劉 艷，李義新，袁賢浦，李秋彤

(1.上海材料研究所,上海 200437; 2.上海消能減震工程技術(shù)研究中心,上海 200437;3.上海第二工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,上海 201209)

引言

城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化分布已成為城市發(fā)展必經(jīng)的過(guò)程,鋼軌作為承載列車(chē)運(yùn)行的關(guān)鍵部件,其強(qiáng)度和狀態(tài)直接影響軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)。由于復(fù)雜的行車(chē)環(huán)境,導(dǎo)致鋼軌傷損的形式也復(fù)雜多樣。受機(jī)車(chē)載荷的影響,鋼軌軌底承受的彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)大于鋼軌軌頭所承受的應(yīng)力,因此軌底的傷損更易引發(fā)鋼軌的折斷并造成事故[1]。

目前對(duì)鋼軌傷損檢測(cè)技術(shù)的研究已有非常多元的發(fā)展,但是仍然存在局限性。陳劍等[2]采用超聲波探傷儀與渦流檢測(cè)儀聯(lián)合進(jìn)行傷損探測(cè)的方法,提高了對(duì)道岔尖軌傷損探測(cè)的精度,但傷損檢測(cè)范圍沒(méi)有突破傳統(tǒng)方法的檢測(cè)盲區(qū);曾楚琦等[3]提出基于光纖光柵的鋼軌傷損識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高的傷損識(shí)別準(zhǔn)確率,但傷損類(lèi)型局限于鋼軌外側(cè)表面裂紋;葛玖浩等[4]提出“滑靴”結(jié)構(gòu)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)探頭,實(shí)現(xiàn)鋼軌表面真實(shí)滾動(dòng)疲勞裂紋的有效識(shí)別,但不涉及軌底區(qū)域的裂紋識(shí)別。在實(shí)際工程應(yīng)用中鋼軌探傷主要采用超聲波探傷技術(shù)。目前,用于鋼軌常規(guī)超聲檢測(cè)的設(shè)備主要包括大型鋼軌探傷車(chē)和小型鋼軌探傷儀[5],由于超聲波探傷主要通過(guò)超聲波速?gòu)匿撥壧っ嫦蜍壍讉鞑?在鋼軌軌底存在探傷盲區(qū)[6-8]。因此,針對(duì)鋼軌軌底隱蔽性傷損的識(shí)別技術(shù)亟需突破。

目前,利用模態(tài)曲率相關(guān)參數(shù)作為傷損識(shí)別指標(biāo)的方法在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。項(xiàng)長(zhǎng)生等[9]將信息熵理論與模態(tài)曲率相結(jié)合,提出模態(tài)曲率效用信息熵指標(biāo),成功對(duì)梁結(jié)構(gòu)的傷損進(jìn)行識(shí)別;范小寧等[10]結(jié)合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和小波變換理論,將模態(tài)曲率差法應(yīng)用到起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)探傷領(lǐng)域;徐宏文等[11]利用模態(tài)曲率多項(xiàng)式曲線擬合的方法準(zhǔn)確識(shí)別板結(jié)構(gòu)的損傷;杜宇等[12]以模態(tài)曲率和模態(tài)曲率變化率作為傷損識(shí)別指標(biāo),成功對(duì)復(fù)合材料脫層梁進(jìn)行傷損識(shí)別;吳桐等[13]提出了曲率模態(tài)差方比的方法來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)局部剛度損傷,利用簡(jiǎn)支梁相關(guān)模型驗(yàn)證了該方法的有效性;胡志鵬等[14]通過(guò)模態(tài)曲率準(zhǔn)確識(shí)別了軌道板的多處損傷。基于模態(tài)曲率理論的相關(guān)參數(shù)識(shí)別結(jié)構(gòu)傷損行之有效,但目前未有針對(duì)基于模態(tài)曲率理論的鋼軌傷損識(shí)別方法的研究。

因此,本文基于模態(tài)曲率理論提出了鋼軌軌底隱蔽性傷損識(shí)別方法,通過(guò)搭建的軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置,在獲取高精度模態(tài)曲率參數(shù)的基礎(chǔ)上,將多種基于模態(tài)曲率理論的結(jié)構(gòu)傷損識(shí)別方法應(yīng)用到鋼軌探傷領(lǐng)域,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌底隱蔽性傷損的識(shí)別。

1 軌底隱蔽性傷損識(shí)別方法

在結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)中,模態(tài)曲率可以有效地反映結(jié)構(gòu)局部特征的變化,對(duì)結(jié)構(gòu)局部損傷很敏感,能夠很好地指示損傷的位置和程度[15-16]。因此,利用模態(tài)曲率對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的方法有較為廣泛的應(yīng)用。本文探究對(duì)鋼軌結(jié)構(gòu)采用模態(tài)曲率理論進(jìn)行傷損識(shí)別的可行性,以軌底隱蔽性傷損作為識(shí)別對(duì)象,利用多種基于模態(tài)曲率的傷損識(shí)別方法對(duì)比分析識(shí)別效果。

1.1 模態(tài)曲率理論

對(duì)鋼軌的軌底進(jìn)行模態(tài)分析,通過(guò)模態(tài)曲率進(jìn)行傷損識(shí)別的基本原理如下。

材料力學(xué)中規(guī)定微段梁結(jié)構(gòu)的彎曲曲率有以下比例關(guān)系式

(1)

式中,ρ為模態(tài)曲率;M為軌底頂面結(jié)構(gòu)彎矩;EI為軌底頂面抗彎剛度。

根據(jù)模態(tài)理論,振動(dòng)位移v(x,t)為

(2)

式中,φi(x)和qi(t)分別為模態(tài)位移振型和模態(tài)坐標(biāo)。

結(jié)合式(1)與材料力學(xué)中彈性梁的曲率函數(shù)為振動(dòng)位移函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)的關(guān)系,可得軌底頂面彎曲振動(dòng)致任意截面x處的曲率變化函數(shù)ρ(x)為

(3)

由式(1)與式(3)可知,當(dāng)鋼軌軌底發(fā)生局部傷損(重傷裂紋、早期裂紋等)時(shí),導(dǎo)致傷損局部的抗彎剛度減小,曲率增大,使得原本平滑的模態(tài)曲率曲線出現(xiàn)畸變,根據(jù)曲率曲線突變峰值,對(duì)軌底局部傷損進(jìn)行識(shí)別。

1.2 模態(tài)曲率參數(shù)獲取方法

以力信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)作為輸入激勵(lì)Fj(對(duì)j位置進(jìn)行激勵(lì)的激勵(lì)信號(hào))和輸出響應(yīng)Xi(對(duì)j位置進(jìn)行激勵(lì)后i位置的響應(yīng)信號(hào)),經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)將采樣得到的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)。輸出響應(yīng)與輸入激勵(lì)之比即為結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)Hij(ω)為

(4)

復(fù)模態(tài)傳遞函數(shù)展開(kāi)式[17]

(5)

因此,可以計(jì)算出鋼軌軌底頂面各階固有頻率f、模態(tài)位移振型φ模態(tài)參數(shù),將測(cè)得的軌底頂面各測(cè)點(diǎn)的一階垂向模態(tài)位移φ組成整體模態(tài)位移振型為

φ=[φ(1)φ(2) …φ(r)…φ(m-1)φ(m)]T

(6)

在實(shí)際工程應(yīng)用中,根據(jù)上述模態(tài)分析步驟,計(jì)算出軌底頂面的模態(tài)位移φ,再采用中心差分法,得到相應(yīng)的模態(tài)曲率ρ(r)及軌底頂面的模態(tài)曲率振型P為

(7)

P=[ρ(2)ρ(3) …ρ(r) …ρ(m-1)]

(8)

式中,下標(biāo)r為第r個(gè)測(cè)點(diǎn);d為相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離。

1.3 多種基于模態(tài)曲率的傷損識(shí)別方法原理

以不同的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)曲率進(jìn)行計(jì)算可以獲得多種傷損識(shí)別方法,每種方法作為相應(yīng)的傷損識(shí)別指標(biāo)具有不同的適用性。探討以下5種方法對(duì)鋼軌傷損的表征效果。

(1)模態(tài)曲率差(DCM)[18]

(9)

ΔP=[Δρ(2) Δρ(3) … Δρ(r) … Δρ(m-1)]

(10)

式中,Δρ(r)為鋼軌損傷前后各測(cè)點(diǎn)的模態(tài)曲率差;ΔP為鋼軌模態(tài)曲率差振型。

(2)模態(tài)曲率比(CMR)[19]

模態(tài)曲率比的表達(dá)式為

(11)

Γ=[μ(2)μ(3) …μ(r) …μ(m-1)]

(12)

式中,μ(r)為鋼軌損傷前后各測(cè)點(diǎn)的模態(tài)曲率比;Γ為鋼軌對(duì)應(yīng)的模態(tài)曲率比振型。

(3)模態(tài)曲率損傷因子(DF)[18]

模態(tài)曲率損傷因子的表達(dá)式為

(13)

(14)

(4)模態(tài)曲率損傷因子差(DDF)[18]

以模態(tài)曲率差的方法同理得到模態(tài)曲率損傷因子差的表達(dá)式

(15)

ΔDF=[Δdf3Δdf4… Δdfr… Δdfm-3Δdfm-2]

(16)

(5)模態(tài)曲率損傷因子比(DFR)[18]

同樣采用模態(tài)曲率比的方法,將鋼軌傷損前后的模態(tài)曲率損傷因子作比值,表達(dá)式為

(17)

Ζ=

[?(3)?(4) …?(r) …?(m-3)?(m-2)]

(18)

式中,?(r)為鋼軌各測(cè)點(diǎn)模態(tài)曲率損傷因子比;Z為鋼軌模態(tài)曲率損傷因子比的振型。

2 基于模態(tài)曲率理論的軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置

為驗(yàn)證基于模態(tài)曲率的軌底隱蔽性傷損識(shí)別方法的可行性,搭建了軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置。該裝置通過(guò)自由控制模態(tài)試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)數(shù)量且對(duì)測(cè)點(diǎn)精準(zhǔn)定位,從而獲取能有效識(shí)別軌底隱蔽性傷損的模態(tài)曲率相關(guān)參數(shù),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試方法由于激勵(lì)點(diǎn)數(shù)量不足且位置不夠精確而導(dǎo)致誤差較大的缺陷,同時(shí)減少連擊、誤擊現(xiàn)象,大幅提高模態(tài)測(cè)試效率。

2.1 軌底隱蔽性傷損識(shí)別原理

所搭建的軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置對(duì)無(wú)約束自由工況下的鋼軌進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),通過(guò)對(duì)軌底頂面上的m個(gè)等間距測(cè)點(diǎn)進(jìn)行敲擊動(dòng)作,由力傳感器與加速度傳感器采集激勵(lì)與響應(yīng)信號(hào)并實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,通過(guò)計(jì)算機(jī)FFT變換和傳遞函數(shù)計(jì)算獲得鋼軌的模態(tài)信息,再進(jìn)行數(shù)值計(jì)算獲得模態(tài)曲率相關(guān)參數(shù),進(jìn)行傷損識(shí)別。具體流程如圖1所示。

圖1 裝置測(cè)試流程

具體步驟如下。

步驟1:裝置啟動(dòng),絲桿步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)錘頭激勵(lì)模塊移動(dòng)到達(dá)第一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置,錘頭步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)錘頭沿垂向向下敲擊鋼軌軌底頂面;傳感器采集第一個(gè)測(cè)點(diǎn)的激勵(lì)與響應(yīng)信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)后,以同樣的方法進(jìn)行第二個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)采集,待m個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)采集完畢,裝置停止。

步驟2:計(jì)算機(jī)待m個(gè)測(cè)點(diǎn)的激勵(lì)、響應(yīng)信號(hào)采集完成,通過(guò)內(nèi)置軟件對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行FFT變換和頻響函數(shù)計(jì)算獲得鋼軌的模態(tài)信息。

步驟3:提取鋼軌模態(tài)信息中的模態(tài)位移參數(shù),通過(guò)中心差分法計(jì)算模態(tài)曲率,利用模態(tài)曲率及基于模態(tài)曲率的相關(guān)傷損識(shí)別指標(biāo),對(duì)軌底隱蔽性傷損進(jìn)行傷損識(shí)別效果分析。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)

(1)錘頭激勵(lì)模塊

錘頭激勵(lì)模塊是通過(guò)錘頭步進(jìn)電機(jī)控制擺臂轉(zhuǎn)動(dòng),推動(dòng)與E型板固定連接的錘頭垂向向下敲擊鋼軌的軌底頂面;回彈件連接E型板與頂板,使錘擊動(dòng)作結(jié)束后的錘頭迅速歸位;在錘頭前端固定有靈敏度為0.224 8 mV/N的石英力傳感器。錘頭激勵(lì)模塊的作用是通過(guò)力傳感器采集錘擊力信號(hào),傳輸給計(jì)算機(jī),作為模態(tài)分析的激勵(lì)信號(hào)。錘頭模塊示意如圖2所示。

圖2 錘頭激勵(lì)模塊示意

(2)定點(diǎn)敲擊控制模塊

圖3為定點(diǎn)敲擊控制模塊示意。絲桿步進(jìn)電機(jī)與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器連接,電機(jī)帶動(dòng)絲桿順逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),使絲桿上的滑塊左右移動(dòng);錘頭激勵(lì)模塊與絲桿滑塊通過(guò)連接座固定,導(dǎo)軌支撐連接座并協(xié)助絲桿使整個(gè)連接座平滑地左右移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)錘頭激勵(lì)模塊在鋼軌上進(jìn)行精確定點(diǎn)敲擊。

(3)控制和驅(qū)動(dòng)電路

圖4是裝置的電路圖,裝置使用1個(gè)24 V直流電源供電,由2個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)2個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),通過(guò)設(shè)置控制器內(nèi)部程序,使絲桿步進(jìn)電機(jī)控制錘頭激勵(lì)模塊在鋼軌上移動(dòng),錘頭步進(jìn)電機(jī)控制錘頭對(duì)鋼軌進(jìn)行敲擊。

圖4 裝置電路

3 鋼軌軌底隱蔽性傷損識(shí)別可行性分析

3.1 模態(tài)信息獲取精度與誤差分析

對(duì)試驗(yàn)室內(nèi)同一段無(wú)約束自由工況鋼軌(在鋼軌軌底放置減振墊),采用傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試法和軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置2種方式獲得鋼軌的模態(tài)信息,分別如圖5和圖6所示,對(duì)比二者測(cè)得的模態(tài)參數(shù)精度。

圖5 傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試法

圖6 軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置

選取無(wú)預(yù)制裂紋鋼軌作為試驗(yàn)對(duì)象,以鋼軌軌底頂面等間距的21個(gè)測(cè)點(diǎn)作為激勵(lì)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)處激勵(lì)一次;對(duì)傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試法和裝置方法分別進(jìn)行3次相同工況下(無(wú)約束自由狀態(tài))的重復(fù)性試驗(yàn),分別用2種試驗(yàn)方式獲取模態(tài)位移。將3次實(shí)驗(yàn)的模態(tài)位移數(shù)據(jù)相互之間作相對(duì)誤差,取3組相對(duì)誤差的均值,2種方法每個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差均值對(duì)比見(jiàn)圖7。

圖7 誤差均值對(duì)比

由圖7可知,采用該裝置測(cè)得的3次重復(fù)性試驗(yàn)之間的平均相對(duì)誤差在10-5量級(jí)以?xún)?nèi),而傳統(tǒng)方法的3次試驗(yàn)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均相對(duì)誤差在10-3量級(jí),這是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)軟件中所建鋼軌模型的每個(gè)測(cè)點(diǎn)都有相應(yīng)確定的坐標(biāo)(a,0),而傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試法實(shí)際激勵(lì)的位置為(a′,0),有Δ=a-a′的較大誤差,每個(gè)測(cè)點(diǎn)處采用坐標(biāo)(a′,0)的傳遞函數(shù)計(jì)算結(jié)果來(lái)擬合坐標(biāo)(a,0)的模態(tài)位移會(huì)導(dǎo)致每次試驗(yàn)的整體模態(tài)位移振型有較大誤差。裝置的高精度定位可以把Δ控制得很小,彌補(bǔ)傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試法激勵(lì)位置偏差導(dǎo)致產(chǎn)生較大誤差的模態(tài)位移的缺陷,軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置可以得到滿(mǎn)足檢測(cè)要求的高精度模態(tài)參數(shù)。

3.2 基于模態(tài)曲率理論的軌底隱蔽性傷損識(shí)別效果分析

由3.1節(jié)的試驗(yàn)對(duì)比可知,鋼軌隱蔽性傷損識(shí)別裝置可以獲得高精度的鋼軌模態(tài)參數(shù),因此使用該裝置對(duì)預(yù)制裂紋的鋼軌進(jìn)行傷損識(shí)別試驗(yàn)。一般軌底橫向疲勞裂紋深度發(fā)展到10 mm左右時(shí),可能會(huì)引起鋼軌的橫向斷裂(快速擴(kuò)展及瞬斷)[20]。為防止鋼軌瞬斷引發(fā)安全事故,需要對(duì)瞬斷前的裂紋進(jìn)行有效檢出。因此,試驗(yàn)以深度為10 mm的裂紋作為傷損識(shí)別對(duì)象。為便于驗(yàn)證模態(tài)曲率曲線突變位置與實(shí)際裂紋位置的一致性,測(cè)量出鋼軌全長(zhǎng)1.56 m,裂紋距離鋼軌左端0.97 m,如圖8所示。

圖8 鋼軌及裂紋

對(duì)比測(cè)點(diǎn)數(shù)量對(duì)傷損識(shí)別效果的影響,首先采用軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置以較離散測(cè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。在軌底頂面取等距21個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)1.2節(jié)中模態(tài)曲率振型的計(jì)算方法,獲取鋼軌的模態(tài)曲率振型曲線,結(jié)果如圖9所示。21個(gè)測(cè)點(diǎn)的模態(tài)曲率振型在預(yù)制裂紋位置無(wú)明顯峰值。將測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加到等距156個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),獲得156個(gè)測(cè)點(diǎn)的模態(tài)曲率振型曲線如圖10所示。

圖9 21個(gè)測(cè)點(diǎn)模態(tài)曲率

圖10 156個(gè)測(cè)點(diǎn)模態(tài)曲率

(1)由圖9可知,21個(gè)測(cè)點(diǎn)由于測(cè)點(diǎn)過(guò)于稀疏、數(shù)據(jù)離散程度大,會(huì)丟失傷損處的模態(tài)曲率振型微小畸變信息。因此,曲線趨于平緩,在預(yù)制裂紋位置無(wú)峰值。

(2)由圖10可知,相比于21個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō),156個(gè)測(cè)點(diǎn)的模態(tài)曲率振型曲線本底噪聲更大,但其在第97個(gè)測(cè)點(diǎn)處有明顯的峰值,該測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是鋼軌預(yù)制裂紋位置,因此能夠有效識(shí)別軌底隱蔽性傷損。

綜上所述,以模態(tài)曲率作為判斷鋼軌傷損的依據(jù)是有效可行的,但對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)有一定要求,傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)方法無(wú)法進(jìn)行精確且較密集的測(cè)點(diǎn)激勵(lì),而所搭建的軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置可以滿(mǎn)足裂紋檢出所需要的測(cè)點(diǎn)密度和精度。因此,基于模態(tài)曲率理論的軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置可以有效識(shí)別鋼軌軌底傷損。

3.3 多種基于模態(tài)曲率的傷損識(shí)別方法對(duì)比

由于鋼軌模態(tài)位移曲線有一定的曲率變化,因此理論上,除損傷位置外的模態(tài)曲率值并非都為0,為排除其對(duì)隱蔽性傷損識(shí)別效果的影響,探究包括模態(tài)曲率差法在內(nèi)的5種基于模態(tài)曲率的結(jié)構(gòu)傷損識(shí)別方法,對(duì)軌底隱蔽性傷損的表征效果,通過(guò)1.3節(jié)的計(jì)算原理獲得5種方法相應(yīng)的振型曲線見(jiàn)圖11和圖12。

從圖11可以看出,CMR和DFR的振型曲線會(huì)在無(wú)裂紋處出現(xiàn)多個(gè)峰值,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)存在一定程度的本底噪聲,當(dāng)某一測(cè)點(diǎn)處有無(wú)裂紋數(shù)據(jù)的本底噪聲存在幾個(gè)數(shù)量級(jí)之差的情況時(shí),其比值會(huì)呈現(xiàn)與裂紋位置處同向或反向的類(lèi)似峰值,影響對(duì)裂紋位置的判斷。因此在實(shí)際測(cè)試時(shí)利用 DFR和CMR這2種方法識(shí)別鋼軌裂紋效果并不理想,這2種方法比較適用于仿真或基本無(wú)本底噪聲的試驗(yàn)工況。

由圖12可知,DF、DDF和DCM這3種方法的振型曲線不存在以上2種方法的誤判問(wèn)題,都能夠表征出鋼軌損傷的位置,但其中DF和DDF在裂紋峰值的左右兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)處會(huì)有1個(gè)反向振蕩,這是由差分法計(jì)算模態(tài)曲率二階導(dǎo)存在的弊端,而且震蕩幅度較大,幾乎接近裂紋峰值的1/2,若在損傷程度不同的多裂紋工況(特別是相鄰裂紋非常接近時(shí))下表征鋼軌損傷情況可能會(huì)存在干擾現(xiàn)象。

通過(guò)引入信噪比的概念[21]探究能夠以更好的效果表征軌底隱蔽性傷損的方法。本文將信噪比定義為裂紋處曲線的峰值與曲線其他位置處噪聲絕對(duì)值的最大值之間的比率關(guān)系:SNR=20lg(Vs/Vn),Vs為裂紋處的峰值,Vn為其他位置處噪聲絕對(duì)值的最大值。經(jīng)計(jì)算得出DCM、DF、DDF的信噪比分別為14.32,5.56,5.54 dB。因此,模態(tài)曲率差法(DCM)表征鋼軌軌底隱蔽性傷損有更加優(yōu)異的效果。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于無(wú)約束自由工況下的鋼軌,本研究設(shè)計(jì)的基于模態(tài)曲率理論的軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置,獲取的鋼軌模態(tài)位移振型的精度相比于傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試法提高了2個(gè)數(shù)量級(jí),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法由于不能獲得滿(mǎn)足裂紋識(shí)別要求的模態(tài)曲率參數(shù),因而無(wú)法進(jìn)行傷損識(shí)別的缺陷。

(2)在通過(guò)軌底隱蔽性傷損識(shí)別裝置獲取鋼軌高精度模態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上,以模態(tài)曲率作為鋼軌軌底裂紋識(shí)別的參數(shù),經(jīng)試驗(yàn)證明:模態(tài)曲率可以成功地識(shí)別出軌底裂紋。

(3)以模態(tài)曲率理論為基礎(chǔ),討論了包括DCM在內(nèi)的5種模態(tài)曲率方法對(duì)軌底隱蔽性傷損的表征情況,其中CMR和DMR 2種方法難以有效識(shí)別裂紋,DCM、DF、DDF 3種方法對(duì)裂紋的識(shí)別效果較好,但DF和DDF方法在裂紋處曲線峰值位置的左右兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)處會(huì)有1個(gè)反向振蕩,且振蕩幅度較大,近似為裂紋處峰值的1/2,可能會(huì)在多損傷工況下的裂紋識(shí)別時(shí)產(chǎn)生干擾現(xiàn)象,影響損傷位置的判斷。且模態(tài)曲率差法(DCM)的信噪比為14.32 dB,大幅度優(yōu)于另外2種方法,因此模態(tài)曲率差法對(duì)鋼軌軌底隱蔽性傷損具有更加優(yōu)異的識(shí)別效果。