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(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司，昆明 650011

隨著高速鐵路服役時(shí)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(shí)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(duì)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(cè)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(cè)效率較低，受人為因素影響較大，且兩個(gè)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(shí)監(jiān)測(cè)道岔尖/心軌健康狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

超聲導(dǎo)波［2］是無損檢測(cè)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(huì)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(zhǎng)度方向傳播，具有全截面覆蓋、長(zhǎng)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)［4-7］。超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道缺陷檢測(cè)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(cè)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(zhǎng)數(shù)量級(jí)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(cè)的可行性。本文基于LamB 波提出一種道岔斷軌監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 道岔斷軌監(jiān)測(cè)方法的基本原理

基于LamB 波開發(fā)道岔斷軌監(jiān)測(cè)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(shí)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(hào)處理難度，提高傷損信號(hào)辨識(shí)度，實(shí)現(xiàn)傷損定位功能，通常會(huì)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(chǎng)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(cè)。

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(shí)，結(jié)構(gòu)上下表面層質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)，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(dòng)，從而構(gòu)成全板振動(dòng)。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)于板中面的對(duì)稱性，可將LamB 波的傳播模態(tài)分為對(duì)稱模態(tài)（S 模態(tài)）和非對(duì)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(duì)應(yīng)無數(shù)個(gè)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?？芍孩俪B(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(zhǎng)距離傳播。板厚一定時(shí)，只有頻率達(dá)到某一值后才會(huì)產(chǎn)生高階模式并正常傳播。②頻率較低時(shí)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(shí)，對(duì)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(shí)，非對(duì)稱模態(tài)A0 具有較好的非頻散特性?？梢?，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(duì)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(duì)稱模態(tài)，在大部分頻率下頻散較嚴(yán)重，很難在鋼軌中長(zhǎng)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(duì)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(cè)。

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(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)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(hào)見圖4?？芍孩賀1 和R2 均采集到明顯的首達(dá)波和端面反射波信號(hào)；R2 在2 ms 時(shí)接收到反射波信號(hào)。根據(jù)超聲導(dǎo)波的飛行時(shí)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(hào)

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(hào)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(hào)，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(huì)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(hào)

綜上，LamB 波具備非頻散、少模態(tài)特性，且對(duì)自然裂紋、人造傷損較敏感，適用于鋼軌傷損監(jiān)測(cè)。因此，可基于這些特性，同時(shí)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(cè)。

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

高速道岔斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由激發(fā)和接收傳感器、監(jiān)測(cè)分機(jī)、監(jiān)測(cè)中心、客戶端等組成，通過路局內(nèi)網(wǎng)或公網(wǎng)將監(jiān)測(cè)結(jié)果信息實(shí)時(shí)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(cè)等功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道岔的服役狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)異常提供報(bào)警信息，保障行車安全。

圖6 高速道岔斷軌監(jiān)測(cè)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(hào)。監(jiān)測(cè)分機(jī)包含信號(hào)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(hào)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??？蛻舳税O(jiān)控圖、報(bào)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(cè)車站的道岔位置、編號(hào)、傳感器布點(diǎn)等狀態(tài)信息。一旦某只監(jiān)測(cè)傳感器采集到傷損信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，提示用戶進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)集成測(cè)試

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)道岔斷軌報(bào)警功能的有效性和泛化能力，分別針對(duì)長(zhǎng)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(duì)道岔長(zhǎng)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(duì)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(dòng)車所對(duì)道岔尖軌進(jìn)行了線上模擬傷損試驗(yàn)。

3.1 長(zhǎng)心軌模擬傷損試驗(yàn)

在長(zhǎng)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(zhǎng)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?？芍篔1 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(bào)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(jí)報(bào)警。

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

在長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)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?？芍簾o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(bào)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(jí)報(bào)警。

圖10 長(zhǎng)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(shí)2～ 5 min。首先，于23：40：25 在軌底切割長(zhǎng)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(bào)警；繼續(xù)在同一造傷位置加深裂紋，當(dāng)傷損長(zhǎng)30 mm、深15 mm 時(shí)（23：42：52），系統(tǒng)發(fā)出報(bào)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(shí)（23：54：03），系統(tǒng)發(fā)出了報(bào)警。另外，對(duì)照組J5 始終沒有誤報(bào)警。該結(jié)果表明，道岔斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效識(shí)別長(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)客戶端報(bào)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(shí)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(shí)系統(tǒng)未發(fā)出報(bào)警；繼續(xù)在該位置加深裂紋，深度達(dá)到15 mm時(shí)系統(tǒng)顯示J6—J8報(bào)警。

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

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

試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效識(shí)別深15 mm 的尖軌軌頭橫向貫穿裂紋，長(zhǎng)30 mm、深8 mm 的軌底裂紋，長(zhǎng)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(shí)別算法等，開發(fā)了一套基于LamB 的道岔斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

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

2）在道岔長(zhǎng)心軌線下模擬傷損試驗(yàn)中，該系統(tǒng)可以有效識(shí)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(shí)別長(zhǎng)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(shí)別尖軌軌頭橫向貫穿、深15 mm 裂紋，軌底長(zhǎng)30 mm、深8 mm 裂紋，軌頂長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)30 mm 且深5 mm 的掉塊外所有斷軌工況的監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。

在接下來的研究中，將測(cè)試該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)更加復(fù)雜環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)算法的魯棒性，同時(shí)還需不斷地對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高報(bào)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(guó)高速鐵路運(yùn)維中發(fā)揮重要作用。