)，不但可直接反映短波不平順激發(fā)的外界力對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響，同時(shí)可以突破軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)波長(zhǎng)限制和人工地面檢測(cè)效率低下的瓶頸，為保障行車(chē)安全、實(shí)現(xiàn)高速鐵路的高效維修與管理提供強(qiáng)有力的理論與技術(shù)支撐。

1 短波狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)框架

利用高速綜合檢測(cè)列車(chē)實(shí)測(cè)的軸箱加速度動(dòng)態(tài)診斷軌道短波病害，技術(shù)框架見(jiàn)圖1，主要包括短波病害動(dòng)力學(xué)仿真、特征提取和動(dòng)態(tài)診斷方法。在短波病害動(dòng)力學(xué)仿真方面，早期采用多體動(dòng)力學(xué)方法建模，模擬短波病害幾何參數(shù)對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響；后來(lái)隨著計(jì)算技術(shù)特別是并行技術(shù)的發(fā)展，能更真實(shí)模擬短波病害形狀和材料非線性的有限元仿真成了首選。利用時(shí)域、頻域、時(shí)頻方法從軸箱加速度中挖掘能表征短波病害的時(shí)域特征，確定帶通濾波的頻率范圍。在短波病害動(dòng)力學(xué)仿真和特征提取的基礎(chǔ)上，利用軸箱加速度的特征指標(biāo)如軌道沖擊指數(shù)，動(dòng)態(tài)評(píng)判軌道短波的平順狀態(tài)。

圖1 高速鐵路軌道短波狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)框架

2 短波狀態(tài)仿真分析

早期Jenkins等［1］利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的輪軌力統(tǒng)計(jì)分析鋼軌焊接接頭不良對(duì)軌道-車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)車(chē)輪經(jīng)過(guò)鋼軌低接頭過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)2個(gè)輪軌力峰值，分別為P1和P2力。P1力持續(xù)時(shí)間較短，主要受鋼軌等效質(zhì)量、列車(chē)運(yùn)行速度以及車(chē)輛系統(tǒng)簧上質(zhì)量影響，為高頻瞬態(tài)沖擊力；P2力持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，主要與軌道系統(tǒng)等效剛度相關(guān)，為中低頻響應(yīng)力，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的破壞較為明顯。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真分析方法包括多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和有限元方法逐漸在軌道-車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析中占重要地位。SUN等［2］利用自主開(kāi)發(fā)的軌道-車(chē)輛系統(tǒng)耦合仿真分析軟件，探索了鋼軌焊接接頭處列車(chē)運(yùn)行速度與輪軌作用力的關(guān)系。

與多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相比較，有限元方法能更準(zhǔn)確模擬軌道短波病害、輪軌材料和接觸非線性對(duì)軌道-車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。Dong［3］利用垂向軌道-車(chē)輛系統(tǒng)有限元模型，得出了車(chē)輛通過(guò)鋼軌低接頭時(shí)P1力和P2力的波動(dòng)規(guī)律。Molodova等［4］利用ANSYS建立三維輪軌有限元模型，探明了鋼軌凹痕與軸箱加速度的關(guān)聯(lián)關(guān)系。于淼等［5］應(yīng)用ABAQUS軟件建立三維高速輪軌非穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型，初步探明了復(fù)合短波病害的形成機(jī)理。

利用有限元方法模擬短波病害對(duì)軌道-車(chē)輛系統(tǒng)影響的基本思路是，先建立軌道和輪對(duì)的幾何模型，通過(guò)修改鋼軌表面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)軌道短波病害建模，接下來(lái)計(jì)算軌道-車(chē)輛系統(tǒng)的靜力平衡，最后采用顯式有限元方法模擬車(chē)輛通過(guò)短波病害區(qū)域的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3 短波病害動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征提取方法

從軸箱加速度中提取軌道短波病害特征的方法包括時(shí)域、頻域和時(shí)頻分析等方法。信號(hào)的時(shí)域特征指標(biāo)主要包括峰值、均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等；頻域分析主要采用傅里葉變換揭示頻率與能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由于輪軌作用是強(qiáng)非線性接觸問(wèn)題，用來(lái)診斷軌道短波病害的軸箱加速度信號(hào)呈現(xiàn)高度非線性和非平穩(wěn)特性。單純的時(shí)域或頻域方法適合于平穩(wěn)信號(hào)，對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)，時(shí)頻分析方法聯(lián)合時(shí)間-頻率表示一維時(shí)間信號(hào)的特征，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)典時(shí)頻分析包括STFT、Wigner-Ville分布、Chirplet變換、EEMD等。2010年Daubechies等［6］提出了同步壓縮小波變換（SST），根據(jù)瞬時(shí)頻率對(duì)時(shí)頻分布進(jìn)行重排。徐曉迪等［7］對(duì)SSTFT進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了脊線提取方式，將零碎曲線連接成完整的頻率曲線。

鋼軌擦傷區(qū)段在列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)接觸應(yīng)力增加導(dǎo)致剪切應(yīng)力也增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)增加鋼軌表面疲勞，并引起鋼軌掉塊等病害。利用改進(jìn)的SSTFT方法對(duì)不同深度的鋼軌擦傷區(qū)段的軸箱加速度進(jìn)行時(shí)頻分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。圖中能量較大的點(diǎn)為焊接接頭對(duì)應(yīng)位置，鋼軌擦傷區(qū)段的軸箱加速度在頻域內(nèi)呈現(xiàn)全頻段的白噪聲特性，這是由于列車(chē)經(jīng)過(guò)擦傷區(qū)域時(shí)輪軌接觸點(diǎn)恰好在引起掉塊的地方，從而產(chǎn)生了沖擊響應(yīng)。同時(shí)，在100～400 Hz之間能量比較集中，這是由于擦傷區(qū)域長(zhǎng)度以及軌面粗糙度較大引起的中高頻響應(yīng)。對(duì)比圖2（a）、圖2（b）可知，擦傷深度為2.5 mm時(shí)產(chǎn)生的沖激響應(yīng)能量要比擦傷深度為1.5 mm時(shí)的大，全頻段的白噪聲特性也比較明顯。對(duì)比圖2（c）和圖2（d）可知當(dāng)綜合檢測(cè)列車(chē)以更高的速度經(jīng)過(guò)鋼軌擦傷區(qū)段時(shí)，速度越大，軸箱加速度的振動(dòng)能量越大。

圖2 不同深度的鋼軌擦傷區(qū)段軸箱加速度時(shí)頻分布

4 短波病害動(dòng)態(tài)診斷方法

如果將輪對(duì)近似地看成是剛性結(jié)構(gòu)，則軸箱的振動(dòng)加速度可直接反映由軌道短波不平順?biāo)鸬耐饨缂_力對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響。因此，許多學(xué)者采用軸箱加速度輔助評(píng)判軌道短波不平順對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。

2004年，日本學(xué)者Sunaga等［8］提出利用軸箱加速度的有效值診斷新干線上的軌道短波病害，發(fā)現(xiàn)軌枕松動(dòng)、軌面粗糙、鋼軌波磨等短波病害對(duì)應(yīng)不同頻段的軸箱加速度，可通過(guò)對(duì)軸箱加速度設(shè)置不同的濾波范圍進(jìn)行診斷。

2016年，Molodova等［9］利用軸箱加速度對(duì)焊接接頭的健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，并給出了定量的評(píng)判指標(biāo)，即尺度平均小波功率譜指標(biāo)（scale-averaged wavelet power，SAWP）。王林棟［10］在借鑒國(guó)內(nèi)外算法的基礎(chǔ)上提出了基于振動(dòng)響應(yīng)的鋼軌波磨快速檢測(cè)方法；當(dāng)線路里程長(zhǎng)且采樣頻率高于1 000 Hz時(shí)，常規(guī)的診斷方法會(huì)碰到計(jì)算量大滿足不了在線應(yīng)用要求的問(wèn)題。劉金朝等［11-12］通過(guò)挖掘軸箱加速度能量指標(biāo)計(jì)算過(guò)程中的遞推映射關(guān)系，提出了快速診斷軌道短波病害的軌道沖擊指數(shù)方法，詳細(xì)過(guò)程可描述如下：

（1）根據(jù)軌道短波病害對(duì)應(yīng)的軸箱加速度的頻率分布特性，取通濾波頻率一般為 ［10，500］Hz，對(duì)實(shí)測(cè)的軸箱加速度進(jìn)行帶通濾波；

（2）利用能量指標(biāo)的遞推映射關(guān)系，快速計(jì)算帶通濾波后的軸箱加速度的移動(dòng)有效值S及其平均值；

（3）計(jì)算軸箱加速度的軌道沖擊指數(shù)TII，定義為軸箱加速度的移動(dòng)有效值S與其平均值的比值；

（4）對(duì)軌道進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，單元長(zhǎng)度一般取為50 m；

（5）提取各單元TII的最大值，記為T(mén)IIe，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的里程信息；

（6）結(jié)合閾值評(píng)判軌道短波狀態(tài)，即若TIIe大于閾值，則診斷軌道短波狀態(tài)不良。

利用軌道沖擊指數(shù)方法對(duì)某線路K1+523附近的軸箱加速度進(jìn)行分析，得到軌道沖擊指數(shù)（見(jiàn)圖3）。軌道沖擊指數(shù)超過(guò)閾值6，診斷該處焊接接頭狀態(tài)不良?，F(xiàn)場(chǎng)復(fù)核發(fā)現(xiàn)鋼軌表面魚(yú)鱗傷嚴(yán)重、同時(shí)存在剝落掉塊（見(jiàn)圖4），驗(yàn)證了軌道沖擊指數(shù)方法能有效診斷鋼軌短波病害。

圖3 某線路K1+523附近的軌道沖擊指數(shù)

圖4 鋼軌剝落掉塊

5 結(jié)論與展望

為了從演變機(jī)理上找到抑制病害發(fā)展的養(yǎng)護(hù)措施，軌道短波病害對(duì)軌道-車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能影響的研究一般采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和有限元方法，相比較而言，有限元方法由于能細(xì)化考慮材料、接觸和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的非線性，能更精確描述短波病害與車(chē)輛響應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在挖掘提取軌道短波特性的時(shí)域、頻域、時(shí)頻分析方法中，時(shí)頻方法因?yàn)槟芡瑫r(shí)提取短波病害發(fā)生的位置和頻率特性而顯得優(yōu)勢(shì)明顯。短波病害的診斷方法的發(fā)展路線是從時(shí)域、頻域、時(shí)頻，然后再回到時(shí)域即軌道沖擊指數(shù)方法。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)軌道短波病害的仿真分析和診斷方法已開(kāi)展了大量研究，但仍有一些深層次的問(wèn)題有待解決。如何結(jié)合數(shù)值仿真方法和信號(hào)挖掘技術(shù)，找出高速鐵路鋼軌波磨的產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展規(guī)律從而找到針對(duì)性的抑制措施是有待攻克的難題；輪軌接觸共振是公認(rèn)的鋼軌波磨形成的理論，但共振發(fā)生的隨機(jī)性還有待揭示。此外，復(fù)合型短波病害的診斷、識(shí)別、評(píng)價(jià)等也是有待深入研究的問(wèn)題，如何從車(chē)輛響應(yīng)特性上將單點(diǎn)沖擊短波病害和周期性短波病害分離是其識(shí)別的難點(diǎn)。