基于數(shù)字孿生模型和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的道岔預(yù)測(cè)性維修

1 研究背景

盡管道岔的長(zhǎng)度僅占英國(guó)鐵路總長(zhǎng)度的4%，但卻占用著英國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司維護(hù)和更新預(yù)算的 20% 以上。原因在于道岔鋼軌在列車(chē)行駛的作用力下，橫截面幾何形狀將發(fā)生變化，從翼軌到岔心的過(guò)渡也會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)性，這將導(dǎo)致此處的輪軌沖擊力顯著高于連續(xù)軌道，從而造成鋼軌變形和磨損加劇。

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維保人員一直致力于降低道岔的維保成本。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，基于數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)性維修在提高列車(chē)行駛安全性和線(xiàn)路可用性、預(yù)防故障、降低全生命周期成本方面擁有巨大潛力。實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修的途徑是對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行定期檢查和連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)以獲取其狀態(tài)數(shù)據(jù)。對(duì)于一般軌道線(xiàn)路，可使用無(wú)人機(jī)（UAV）和軌道檢測(cè)車(chē)等設(shè)備進(jìn)行定期檢查；而對(duì)于道岔等事關(guān)安全的關(guān)鍵部位，則應(yīng)進(jìn)行連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以求在提高安全性的同時(shí)降低故障概率和檢查成本。

然而，目前對(duì)于道岔的狀態(tài)監(jiān)測(cè)僅限于對(duì)從轉(zhuǎn)轍機(jī)獲得的電信號(hào)進(jìn)行分析。該方法可用于監(jiān)控道岔的轉(zhuǎn)換和密貼，但對(duì)于道岔可動(dòng)部件之外故障的檢測(cè)能力十分有限。因此，為采集道岔處軌道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，應(yīng)在軌道上安裝傳感器。為此，需首先確定道岔易發(fā)生故障的關(guān)鍵點(diǎn)位；然后確保傳感器能夠正確捕獲來(lái)自這些關(guān)鍵點(diǎn)位的數(shù)據(jù)；最后應(yīng)保證傳感器足夠堅(jiān)固，可承受輪軌間的高強(qiáng)度作用力。

對(duì)于故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的確定，可以通過(guò)分析道岔故障的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，或采用數(shù)值模擬的方法實(shí)現(xiàn)。數(shù)值模擬可根據(jù)既有結(jié)構(gòu)老化的一般規(guī)律，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)牟牧峡茖W(xué)、磨損學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域的建模方法和知識(shí)，模擬鋼軌與軌道車(chē)輛的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)易發(fā)生故障位置的預(yù)測(cè)。此外，利用源自現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)可將上述方法建立的道岔數(shù)值模擬模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其維保計(jì)劃的實(shí)時(shí)制定和修改。對(duì)于傳感器魯棒性（決定傳感器能否被應(yīng)用在惡劣鐵路環(huán)境中的重要考核因素）的保證，隨著數(shù)字技術(shù)及智能組件制造技術(shù)的突飛猛進(jìn)，通過(guò)金屬部件3D 打印技術(shù)將傳感器嵌入智能鐵路基礎(chǔ)設(shè)施中，已成為重要研究方向。

2 列車(chē) - 道岔間相互作用建模方法

在列車(chē)-軌道間相互作用的主要數(shù)值模擬方法中，多體仿真（MBS）和有限元（FE）分析可分別用于模擬列車(chē)的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和軌道下部結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性。本文將采用上述2種方法進(jìn)行模擬仿真，以確定道岔沿其長(zhǎng)度方向易發(fā)故障的位置，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬方法流程圖

2.1 通過(guò)多體仿真預(yù)測(cè)道岔鋼軌表面易損壞位置

本研究的重點(diǎn)是道岔鋼軌的表面損傷，特別是由滾動(dòng)接觸疲勞（RCF）所導(dǎo)致的表面裂紋萌生，因?yàn)槠鋾?huì)由表及里地逐步擴(kuò)展到鋼軌內(nèi)層，并觸發(fā)各式各樣的機(jī)械失效，是道岔故障損壞的主要模式，也是造成列車(chē)延誤和維護(hù)更新成本增高的主要原因。為對(duì)道岔的表面損傷進(jìn)行計(jì)算，本研究采用為道岔多體仿真而開(kāi)發(fā)的模型，并使用R260級(jí)鋼軌、瑞典UlC60-760-1 : 14型道岔和7 號(hào)客車(chē)模型，對(duì)列車(chē)-道岔間的相互作用進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)模擬計(jì)算出的縱向、橫向和旋轉(zhuǎn)方向上的蠕變力和蠕變量，計(jì)算出鋼軌磨耗量Tγ。根據(jù)雙線(xiàn)性滾動(dòng)接觸疲勞損傷函數(shù)與Tγ的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可知，Tγ與磨損、滾動(dòng)接觸疲勞的發(fā)生相關(guān)，如圖2所示。此外，Tγ的臨界值取決于鋼軌的材料。

圖2 R260級(jí)鋼軌的雙線(xiàn)性滾動(dòng)接觸疲勞損傷函數(shù)

通過(guò)將模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析可知：對(duì)于R260級(jí)鋼軌，Tγ值小于15 J/m不會(huì)導(dǎo)致任何損壞；Tγ值為15～75 J/m意味著易發(fā)生滾動(dòng)接觸疲勞；Tγ值為75 ～175 J/m表示滾動(dòng)接觸疲勞減少但磨耗增加；Tγ值大于175 J/m會(huì)導(dǎo)致過(guò)度磨耗，需要對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞裂紋進(jìn)行清除。但是對(duì)于R350HT鋼軌，只有當(dāng)Tγ＞400 J/m 時(shí)才可能發(fā)生過(guò)度磨損。

2.2 對(duì)易損壞位置進(jìn)行有限元建模

道岔下部結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)特性可以通過(guò)有限元方法進(jìn)行分析。分析結(jié)果對(duì)于確定傳感器安裝位置和與道岔下部結(jié)構(gòu)相關(guān)的其他研究至關(guān)重要。

由于在有限元建模時(shí)，為提高計(jì)算效率，通常忽略車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的細(xì)節(jié)部分，因此目前通常使用多體仿真-有限元組合模擬的方法來(lái)解決上述問(wèn)題，即從多體仿真中獲得列車(chē)-道岔間動(dòng)態(tài)相互作用的關(guān)鍵信息，并將其導(dǎo)出到有限元中進(jìn)行進(jìn)一步分析。然而，多體仿真模型和有限元模型的軌道動(dòng)力學(xué)難以兼容，從而影響模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為解決這一問(wèn)題，本研究采用一種組合模擬方法——將從多體仿真模型獲得的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)結(jié)果轉(zhuǎn)換為有限元模型，以確保2種模型之間的兼容性。

在有限元模型中，鋼軌由固定在基板上的鋼軌墊支撐，基板與軌枕上的基板墊連接，軌枕固定在有砟道床上，尖軌直接安裝在基板上，如圖3、圖4所示。然而，在多體仿真模型中，鋼軌僅有2層支撐，即鋼軌與軌枕之間的鋼軌墊、軌枕與地面之間的道砟，如圖5所示。

圖3 有限元模型中各層之間的連接關(guān)系

圖4 用于滾動(dòng)接觸疲勞模擬仿真的3D有限元模型組

圖5 多體仿真模型中各層之間的連接關(guān)系

因此，為確保多體仿真和有限元2種軌道模型之間的兼容性，將有限元模型中鋼軌墊、基板和基板墊層組合的等效剛度與多體仿真模型中鋼軌墊層的剛度進(jìn)行了比較，并從英國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司標(biāo)準(zhǔn)中查得鋼軌墊、基板墊和道砟層的剛度特性，用于計(jì)算相應(yīng)層材料的等效彈性模量。此外，研究人員還進(jìn)行了瑞利阻尼系數(shù)計(jì)算，以根據(jù)鋼軌墊和道砟的共振頻率范圍對(duì)其材料的阻尼性能進(jìn)行微調(diào)。為準(zhǔn)確模擬出道砟層的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，研究人員采取2種研究思路：一是考慮道砟層的彈性，在軌枕兩端表面加入垂向和橫向的彈簧緩沖元件；二是考慮道砟層的特性，通過(guò)將多體仿真模型中使用的剛度和黏性阻尼轉(zhuǎn)換為等效彈性模量和瑞利阻尼，以復(fù)制有限元分析中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)2種建模方法動(dòng)態(tài)柔度的比較。

2.3 道岔下部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)

在推導(dǎo)材料特性的基礎(chǔ)上，本研究比較了多體仿真和有限元模型中鋼軌在一定頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)柔度，即鋼軌在施加單位荷載時(shí)的撓度；對(duì)于使用實(shí)體元素建模的部件，即鋼軌墊、基板墊和道砟，進(jìn)行了阻尼損耗系數(shù)的靈敏度分析，以便對(duì)阻尼性能進(jìn)行微調(diào)，并使用彈簧緩沖元件表示道砟層。

2.4 滾動(dòng)接觸仿真 + 對(duì)照驗(yàn)證

在確保多體仿真模型和有限元模型軌道動(dòng)力學(xué)兼容性的前提下，就可以進(jìn)行滾動(dòng)接觸有限元仿真。本研究模擬了單個(gè)S1002型車(chē)輪通過(guò)道岔基本軌和尖軌時(shí)的動(dòng)態(tài)相互作用。為此，研究人員將步驟1中從多體仿真模型獲得的車(chē)輪橫向和縱向運(yùn)動(dòng)結(jié)果作為車(chē)輪可變邊界條件輸入有限元模型，并通過(guò)將所得的接觸力結(jié)果與多體仿真模擬結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證有限元模型的有效性。

3 數(shù)值模擬結(jié)果討論

3.1 道岔鋼軌表面易損傷位置的預(yù)測(cè)

通過(guò)列車(chē)-道岔間相互作用的多體仿真分析，研究人員發(fā)現(xiàn)并確定了軌頭高磨耗區(qū)及滾動(dòng)接觸疲勞易發(fā)區(qū)域的位置。通過(guò)對(duì)比不同輪對(duì)通過(guò)所造成的影響可知，鋼軌與輪對(duì)的相互作用是導(dǎo)致道岔鋼軌表面損傷的主要原因。圖6展示了雙轉(zhuǎn)向架車(chē)輛的第一個(gè)輪對(duì)通過(guò)道岔時(shí)的鋼軌磨耗量Tγ。

由圖6可知，Tγ的峰值出現(xiàn)在距離岔尖7～9 m的位置，即輪軌接觸面從基本軌過(guò)渡到尖軌的區(qū)域。根據(jù)雙線(xiàn)性滾動(dòng)接觸疲勞損傷函數(shù)（圖2）可知，距離岔尖9 ～9.5 m處是最易發(fā)生滾動(dòng)接觸疲勞的區(qū)域，此處的Tγ值接近75 J/m。

圖6 輪對(duì)通過(guò)道岔時(shí)的鋼軌磨耗量

3.2 材料性能計(jì)算和軌道剛度驗(yàn)證

如圖7所示，在10～1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)，由多體仿真模型和有限元模型得到的鋼軌垂向動(dòng)態(tài)柔度呈現(xiàn)出良好的一致性，這證明了多體仿真模擬出的道岔下部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)可應(yīng)用于滾動(dòng)接觸有限元仿真分析中。

圖7 多體仿真模型與有限元模型的軌道動(dòng)力學(xué)兼容性

3.3 有限元模型與多體仿真模型的對(duì)比驗(yàn)證

圖8展示了同一輪對(duì)在多體仿真和有限元分析中由于列車(chē)-道岔間相互作用而產(chǎn)生的垂向接觸力對(duì)比結(jié)果。由圖可知，總體上2種方法得出的垂向接觸力數(shù)值相近，微小的差異可歸因于多體仿真模型中更細(xì)致地考慮了垂向懸架動(dòng)力學(xué)因素，以及為使有限元分析結(jié)果更穩(wěn)定而在有限元模型中對(duì)車(chē)輪施加恒定軸載的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。

圖8 2種方法得出的垂向接觸力對(duì)比結(jié)果

4 基于數(shù)字孿生模型和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的道岔預(yù)測(cè)性維修前景展望

通過(guò)導(dǎo)入實(shí)際鐵路運(yùn)行參數(shù)（如列車(chē)行駛速度、乘客數(shù)量、列車(chē)軸重、輪軌摩擦條件等），可以將上述反映列車(chē)-道岔間相互作用的數(shù)值模擬模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生模型。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要進(jìn)行多自由度的精確模擬，這將導(dǎo)致計(jì)算及建模效率的降低。為解決這一問(wèn)題，可以使用有限元降階建模方法。盡管此方法需要花費(fèi)較長(zhǎng)的初始計(jì)算時(shí)間，并進(jìn)行大量有限元模擬驗(yàn)證，但是一旦經(jīng)過(guò)驗(yàn)證標(biāo)定的數(shù)字孿生模型構(gòu)建完成，就可以在給定的邊界范圍內(nèi)進(jìn)行高效率且精確的數(shù)值模擬計(jì)算。對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行驗(yàn)證標(biāo)定的目的在于確定模型的有效性，并為故障檢測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)算法的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)，其中一種有效方法是比較傳感器（如應(yīng)變計(jì)）測(cè)量值與模型輸出值的一致性。經(jīng)驗(yàn)證標(biāo)定的數(shù)字孿生模型可通過(guò)預(yù)測(cè)道岔鋼軌老化趨勢(shì)，分析其易損傷部位，進(jìn)而提示傳感器最佳布設(shè)位置，從而直接或間接地支持預(yù)測(cè)性維修。

數(shù)字孿生模型、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與道岔預(yù)測(cè)性維修之間的關(guān)系如圖9所示。數(shù)字孿生模型與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分別利用機(jī)械老化模型和傳感器采集數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)道岔故障的發(fā)生。此外，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)和診斷實(shí)際發(fā)生的道岔故障，數(shù)字孿生模型可以輔助優(yōu)化狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的布設(shè)位置。

圖9 基于數(shù)字孿生模型和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的道岔預(yù)測(cè)性維修流程

此外，在為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施（如道岔）安裝傳感器、打造智能基礎(chǔ)設(shè)施方面，目前的3D 打印相關(guān)研究已證明該技術(shù)封裝和制造嵌入式傳感器的潛力。3D 打印成形工藝（如選擇性激光熔覆（SLM）工藝）和接合工藝（如激光金屬沉積（LMD）工藝）可封裝嵌入式傳感器。然而，仍有與之相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)需要攻克：其一，由于應(yīng)用于高負(fù)載動(dòng)態(tài)環(huán)境（如車(chē)輛-軌道相互作用），因此嵌入式傳感器對(duì)于強(qiáng)度和剛度的要求高于其他傳感器，優(yōu)化材料微結(jié)構(gòu)性能變得非常重要；其二，由于該技術(shù)目前僅被應(yīng)用于高附加值制造和快速原型設(shè)備制造領(lǐng)域，因此生產(chǎn)成本較高。為解決上述問(wèn)題，應(yīng)大力推進(jìn)金屬3D打印技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用研究，將傳感器封裝和嵌入鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，以提高其疲勞壽命。