車載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測方法

陳磊 王海峰 王勇

摘要 常規(guī)車載式鋼軌斷面磨耗檢測方法直接對磨耗特征能夠進行檢測，卻未對磨耗特征進行提取，造成常規(guī)方法準確度低。文章提出車載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測方法，通過對鋼軌斷面磨耗特征進行提取，判定鋼軌斷面的變化趨勢，從而基于近紅外技術確定磨耗能量分布狀態(tài)，構建檢測模型以實現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測。設計的對比實驗結果表明該方法在對磨耗檢測準確度的提升方面有顯著效果，因此將近紅外技術應用于車載式鋼軌斷面磨耗檢測中，能夠提高磨耗檢測的準確度。

關鍵詞 鋼軌斷面磨耗；近紅外技術；磨耗檢測；檢測方法

中圖分類號 G642文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0014-03

0 引言

目前我國鋼軌磨耗的測量主要采用人工測量方法，但這種方法已不適應目前國內鐵路發(fā)展的現(xiàn)狀，有必要開發(fā)先進的檢測技術，以提高鐵路工程部門的工作效率，降低鐵路維護成本，有效地保證鐵路線路的質量。在這種情況和需求下，該文提出了一種車載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測方法，用于檢測軌道部分。

1 車載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測方法設計

1.1 鋼軌斷面磨耗特征提取

提取鋼軌斷面磨耗的統(tǒng)計特征量，并使用與檢測方法相對應的自相關匹配檢測方法來對鋼軌斷面磨耗特征進行濾波處理[1-2]。用于發(fā)現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測的等效低通濾波可以表示如下：

式中，B——帶寬濾波器帶的寬度；T——采樣間隔，用以反映軌道橫截面的特性（T=12B）；τ——時間序列的函數(shù)。

對于局部區(qū)域中的所有時間頻率平面，分辨率是相同的，得到磨耗特征的輸入與輸出的關系如下式：

式中，ak=0（k=1，2，…，p）——磨耗采樣幅度，采用連續(xù)小波變換對鋼軌斷面磨耗特征進行參考估計；x（t）——任意原始鋼軌斷面磨耗特征；x（n）——輸出頻率，亦即分辨率；W——車載式機械鋼軌斷面厚近紅外探測信號s（t）的帶寬。

連續(xù)波變換的公式如下：

這里，h表示在滿足條件的磨耗的瞬時頻率：

使用Fourier變換對鋼軌斷面磨耗檢測進行窄時域加窗處理，基本小波（Prototype）或母小波（Motherwavelet）用h（t）表示，得到鋼軌斷面磨耗特征的短時Fourier變換如下：

由此得出鋼軌斷面磨耗特征的能量提取密度譜：

根據(jù)上述方程式，把一個復雜的鋼軌斷面磨耗特征分解成若干滑動平均采樣分量之和，根據(jù)提取的連續(xù)小波變換的譜能量特征，實現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測的特征提取。

1.2 基于近紅外技術確定磨耗能量分布狀態(tài)

在上述提取特征的基礎上，進一步的研究表明，鋼軌斷面檢測磨耗在不同狀態(tài)下的斷面檢測磨耗特征可能存在某些差異[3]，因此該文設置了2種不同的狀態(tài)。在這2種狀態(tài)下磨耗特征的幅值變化示意圖如圖1所示。

從圖1可以看出，不同狀態(tài)下，磨耗特征有實質性的變化。這表明在不同狀態(tài)下磨耗特征存在顯著差異。為了提高鋼軌斷面檢測的準確性，該文設計的方法在分析了鋼軌斷面磨耗特征的基礎上，使用近紅外技術將上述提取的鋼軌斷面磨耗特征這個參數(shù)進行多重變換，直觀地識別出線性覆蓋與重疊的關系，并確定磨耗的能量分布狀態(tài)。此時的變換F可表達為如下公式：

式中，fe——線性變量。

此時收集的磨耗特征會按照一定的周期順序進行更改。當在離散頻域中保持該序列時，可以減少磨耗分析數(shù)據(jù)的總量，并且可以提高磨耗分析的效率。目前，可以通過結合效率分析的結果來確定中心頻率的特性，表達如下公式：

式中，p——中心頻率特性的二次頻率的平均變化；f——集中頻率方差。

此外，可以分析磨耗的能量變化之間的關系，以確定磨耗的中心是否發(fā)生了變化。當牽引中心發(fā)生變化時，可以根據(jù)牽引中心的補償程度來計算能量關系。在復雜的電磁環(huán)境中，應提取軌道節(jié)段的牽引特性，并通過以下公式確定分布位置與牽引特性的方程：

式中，d——分析參數(shù)；G（t）——磨耗變化函數(shù)；t——車載式鋼軌斷面檢測時間；H（ f ）——新的對稱換檔函數(shù)。使用該變化規(guī)律方程可有效地分析鋼軌斷面狀態(tài)，判定鋼軌斷面的變化趨勢，從而確定磨耗能量分布狀態(tài)。

1.3 構建車載式鋼軌斷面磨耗檢測模型

為了實現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測，建立了磨耗模型。根據(jù)確定的磨耗能量分布狀態(tài)，經(jīng)門限檢測后定位磨耗位置，進行鋼軌斷面磨耗輸出檢測。采用級聯(lián)陷波檢測法對鋼軌斷面磨耗特征進行干擾濾波處理，提高磨耗檢測能力。

為了提高鋼軌斷面磨耗處理的準確性，該文使用分析方法來確定磨耗的光譜變化，并對磨耗進行傅立葉變換。當前收集的密封磨耗對應于開放頻域，并對應于時間—頻率分布關系。設置窗口函數(shù)g（t）用以精準地判斷磨耗的時間分辨率動態(tài)變化情況，該公式可以表示如下：

式中，g（t）——實時確定動態(tài)函數(shù)的變化方向，從而確定磨耗的處理狀態(tài)，提高磨耗部分的處理精確性；ej——開口帶的寬度；j——公共分布矩陣。

f頻率窗口的函數(shù)應通過磨耗加窗來構建，并構建具有時間分辨率和頻率分辨率的總時頻分布S（t， f）。當將鋼軌斷面磨耗特征的時域和頻域結合在一起時，取窗函數(shù)為δ（t），此時：

提取近紅外傳感磨耗的統(tǒng)計特征量，采用確定自相關一致性的檢測方法對磨耗的磨耗參數(shù)、截面磨耗的極限值進行濾波，其公式如下：

式中，r（t）——假設測量機械鋼軌斷面檢測的回波磨耗；λ——檢測控制函數(shù)；μ——鋼軌斷面磨耗特征檢測的約束項。

在目標點接收到的最近的紅外光函數(shù)分量可用如下公式表示：

式中，b——機械鋼軌斷面厚的近紅外探測輸出增益；urqx——時間—尺度增益。

不同的振幅配置設置了電機控制橫截面頻率的局部外部點。使用確定磨耗面積的方法，通過測量磨耗的部分來獲得鋼軌斷面磨耗測試中的近紅外時間—尺度二維差值分量如下式：

構造如下的4×4矩陣表示鋼軌斷面磨耗的獨立分量：

式中在二維平面（m，n）上，使用多維波標度分解方法將紅外感應的磨耗的尺度分解，并獲得用于確定密封磨耗檢測的平均信號形成值，如下式所示：

對每個紅外特性進行放大頻域，并在標度參數(shù)的基礎上評估鋼軌斷面磨耗參數(shù)。參數(shù)的測量結果如下式：

根據(jù)參數(shù)結果，結合上述計算建立車載式鋼軌斷面磨耗檢測模型M。模型如下式所示：

p——鋼軌斷面磨耗特征的帶寬。由此構建鋼軌斷面磨耗特征模型，結合磨耗能量分布狀態(tài)進行鋼軌斷面磨耗檢測。根據(jù)構建的車載式鋼軌斷面磨耗檢測模型，實現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測。

2 實驗論證

為了驗證車載式鋼軌斷面厚近紅外檢測方法的檢測效果，建立了一個合適的實驗平臺，并與常規(guī)車載式鋼軌斷面磨耗檢測方法對比，實驗如下。

2.1 實驗準備

為了確保實驗的有效性，該文選擇安裝在車輛上的PX409高精度磨耗檢測器。該檢測器符合車輛磨耗檢測的原理，用于確定磨耗部分。該磨耗檢測器具有低滯后和可重復性，并具有可實時校準的寬范圍溫度補償，可以盡量縮短實驗響應的持續(xù)時間，以提高實驗結果的可信度。安裝在汽車上的PX409磨耗探測器應包括5個極限范圍，可實時判斷車載式磨耗的輸入、輸出情況。斷面磨耗檢測器參數(shù)見表1。

從表1可以看出，該磨耗檢測器可直接測量實驗相關參數(shù)，再結合金屬環(huán)的摩擦系數(shù)進行判斷。該磨耗檢測器的量程為50～900 kHz，輸出范圍很廣，可根據(jù)采集磨耗的變化關系完成磨耗放大處理，降低實驗難度。

為了結合數(shù)據(jù)處理和有效完成數(shù)據(jù)采樣，該文選擇PC-6358數(shù)據(jù)采集卡，并使用LabVEW完成驅動程序。在數(shù)據(jù)收集之前，可以使用5 125個加強件來增強傳輸過程中的斷面磨耗，以提高磨耗的可識別性。

收集中心建成后，設置不同的磨耗和條件，以提高實驗靈敏度。在確保磨耗發(fā)生一定變化的基礎上，記錄現(xiàn)有的磨耗數(shù)據(jù)，并進行實時調整，且必須記錄在此過程中獲得的數(shù)據(jù)。

根據(jù)記錄的磨耗值，可以對現(xiàn)有鋼軌斷面樣本進行有效劃分，實時調整車載式鋼軌斷面的狀態(tài)，為后續(xù)的鋼軌斷面磨耗檢測實驗做參考。

2.2 對比實驗

在“2.1”基礎上可進行車載式鋼軌斷面厚檢測效果實驗，即分別使用該文設計的車載式鋼軌斷面厚近紅外檢測方法和常規(guī)的車載式鋼軌斷面厚檢測方法，對設置的機械鋼軌斷面進行檢測，并記錄三種方法的檢測結果，與實際機械鋼軌斷面厚進行對比，實驗結果見表2。

由表2可知，該文設計的車載式鋼軌斷面厚近紅外檢測方法在不同磨損狀態(tài)下檢測的鋼軌斷面均與實際鋼軌斷面相對接近，檢測差值較小，常規(guī)的車載式鋼軌斷面厚檢測方法檢測的斷面與實際差值較大。證明該文設計的車載式鋼軌斷面厚近紅外檢測方法檢測的磨耗較準確，具有準確性，有一定的應用價值。

3 結語

該文提出了車載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測方法，并實現(xiàn)了車載式鋼軌磨耗的檢測對比實驗。試驗結果表明，該方法多次測量結果的重復性好，且鋼軌廓形態(tài)測量偏差控制在0.25 mm以內，滿足現(xiàn)場作業(yè)的要求。

參考文獻

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