基于運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的鋼軌核傷檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋼軌核傷檢測(cè)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種基于運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的鋼軌核傷檢 測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信號(hào)處理技術(shù)及現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)于鋼軌核傷的研究得到了充分 的重視，并取得了豐富的研究成果。目前對(duì)于鋼軌核傷的研究主要集中于鋼軌核傷發(fā)展機(jī) 理、鋼軌核傷檢測(cè)技術(shù)、鋼軌核傷的特征頻帶等方面。
[0003] 在鋼軌核傷的形成機(jī)理研究方面:M.Ishida等人研究了預(yù)防性磨削對(duì)核傷數(shù)量的 減少的影響，包括理論模型、實(shí)驗(yàn)室雙圓盤(pán)機(jī)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)軌道磨削可減 少軌道上的核傷數(shù)量;在英國(guó)，Clayton和Hill通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)探討了水潤(rùn)滑條件下的滾動(dòng) 接觸疲勞表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣品表面的塑性變形及起始于表面的裂縫，均和軌道核傷相 類(lèi)似;P.Bold等人研究了在鋼軌核傷處出現(xiàn)的由表面引發(fā)的鋼軌表面裂紋以某一軌距角形 式向鋼軌表面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象；1987年，Cannon和Pradier在歐洲鐵路研究所開(kāi)展了一次滾動(dòng)接 觸疲勞研究項(xiàng)目，這項(xiàng)研究項(xiàng)目的目的是弄清楚滾動(dòng)接觸疲勞問(wèn)題，并提出一些控制或消 除措施;Bogdanski等人引入了一個(gè)核傷類(lèi)裂紋的2D模型，通過(guò)這個(gè)模型研究了裂紋帶來(lái)的 影響，如傾角、殘余應(yīng)力、牽引負(fù)荷，以及裂縫中的液體滯留等;Bogdanski等人1998年提出 了一個(gè)核傷類(lèi)裂紋的3D有限元模型，并通過(guò)這個(gè)模型，確定了裂紋前緣附近的應(yīng)力狀態(tài)，同 時(shí)也計(jì)算了裂紋前緣附近的應(yīng)力值和應(yīng)力強(qiáng)度因子的范圍；2008年，Bogdanski又通過(guò)一個(gè) 3D有限元模型，研究了裂紋前緣附近的液體滯留機(jī)制；鋼軌核傷是荷蘭鐵路網(wǎng)上很重要的 滾動(dòng)接觸疲勞問(wèn)題；2003-2008年，ProRail啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，目的在于研究鋼軌核傷的起 因、引發(fā)及早期檢測(cè)等。
[0004] 在鋼軌核傷檢測(cè)技術(shù)方面:20世紀(jì)60年代，德國(guó)研發(fā)了一種利用超聲波檢測(cè)鋼軌 核傷的技術(shù)。Kondo等人指出日本早自1971年起就開(kāi)始利用超聲波技術(shù)檢測(cè)鐵路網(wǎng)中出現(xiàn) 的剝離裂紋傷損，而這種傷損與鋼軌核傷極為相似。但是這種超聲波檢測(cè)方法只適用于有 裂紋的核傷即重度核傷，故對(duì)于鋼軌核傷的早期不適用；隨后，Thomas提出將超聲波與渦電 流結(jié)合技術(shù)用于鋼軌核傷的檢測(cè)，研究表明這種方法可以檢測(cè)出鋼軌焊縫、絕緣接頭、軌頭 裂紋等多種鋼軌病害，相比之前只能檢測(cè)出一種病害的方法，該技術(shù)有更大的發(fā)展空間，但 是問(wèn)題是這種技術(shù)仍然不能估計(jì)出鋼軌核傷的深度;2008年之后，在一些研究中開(kāi)始使用 應(yīng)變儀來(lái)測(cè)量輪對(duì)的垂向、縱向及橫向應(yīng)力，其中Magel等人通過(guò)研究輪對(duì)上的應(yīng)力狀態(tài)估 計(jì)了輪對(duì)的彎曲應(yīng)力峰值、車(chē)輪附著力以及滾動(dòng)接觸疲勞傷損，依據(jù)該方法檢測(cè)鋼軌滾動(dòng) 接觸疲勞傷損時(shí)的振動(dòng)頻率為90Hz;隨后，C.Esveld和M.Molodova等人提出對(duì)于鋼軌核傷 的檢測(cè)及分析需要更高頻的振動(dòng)信號(hào)；2009年，Delprete和Rosso又提出了一種利用換能器 來(lái)估計(jì)輪軌垂向、縱向和橫向接觸力，但是這種方法僅可以用于局部測(cè)量，而不能沿軌道進(jìn) 行連續(xù)檢測(cè);Grassie提出利用軸箱加速度可以在線(xiàn)檢測(cè)鋼軌的質(zhì)量及不平順狀態(tài)，對(duì)加速 度信號(hào)進(jìn)行雙重積分，從而可以獲得鋼軌傷損的垂-縱向輪廓;M.Molodova在2013年又提出 了一種基于FE有限元模型的鋼軌核傷的早期檢測(cè)方法，該方法仍然是對(duì)軸箱的加速度信號(hào) 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提出了鋼軌早期核傷的時(shí)、頻域特性，并對(duì)鋼軌核傷的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改 進(jìn)，取得了良好的效果，驗(yàn)證了鋼軌核傷早期檢測(cè)的可行性?；谳S箱加速度的檢測(cè)方法不 僅可以檢測(cè)出鋼軌的不平順狀態(tài)，而且具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，故目前對(duì)于鋼軌核傷 檢測(cè)方法的研究大多是利用軸箱加速度。
[0005] 在鋼軌核傷響應(yīng)頻率方面:2002年，Kawasaki和Youcef-Toumi提出利用客運(yùn)車(chē)輛 的加速度來(lái)評(píng)估軌道不平順的方法，這種方法利用了一個(gè)三維車(chē)-軌模型，以車(chē)流量加速度 為輸入信號(hào)，得到的軌道不平順為輸出信號(hào)，相關(guān)的檢測(cè)頻率為llHz;Real等人驗(yàn)證了在高 達(dá)250Hz的頻帶內(nèi)，利用軸箱加速度進(jìn)行柔度計(jì)算最終可得到鋼軌的垂-縱向輪廓;2008年， Z. Li和M.Molodova研究發(fā)現(xiàn)鋼軌核傷與2kHz甚至更高的振動(dòng)頻率有關(guān)，并提出了鋼軌短道 傷損處軸箱加速度的高頻特性。
[0006] 目前對(duì)于鋼軌核傷的檢測(cè)工作主要是基于軌檢車(chē)和鋼軌探傷儀進(jìn)行，存在檢測(cè)不 及時(shí)、檢測(cè)周期長(zhǎng)、檢測(cè)設(shè)備投入資金大、檢測(cè)精度不高、所能檢測(cè)到的核傷類(lèi)型受探傷儀 限制等弊端。例如，利用利用折射角為70°的橫波探頭探傷儀識(shí)別核傷病害時(shí)，這種檢測(cè)方 法對(duì)可識(shí)別的核傷類(lèi)型受到探傷儀結(jié)構(gòu)的約束，且需耗費(fèi)大量的人力物力，容易存在因?yàn)?人為疏忽等原因造成的檢測(cè)錯(cuò)誤，此外該方法的實(shí)時(shí)性較差，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼軌上的早、中 期核傷病害。
[0007] 因此，需要提供一種基于運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的鋼軌核傷檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的鋼軌核傷檢測(cè)系統(tǒng)及方法，能夠?qū)崿F(xiàn) 車(chē)輛每一次經(jīng)過(guò)鋼軌時(shí)都可以對(duì)鋼軌核傷進(jìn)行一次檢測(cè)，實(shí)時(shí)性高，能夠避免人工檢測(cè)時(shí) 可能存在的人為疏忽等問(wèn)題。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0010] -種基于運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的鋼軌核傷檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0011] 加速度傳感器，根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向架的橫向、垂向加速度信號(hào)， 用以檢測(cè)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中車(chē)體的振動(dòng)狀態(tài)；
[0012] 信號(hào)采集及預(yù)處理單元，以固定的采樣頻率采集橫向、垂向加速度信號(hào)并進(jìn)行預(yù) 處理，產(chǎn)生各采樣時(shí)刻的待檢測(cè)信號(hào)；
[0013] 信號(hào)處理單元，對(duì)各采樣時(shí)刻的待檢測(cè)信號(hào)依次進(jìn)行時(shí)域特征值分析識(shí)別鋼軌核 傷、連續(xù)小波分析識(shí)別鋼軌核傷和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解識(shí)別鋼軌核傷。
[0014] 優(yōu)選地，所述信號(hào)采集及預(yù)處理單元對(duì)采集到的橫向、垂向加速度信號(hào)進(jìn)行預(yù)處 理包括:對(duì)采集到的橫向、垂向加速度信號(hào)進(jìn)行隔離處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波。
[0015] 優(yōu)選地，所述信號(hào)處理單元包括：
[0016] 信號(hào)時(shí)域特征值分析模塊，對(duì)各采樣時(shí)刻的待檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域特征值分析識(shí)別 鋼軌核傷，得到初步判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)；
[0017] 信號(hào)連續(xù)小波分析模塊，對(duì)初步判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波分 析識(shí)別鋼軌核傷，得到第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)；
[0018] 信號(hào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模塊，對(duì)第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)經(jīng)驗(yàn) 模態(tài)分解，得到最終判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)。
[0019] -種基于運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的鋼軌核傷檢測(cè)方法，該方法包括如下步驟：
[0020] S1、利用加速度傳感器根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向架的橫向、垂向加速 度信號(hào)；
[0021 ] S2、以固定的采樣頻率采集橫向、垂向加速度信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)生各采樣時(shí)刻 的待檢測(cè)信號(hào)；
[0022] S3、對(duì)各采樣時(shí)刻的待檢測(cè)信號(hào)依次進(jìn)行時(shí)域特征值分析識(shí)別鋼軌核傷、連續(xù)小 波分析識(shí)別鋼軌核傷和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解識(shí)別鋼軌核傷，得到最終判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè) 信號(hào)。
[0023]優(yōu)選地，步驟S2中的預(yù)處理進(jìn)一步包括:對(duì)采集到的橫向、垂向加速度信號(hào)進(jìn)行隔 離處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波。
[0024] 優(yōu)選地，步驟S3進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0025] S3.1、對(duì)各采樣時(shí)刻的待檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域特征值分析識(shí)別鋼軌核傷，得到初步 判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)；
[0026] S3.2、對(duì)初步判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波分析識(shí)別鋼軌核傷， 得到第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)；
[0027] S3.3、對(duì)第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到最 終判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)。
[0028] 優(yōu)選地，步驟S3.1進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0029] S3.1. 1、計(jì)算待檢測(cè)信號(hào)的時(shí)域特征值:平均值Xu、峰值Xmax和有效值Xrms，公式如 下：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]公式中，Xl為第i個(gè)采樣時(shí)刻的待檢測(cè)信號(hào)，η為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；
[0034] S3.1.2、將待檢測(cè)信號(hào)的時(shí)域特征值與時(shí)域特征值閾值比較，若待檢測(cè)信號(hào)的時(shí) 域特征值中至少有一項(xiàng)數(shù)值超過(guò)該數(shù)值的閾值，則判定待檢測(cè)信號(hào)存在鋼軌核傷，得到初 步判定存在鋼軌核傷的待檢測(cè)信號(hào)。
[0035] 時(shí)域特征值閾值包括:均值閾值、峰值閾值、有效值閾值;