基于運營車輛的鋼軌核傷檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋼軌核傷檢測領(lǐng)域。更具體地，涉及一種基于運營車輛的鋼軌核傷檢 測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信號處理技術(shù)及現(xiàn)代檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，對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。目前對于鋼軌核傷的研究主要集中于鋼軌核傷發(fā)展機 理、鋼軌核傷檢測技術(shù)、鋼軌核傷的特征頻帶等方面。
[0003] 在鋼軌核傷的形成機理研究方面:M.Ishida等人研究了預防性磨削對核傷數(shù)量的 減少的影響，包括理論模型、實驗室雙圓盤機實驗和現(xiàn)場試驗，研究發(fā)現(xiàn)通過軌道磨削可減 少軌道上的核傷數(shù)量;在英國，Clayton和Hill通過實驗室實驗探討了水潤滑條件下的滾動 接觸疲勞表現(xiàn)，實驗結(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展了一次滾動接 觸疲勞研究項目，這項研究項目的目的是弄清楚滾動接觸疲勞問題，并提出一些控制或消 除措施;Bogdanski等人引入了一個核傷類裂紋的2D模型，通過這個模型研究了裂紋帶來的 影響，如傾角、殘余應(yīng)力、牽引負荷，以及裂縫中的液體滯留等;Bogdanski等人1998年提出 了一個核傷類裂紋的3D有限元模型，并通過這個模型，確定了裂紋前緣附近的應(yīng)力狀態(tài)，同 時也計算了裂紋前緣附近的應(yīng)力值和應(yīng)力強度因子的范圍；2008年，Bogdanski又通過一個 3D有限元模型，研究了裂紋前緣附近的液體滯留機制；鋼軌核傷是荷蘭鐵路網(wǎng)上很重要的 滾動接觸疲勞問題；2003-2008年，ProRail啟動了一個項目，目的在于研究鋼軌核傷的起 因、引發(fā)及早期檢測等。
[0004] 在鋼軌核傷檢測技術(shù)方面:20世紀60年代，德國研發(fā)了一種利用超聲波檢測鋼軌 核傷的技術(shù)。Kondo等人指出日本早自1971年起就開始利用超聲波技術(shù)檢測鐵路網(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方法只適用于有 裂紋的核傷即重度核傷，故對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，研究表明這種方法可以檢測出鋼軌焊縫、絕緣接頭、軌頭 裂紋等多種鋼軌病害，相比之前只能檢測出一種病害的方法，該技術(shù)有更大的發(fā)展空間，但 是問題是這種技術(shù)仍然不能估計出鋼軌核傷的深度;2008年之后，在一些研究中開始使用 應(yīng)變儀來測量輪對的垂向、縱向及橫向應(yīng)力，其中Magel等人通過研究輪對上的應(yīng)力狀態(tài)估 計了輪對的彎曲應(yīng)力峰值、車輪附著力以及滾動接觸疲勞傷損，依據(jù)該方法檢測鋼軌滾動 接觸疲勞傷損時的振動頻率為90Hz;隨后，C.Esveld和M.Molodova等人提出對于鋼軌核傷 的檢測及分析需要更高頻的振動信號；2009年，Delprete和Rosso又提出了一種利用換能器 來估計輪軌垂向、縱向和橫向接觸力，但是這種方法僅可以用于局部測量，而不能沿軌道進 行連續(xù)檢測;Grassie提出利用軸箱加速度可以在線檢測鋼軌的質(zhì)量及不平順狀態(tài)，對加速 度信號進行雙重積分，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方法，該方法仍然是對軸箱的加速度信號 進行數(shù)據(jù)分析，提出了鋼軌早期核傷的時、頻域特性，并對鋼軌核傷的檢測系統(tǒng)進行了改 進，取得了良好的效果，驗證了鋼軌核傷早期檢測的可行性?；谳S箱加速度的檢測方法不 僅可以檢測出鋼軌的不平順狀態(tài)，而且具有設(shè)備簡單、成本低等優(yōu)勢，故目前對于鋼軌核傷 檢測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提出利用客運車輛 的加速度來評估軌道不平順的方法，這種方法利用了一個三維車-軌模型，以車流量加速度 為輸入信號，得到的軌道不平順為輸出信號，相關(guān)的檢測頻率為llHz;Real等人驗證了在高 達250Hz的頻帶內(nèi)，利用軸箱加速度進行柔度計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] 目前對于鋼軌核傷的檢測工作主要是基于軌檢車和鋼軌探傷儀進行，存在檢測不 及時、檢測周期長、檢測設(shè)備投入資金大、檢測精度不高、所能檢測到的核傷類型受探傷儀 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別核傷病害時，這種檢測方 法對可識別的核傷類型受到探傷儀結(jié)構(gòu)的約束，且需耗費大量的人力物力，容易存在因為 人為疏忽等原因造成的檢測錯誤，此外該方法的實時性較差，不能及時發(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營車輛的鋼軌核傷檢測系統(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營車輛的鋼軌核傷檢測系統(tǒng)及方法，能夠?qū)崿F(xiàn) 車輛每一次經(jīng)過鋼軌時都可以對鋼軌核傷進行一次檢測，實時性高，能夠避免人工檢測時 可能存在的人為疏忽等問題。
[0009] 為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0010] -種基于運營車輛的鋼軌核傷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0011] 加速度傳感器，根據(jù)車輛運行過程中的振動產(chǎn)生轉(zhuǎn)向架的橫向、垂向加速度信號， 用以檢測車輛運行過程中車體的振動狀態(tài)；
[0012] 信號采集及預處理單元，以固定的采樣頻率采集橫向、垂向加速度信號并進行預 處理，產(chǎn)生各采樣時刻的待檢測信號；
[0013] 信號處理單元，對各采樣時刻的待檢測信號依次進行時域特征值分析識別鋼軌核 傷、連續(xù)小波分析識別鋼軌核傷和經(jīng)驗模態(tài)分解識別鋼軌核傷。
[0014] 優(yōu)選地，所述信號采集及預處理單元對采集到的橫向、垂向加速度信號進行預處 理包括:對采集到的橫向、垂向加速度信號進行隔離處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波。
[0015] 優(yōu)選地，所述信號處理單元包括：
[0016] 信號時域特征值分析模塊，對各采樣時刻的待檢測信號進行時域特征值分析識別 鋼軌核傷，得到初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號；
[0017] 信號連續(xù)小波分析模塊，對初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行連續(xù)小波分 析識別鋼軌核傷，得到第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號；
[0018] 信號經(jīng)驗模態(tài)分解模塊，對第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行信號經(jīng)驗 模態(tài)分解，得到最終判定存在鋼軌核傷的待檢測信號。
[0019] -種基于運營車輛的鋼軌核傷檢測方法，該方法包括如下步驟：
[0020] S1、利用加速度傳感器根據(jù)車輛運行過程中的振動產(chǎn)生轉(zhuǎn)向架的橫向、垂向加速 度信號；
[0021 ] S2、以固定的采樣頻率采集橫向、垂向加速度信號并進行預處理，產(chǎn)生各采樣時刻 的待檢測信號；
[0022] S3、對各采樣時刻的待檢測信號依次進行時域特征值分析識別鋼軌核傷、連續(xù)小 波分析識別鋼軌核傷和經(jīng)驗模態(tài)分解識別鋼軌核傷，得到最終判定存在鋼軌核傷的待檢測 信號。
[0023]優(yōu)選地，步驟S2中的預處理進一步包括:對采集到的橫向、垂向加速度信號進行隔 離處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波。
[0024] 優(yōu)選地，步驟S3進一步包括如下子步驟：
[0025] S3.1、對各采樣時刻的待檢測信號進行時域特征值分析識別鋼軌核傷，得到初步 判定存在鋼軌核傷的待檢測信號；
[0026] S3.2、對初步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行連續(xù)小波分析識別鋼軌核傷， 得到第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號；
[0027] S3.3、對第二步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號進行信號經(jīng)驗模態(tài)分解，得到最 終判定存在鋼軌核傷的待檢測信號。
[0028] 優(yōu)選地，步驟S3.1進一步包括如下子步驟：
[0029] S3.1. 1、計算待檢測信號的時域特征值: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個采樣時刻的待檢測信號，η為采樣點個數(shù)；
[0034] S3.1.2、將待檢測信號的時域特征值與時域特征值閾值比較，若待檢測信號的時 域特征值中至少有一項數(shù)值超過該數(shù)值的閾值，則判定待檢測信號存在鋼軌核傷，得到初 步判定存在鋼軌核傷的待檢測信號。
[0035] 時域特征值閾值包括:均值閾值、峰值閾值、有效值閾值;