周長(zhǎng)義，孫偉

基于聲發(fā)射檢測(cè)的鋼軌斷裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及定位方法研究

周長(zhǎng)義1，孫偉2

(1. 哈爾濱鐵路科研所科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150006；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

基于鋼軌斷裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)有效保障列車運(yùn)行安全的重要性，以鐵路常用的60 kg軌道為研究對(duì)象，以聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)試驗(yàn)分析軌道斷裂的聲發(fā)射信號(hào)特征，有效區(qū)分列車運(yùn)行引入的聲發(fā)射信號(hào)。搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)斷軌檢測(cè)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證該方法的有效性和準(zhǔn)確性，并通過(guò)TDOA算法實(shí)現(xiàn)對(duì)斷裂的定位。研究結(jié)果表明：軌道斷裂會(huì)產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號(hào)，且斷裂聲發(fā)射信號(hào)特征主頻在100~160 kHz，聲壓幅值高，且在時(shí)域上存在明顯的突發(fā)性；其特征與列車運(yùn)行特征存在明顯區(qū)別，可有效實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)；利用TDOA方法實(shí)現(xiàn)軌道斷裂位置的確定，定位精度優(yōu)于±20 cm。研究結(jié)果為軌道斷軌檢測(cè)提供了有效的參考依據(jù)，對(duì)軌道交通運(yùn)行安全的技術(shù)發(fā)展具有十分重要的意義。

聲發(fā)射；斷軌；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在鐵路交通運(yùn)輸體系中，軌道結(jié)構(gòu)起著支撐列車和引導(dǎo)車輪前進(jìn)的作用，是整個(gè)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)。若鋼軌發(fā)生裂痕、斷裂等故障，未能及時(shí)檢測(cè)和修復(fù)，則會(huì)導(dǎo)致列車脫軌、傾覆等極其重大的安全事故[1-2]。2001年美國(guó)愛(ài)德華州發(fā)生因鋼軌斷裂引起列車脫軌，造成1人死亡96人受傷的重大事故；我國(guó)也曾發(fā)生過(guò)斷軌引起的重大安全事故，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于斷軌檢測(cè)方法主要有手推式超聲波探傷車和大型鋼軌超聲波探傷車定期巡檢[2]、超聲導(dǎo)波檢測(cè)鋼軌斷裂[3-5]、利用軌道電路功能進(jìn)行斷軌檢 測(cè)[6-7]、利用TCR記錄信息奇異值分解分析斷軌檢測(cè)[8]、根據(jù)故障樹(shù)分析斷軌[9]及光導(dǎo)纖維檢測(cè)及等方法。而鋼軌探傷車占用軌道時(shí)間長(zhǎng)；而軌道電路受道床參數(shù)情況影響較大，定位性差，誤報(bào)率高。超聲導(dǎo)波的方式是目前國(guó)內(nèi)外研究較多的方向，實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位，但準(zhǔn)確定位較差，且當(dāng)列車占有時(shí)，無(wú)法檢測(cè)[10-12]。本文提出了一種基于聲發(fā)射的實(shí)時(shí)鋼軌斷裂監(jiān)測(cè)技術(shù)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，定位準(zhǔn)確，布置簡(jiǎn)單，無(wú)需改造鐵軌等優(yōu) 點(diǎn)[13]。

1 基于聲發(fā)射斷軌檢測(cè)原理

由于鐵路鋼軌發(fā)生裂紋、剝離和斷裂時(shí)會(huì)在其結(jié)構(gòu)內(nèi)因能量的快速釋放而產(chǎn)生突變型的彈性波，即為聲發(fā)射信號(hào)，其頻帶較寬，且通過(guò)監(jiān)測(cè)該聲發(fā)射信號(hào)，利用兩對(duì)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的雙軌斷軌的發(fā)生及位置；典型的聲發(fā)射信號(hào)傳播如圖1所示。

將聲發(fā)射傳感器分別成對(duì)地布置在鋼軌的每根軌道的軌腰上，被動(dòng)監(jiān)測(cè)軌道中產(chǎn)生并傳播的聲發(fā)射信號(hào)，利用多通道采集設(shè)備同步采集各傳感器感知的聲發(fā)射信號(hào)，并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，經(jīng)過(guò)濾波，識(shí)別斷軌聲發(fā)射特征信號(hào)，判斷斷軌的發(fā)生，并利用TDOA算法進(jìn)行 定位。

圖1 聲發(fā)射信號(hào)傳播示意圖

2 軌道斷裂聲發(fā)射特征信號(hào)

目前鋼軌斷裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的特征尚無(wú)研究資料可參考，需要開(kāi)展測(cè)試試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析。利用靜態(tài)彎軌機(jī)，對(duì)1根1.3 m長(zhǎng)的真實(shí)鋼軌進(jìn)行實(shí)際的折斷，通過(guò)聲學(xué)檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，采集并分析其聲發(fā)射信號(hào)。對(duì)鋼軌中間位置人為切割一個(gè)缺口，切割位置距邊緣640 mm處2 mm深；8通道同時(shí)采集傳感器放置位置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)傳感器安裝位置及斷裂口位置

圖3 斷裂信號(hào)采集時(shí)域譜圖

從信號(hào)采集時(shí)域圖3中可以明顯分析得到在約為47.44 s的時(shí)刻，發(fā)生了斷裂，8路檢測(cè)信號(hào)均檢測(cè)到信號(hào)的斷崖式突變，信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)到4.2 V到5.3 V，各傳感器檢測(cè)的信號(hào)具有一致性。而斷裂后，因發(fā)生的碰撞或傳感器掉落而感知的信號(hào)具有不同的狀態(tài)。

針對(duì)斷裂信號(hào)即框圖的信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析如圖4所示，提取特征值，如表1所示，經(jīng)分析軌道斷裂聲發(fā)射信號(hào)特征如下。

1)時(shí)域譜圖中，斷裂信號(hào)為突發(fā)性的階躍信號(hào)；各路傳感器信號(hào)存在時(shí)間一致性；幅度也在全部檢測(cè)過(guò)程中是最大的；

2)頻譜主峰頻率和主要能量集中在100~160 kHz之間；

3)振鈴數(shù)可高達(dá)幾百，與未斷裂前有明顯區(qū)別。

而后又重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)2次，得到信號(hào)及特征與上述結(jié)果相一致，其主峰頻帶均在100~160 kHz之間，以通道1為例主頻分別為125.2，134.5和122.3 kHz，因此，并不會(huì)因?yàn)閿嗔堰^(guò)程的復(fù)雜性而導(dǎo)致斷裂的信號(hào)特征頻帶會(huì)發(fā)生較大轉(zhuǎn)移；在鋼軌的結(jié)構(gòu)相一致的情況下，不同的長(zhǎng)度、位置等只會(huì)影響斷裂信號(hào)到達(dá)不同傳感的信號(hào)強(qiáng)度及時(shí)間。

(a) 斷裂信號(hào)時(shí)域譜圖；(b) 斷裂信號(hào)頻域譜圖

表1 斷裂信號(hào)的特征提取

3 列車占用軌道聲發(fā)射信號(hào)特征

外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)主要是利用北京昌平火車站和哈爾濱新香坊火車站的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行實(shí)際軌道運(yùn)行下的列車占用時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)采集與分析；分別在鋼軌的軌腰和軌底每間隔5 m的距離配置傳感器4對(duì)傳感器，通過(guò)多通道采集儀進(jìn)行采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上位機(jī)的MATLAB程序進(jìn)行分析。

當(dāng)列車通行時(shí)，其時(shí)域譜圖如圖5所示，從中可以清晰地看出從列車的逐漸抵近、經(jīng)過(guò)、遠(yuǎn)離的過(guò)程，時(shí)域譜圖中出現(xiàn)幅度上升，增大，信號(hào)飽和狀態(tài)以及拖尾衰減，感知不到的過(guò)程。從頻域上如圖6所示，可得其主頻帶在2~20 kHz存在較高的幅度，占主要成份。通過(guò)列車的進(jìn)站速度和檢測(cè)到有效信號(hào)開(kāi)始到結(jié)束，整個(gè)距離大約在2 km，也就意味著目前該設(shè)備可有效的感知距離為1 km。

圖5 列車運(yùn)行期間軌道聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域譜圖

從頻譜中可以明顯看出列車運(yùn)行時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)相一致，而區(qū)別于斷軌信號(hào)的特征，其中主要體現(xiàn)如下2點(diǎn)。

1)列車運(yùn)行的軌道聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征主峰和主要能量集中在低頻段20 kHz以下；而軌道斷裂信號(hào)主要集中在高頻段；

2)列車運(yùn)行的特征頻譜形狀與斷裂信號(hào)不同，相對(duì)變化平緩，且高頻段是連續(xù)下降的，不存在斷裂信號(hào)的變化狀態(tài)。

圖6 列車運(yùn)行期間軌道聲發(fā)射信號(hào)頻域譜圖

4 斷軌檢測(cè)及定位

斷軌聲發(fā)射信號(hào)主要沿鋼軌向遠(yuǎn)處傳播，三維直接可簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題來(lái)處理，可采用聲達(dá)時(shí)差的定位法進(jìn)行如圖7所示，結(jié)合頻譜分析和特征譜分析，經(jīng)濾波等處理，可以準(zhǔn)確地確定位置。

為了避免多個(gè)信號(hào)源的干擾，設(shè)置前置放大器的硬件濾波為100~200 kHz，同時(shí)在采集軟件中用切比雪夫?yàn)V波器進(jìn)行帶通濾波，避免通常環(huán)境中存在的低頻帶的干擾源，確保特征信號(hào)的有效監(jiān)測(cè)。

聲達(dá)時(shí)差法是采用多個(gè)傳感器，當(dāng)特征信號(hào)源的信號(hào)達(dá)到不同位置的傳感器的時(shí)間不同，由此可通過(guò)速度來(lái)確定信號(hào)源的位置信息。在二維平面問(wèn)題中，利用3個(gè)傳感器就可以形成兩條單邊雙曲線來(lái)產(chǎn)生交點(diǎn)，確定位置[13]。

圖7 多傳感器定位示意圖

展開(kāi)式(1)，可得到式(2)：

根據(jù)上述分析，這種方法至少要進(jìn)行三階估計(jì)，傳感器至少需要4個(gè)，因此在內(nèi)場(chǎng)設(shè)置的 12.5 m長(zhǎng)的鐵路上進(jìn)行樹(shù)枝斷裂模擬軌道斷裂的定位模擬實(shí)驗(yàn)，將傳感器分別粘接在軌底和軌腰上，形成二維平面定位的平面，并將傳感器的相應(yīng)位置輸入到分析程序中。利用干樹(shù)枝抵在軌頭上，使其斷裂，其斷裂聲發(fā)射信號(hào)將沿軌道傳播，被4個(gè)傳感器接收，因?yàn)榈竭_(dá)每個(gè)傳感器的時(shí)間差不一樣，通過(guò)TDOA算法確定位置信息，實(shí)驗(yàn)方案如圖8所示。2次斷裂的位置為離左側(cè)開(kāi)端6 m處，而根據(jù)定位結(jié)果如圖9所示，定位精度≤±20 cm。

(a) 第1次定位(592 cm，610 cm)；

5 結(jié)論

1)軌道斷裂會(huì)產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號(hào)，且斷裂聲發(fā)射信號(hào)特征主頻在100~160 kHz，聲壓幅值高，且在時(shí)域上存在明顯的突發(fā)性。

2)軌道斷裂的聲發(fā)射信號(hào)特征與列車運(yùn)行聲發(fā)射信號(hào)特征存在明顯區(qū)別，可有效實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)。

3)搭建的內(nèi)場(chǎng)軌道斷裂定位模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用TDOA算法，實(shí)現(xiàn)了斷裂聲發(fā)射信號(hào)的監(jiān)測(cè)與定位，定位精度≤±20 cm。

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Study on real-time detection and location method for rail broken based on acoustic emission

ZHOU Changyi1, SUN Wei2

(1Harbin Railway Administration Science and Technology Research Institute, Harbin 150006, China;2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

It is very important to study the railway broken real-time detection and location method for train moving safety. The 60 kg railway as the studying object, the broken railway detection method was researched based on the acoustic emission technology. Through experimentation, the railway broken acoustic emission signal characters were analyzed for distinguishing the signal of the train running on the railway. And then, the real-time detection system was established and the detection method was accurate and effective through the simulation experimentation of the railway broken testing. At the same time, the railway broken position was shown by the TDOA arithmetic. The research conclusions indicate that railway broken accident can produce the acoustic emission signal transmitting along the railway, and this signal main frequency and power are between 100 kHz and 160 kHz, and the sound pressure is very high. Then, the signal has the paroxysmal character in the time field, and the railway broken acoustic emission signal is very different from the train running signal. And then the TDOA arithmetic can locate the railway broken position, and the method location accuracy is ±20 mm. The results can provide the references for the railway broken detection method, and It is very significative for railway and train running safety detection.

acoustic emission; railway broken; real-time detection

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190335

U216.3

A

1672 - 7029(2020)01 - 0232 - 07

2019-04-24

哈爾濱鐵路局科研開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(kwh2016022)

周長(zhǎng)義(1973-)，男，山東成武人，正高級(jí)工程師，從事軌道安全等技術(shù)研究與設(shè)備開(kāi)發(fā)；E-mail：zhouchangyi@htkrail.com

(編輯 蔣學(xué)東)