軌道傷損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

張龍偉 胡詩(shī)涌 董黃偉 趙旺 高榮旭

(1.第七一五研究所, 杭州，310023)

（2.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司線路分公司，北京，100082）

鋼軌是鐵路軌道結(jié)構(gòu)中最重要的部件，包含軌頭、軌腰和軌底的空間結(jié)構(gòu)，具有引導(dǎo)車輛前進(jìn)、承受和傳遞車輪荷載的功能[1]。在列車荷載的往復(fù)作用下，容易產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、爬行等[2-4]，導(dǎo)致?lián)p傷變形及性能劣化。長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)會(huì)出現(xiàn)異常磨耗與斷裂等常見(jiàn)病害，直接影響線路安全運(yùn)營(yíng)。因此，為提高養(yǎng)護(hù)維修效率，及時(shí)掌握軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，對(duì)軌道傷損進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)非常有必要，包括對(duì)復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件下道岔鋼軌傷損病害進(jìn)行長(zhǎng)期無(wú)損檢測(cè)[5]，及更長(zhǎng)線路內(nèi)的軌道系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。本文使用一種收發(fā)合置的超聲導(dǎo)波換能器，通過(guò)有限元軟件進(jìn)行發(fā)射接收信號(hào)物理模擬仿真，對(duì)軌道采集信號(hào)與基線信號(hào)比較分析，實(shí)現(xiàn)了軌道的在線監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室及真實(shí)環(huán)境測(cè)試，驗(yàn)證了本方法具有良好的檢測(cè)性能，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，滿足使用需求，安裝運(yùn)行不影響行車安全，也不對(duì)工務(wù)維修產(chǎn)生不便。

1 工作原理

軌道傷損在線監(jiān)測(cè)方法主要基于三個(gè)原理：被動(dòng)聲的異常監(jiān)測(cè)、主動(dòng)回波的異常監(jiān)測(cè)及主動(dòng)導(dǎo)波能量的異常監(jiān)測(cè)。超聲波在固體中的傳輸損失小、探測(cè)深度大，但超聲波在異質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，且難以通過(guò)氣體與固體的界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層之類的缺陷（缺陷中有氣體）或夾渣之類的缺陷（缺陷中有異種介質(zhì)），超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處，就會(huì)全部或部分被反射，導(dǎo)致接收端的信號(hào)參數(shù)發(fā)生改變。通過(guò)健康狀態(tài)預(yù)警及安全評(píng)估，判斷所監(jiān)測(cè)軌道的服役狀態(tài)，如有缺陷可通過(guò)GSM/GPRS 遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)控中心，提供及時(shí)有效的監(jiān)控、決策、指揮、評(píng)價(jià)等現(xiàn)代化管理手段。

2 理論仿真

2.1 理論基礎(chǔ)

使用超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)服役狀態(tài)通常分為兩步：在各種安裝狀態(tài)下收集正常服役軌道的最大基線信號(hào)，并確認(rèn)獲取的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)的完整性；實(shí)時(shí)軌道服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)，將每組監(jiān)測(cè)狀態(tài)下采集信號(hào)與基線信號(hào)進(jìn)行比較，判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)變化，并對(duì)結(jié)構(gòu)變化位置進(jìn)行定位。

在構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣之前，首先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以消除平均偏差并歸一化信號(hào)幅度。通過(guò)式（1）消除平均幅度誤差。

2.2 缺陷檢測(cè)

如果在一個(gè)空間中分布有三個(gè)獨(dú)立的聲源，則可以將在同一空間中的其他四個(gè)位置獲取的聲音信號(hào)視為這些聲源的線性組合，這種關(guān)系可以寫成：

基線信號(hào)和測(cè)試信號(hào)中都存在與缺陷無(wú)關(guān)的良性因素，但由于基線信號(hào)的隨機(jī)選擇而無(wú)法將測(cè)試信號(hào)與基線信號(hào)分開(kāi)。每次計(jì)算中，特征空間中IC 的順序都不相同。因此使用ASED（Average Standard Euclidian Distance）的系數(shù)來(lái)評(píng)估特征空間中測(cè)試信號(hào)和基線信號(hào)的差異：

其由隨機(jī)選擇的基線信號(hào)和最新的測(cè)試信號(hào)組成，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。信號(hào)的尺寸通常為采樣時(shí)間點(diǎn)數(shù)。這種關(guān)系可以用式（7）表示。

式（6）～（8）中上標(biāo)b 表示基線信號(hào)，上標(biāo)t表示測(cè)試信號(hào)。jσ是第j個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)?？梢葬槍?duì)一系列測(cè)試信號(hào)評(píng)估ASED 值，從而生成ASED 曲線。我們通過(guò)觀察該曲線中的階躍變化來(lái)檢測(cè)缺陷的存在。

2.3 仿真

給定仿真參數(shù)，軌道單位長(zhǎng)度的質(zhì)量為60 kg/m，長(zhǎng)度L=100 cm。激勵(lì)中心頻率50 kHz。使用漢寧窗調(diào)制方法。激勵(lì)位置為軌腰中心距離邊緣5 cm，數(shù)據(jù)獲取位置為另一端軌腰中心距離邊緣5 cm 處。仿真效果圖如圖1～5 所示。

圖1 發(fā)射信號(hào)波形示意圖

圖2 無(wú)裂紋位移仿真

圖3 有裂紋位移場(chǎng)仿真

圖4 無(wú)裂紋接收信號(hào)形態(tài)

圖5 有裂紋接收信號(hào)形態(tài)

本方法使用漢寧窗對(duì)一個(gè)周期的正弦脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，由于壓電換能器振動(dòng)特性，接收到的信號(hào)波包變得非常寬，從而降低了接收信號(hào)的時(shí)間分辨率。通過(guò)對(duì)鋼軌有無(wú)裂紋仿真對(duì)比，可有效查看在設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)下，接收端獲取的信號(hào)形態(tài)發(fā)生明顯變化。仿真結(jié)果表明本研究方法可用于軌道在線無(wú)損檢測(cè)工作。

3 測(cè)試試驗(yàn)

3.1 設(shè)備組成

軌道傷損在線監(jiān)測(cè)方法設(shè)備由收發(fā)合置換能器、換能器激勵(lì)模塊、信號(hào)采集存儲(chǔ)模塊、信號(hào)處理模塊、無(wú)線通信模塊及人機(jī)交互模塊組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

軌道長(zhǎng)度為12.5 m，兩邊各有3 個(gè)孔，第一個(gè)孔距離邊界7 cm，第二個(gè)孔距離邊界21 cm，第三個(gè)孔距離邊界36 cm。兩邊各預(yù)留50 cm，間隔160 cm 安裝一個(gè)傳感器，共安裝8 個(gè)傳感器。實(shí)驗(yàn)室裂紋示意如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)室裂紋示意圖

使用軌道傷損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選取一對(duì)換能器A、B 數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。圖7 所示為A換能器發(fā)射信號(hào)B 換能器接收信號(hào)形態(tài)，圖8 為A換能器發(fā)射接收信號(hào)形態(tài)。由圖7、8 可知，本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過(guò)程中可有效進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖7 A 發(fā)B 收信號(hào)形態(tài)

圖8 A 發(fā)A 收信號(hào)形態(tài)

圖9 為100 組基線數(shù)據(jù)與軌道切割裂紋后的100組采集數(shù)據(jù)的ASED 值比較。從圖中可以看出本系統(tǒng)可有效檢測(cè)出所監(jiān)測(cè)軌道區(qū)域內(nèi)的裂紋發(fā)生。

圖9 軌道狀態(tài)改變ASED 值示意

3.3 軌道測(cè)試

為驗(yàn)證本方法功能的實(shí)際使用情況，我們?cè)诒本┤f(wàn)柳基地進(jìn)行了模擬真實(shí)工況下的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖10 所示。本次試驗(yàn)環(huán)境是按照真實(shí)工況設(shè)計(jì)的軌道道岔狀態(tài)。為驗(yàn)證軌道傷損在線監(jiān)測(cè)設(shè)備方法功能性能，在不損壞試驗(yàn)設(shè)備前提下，對(duì)軌道進(jìn)行加裝結(jié)構(gòu)件以模擬軌道服役狀態(tài)變化，通過(guò)本系統(tǒng)進(jìn)行服役狀態(tài)變化檢測(cè)，計(jì)算結(jié)構(gòu)件加裝前后ASED 值變化情況如圖11 所示。

圖10 萬(wàn)柳基地試驗(yàn)場(chǎng)景

圖11 萬(wàn)柳基地ASED 值示意

當(dāng)計(jì)算出測(cè)試信號(hào)ASED 值較基線信號(hào)ASED值發(fā)生了階躍變化，立即通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送至運(yùn)營(yíng)管理人員所在位置。本方法對(duì)每個(gè)換能器進(jìn)行編碼，結(jié)合安裝過(guò)程中換能器與安裝位置比對(duì)記錄，可滿足報(bào)警信息包含報(bào)警位置等屬性的需求，大大提升運(yùn)維人員對(duì)監(jiān)測(cè)軌道服役狀態(tài)的掌握程度。

4 安裝試運(yùn)行

在北京地鐵9 號(hào)線國(guó)家圖書館站進(jìn)行設(shè)備安裝，實(shí)現(xiàn)上述算法及設(shè)備在平臺(tái)應(yīng)用。組成框圖如圖12所示。

圖12 設(shè)備組成框圖

系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)入試運(yùn)行階段。在引入質(zhì)量散射體的時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)有效檢測(cè)到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)鋼軌發(fā)生明顯變化并輸出報(bào)警信息，報(bào)警界面如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)報(bào)警界面

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外鋼軌超聲波檢測(cè)主要包括人工鋼軌超聲波探傷小車、大型鋼軌探傷車、雙軌式鋼軌超聲波探傷儀等, 探傷周期一般為10 遍/年，無(wú)法對(duì)鋼軌進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[6]。

通過(guò)有限元軟件仿真及實(shí)驗(yàn)室、萬(wàn)柳基地試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的軌道傷損在線監(jiān)測(cè)方法可在無(wú)損情況下有效檢測(cè)出所監(jiān)測(cè)軌道的服役狀態(tài)變化，并將服役狀態(tài)實(shí)時(shí)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至管理人員所在位置，為鐵路與地鐵的“智能運(yùn)維”提供基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)，使道岔設(shè)備從“故障修”邁向“狀態(tài)修”，大大降低了運(yùn)維管理人力成本，降低人員復(fù)雜環(huán)境下的工作強(qiáng)度。

此研究及萬(wàn)柳基地測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中，得到北京路云通科技公司王逸寧、李逸等提供的幫助，在此特表示感謝，并對(duì)其他所有參與試驗(yàn)的人員同樣表示感謝。