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        基于LamB波的道岔斷軌監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

        2023-02-25 04:42:30蔣忠輝楊鐵軍吳志剛王新華
        鐵道建筑 2023年1期
        關(guān)鍵詞:軌頭傷損導(dǎo)波

        蔣忠輝 楊鐵軍 吳志剛 王新華

        1.四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司,成都 610073;2.中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司,昆明 650011

        隨著高速鐵路服役時間增加,各種隱藏的問題逐漸暴露,如CN 道岔曲/直基本軌11—32 軌枕之間萌生滑床板壓痕裂紋、翼軌93—96 軌枕之間出現(xiàn)斷裂等。這些隱患若不能及時處理,將引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。道岔作為線路的重要組成部分,其服役狀態(tài)對列車過岔的平穩(wěn)性和安全性至關(guān)重要,尤其是道岔尖軌和心軌,不僅存在邊界條件復(fù)雜、斷面變化大、探傷作業(yè)空間有限等特點(diǎn),而且處于軌道電路監(jiān)測的盲區(qū)。目前,探傷小車和便攜式探傷儀是道岔探傷作業(yè)的常用手段[1],但檢測效率較低,受人為因素影響較大,且兩個檢修周期之間依然存在嚴(yán)重的安全隱患。因此,亟待研發(fā)一種能夠?qū)崟r監(jiān)測道岔尖/心軌健康狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

        超聲導(dǎo)波[2]是無損檢測領(lǐng)域中的新興技術(shù),由縱波、橫波與結(jié)構(gòu)邊界發(fā)生多次反射作用后形成,因而在不同的結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生不同的導(dǎo)波形式,主要包括Rayleigh 波、勒夫波、斯通利波、LamB 波等[3]。與傳統(tǒng)的超聲波探傷相比,超聲導(dǎo)波可沿著波導(dǎo)的長度方向傳播,具有全截面覆蓋、長距離傳播、受道岔參數(shù)影響小、不干擾既有電氣化設(shè)備工作等優(yōu)點(diǎn),特別適用于管道、鋼絲繩、鋼軌等細(xì)長結(jié)構(gòu)[4-7]。超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道缺陷檢測中已經(jīng)非常成熟,并且成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,但在鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域還處于從理論研究走向工程應(yīng)用的階段。

        LamB 波是板厚度與超聲波波長數(shù)量級相同的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力波,也稱板波,文獻(xiàn)[8]將60 軌的軌頭、軌腰以及軌底分別近似為平板,推導(dǎo)了各位置關(guān)鍵厚度下的Rayleigh-LamB 頻散方程,并研究了鋼軌各部位的最佳激發(fā)頻率,從理論上驗(yàn)證了基于LamB波實(shí)現(xiàn)鋼軌健康監(jiān)測的可行性。本文基于LamB 波提出一種道岔斷軌監(jiān)測方法及系統(tǒng),并通過現(xiàn)場試驗(yàn)對該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

        1 道岔斷軌監(jiān)測方法的基本原理

        基于LamB 波開發(fā)道岔斷軌監(jiān)測系統(tǒng)需要研究導(dǎo)波激發(fā)和接收、導(dǎo)波的傳播特性、導(dǎo)波與傷損的相互作用、傷損識別算法等。其中,導(dǎo)波的激發(fā)和接收需借助超聲換能器,而換能器的激發(fā)頻率和模態(tài)取決于導(dǎo)波的傳播特性。LamB 波在鋼軌中傳播具有頻散、多模態(tài)等特點(diǎn)。為降低導(dǎo)波信號處理難度,提高傷損信號辨識度,實(shí)現(xiàn)傷損定位功能,通常會選擇非頻散、單模態(tài)的導(dǎo)波參數(shù)作為發(fā)射源;而在不要求傷損定位的場景下,也可以考慮選擇非頻散、多模態(tài)的導(dǎo)波參數(shù),并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)鋼軌的健康監(jiān)測。

        1.1 導(dǎo)波的傳播特性

        導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中傳播特性的分析方法主要有解析法[8](Rayleigh-LamB 頻散方程、三維彈性理論、Mindin板理論)和數(shù)值仿真法[6-7,9-10](半解析有限元法、有限差分法、局部互感模擬法)兩類。本文采用Rayleigh-LamB頻散方程來研究導(dǎo)波的傳播規(guī)律。

        LamB 波在結(jié)構(gòu)中傳遞時,結(jié)構(gòu)上下表面層質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動,而結(jié)構(gòu)內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)以縱波分量或橫波分量形式振動,從而構(gòu)成全板振動。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動關(guān)于板中面的對稱性,可將LamB 波的傳播模態(tài)分為對稱模態(tài)(S 模態(tài))和非對稱模態(tài)(A 模態(tài))兩種,其頻散方程如下。

        S模態(tài):

        A模態(tài):

        式中:h=d/2,d為板厚;k為波數(shù),k=ω/cp,ω為角頻率,cp為導(dǎo)波的相速度;p2=ω2/-k2,CL為縱波波速;q2=ω2/-k2,CT為橫波波速。

        CL、CT與材料的屬性有關(guān),表達(dá)式分別為

        式中:ρ為材料密度;λ、μ為材料的拉梅常數(shù),λ=Eν/[(1+ν)(1-2ν)],μ=E/[2( 1+ν)],E為彈性模量,ν為泊松比。

        Rayleigh-LamB 頻散方程描述了相速度cp與頻率f及板厚d之間的關(guān)系。該方程為超越方程,任意頻厚積對應(yīng)無數(shù)個相速度解,但其中實(shí)數(shù)解卻是有限的。實(shí)數(shù)解表示結(jié)構(gòu)的非衰減傳播模態(tài),只保留實(shí)數(shù)解部分。得到cp后再計(jì)算導(dǎo)波的群速度cg,表達(dá)式為

        將滿足方程的所有實(shí)數(shù)解繪制在同一張圖中,即可得到相速度、群速度隨頻厚積變化的頻散曲線,如圖1 所示。可知:①除模態(tài)A0 和S0 外,其他模態(tài)均存在截止頻率。高階模態(tài)的導(dǎo)波在其截止頻率以下不能長距離傳播。板厚一定時,只有頻率達(dá)到某一值后才會產(chǎn)生高階模式并正常傳播。②頻率較低時存在的導(dǎo)波模式較少,模態(tài)A0和S0的導(dǎo)波模式始終存在,且隨著頻厚積增大,導(dǎo)波模式也相應(yīng)增多。③頻厚積小于0.2 MHz·mm 時,對稱模態(tài)S0 具有較好的非頻散特性;頻厚積大于1.0 MHz·mm 時,非對稱模態(tài)A0 具有較好的非頻散特性。可見,頻散現(xiàn)象不僅與導(dǎo)波頻率有關(guān),還與結(jié)構(gòu)厚度有關(guān)。

        圖1 頻散曲線示意

        1.2 LamB波激發(fā)和接收

        頻散曲線對研究導(dǎo)波的傳播特性、激發(fā)和接收具有重要的理論指導(dǎo)意義[2]。鋼軌是由軌頭、軌腰、軌底三部分組成的結(jié)構(gòu),其導(dǎo)波模態(tài)比板結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。文獻(xiàn)[11]將鋼軌中的導(dǎo)波進(jìn)一步分解為扭轉(zhuǎn)模態(tài)、縱向模態(tài)和彎曲模態(tài)。其中,扭轉(zhuǎn)模態(tài)不能在鋼軌中近似常波傳播;縱向模態(tài)類似于LamB 波對稱模態(tài),在大部分頻率下頻散較嚴(yán)重,很難在鋼軌中長距離傳播,且在不損壞鋼軌的前提下很難激發(fā);彎曲模態(tài)類似于LamB 波反對稱模態(tài),又分為垂直彎曲模態(tài)和水平彎曲模態(tài),二者波速相近,不易區(qū)分。彎曲模態(tài)容易實(shí)現(xiàn)單模態(tài)激發(fā),可用于鋼軌傷損監(jiān)測。

        1.3 LamB波與自然裂紋的相互作用

        很多學(xué)者利用有限元法模擬了導(dǎo)波與裂紋的相互作用,并通過人造傷的方式進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[6-7,9-10]。但少有學(xué)者通過試驗(yàn)方式研究導(dǎo)波與自然裂紋的相關(guān)作用。通常,超聲波與自然裂紋的相互作用會產(chǎn)生反射和衍射現(xiàn)象[6-7]。為了研究LamB波與自然裂紋的相互作用關(guān)系,利用兩根3.6 m 長的鋼軌進(jìn)行試驗(yàn),其中一根鋼軌為無傷,另一根軌底角上表面存在如圖2所示的橫向裂紋,裂紋長50 mm,深12 mm。

        圖2 LamB波與裂紋的相互作用試驗(yàn)

        發(fā)射傳感器T1、接收傳感器R1—R4 安裝位置以及傷損位置X1如圖3所示。其中,發(fā)射傳感器連接同一信號源,R1 和R3 位于無傷鋼軌,R2 和R4 位于有傷鋼軌。R1和R2用于驗(yàn)證超聲波與自然裂紋產(chǎn)生的反射現(xiàn)象,R3 和R4 用于驗(yàn)證超聲波與自然裂紋產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。

        圖3 傳感器安裝位置示意(單位:cm)

        R1—R4 采集的原始信號見圖4。可知:①R1 和R2 均采集到明顯的首達(dá)波和端面反射波信號;R2 在2 ms 時接收到反射波信號。根據(jù)超聲導(dǎo)波的飛行時間[12],可計(jì)算出該反射波出現(xiàn)的位置為2.43 m,這與實(shí)際傷損位置2.50 m 相差0.07 m,誤差僅2.8%,可以初步認(rèn)為該反射波為自然裂紋引起的傷損反射波。②R3 和R4 的首達(dá)波呈現(xiàn)出明顯差異,說明自然傷裂紋阻礙了超聲波的傳播,從而引起波形的改變。

        圖4 R1—R4采集的原始信號

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖4中出現(xiàn)的反射波是否為自然裂紋產(chǎn)生的反射波,在無傷鋼軌上進(jìn)行人造傷試驗(yàn),造傷位置與自然裂紋位置相同,設(shè)置4 種試驗(yàn)工況。①工況1:無傷;②工況2:軌底角傷損30 mm × 5 mm;③工況3:軌底角傷損40 mm × 9 mm;④工況4:軌底角傷損40 mm × 10 mm。

        4 種工況下R3 采集的信號見圖5??芍涸谌嗽靷麚p工況下,R3 在2 ms 同樣接收到反射波信號,反射波幅值隨著傷損尺寸增大而增大,證實(shí)了發(fā)射傳感器激發(fā)的LamB 波會與自然裂紋、人造傷裂紋等傷損產(chǎn)生反射現(xiàn)象。

        圖5 4種試驗(yàn)工況下R3采集的信號

        綜上,LamB 波具備非頻散、少模態(tài)特性,且對自然裂紋、人造傷損較敏感,適用于鋼軌傷損監(jiān)測。因此,可基于這些特性,同時利用傷損指數(shù)[12]表征傷損大小,實(shí)現(xiàn)道岔尖軌/心軌折斷監(jiān)測。

        2 高速道岔斷軌監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

        高速道岔斷軌監(jiān)測系統(tǒng)由激發(fā)和接收傳感器、監(jiān)測分機(jī)、監(jiān)測中心、客戶端等組成,通過路局內(nèi)網(wǎng)或公網(wǎng)將監(jiān)測結(jié)果信息實(shí)時傳遞到客戶端(圖6)。該系統(tǒng)具有設(shè)備故障自檢、道岔尖軌/心軌折斷監(jiān)測等功能,可實(shí)時監(jiān)測道岔的服役狀態(tài),并根據(jù)狀態(tài)異常提供報警信息,保障行車安全。

        圖6 高速道岔斷軌監(jiān)測系統(tǒng)客戶端

        激發(fā)傳感器用于激發(fā)特定頻率的導(dǎo)波。接收傳感器可以采集包含傷損信息的導(dǎo)波信號。監(jiān)測分機(jī)包含信號源、采集卡、工控機(jī)、空氣開關(guān)、防雷模塊等,主要負(fù)責(zé)導(dǎo)波信號的激發(fā)控制、數(shù)據(jù)采集和分析,并將分析結(jié)果傳輸?shù)娇蛻舳?。客戶端包含監(jiān)控圖、報警提示、系統(tǒng)故障自檢、歷史信息查詢與統(tǒng)計(jì)等,其中監(jiān)控圖展示了被監(jiān)測車站的道岔位置、編號、傳感器布點(diǎn)等狀態(tài)信息。一旦某只監(jiān)測傳感器采集到傷損信號,系統(tǒng)會發(fā)出報警,提示用戶進(jìn)行處理。

        3 系統(tǒng)集成測試

        為了驗(yàn)證該系統(tǒng)監(jiān)測道岔斷軌報警功能的有效性和泛化能力,分別針對長心軌、導(dǎo)曲軌、尖軌進(jìn)行了模擬傷損試驗(yàn)。

        1)在昆明南工務(wù)段管內(nèi)普者黑車間對道岔長心軌進(jìn)行了線下模擬傷損試驗(yàn);

        2)昆明南工務(wù)段組織工務(wù)車間及相關(guān)單位配合晉寧東3#道岔更換導(dǎo)曲軌,借機(jī)對道岔導(dǎo)曲軌進(jìn)行了線上模擬傷損試驗(yàn);

        3)在昆明南動車所對道岔尖軌進(jìn)行了線上模擬傷損試驗(yàn)。

        3.1 長心軌模擬傷損試驗(yàn)

        在長心軌變截面處安裝發(fā)射傳感器F1,并分別在距離發(fā)射傳感器0.16、1.65 m 處安裝接收傳感器J1、J2,軌底造傷位置距離發(fā)射傳感器1.32 m,如圖7 所示。試驗(yàn)中,分別于14:18 和14:23 進(jìn)行兩次造傷,傷損類型均為軌底斜裂紋貫穿,深度分別為2、4 mm。

        圖7 長心軌軌底模擬傷損試驗(yàn)

        J1 和J2 的傷損指數(shù)變化曲線見圖8。可知:J1 和J2 在無傷狀態(tài)下,傷損指數(shù)均沒有明顯變化;在第一次軌頭造傷后,傷損指數(shù)出現(xiàn)了明顯上升,但是沒有到達(dá)系統(tǒng)報警閾值;隨著傷損進(jìn)一步加深,傷損指數(shù)升至系統(tǒng)閾值以上,并觸發(fā)系統(tǒng)一級報警。

        圖8 長心軌軌底造傷試驗(yàn)得到的傷損指數(shù)變化曲線

        在長心軌跟端安裝發(fā)射傳感器F2,并在距離發(fā)射傳感器0.16 m 處安裝接收傳感器J3,造傷位置位于輪軌接觸的臨界位置(60AT型可動心軌),距離發(fā)射傳感器1.66 m,如圖9所示。試驗(yàn)中分別于14:49和15:11進(jìn)行兩次造傷,傷損類型均為軌頭貫穿裂紋,深度分別為17、30 mm。

        圖9 長心軌軌頭模擬傷損試驗(yàn)

        J3 的傷損指數(shù)變化曲線見圖10。可知:無傷狀態(tài)下,傷損指數(shù)沒有明顯變化;第一次軌頭造傷后,傷指數(shù)出現(xiàn)明顯上升,但是沒有到達(dá)系統(tǒng)報警閾值;隨著傷損進(jìn)一步加深,傷損指數(shù)升至系統(tǒng)閾值以上,并觸發(fā)系統(tǒng)一級報警。

        圖10 長心軌軌頭造傷試驗(yàn)得到的傷損指數(shù)變化曲線

        3.2 導(dǎo)曲軌模擬傷損試驗(yàn)

        在晉寧東3#道岔導(dǎo)曲軌安裝了4 只傳感器,其中F3、F4 為發(fā)射傳感器,J4、J5 為接收傳感器,均使用夾具安裝,如圖11所示。在J4所在的導(dǎo)曲軌進(jìn)行人工造傷,每次造傷耗時2~ 5 min。首先,于23:40:25 在軌底切割長30 mm、深8 mm 的裂紋(傷損類型為軌底角裂紋),系統(tǒng)未發(fā)出報警;繼續(xù)在同一造傷位置加深裂紋,當(dāng)傷損長30 mm、深15 mm 時(23:42:52),系統(tǒng)發(fā)出報警,如圖12 所示;然后,在軌頭進(jìn)行人工造傷(傷損類型為軌頭橫向貫穿裂紋),當(dāng)深度達(dá)到11 mm 時(23:54:03),系統(tǒng)發(fā)出了報警。另外,對照組J5 始終沒有誤報警。該結(jié)果表明,道岔斷軌監(jiān)測系統(tǒng)可以有效識別長30 mm、深15 mm 軌底角裂紋以及深11 mm的軌頭橫向貫穿裂紋。

        圖11 晉寧東3#道岔導(dǎo)曲軌模擬傷損試驗(yàn)

        圖12 監(jiān)測系統(tǒng)客戶端報警

        3.3 尖軌模擬傷損試驗(yàn)

        在曲尖軌上安裝5 只傳感器,其中F5 為發(fā)射傳感器,J6—J9 為接收傳感器,傳感器均使用磁夾具安裝。J6—J9 分別距尖軌尖端4 010、2 520、1 313、607 mm;F5 距尖軌尖端4 492 mm;傷損1—傷損3 分別距尖軌尖端3 465、3 270、1 655 mm,如圖13 所示。利用角磨機(jī)進(jìn)行人工造傷,每次造傷耗時1~ 5 min。

        圖13 尖軌模擬傷損試驗(yàn)

        傷損1:傷損類型為軌頭橫向貫穿裂紋。傷損深4.5 mm 時系統(tǒng)未發(fā)出報警;繼續(xù)在該位置加深裂紋,深度達(dá)到15 mm時系統(tǒng)顯示J6—J8報警。

        傷損2:傷損類型為軌底裂紋。傷損長30 mm、深8 mm時,系統(tǒng)顯示J6—J9報警;

        傷損3:傷損類型為軌頭軌頂面掉塊。傷損長30 mm、深5 mm時,J8、J9發(fā)出報警(J6、J7已拆除)。

        試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以有效識別深15 mm 的尖軌軌頭橫向貫穿裂紋,長30 mm、深8 mm 的軌底裂紋,長30 mm、深5 mm軌頭軌頂面掉塊(軌頭截面大于10 mm的區(qū)域)。

        4 結(jié)論及展望

        通過研究鋼軌中導(dǎo)波的傳播特性、導(dǎo)波模態(tài)的選擇、導(dǎo)波與自然裂紋的相互作用以及傷損識別算法等,開發(fā)了一套基于LamB 的道岔斷軌監(jiān)測系統(tǒng),并通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。主要結(jié)論如下:

        1)監(jiān)測系統(tǒng)選擇的導(dǎo)波模態(tài)與自然裂紋相互作用時會產(chǎn)生明顯的反射回波,這種反射波信號隨著傷損加大而增加。

        2)在道岔長心軌線下模擬傷損試驗(yàn)中,該系統(tǒng)可以有效識別軌底橫向貫穿、深4 mm 裂紋,軌頭橫向貫穿、深30 mm裂紋。

        3)在道岔導(dǎo)曲軌線上模擬傷損試驗(yàn)中,該系統(tǒng)可以有效識別長30 mm、深15 mm 軌底角人造裂紋,軌頭橫向貫穿、深11 mm裂紋。

        4)在道岔曲尖軌線上模擬傷損試驗(yàn)中,該系統(tǒng)可以有效識別尖軌軌頭橫向貫穿、深15 mm 裂紋,軌底長30 mm、深8 mm 裂紋,軌頂長30 mm,深5 mm 軌頭掉塊(軌頭截面大于10 mm的區(qū)域)。

        5)該道岔斷軌監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速道岔尖軌、心軌、導(dǎo)軌等區(qū)域全覆蓋,并且滿足TG/GW 116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中除軌頭截面小于10 mm 區(qū)域有長30 mm 且深5 mm 的掉塊外所有斷軌工況的監(jiān)測報警功能。

        在接下來的研究中,將測試該系統(tǒng)在現(xiàn)場更加復(fù)雜環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和監(jiān)測算法的魯棒性,同時還需不斷地對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),提高報警準(zhǔn)確率。隨著系統(tǒng)的不斷完善以及技術(shù)層面的不斷突破,該系統(tǒng)有望在中國高速鐵路運(yùn)維中發(fā)揮重要作用。

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