慣性基準(zhǔn)法在地鐵軌道檢測(cè)中的應(yīng)用

曹 志，高洪清，王 威，劉華云

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210000；2.南京航空航天大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，南京 210016；3.南京軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，南京 210000；4.成都唐源電氣股份有限公司，成都 610000)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)擁有龐大的人口基數(shù)的發(fā)展中國(guó)家，每年的人口流動(dòng)規(guī)模都非常大。尤其在每年的春節(jié)期間，巨大的人口流動(dòng)需求使得我國(guó)的鐵路交通得到迅速發(fā)展。自1905年由中國(guó)鐵路之父詹天佑先生修建的京張鐵路起，我國(guó)的鐵路里程已達(dá)到15.49萬(wàn)公里，位居世界第二[1-2]。隨著城市化進(jìn)程的加速，城市規(guī)模的擴(kuò)大以及綠色、低碳的發(fā)展理念，城市交通方式也發(fā)生了深刻的變革，從私家車為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楣步煌橹?。慣性基準(zhǔn)法是常見的軌道檢測(cè)方法，文獻(xiàn)[3]為了提高軌道的檢測(cè)效率，設(shè)計(jì)了一種非接觸式軌道檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)軌道狀態(tài)，該系統(tǒng)通過(guò)慣性測(cè)量單元，計(jì)算列車與軌道之間的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，與正常運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，從而檢測(cè)軌道損耗狀態(tài)，該方法對(duì)軌道的平順問題檢測(cè)精度較高，但面對(duì)波磨損耗時(shí)，檢測(cè)精度較低。文獻(xiàn)[4]為了研究軌道高低不平順對(duì)軌道的影響，構(gòu)建了一個(gè)檢測(cè)模型，并采用慣性基準(zhǔn)法對(duì)軌道高低不平順進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果顯示，從時(shí)域角度分析時(shí)，扣件剛度，路基支承剛度和軌枕間距對(duì)高低不平順影響較小，該方法主要在于分析軌道不平順的影響。文獻(xiàn)[5]為了了解靜態(tài)及動(dòng)態(tài)下，軌道不平順之間的關(guān)系，提出了基于慣性基準(zhǔn)法的虛擬軌道檢測(cè)方法，結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)不規(guī)則性之間存在明顯的線性關(guān)系，作者分析了軌道不平順之間的關(guān)系，但軌道檢測(cè)是采用的虛擬檢測(cè)，精準(zhǔn)度較低。文獻(xiàn)[6]為了提高軌道檢測(cè)效率，及檢測(cè)精度，提出了一種利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行攝影測(cè)量的方法，結(jié)果顯示該方法檢測(cè)位置精度較高，負(fù)荷實(shí)驗(yàn)預(yù)期。該作者提出的方法，僅可檢測(cè)軌道位置，無(wú)法對(duì)軌道本身的波磨損耗進(jìn)行檢測(cè)。隨著各種鐵路交通及城市軌道交通的增加，軌道體系的檢測(cè)維護(hù)成為了一個(gè)新的挑戰(zhàn)。尤其是軌道波磨——鋼軌上出現(xiàn)的波浪狀不平整現(xiàn)象，它是軌道使用過(guò)程中的主要損傷類型。為了對(duì)這一損傷進(jìn)行有效的檢測(cè)，首先需要深入理解地鐵軌道波磨的形成原因和其分類。因此，本研究旨在深入研究地鐵軌道波磨的基本特征，并基于慣性基準(zhǔn)法設(shè)計(jì)了一個(gè)專門的地鐵軌道波磨檢測(cè)系統(tǒng)，期望為城市交通軌道的維護(hù)提供更為先進(jìn)的技術(shù)支持。

1 基于慣性基準(zhǔn)法的地鐵軌道波磨檢測(cè)研究

1.1 地鐵軌道波磨研究

軌道的波磨損耗是一種無(wú)法避免的軌道損傷，早期的軌道波磨檢測(cè)是通過(guò)工人手工逐點(diǎn)測(cè)量，該方式無(wú)論是檢測(cè)效率，還是檢測(cè)精準(zhǔn)度，都非常低下。若波磨損耗發(fā)現(xiàn)較晚，將會(huì)導(dǎo)致軌道打磨修復(fù)變得十分困難，若打磨修復(fù)不到位，就將軌道投入使用，將會(huì)導(dǎo)致軌道損耗進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致整條軌道廢棄，造成非常大的成本損耗及資源浪費(fèi)。城市軌道交通的修建成本極高，若因軌道波磨損耗導(dǎo)致地鐵線路廢棄，將對(duì)當(dāng)?shù)爻鞘械慕?jīng)濟(jì)發(fā)展等方面造成極大的損失，因此，及時(shí)地檢測(cè)發(fā)現(xiàn)軌道損耗狀況，并加以改善，可以有效地延長(zhǎng)地鐵軌道的使用壽命。軌道的波磨損耗，可根據(jù)磨損的類型、波形的波長(zhǎng)、波長(zhǎng)確定機(jī)制及軌道損傷機(jī)制進(jìn)行分類[7-8]。按照軌道損傷機(jī)制，可將波磨損耗劃分為6種：波谷塑性變形、塑性彎曲、滾動(dòng)接觸疲勞、波谷縱向振動(dòng)磨耗、橫向振動(dòng)磨耗及波谷磨耗[9-10]。我國(guó)城市軌道交通的波磨損耗中，波磨波長(zhǎng)在50～350 mm之間，最大波深為1.37 mm，且主要發(fā)生在曲線段。軌道的波磨損耗分為開始階段及發(fā)展階段，開始階段是指剛開始出現(xiàn)的階段，發(fā)展階段是指軌道波磨損耗不斷加劇的過(guò)程，發(fā)展階段中，軌道的波磨損耗與輪軌之間的相互作用會(huì)相互促進(jìn)并形成一個(gè)循環(huán)，如圖1所示[11-12]。

圖1 軌道波磨損耗與輪軌相互作用的循環(huán)

軌道波磨損耗是輪軌之間的相互作用導(dǎo)致的，但軌道磨耗的具體成因并沒有較為明確的理論，目前主流的成因包括反饋振動(dòng)理論、自激振動(dòng)理論、基礎(chǔ)疲勞理論[13-14]。1)反饋振動(dòng)理論，由于軌道在投入運(yùn)行之初，輪軌接觸面就不平順，使得在使用之初，輪軌之間就有振動(dòng)形成，而這些振動(dòng)又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致軌道平面更加粗糙，更加粗糙的平面又會(huì)增加輪軌之間的振動(dòng)，如此反復(fù)循環(huán)，就形成了軌道的波磨損耗[15-16]；2)自激振動(dòng)理論，在列車運(yùn)行的過(guò)程中，由于某些特定因素或軌道的固有特性，導(dǎo)致輪軌之間產(chǎn)生了自激振動(dòng)，從而導(dǎo)致了波磨損耗的產(chǎn)生[17-18]；3)接觸疲勞理論，發(fā)生在載荷過(guò)重或列車重復(fù)接觸次數(shù)較多的軌道軌頭表面損傷，該損傷的表現(xiàn)形式較多，包括裂紋、表面凹陷、分層剝落等，這些軌道損傷對(duì)軌道的波磨損耗有極大的促進(jìn)作用[19-20]。由于波磨損耗具有隨機(jī)性，因此，需要通過(guò)數(shù)值法來(lái)計(jì)算，在實(shí)際工程中，最常用的傅里葉變換是快速傅里葉變換，在使用快速傅里葉變換時(shí)，數(shù)據(jù)的采樣數(shù)必須為2n個(gè)，若該要求無(wú)法滿足，就需要在信號(hào)的末端增加一個(gè)0，再假設(shè)x(t)為時(shí)域函數(shù)，采樣時(shí)間間隔為Δt，那么快速傅里葉變換如式(1)所示：

(1)

式中，f為參數(shù)，N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。時(shí)域分析主要用于，分析波磨損耗的波深隨著軌道使用里程的變化而變化，雖然軌道波磨損耗的深度是隨機(jī)變量，無(wú)法預(yù)知，但可以通過(guò)在軌道中不斷地采樣，并將其在軌道中的長(zhǎng)度表示出來(lái)，就可以采用時(shí)域分析對(duì)其進(jìn)行分析，在此過(guò)程中，還可以獲得軌道波磨損耗的最大值、平均值及方差等數(shù)據(jù)，工作人員也可以根據(jù)時(shí)域分析數(shù)據(jù)，快速定位發(fā)生軌道波磨損耗的路段，并進(jìn)行軌道的維護(hù)工作。粗糙度水平分析，是根據(jù)軌道波磨損耗的均方根值大小來(lái)進(jìn)行判斷的，假設(shè)軌道波磨損耗分析中，采樣點(diǎn)為i，每個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的波磨損耗的深度為xi，那么均方根可通過(guò)式(2)計(jì)算獲得：

(2)

式中，XRMN為均方根。利用該公式計(jì)算獲得軌道的粗糙度水平后，將其與國(guó)家規(guī)定的軌道表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)值相比較，即可獲得該段軌道的粗糙度水平，該分析方式常用于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)方法中，對(duì)檢測(cè)精度的要求較高。

1.2 基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨檢測(cè)系統(tǒng)

慣性基準(zhǔn)法是一種常用的軌道波磨檢測(cè)方法，該方法實(shí)現(xiàn)成本低，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單。慣性基準(zhǔn)法是指通過(guò)加速度計(jì)的安裝，收集列車軸箱加速度。若軌道剛度足以承受列車重量而不產(chǎn)生形變，那么列車軸箱在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)曲線，就與軌道表面在垂直方向上的波磨曲線，因此，將加速度計(jì)收集到的加速度進(jìn)行處理，即可獲得軌道的波磨損耗值。在收集列車軸箱加速度時(shí)，若列車一對(duì)車輪產(chǎn)生的垂向位移為x(l)，位移過(guò)程中的加速度為a(l)，那么列車在軌道上行駛過(guò)程中，軸箱在垂直方向上的加速度的計(jì)算如式(3)所示：

(3)

若列車運(yùn)行過(guò)程中，車輪在垂直方向上的位移為dw，軸箱的加速度為aw，那么根據(jù)式(3)可知，軌道波磨損耗的計(jì)算見式(4)：

(4)

式中，c1，c2為積分常數(shù)?；趹T性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)中，包括了各種信號(hào)的放大、濾波等操作?；趹T性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)處理流程分為4個(gè)部分：第一部分是數(shù)據(jù)信號(hào)的采集輸入，該部分的數(shù)據(jù)信號(hào)指檢測(cè)列車左右兩個(gè)軸箱的加速度，該數(shù)據(jù)由加速度計(jì)獲得；第二部分為模擬調(diào)理部分，該部分中含有兩個(gè)模塊，分別是模擬濾波器及A/D采樣；第三部分是數(shù)字處理部分，該部分包括5個(gè)模塊，分別是去偏濾波模塊、數(shù)值積分模塊、數(shù)字高通濾波模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊；最后一個(gè)部分是數(shù)據(jù)可視化部分，該部分可將最后得到的軌道波磨損耗的波形顯示出來(lái)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，由第一部分的兩個(gè)加速度計(jì)將收集數(shù)據(jù)輸入模擬濾波器中進(jìn)行預(yù)處理，再通過(guò)A/D采樣模塊，之后進(jìn)入去偏濾波模塊進(jìn)行處理，去偏濾波模塊將處理后的數(shù)據(jù)送至數(shù)值積分模塊，進(jìn)行積分處理，將積分處理的結(jié)果輸入數(shù)字高通濾波模塊進(jìn)行最后的處理，數(shù)字高通濾波器處理結(jié)束后，會(huì)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)中，經(jīng)過(guò)上述處理后，將結(jié)果輸入數(shù)據(jù)可視化模塊，即可得到軌道波磨損耗的波形，其處理流程如圖2所示。

圖2 基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

從圖2中可以知道，檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字處理部分包括去偏濾波、數(shù)字積分及數(shù)字高通濾波，去偏濾波是為了去除檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的直流偏量，數(shù)字積分處理則是為了獲得軌道波磨損耗值，數(shù)字高通濾波則是為了截取波長(zhǎng)范圍內(nèi)的信號(hào)。在檢測(cè)列車的轉(zhuǎn)向軸箱中安裝加速度計(jì)時(shí)，無(wú)法保證加速度計(jì)完全垂直于輪軌接觸面，因此，難免在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)加速度軸的偏移；除此之外，收集到的原始信號(hào)中，還存在低頻部分，該部分的存在易引起積分過(guò)程中，出現(xiàn)積分飽和的情況，因此，需要去偏濾波器進(jìn)行處理，去偏濾波器的函數(shù)表達(dá)式如公式(5)：

(5)

式中，z為變量，ωd為參數(shù)，可決定濾波器的衰減特性及帶寬。基于慣性基準(zhǔn)檢測(cè)法的檢測(cè)原理，對(duì)濾波器處理過(guò)后的加速信號(hào)進(jìn)行連續(xù)兩次數(shù)字積分，即可獲得軌道波磨損耗值，牛頓-科茨法是一種常用的數(shù)字積分方法，該方法使用差值多項(xiàng)式進(jìn)行積分，辛普森法是該方法的一種，研究采用該方法對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行積分處理，該方法中，每個(gè)采樣點(diǎn)之間的屬性特征之間的關(guān)系如公式(6)所示：

(6)

式中，s(n)表示每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值對(duì)應(yīng)的積分值。式(6)的傳遞函數(shù)如式(7)所示：

(7)

式中，H(z)表示傳遞函數(shù)。由式(6)可知，當(dāng)z=1時(shí)，函數(shù)H(z)出現(xiàn)極點(diǎn)，極點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致積分時(shí)出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象。在經(jīng)過(guò)兩次積分處理后，數(shù)據(jù)信號(hào)中，已經(jīng)包含了其他波長(zhǎng)的信號(hào)信息，再采用數(shù)字高通濾波器，對(duì)積分后得到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可對(duì)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行截取操作，并通過(guò)該操作提高軌道波磨損耗的檢測(cè)精準(zhǔn)度，數(shù)字高通濾波器是由低通濾波器及一個(gè)全通濾波器組成的，研究選取的低通濾波器為三階低通濾波器，該濾波器的函數(shù)表達(dá)式見式(8)：

(8)

式中，U(z)為三階低通濾波器函數(shù)，k為濾波器參數(shù)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選取特定范圍的波長(zhǎng)。再通過(guò)全通濾波器減去低通濾波器，即可獲得高通濾波器，如式(9)所示：

V(z)=UAP-U(z)

(9)

式中，V(z)為高通濾波器函數(shù)，UAP為全通濾波器函數(shù)。由于研究設(shè)計(jì)的軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)與原檢測(cè)系統(tǒng)有所不同，因此，需要重新設(shè)計(jì)檢測(cè)中的各種硬件及電路設(shè)施。研究構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)中，加速傳感器選擇非常重要。由于列車軸箱的加速度測(cè)量范圍較大，因此，加速度計(jì)必須具有良好的線性度，電容式微加速度計(jì)的成本較低、穩(wěn)定性較高，且其信號(hào)讀取復(fù)雜的缺點(diǎn)，可通過(guò)增加一個(gè)信號(hào)調(diào)理板進(jìn)行改進(jìn)，因此，研究采用電容式加速度計(jì)，作為檢測(cè)列車軸箱加速度測(cè)量?jī)x。Model2012是該種類額加速度計(jì)中較為常見的一種，該加速度計(jì)輸出阻抗低，接線簡(jiǎn)單便捷，但該加速度計(jì)的輸出信號(hào)為差分信號(hào)，需要對(duì)該型號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能成為檢測(cè)系統(tǒng)可以接收并處理的信號(hào)。通常使用減法器，作為電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變儀，減法器通常是通過(guò)儀表放大器實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合Model2012加速度計(jì)的信號(hào)特點(diǎn)，及檢測(cè)系統(tǒng)中的電壓情況，研究以AD8250芯片，作為信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片，該型號(hào)芯片的功能如圖3所示。

圖3 信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片AD8250的功能框圖

AD8250是一種可編程的儀表放大器，該放大器具有以下5個(gè)特點(diǎn)：1)尺寸小巧，可以安裝在大多數(shù)系統(tǒng)中，而不影響系統(tǒng)的功能；2)電壓使用范圍較寬，對(duì)系統(tǒng)要求更低；3)可自主編程，提高放大器性能；4)在直流電中具有高共模抑制比的同時(shí)，還具有低增益漂移；5)在交流電中建立時(shí)間短，功耗低。檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，需要采樣頻率是最大信號(hào)頻率的兩倍及以上，才不會(huì)造成信號(hào)中信息的缺失，一般會(huì)將采樣頻率，定為信號(hào)最大頻率的5～10倍。在研究設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)中，只需要指定范圍內(nèi)的信號(hào)信息，因此，還需要對(duì)指定范圍內(nèi)的信號(hào)頻率進(jìn)行抗混疊濾波操作，該操作是采用低通濾波器，對(duì)采樣信號(hào)頻率進(jìn)行處理，去除高于評(píng)價(jià)采樣頻率的部分。MAX291濾波器是巴特沃斯濾波器中的一種，具有開關(guān)電容式結(jié)構(gòu)，具有該結(jié)構(gòu)的濾波器需要一個(gè)時(shí)鐘作為電路驅(qū)動(dòng)器，且該時(shí)鐘的頻率應(yīng)是截止頻率的100倍。驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘也分為內(nèi)部及外部?jī)煞N，其中外部時(shí)鐘的安裝方式便捷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需外接一個(gè)電容即可，由于接線簡(jiǎn)單，因此，在出現(xiàn)故障時(shí)，可以及時(shí)修復(fù)。但該濾波器易受外界電磁干擾，在安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)在布線時(shí)，需要預(yù)留一塊無(wú)線路的地方作為濾波器的安裝地，以減少底線對(duì)濾波器的干擾；2)加強(qiáng)濾波器電源，該措施可以有效減少電源紋波；3)濾波器需要單獨(dú)供電，并且與檢測(cè)系統(tǒng)的電源隔離開；4)需要將時(shí)鐘信號(hào)與信號(hào)傳輸線進(jìn)行隔離，避免產(chǎn)生干擾。

2 檢測(cè)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)研究構(gòu)建的基于慣性基準(zhǔn)法軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，在SIMPACK軟件上進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗(yàn)。SIMPACK軟件是一種機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件，包含了許多專業(yè)模塊及樣機(jī)系統(tǒng)。研究基于此軟件，構(gòu)建了檢測(cè)車輛模型，其中部分關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 檢測(cè)車輛建模參數(shù)

為了驗(yàn)證研究設(shè)計(jì)的基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，研究將其與基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)與基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果對(duì)比

圖4(a)為兩種檢測(cè)系統(tǒng)在不同檢測(cè)長(zhǎng)度下的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比結(jié)果，可以看到，兩種檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差值的走向基本一致，但慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差，略小于弦測(cè)法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差，檢測(cè)長(zhǎng)度為400 m時(shí)，弦測(cè)法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差為0.79 mm，而慣性標(biāo)準(zhǔn)法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差為0.72 mm，檢測(cè)長(zhǎng)度為850 m時(shí)，兩種方法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差基本相等。圖4(b)為兩種檢測(cè)系統(tǒng)在不同的檢測(cè)長(zhǎng)度下的檢測(cè)精準(zhǔn)度，可以看到，隨著檢測(cè)軌道長(zhǎng)度的增加，檢測(cè)精度在不斷下降，檢測(cè)軌道長(zhǎng)度為10 m時(shí)，基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為89.3%，基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為85.6%，檢測(cè)軌道長(zhǎng)度為20 m時(shí)，基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為86.4%，基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為81.2%，檢測(cè)軌道長(zhǎng)度為50 m時(shí)，基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為82.1%，基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為79.8%，檢測(cè)軌道長(zhǎng)度為100 m時(shí)，基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為81.32%，基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為79.5%。基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度較低，但成本也更低。確定了基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨檢測(cè)方法的有效性后，研究在曲線半徑為400 m的軌道上，添加了一定程度的波磨損耗，并對(duì)軌道的波磨損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該波磨損耗下的軌道功率譜密度，并以上述數(shù)據(jù)對(duì)研究構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 軌道波磨檢測(cè)系統(tǒng)的檢驗(yàn)結(jié)果

圖5(a)為軌道波磨損耗的檢測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比結(jié)果，可以看到，檢測(cè)值與實(shí)際值的趨勢(shì)基本一致，但具體誤差較大。實(shí)際值在0.1、0.3、0.55、0.77 m處均為波峰，其中，0.1 m處波峰幅值為0.602 3 mm，0.3 m處的波峰幅值為0.681 2 mm，0.55 m處的波峰幅值為0.598 3 mm，0.77 m處的波峰幅值為0.576 3 mm，實(shí)際軌道波磨損耗的最大波深為0.681 2 mm，最小波深為0.576 3 mm，平均波深為0.557 0 mm。地鐵軌道的實(shí)際波磨損耗，在隨著縱向長(zhǎng)度的增加而減小，軌道縱向長(zhǎng)度在0.3 m時(shí)，軌道波磨損耗波深達(dá)到最大值。檢測(cè)情況則在0.08、0.3、0.52、0.75 m處達(dá)到軌道波磨損耗峰值，其中，0.08 m處的幅值為0.572 1 mm，0.3 m處的幅值為0.583 8，0.52 m處的幅值為0.563 4 mm，0.75 m處的幅值為0.564 8 mm，檢測(cè)軌道波磨損耗的最大波深為0.583 8 mm，最小波深為0.563 4 mm，平均波深為0.486 3 mm。研究設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)的軌道波磨損耗數(shù)據(jù)，略低于實(shí)際的軌道波磨損耗數(shù)據(jù)。圖5(b)為實(shí)際情況與檢測(cè)數(shù)據(jù)的軌道波磨損耗功率譜密度對(duì)比結(jié)果，可以看到，實(shí)際情況下，功率譜密度圖中存在兩處明顯的波峰，分別是頻率為0處及頻率為4.784 m-1兩處，其中，頻率為0處波峰是由于軌道波磨損耗波形的數(shù)據(jù)均值，在線性條件中不為0造成的，該處對(duì)應(yīng)的功率譜密度為0.300 0 mm2*m。頻率為4.784 m-1處的波峰對(duì)應(yīng)的功率譜密度為0.106 4 mm2*m。除上述兩個(gè)明顯的波峰外，在頻率為9.384 m-1處，該頻率位置下的功率譜密度較小，不具有參考價(jià)值，由上述數(shù)據(jù)可知，軌道波磨損耗的實(shí)際波長(zhǎng)為209 mm。檢測(cè)情況中可以看到頻率在20 m-1以后，與實(shí)際情況基本一致，在此之前也與實(shí)際情況極其相似，僅在頻率為10～20 m-1之間，檢測(cè)頻率波動(dòng)較大，與實(shí)際值不符。檢測(cè)數(shù)據(jù)中，兩處明顯波峰分別在頻率為0及頻率為4.830 m-1處，檢測(cè)情況中除兩處明顯波峰外，也存在一個(gè)不明顯之處，由于不具有參考意義，因此不做討論，由上述數(shù)據(jù)可知，檢測(cè)結(jié)果的波長(zhǎng)為207 mm。

3 結(jié)束語(yǔ)

地鐵已經(jīng)是我國(guó)主要的城市交通手段之一，地鐵壽命與地鐵軌道波磨損耗息息相關(guān)，為了提升城市地鐵的使用壽命，研究構(gòu)建了基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)列車的軸箱加速度進(jìn)行測(cè)量以獲得軌道的波磨損耗情況，研究構(gòu)建的系統(tǒng)采用Model2012系列加速度計(jì)作為測(cè)量設(shè)備，并采用AD8250作為信號(hào)處理設(shè)備。結(jié)果顯示，基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的成本花費(fèi)，是基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的成本的83%。基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)最大波深為0.583 8 mm，相較于實(shí)際值，降低了14.3%，檢測(cè)評(píng)價(jià)波深為0.486 3，相較于實(shí)際值，降低了12.7%，檢測(cè)數(shù)據(jù)波長(zhǎng)為207 mm，相較于實(shí)際波長(zhǎng)，降低了0.96%。研究構(gòu)建的基于關(guān)系基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)成本更低，且其檢測(cè)精度滿足實(shí)際使用所需，但研究構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度僅剛好滿足實(shí)際應(yīng)用所需，誤差仍處于較高水平，仍待改進(jìn)。