高速鐵路鋼軌擦傷仿真分析及檢測(cè)研究進(jìn)展

張彥博, 劉秀波, 張博, 張志川, 陳茁

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生院, 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所, 北京 100081）

0 引言

隨著新建高速鐵路線逐年增多, 鋼軌擦傷對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)造成的影響也逐年增大, 目前已經(jīng)成為危害高速鐵路安全的主要因素。由于鋼軌擦傷會(huì)造成輪軌沖擊力增大, 鋼軌所受的垂直載荷增加, 會(huì)引發(fā)其他病害出現(xiàn)[1］, 因此對(duì)鋼軌擦傷快速準(zhǔn)確地檢出很有必要。

鋼軌擦傷的檢測(cè)方法主要包括鋼軌探傷、視覺檢測(cè)方法和基于軸箱加速度的檢測(cè)方法3類。鋼軌探傷無法準(zhǔn)確識(shí)別未出現(xiàn)裂紋或掉塊的鋼軌擦傷；視覺檢測(cè)對(duì)于形態(tài)相近的表面?zhèn)麚p難以區(qū)分；基于軸箱加速度的檢測(cè)方法難以區(qū)分傷損種類, 所以鋼軌擦傷需要找到合適的檢測(cè)方法來精準(zhǔn)識(shí)別和定位。

根據(jù)《高速鐵路線路維修規(guī)則》, 高速鐵路鋼軌擦傷只能通過打磨或銑磨的方式來進(jìn)行維修或換軌。根據(jù)鋼軌擦傷特點(diǎn)、成因和形成機(jī)理, 建立有效的鋼軌擦傷防治措施和管理方法在鐵路運(yùn)營(yíng)中至關(guān)重要, 合理的周期性維護(hù)方法能夠保證列車運(yùn)行的安全性。

綜上所述, 針對(duì)鋼軌擦傷問題的普遍性及對(duì)列車運(yùn)行安全性的不利影響, 亟需開展針對(duì)高速鐵路鋼軌擦傷的成因和特點(diǎn)、機(jī)理和檢測(cè)方法的相關(guān)研究。

1 鋼軌擦傷特點(diǎn)和成因

鋼軌擦傷（Wheel Burn）是機(jī)車或動(dòng)車組在不同軌面狀態(tài)下啟動(dòng)制動(dòng)、上下坡道、經(jīng)過小曲率半徑時(shí), 由于輪軌黏著力不足造成輪對(duì)空轉(zhuǎn)或輪軌之間的相對(duì)滑動(dòng), 使得輪軌接觸面因摩擦而產(chǎn)生塑性變形或金屬相變, 在鋼軌踏面產(chǎn)生白色光帶、局部凹陷、局部堆高, 甚至產(chǎn)生剝離掉塊, 從而危害列車運(yùn)行安全[2-7］。

鋼軌擦傷通常表現(xiàn)為在白色光帶上形成的橢圓形或長(zhǎng)條形的淬火區(qū)域（見圖1）, 圖1（a）為車輪空轉(zhuǎn)造成的擦傷；圖1（b）為擦傷造成的剝離掉塊[8］；圖1（c）為擦傷產(chǎn)生的長(zhǎng)條狀白層馬氏體。通常深度為0.3~2.5 mm, 長(zhǎng)度為15 mm~10 m, 間距為1.8~4.6 m不等[9］。擦傷處的硬度高于鄰近母材硬度[10］, 既有雙軌成對(duì)出現(xiàn), 也有單軌出現(xiàn), 以曲線分布和長(zhǎng)大坡道分布居多, 但存在部分擦傷分布未見明顯分布規(guī)律[5, 8-9］。

圖1 部分鋼軌擦傷的形貌特征

王棟[1］認(rèn)為, 列車啟動(dòng)空轉(zhuǎn)、軸重增大和牽引制動(dòng)力等多種作用力下會(huì)導(dǎo)致信號(hào)機(jī)前后、長(zhǎng)大坡道處和曲線處產(chǎn)生擦傷。胡二根[2］統(tǒng)計(jì)了機(jī)車擦傷的分布特征, 得出車站與制動(dòng)地段為擦傷多發(fā)地段, 其中上坡道的擦傷數(shù)量較多。魏建堂等[9］對(duì)擦傷的影響因素進(jìn)行了探究, 得出線路平縱斷面、機(jī)車類型和運(yùn)輸組織模式對(duì)擦傷形成的影響較大。寧國(guó)平[11］通過對(duì)滬昆高鐵擦傷地段的車型、線路特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 得出擦傷一般是由工程車在建設(shè)初期造成的, 多分布于曲線和長(zhǎng)大坡道上。李闖[6］認(rèn)為機(jī)車啟動(dòng)、下坡制動(dòng)、抱閘行駛和輪軌接觸面相對(duì)滑動(dòng)是造成擦傷的4種原因, 坡度和軸重的增大會(huì)增加產(chǎn)生擦傷的可能性。以上擦傷均由機(jī)車產(chǎn)生, 而趙康云[7］提出, 動(dòng)車組緊急制動(dòng)也會(huì)造成鋼軌擦傷, 但其發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng), 檢測(cè)難以發(fā)現(xiàn)。

2 基于仿真的鋼軌擦傷機(jī)理研究

輪軌耦合仿真為研究鋼軌擦傷的形成機(jī)理和擦傷對(duì)列車動(dòng)力學(xué)的影響提供了快捷有效的方法, 本節(jié)將針對(duì)輪軌有限元仿真的研究進(jìn)行論述。

2.1 擦傷形成機(jī)理的研究

根據(jù)擦傷的成因可知, 輪軌間的高溫摩擦和迅速冷卻是造成鋼軌表面相變產(chǎn)生白層馬氏體的根本原因, 所以熱耦合仿真模型的建立將有助于擦傷形成機(jī)理的研究, 從而得出擦傷的形成機(jī)理。

蘇航等[12］通過建立包含滑行制動(dòng)升溫、溫度擴(kuò)散和鋼軌冷卻3個(gè)階段的有限元熱力耦合模型, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪軌摩擦熱損傷機(jī)理的研究, 并對(duì)滑行速度、滑行時(shí)間和列車軸重等因素進(jìn)行了分析。趙鑫等[13-14］建立了純滑動(dòng)條件下的輪軌滾動(dòng)接觸熱耦合模型, 并研究了蠕滑率、摩擦系數(shù)、軸重和磨損速度對(duì)溫度場(chǎng)分布和熱載荷的影響[15］。針對(duì)鋼軌波磨, Chen等[16］建立了彈塑性熱耦合模型, 研究了車輪制動(dòng)過程中鋼軌波磨對(duì)輪軌熱接觸應(yīng)力和溫度分布的影響。大連交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[17-20］建立了輪對(duì)抱死滑行時(shí)熱接觸耦合的三維有限元模型, 研究了車輪踏面類型、車輪直徑、相對(duì)滑動(dòng)速度和材料參數(shù)等因素對(duì)接觸斑、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。蘭州交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[21-24］分別建立了二維和三維的輪軌接觸熱耦合模型, 并在模型中引入了隨溫度變化的材料參數(shù)和摩擦系數(shù), 研究了不同蠕滑率對(duì)溫度分布和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響, 分析了變摩擦系數(shù)和相對(duì)滑動(dòng)速度與溫度分布和應(yīng)力分布的關(guān)系。Wu等[25］考慮了軌道與環(huán)境的熱對(duì)流、熱輻射, 采用隨溫度變化的材料參數(shù), 通過移動(dòng)鋼軌頂面法向接觸壓力和切向牽引力, 實(shí)現(xiàn)了二維滑動(dòng)接觸過程的仿真。

2.2 擦傷對(duì)列車動(dòng)力學(xué)的影響

代爾夫特理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)[26-36］建立了單輪單軌的三維隱傷有限元模型（見圖2）, 將隱式計(jì)算得出的輪軌靜態(tài)位移作為顯式分析的初始狀態(tài), 并設(shè)置動(dòng)態(tài)松弛距離來衰減初始振動(dòng), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)隱傷形成機(jī)理和隱傷對(duì)車輛動(dòng)力響應(yīng)影響的研究。趙鑫等[37］與賈昕昱[38］針對(duì)高速鐵路鋼軌波磨的問題, 建立了類似的仿真模型, 并限制了沙漏控制能量。于淼等[39-40］針對(duì)高鐵波磨和焊接接頭響應(yīng)的問題, 建立了雙輪雙軌的瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型, 采用了8節(jié)點(diǎn)減縮積分線性實(shí)體單元以縮減運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)。

圖2 隱傷的三維有限元模型

Vo等[41］通過建立有限元模型, 對(duì)比了高黏著、低黏著以及完全打滑的情況對(duì)列車運(yùn)行狀況的影響。Han等[42］建立了帶有車輪扁疤缺陷的三維輪軌接觸有限元模型并分析了車輪扁疤對(duì)車輛運(yùn)行的影響。劉洋[43］通過使用圓弧形凹坑來模擬鋼軌剝離掉塊, 使用與溫度相關(guān)的變摩擦系數(shù)來模擬摩擦熱的影響, 研究了鋼軌剝離掉塊對(duì)輪軌沖擊響應(yīng)的影響。

綜合來看, 建立熱力耦合仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擦傷形成機(jī)理的研究, 借鑒其他學(xué)者針對(duì)鋼軌波磨和隱傷的分析方法可以實(shí)現(xiàn)擦傷對(duì)列車動(dòng)力學(xué)影響的探究。

3 鋼軌擦傷檢測(cè)方法

目前鋼軌表面?zhèn)麚p的檢測(cè)方法主要有：渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁漏檢測(cè)、視覺識(shí)別和軸箱加速度檢測(cè)。由于超聲波檢測(cè)對(duì)于表面?zhèn)麚p靈敏度較低且多用于內(nèi)部傷損的探傷[44-45］, 所以在此對(duì)渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、視覺檢測(cè)和軸箱加速度檢測(cè)進(jìn)行論述。

3.1 電磁檢測(cè)

3.1.1 渦流檢測(cè)

利用電磁感應(yīng)原理, 以交流電磁線圈在鋼軌表面產(chǎn)生渦流的無損檢測(cè)技術(shù)稱為渦流檢測(cè)。被測(cè)鋼軌和檢測(cè)儀器會(huì)影響渦流的大小、相位以及分布位置, 其作用于線圈使得線圈的阻抗發(fā)生變化, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌缺陷的檢測(cè)[46］。Thomas等[47］研究了德國(guó)鐵路公司所用軌檢車的超聲和渦流檢測(cè)設(shè)備對(duì)不同傷損的檢測(cè)能力（見圖3）, 結(jié)果表明：渦流檢測(cè)能夠較好地確定鋼軌表面?zhèn)麚p的位置和大小, 如鋼軌擦傷、軌頭裂紋和輕微隱傷等。黃鳳英[48］對(duì)鋼軌表面裂紋進(jìn)行了渦流檢測(cè)定量評(píng)估的實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)隨著裂紋深度增加, 渦流檢測(cè)的準(zhǔn)確率逐漸下降, 若深度＞5 mm時(shí), 渦流檢測(cè)將無法提供準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。Kishore等[49］使用渦流探傷系統(tǒng)對(duì)不同深度和長(zhǎng)度的人造鋼軌表面裂紋和隱傷進(jìn)行檢測(cè), 通過對(duì)比獲得的信號(hào), 可以準(zhǔn)確區(qū)分表面裂紋及鋼軌隱傷。渦流對(duì)鋼軌表面?zhèn)麚p的面積和粗糙度較為敏感, 由于其穿透性較差且易受到裂紋形狀的影響, 所以對(duì)傷損深度的測(cè)量不準(zhǔn)確[50-51］。通過對(duì)鋼軌表面不同深度和角度的人工傷損檢測(cè), 熊龍輝等[52］對(duì)渦流探傷特性進(jìn)行了研究, 得出渦流探頭的最佳激勵(lì)頻率為769 Hz, 當(dāng)傷損深度＞2.7 mm或角度＞30°時(shí), 渦流檢測(cè)難以準(zhǔn)確識(shí)別傷損尺寸。針對(duì)渦流檢測(cè)裝置, 馬旺宇等[53］研制了一種適用于人工巡檢的便攜式渦流探傷儀；黃鳳英等[54］研究了一種既適用于道岔, 也適用于正線鋼軌的軌面渦流檢測(cè)系統(tǒng)；胡乾午等[55］開發(fā)了可以定量準(zhǔn)確檢測(cè)鋼軌表面小裂紋的渦流探傷方法及裝置；Park等[56］設(shè)計(jì)了手推式16通道渦流檢測(cè)設(shè)備, 對(duì)軌面?zhèn)麚p的長(zhǎng)度和寬度測(cè)量較為準(zhǔn)確。

圖3 軌道檢測(cè)車的渦流檢測(cè)設(shè)備

3.1.2 漏磁檢測(cè)

當(dāng)磁性材料被磁化時(shí), 表面的缺陷會(huì)引起磁導(dǎo)率的變化, 從而導(dǎo)致磁路中的磁通產(chǎn)生偏移, 進(jìn)而改變磁感應(yīng)線的方向, 使部分磁通漏到材料表面, 并在空氣中繞開缺陷, 然后再進(jìn)入材料內(nèi)部, 從而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)[57］。漏磁檢測(cè)是通過磁性傳感器采集到的磁場(chǎng)信號(hào)來探測(cè)鋼軌表層和淺表層的損傷。

常規(guī)的二維漏磁信號(hào)檢測(cè)技術(shù)雖然能夠識(shí)別規(guī)則性缺陷, 但無法滿足實(shí)際檢測(cè)的需求, 為了克服檢測(cè)方法不足, 王平等[58］采用三維磁場(chǎng)測(cè)量方法和有限元法對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的三維分布情況進(jìn)行了分析, 并設(shè)計(jì)了一套三維漏磁檢測(cè)系統(tǒng)。為滿足高速檢測(cè)的需求, 熊龍輝等[59］研究了巡檢速度、提離距離等影響因素對(duì)鋼軌磁化強(qiáng)度的影響；高運(yùn)來等[60］從理論、仿真和試驗(yàn)3個(gè)方面對(duì)高速漏磁裂紋巡檢的速度效應(yīng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[61-63］研究了脈沖漏磁信號(hào)的過沖和波動(dòng)現(xiàn)象, 建立了信號(hào)特征與缺陷參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)人工裂紋缺陷深度的量化評(píng)估。為了提高漏磁場(chǎng)對(duì)鋼軌傷損的檢測(cè)精度, 文獻(xiàn)[64-66］在漏磁檢測(cè)的磁路中加入了鐵氧體, 提高了漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度和范圍；張潤(rùn)華等[67］在磁路中加入了屏蔽層, 減弱了振動(dòng)的干擾, 提高了信噪比；張事成等[68］與賈銀亮等[69］提出了一種縱向陣列式漏磁檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)干擾的抑制。徐其瑞等[70］將其設(shè)計(jì)開發(fā)的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)安裝在GTC-80X鋼軌探傷車上并進(jìn)行了車載試驗(yàn), 實(shí)現(xiàn)了40 km/h運(yùn)行速度下對(duì)頂面人工傷損的檢測(cè)。Antipov等[71-73］探究了俄羅斯鋼軌探傷車搭載的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)在鋼軌橫向裂紋的深度檢測(cè)中的可行性, 并提出了速度超過80 km/h時(shí), 漏磁磁極之間的距離應(yīng)超過3 m, 探傷車漏磁系統(tǒng)布局示意見圖4[72］。

圖4 探傷車漏磁系統(tǒng)布局示意圖

3.2 視覺檢測(cè)

3.2.1 熱成像檢測(cè)

熱成像檢測(cè)又被稱為紅外熱成像檢測(cè), 因鋼軌無法自發(fā)熱, 所以鋼軌探傷一般使用主動(dòng)式紅外熱成像技術(shù)來檢測(cè)。根據(jù)加熱方式不同, 主動(dòng)式紅外熱成像可分為脈沖熱成像、階躍脈沖熱成像、鎖相熱成像以及超聲波熱成像[74］。

脈沖熱成像是當(dāng)導(dǎo)電試樣在不同脈沖的激勵(lì)下以及傷損的影響下, 因焦耳熱現(xiàn)象產(chǎn)生溫度場(chǎng)的分布和傳導(dǎo)現(xiàn)象時(shí), 使用紅外熱像儀在加熱和冷卻階段獲得紅外熱成像圖, 并通過分析處理多熱圖來檢測(cè)傷損[75-76］。Peng等[77］基于渦流脈沖熱成像技術(shù), 對(duì)鋼軌斜裂紋進(jìn)行檢測(cè), 并分析了其時(shí)域和頻域空間曲線。白潔等[78］利用渦流脈沖熱成像技術(shù), 研究了鋼軌疲勞裂紋中第三種物質(zhì)填充引起的裂紋閉合效應(yīng), 并對(duì)其特征進(jìn)行了分析。Feng等[79］通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與建立仿真模型對(duì)隱傷裂紋生長(zhǎng)的兩階段進(jìn)行了渦流脈沖熱成像探傷, 驗(yàn)證了渦流脈沖熱成像檢測(cè)對(duì)隱傷識(shí)別的可行性。

脈沖熱成像對(duì)于小尺寸傷損的檢測(cè)不是很敏感, 而鎖相熱成像能夠從干擾信號(hào)中提取出小缺陷造成的微弱的周期性響應(yīng)信號(hào)[80］。趙延廣[81］利用鎖相紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)了復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)中的夾雜、開裂和脫粘等缺陷, 并對(duì)其疲勞性能進(jìn)行了研究。Peng等[82］使用由波形發(fā)生器控制的舞臺(tái)燈光作為熱源, 激勵(lì)含有多個(gè)隱傷的鋼軌, 證明了鎖相紅外熱成像檢測(cè)可以準(zhǔn)確識(shí)別鋼軌隱傷（見圖5）。呂寶西[83］對(duì)U71Mn鋼軌的軌頭、軌腰、軌底等部位進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展試驗(yàn), 通過對(duì)比傳統(tǒng)的柔度法、顯微目測(cè)法, 證明了鎖相紅外熱成像技術(shù)的先進(jìn)性。

圖5 鋼軌隱傷熱成像檢測(cè)

3.2.2 機(jī)器視覺檢測(cè)

目前在軌道傷損檢測(cè)中, 機(jī)器視覺技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)器視覺主要用攝像頭獲取圖像信號(hào), 然后利用圖像處理系統(tǒng)將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào), 讓計(jì)算機(jī)代替人眼來做出相應(yīng)判斷。與人眼類似, 機(jī)器視覺檢測(cè)可以有效檢測(cè)到鋼軌表面的傷損, 但無法探測(cè)到鋼軌內(nèi)部裂紋或淺表層缺陷。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立起較為完善的行業(yè)體系和標(biāo)準(zhǔn), 并在世界各地鐵路得到廣泛應(yīng)用, 其中具有代表性的有[84］：

（1）美國(guó)ENSCO研發(fā)的RSIS系統(tǒng)采用線掃描成像法, 從行駛的車輛上收集和記錄連續(xù)的高分辨率軌道表面圖像, 并能夠成功識(shí)別剝離掉塊、裂紋、隱傷和擦傷等。

（2）意大利MERMEC公司研制的V-CUBE鋼軌視覺檢測(cè)系統(tǒng)可以從3個(gè)子系統(tǒng)獲取鋼軌表面、緊固件、軌枕和道床的多達(dá)50種病害圖像和檢測(cè)數(shù)據(jù), 運(yùn)行速度可達(dá)到200 km/h。

（3）德國(guó)BvSys公司所開發(fā)的RailCheck系統(tǒng)使用線陣掃描相機(jī)并配合大功率LED燈來拍攝整個(gè)作業(yè)面, 該檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌面、扣件、軌枕、道岔等結(jié)構(gòu)的檢測(cè), 并且運(yùn)行速度可達(dá)200 km/h。

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院團(tuán)隊(duì)[85-86］研制了車載軌道巡檢系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用6個(gè)線陣CCD相機(jī)運(yùn)動(dòng)掃描以獲取軌道圖像, 并利用主成分分析和線性判別分析等方法構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型, 實(shí)現(xiàn)對(duì)擦傷等病害的自動(dòng)化識(shí)別。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了95%的擦傷檢出率, 巡檢速度可達(dá)160 km/h。丁政開[84］采用4K高精度線陣相機(jī), 設(shè)計(jì)了手推式鋼軌表面缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)車, 并采用最大穩(wěn)定值區(qū)域方法提取鋼軌擦傷特征, 實(shí)現(xiàn)了鋼軌擦傷的自動(dòng)化識(shí)別, 識(shí)別過程見圖6。

圖6 鋼軌擦傷視覺檢測(cè)

任盛偉等[87］提出了鋼軌表面擦傷的檢測(cè)算法, 主要包括：鋼軌區(qū)域提取、灰度圖生成、基于最大熵原理的二值化處理和擦傷的判定4個(gè)過程, 實(shí)現(xiàn)了90.7%的平均準(zhǔn)確率和3.95%平均漏檢率。在任盛偉等人的基礎(chǔ)上, 趙宏偉等[88］采用了圖像均值填充法, 增加了灰度圖中擦傷區(qū)域與背景圖之間的對(duì)比度, 提高了擦傷檢出率?；诿ぴ捶蛛x原理, 李清勇等[89］提出了缺陷圖像的稀疏表示模型并實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌擦傷的識(shí)別。Yunus等[90-91］采用深度學(xué)習(xí)處理了來自3D激光相機(jī)的軌面缺陷圖像, 實(shí)現(xiàn)了144 km/h速度下的實(shí)時(shí)檢測(cè), 識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99%。Li等[92］利用加權(quán)投影廓形的軌道定位算法分割由車載圖像子系統(tǒng)采集到的軌道圖像, 然后利用支持向量機(jī)識(shí)別波磨, 檢測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)98.47%。侯博文等[93］提出了利用ResNet作為分類模型的深度殘差網(wǎng)絡(luò)的軌道缺陷識(shí)別方法, 利用已知鐵路隧道的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模型訓(xùn)練, 實(shí)現(xiàn)了98.51%的識(shí)別準(zhǔn)確率。Bai等[94］提出了一種基于改進(jìn)YOLOv4的鐵路表面缺陷檢測(cè)方法, 實(shí)現(xiàn)了鐵路路面的輕量化網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)檢測(cè), 提升了對(duì)鋼軌表面微小傷損的檢出率。

3.3 軸箱加速度檢測(cè)

軸箱與輪對(duì)為剛性連接, 鋼軌的短波不平順會(huì)表現(xiàn)為輪對(duì)的振動(dòng), 并通過輪對(duì)直接傳遞到軸箱, 所以軸箱加速度在一定程度上能反映鋼軌缺陷在車輛運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的激擾, 利用軸箱加速度可以識(shí)別部分鋼軌傷損[95］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多通過使用軸箱加速度來測(cè)評(píng)鋼軌狀態(tài)的研究, 其中Molodova等[96］利用小波功率譜, 根據(jù)軸箱加速度信號(hào)的頻域響應(yīng)對(duì)不同嚴(yán)重程度的隱傷進(jìn)行分類, 并可以根據(jù)頻率大小區(qū)分隱傷的嚴(yán)重程度（見圖7）。輕微隱傷檢出率為78%, 中、重度隱傷檢出率為100%。Li等[97］提出了3種基于軸箱加速度的檢測(cè)輕微隱傷的改進(jìn)方法。第1種為采用縱向軸箱加速度以提高對(duì)隱傷檢測(cè)的靈敏度；第2種為使用多傳感器, 采用降噪技術(shù)并重復(fù)測(cè)量；第3種為采用減少車輪缺陷干擾的信號(hào)處理方法。曹西寧等[98］采用希爾伯特-黃變換的方法, 對(duì)軸箱加速度進(jìn)行時(shí)頻分析, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)短波不平順的定位, 為養(yǎng)護(hù)維修工作提供了保障?；谙柌?黃變換, 鄧小軍等[99］改進(jìn)了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解理論, 通過添加白噪聲來構(gòu)造不同的尺度分量, 實(shí)現(xiàn)了時(shí)頻空間的均勻分布, 并對(duì)波磨時(shí)頻特征進(jìn)行了分析。Jamshidi等[100］通過使用特定頻帶中的軸箱加速度的最大功率譜密度估計(jì)隱傷的視覺長(zhǎng)度, 建立了隱傷增長(zhǎng)的穩(wěn)健預(yù)測(cè)模型。劉金朝等[101］提出了基于軸箱垂向振動(dòng)加速度的軌道沖擊指數(shù)方法, 減少了鋼軌接頭焊縫、道岔等隨機(jī)因素對(duì)結(jié)果的影響, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道短波不平順病害的識(shí)別。

圖7 輕微和重度隱傷的小波功率譜對(duì)比

綜合來看, 渦流檢測(cè)對(duì)深度較深的傷損檢測(cè)會(huì)存在不準(zhǔn)確性, 但對(duì)表面?zhèn)麚p的檢測(cè)如鋼軌擦傷具有較強(qiáng)的適用性；漏磁檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌表面?zhèn)麚p的快速識(shí)別, 未來可應(yīng)用于鋼軌擦傷的識(shí)別；熱成像檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌隱傷、鋼軌軌頭、軌腰、軌底等部分的裂紋檢測(cè), 但其尚未應(yīng)用于擦傷的識(shí)別；機(jī)器視覺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高時(shí)速的鋼軌擦傷檢測(cè)與識(shí)別, 且識(shí)別準(zhǔn)確率較高；軸箱加速度可以識(shí)別輪軌沖擊位置, 但難以直接區(qū)分傷損類型。

4 結(jié)論與展望

通過對(duì)鋼軌擦傷的相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研, 綜述了鋼軌擦傷的成因和特點(diǎn)、鋼軌擦傷的機(jī)理研究以及鋼軌擦傷的主要檢測(cè)方法。主要結(jié)論如下：

（1）鋼軌擦傷是由于輪軌黏著力不足而產(chǎn)生的輪對(duì)空轉(zhuǎn)或者輪軌之間的相對(duì)滑動(dòng), 使得鋼軌踏面因摩擦而產(chǎn)生塑性變形或金屬相變, 可能會(huì)導(dǎo)致擦傷表面出現(xiàn)白色光帶、局部凹陷、局部堆高、局部裂紋以及掉塊。鋼軌擦傷通常會(huì)以單軌分布或雙軌對(duì)稱分布的形式出現(xiàn)在進(jìn)出站信號(hào)機(jī)前后、長(zhǎng)大坡道和曲線段處, 機(jī)車軸重、線路平縱斷面、軌面狀態(tài)、啟動(dòng)制動(dòng)和輪軌接觸關(guān)系會(huì)對(duì)擦傷的形成產(chǎn)生影響。

（2）有限元仿真分析是分析鋼軌擦傷機(jī)理的一種行之有效的分析方法, 建立熱耦合仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擦傷形成機(jī)理的研究, 借鑒其他學(xué)者針對(duì)鋼軌波磨和隱傷的分析方法可以實(shí)現(xiàn)擦傷對(duì)列車動(dòng)力學(xué)影響的探究。

（3）針對(duì)鋼軌擦傷的檢測(cè)方法, 主要有電磁檢測(cè)、視覺檢測(cè)和軸箱加速度檢測(cè)。綜合來看, 渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌表面和淺表層裂紋進(jìn)行識(shí)別, 且車載渦流檢測(cè)可以識(shí)別擦傷的位置和大小；熱成像檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌隱傷、鋼軌軌頭、軌腰、軌底等部分的裂紋檢測(cè), 但其尚未應(yīng)用于擦傷的識(shí)別；機(jī)器視覺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高時(shí)速的鋼軌擦傷檢測(cè)與識(shí)別, 且識(shí)別準(zhǔn)確率較高；軸箱加速度檢測(cè)可以識(shí)別出沖擊響應(yīng)較大的擦傷位置, 但難以區(qū)分傷損類型。

基于現(xiàn)有結(jié)論, 鋼軌擦傷的未來研究方向可分為以下幾點(diǎn)：

（1）鋼軌擦傷的形成機(jī)理和對(duì)列車動(dòng)力性能影響的深入研究。國(guó)內(nèi)外利用有限元仿真分析鋼軌擦傷的形成機(jī)理和對(duì)列車動(dòng)力性能影響的研究, 以及與多體動(dòng)力學(xué)結(jié)合的聯(lián)合仿真研究十分有限, 所以未來建立鋼軌擦傷的有限元和多體動(dòng)力學(xué)仿真模型將會(huì)填補(bǔ)這一空白。

（2）提高單個(gè)檢測(cè)手段的精度, 實(shí)現(xiàn)多種檢測(cè)手段的集成應(yīng)用。對(duì)鋼軌擦傷的檢測(cè)方法而言, 現(xiàn)有檢測(cè)手段都有其不可避免的缺陷, 因此基于多種檢測(cè)手段集成的多源數(shù)據(jù)分析、單個(gè)檢測(cè)手段準(zhǔn)確率的提升、擦傷的嚴(yán)重程度評(píng)判以及檢測(cè)速度的提升將是未來鋼軌擦傷檢測(cè)技術(shù)的研究方向。