張龍偉 胡詩涌 董黃偉 趙旺 高榮旭

(1.第七一五研究所, 杭州，310023)

（2.北京市地鐵運營有限公司線路分公司，北京，100082）

鋼軌是鐵路軌道結(jié)構(gòu)中最重要的部件，包含軌頭、軌腰和軌底的空間結(jié)構(gòu)，具有引導(dǎo)車輛前進、承受和傳遞車輪荷載的功能[1]。在列車荷載的往復(fù)作用下，容易產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、爬行等[2-4]，導(dǎo)致?lián)p傷變形及性能劣化。長期運營會出現(xiàn)異常磨耗與斷裂等常見病害，直接影響線路安全運營。因此，為提高養(yǎng)護維修效率，及時掌握軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，對軌道傷損進行在線監(jiān)測非常有必要，包括對復(fù)雜運營條件下道岔鋼軌傷損病害進行長期無損檢測[5]，及更長線路內(nèi)的軌道系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。本文使用一種收發(fā)合置的超聲導(dǎo)波換能器，通過有限元軟件進行發(fā)射接收信號物理模擬仿真，對軌道采集信號與基線信號比較分析，實現(xiàn)了軌道的在線監(jiān)測。經(jīng)過實驗室及真實環(huán)境測試，驗證了本方法具有良好的檢測性能，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，滿足使用需求，安裝運行不影響行車安全，也不對工務(wù)維修產(chǎn)生不便。

1 工作原理

軌道傷損在線監(jiān)測方法主要基于三個原理：被動聲的異常監(jiān)測、主動回波的異常監(jiān)測及主動導(dǎo)波能量的異常監(jiān)測。超聲波在固體中的傳輸損失小、探測深度大，但超聲波在異質(zhì)界面上會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，且難以通過氣體與固體的界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層之類的缺陷（缺陷中有氣體）或夾渣之類的缺陷（缺陷中有異種介質(zhì)），超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處，就會全部或部分被反射，導(dǎo)致接收端的信號參數(shù)發(fā)生改變。通過健康狀態(tài)預(yù)警及安全評估，判斷所監(jiān)測軌道的服役狀態(tài)，如有缺陷可通過GSM/GPRS 遠程傳輸至監(jiān)控中心，提供及時有效的監(jiān)控、決策、指揮、評價等現(xiàn)代化管理手段。

2 理論仿真

2.1 理論基礎(chǔ)

使用超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)監(jiān)測服役狀態(tài)通常分為兩步：在各種安裝狀態(tài)下收集正常服役軌道的最大基線信號，并確認獲取的超聲導(dǎo)波數(shù)據(jù)的完整性；實時軌道服役狀態(tài)監(jiān)測，將每組監(jiān)測狀態(tài)下采集信號與基線信號進行比較，判斷監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)變化，并對結(jié)構(gòu)變化位置進行定位。

在構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣之前，首先對原始信號進行預(yù)處理，以消除平均偏差并歸一化信號幅度。通過式（1）消除平均幅度誤差。

2.2 缺陷檢測

如果在一個空間中分布有三個獨立的聲源，則可以將在同一空間中的其他四個位置獲取的聲音信號視為這些聲源的線性組合，這種關(guān)系可以寫成：

基線信號和測試信號中都存在與缺陷無關(guān)的良性因素，但由于基線信號的隨機選擇而無法將測試信號與基線信號分開。每次計算中，特征空間中IC 的順序都不相同。因此使用ASED（Average Standard Euclidian Distance）的系數(shù)來評估特征空間中測試信號和基線信號的差異：

其由隨機選擇的基線信號和最新的測試信號組成，對這些信號進行預(yù)處理。信號的尺寸通常為采樣時間點數(shù)。這種關(guān)系可以用式（7）表示。

式（6）～（8）中上標b 表示基線信號，上標t表示測試信號。jσ是第j個標準差系數(shù)。可以針對一系列測試信號評估ASED 值，從而生成ASED 曲線。我們通過觀察該曲線中的階躍變化來檢測缺陷的存在。

2.3 仿真

給定仿真參數(shù)，軌道單位長度的質(zhì)量為60 kg/m，長度L=100 cm。激勵中心頻率50 kHz。使用漢寧窗調(diào)制方法。激勵位置為軌腰中心距離邊緣5 cm，數(shù)據(jù)獲取位置為另一端軌腰中心距離邊緣5 cm 處。仿真效果圖如圖1～5 所示。

圖1 發(fā)射信號波形示意圖

圖2 無裂紋位移仿真

圖3 有裂紋位移場仿真

圖4 無裂紋接收信號形態(tài)

圖5 有裂紋接收信號形態(tài)

本方法使用漢寧窗對一個周期的正弦脈沖信號進行調(diào)制，由于壓電換能器振動特性，接收到的信號波包變得非常寬，從而降低了接收信號的時間分辨率。通過對鋼軌有無裂紋仿真對比，可有效查看在設(shè)計激勵信號下，接收端獲取的信號形態(tài)發(fā)生明顯變化。仿真結(jié)果表明本研究方法可用于軌道在線無損檢測工作。

3 測試試驗

3.1 設(shè)備組成

軌道傷損在線監(jiān)測方法設(shè)備由收發(fā)合置換能器、換能器激勵模塊、信號采集存儲模塊、信號處理模塊、無線通信模塊及人機交互模塊組成。

3.2 實驗室測試

軌道長度為12.5 m，兩邊各有3 個孔，第一個孔距離邊界7 cm，第二個孔距離邊界21 cm，第三個孔距離邊界36 cm。兩邊各預(yù)留50 cm，間隔160 cm 安裝一個傳感器，共安裝8 個傳感器。實驗室裂紋示意如圖6 所示。

圖6 實驗室裂紋示意圖

使用軌道傷損在線監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，選取一對換能器A、B 數(shù)據(jù)進行查看。圖7 所示為A換能器發(fā)射信號B 換能器接收信號形態(tài)，圖8 為A換能器發(fā)射接收信號形態(tài)。由圖7、8 可知，本系統(tǒng)在實驗室測試過程中可有效進行數(shù)據(jù)采集。

圖7 A 發(fā)B 收信號形態(tài)

圖8 A 發(fā)A 收信號形態(tài)

圖9 為100 組基線數(shù)據(jù)與軌道切割裂紋后的100組采集數(shù)據(jù)的ASED 值比較。從圖中可以看出本系統(tǒng)可有效檢測出所監(jiān)測軌道區(qū)域內(nèi)的裂紋發(fā)生。

圖9 軌道狀態(tài)改變ASED 值示意

3.3 軌道測試

為驗證本方法功能的實際使用情況，我們在北京萬柳基地進行了模擬真實工況下的實驗室測試。試驗場景如圖10 所示。本次試驗環(huán)境是按照真實工況設(shè)計的軌道道岔狀態(tài)。為驗證軌道傷損在線監(jiān)測設(shè)備方法功能性能，在不損壞試驗設(shè)備前提下，對軌道進行加裝結(jié)構(gòu)件以模擬軌道服役狀態(tài)變化，通過本系統(tǒng)進行服役狀態(tài)變化檢測，計算結(jié)構(gòu)件加裝前后ASED 值變化情況如圖11 所示。

圖10 萬柳基地試驗場景

圖11 萬柳基地ASED 值示意

當計算出測試信號ASED 值較基線信號ASED值發(fā)生了階躍變化，立即通過無線網(wǎng)絡(luò)將報警信息發(fā)送至運營管理人員所在位置。本方法對每個換能器進行編碼，結(jié)合安裝過程中換能器與安裝位置比對記錄，可滿足報警信息包含報警位置等屬性的需求，大大提升運維人員對監(jiān)測軌道服役狀態(tài)的掌握程度。

4 安裝試運行

在北京地鐵9 號線國家圖書館站進行設(shè)備安裝，實現(xiàn)上述算法及設(shè)備在平臺應(yīng)用。組成框圖如圖12所示。

圖12 設(shè)備組成框圖

系統(tǒng)安裝完成后進入試運行階段。在引入質(zhì)量散射體的時間段內(nèi)，系統(tǒng)有效檢測到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)鋼軌發(fā)生明顯變化并輸出報警信息，報警界面如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)報警界面

5 結(jié)語

目前國內(nèi)外鋼軌超聲波檢測主要包括人工鋼軌超聲波探傷小車、大型鋼軌探傷車、雙軌式鋼軌超聲波探傷儀等, 探傷周期一般為10 遍/年，無法對鋼軌進行實時檢測[6]。

通過有限元軟件仿真及實驗室、萬柳基地試驗結(jié)果表明，本文提出的軌道傷損在線監(jiān)測方法可在無損情況下有效檢測出所監(jiān)測軌道的服役狀態(tài)變化，并將服役狀態(tài)實時通過無線方式發(fā)送至管理人員所在位置，為鐵路與地鐵的“智能運維”提供基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)，使道岔設(shè)備從“故障修”邁向“狀態(tài)修”，大大降低了運維管理人力成本，降低人員復(fù)雜環(huán)境下的工作強度。

此研究及萬柳基地測試試驗過程中，得到北京路云通科技公司王逸寧、李逸等提供的幫助，在此特表示感謝，并對其他所有參與試驗的人員同樣表示感謝。