[发明专利]高铁钢轨伤损检测实验平台及检测方法

权利要求书

1.高铁钢轨伤损检测实验平台，其特征在于，它包括加压装置（1）、丝杆（2）、模拟车轮（3）、模拟高铁钢轨（4）、传送带（5）、主动轮（6）、电机（8）、振动加速度传感器（9）、wifi无线发射模块（12）、wifi无线接收模块（13）和上位机（14），

模拟高铁钢轨（4）为圆盘状的轮子结构，模拟高铁钢轨（4）与主动轮（6）之间通过传送带（5）实现传动连接，主动轮（6）由电机（8）带动旋转，模拟车轮（3）和模拟高铁钢轨（4）之间滚动接触，

加压装置（1）通过丝杆（2）给模拟车轮（3）加压；

模拟高铁钢轨（4）的盘面上设置有振动加速度传感器（9），振动加速度传感器（9）用于检测模拟高铁钢轨（4）的表面伤损信号，所述表面伤损信号和裂纹伤损信号通过wifi无线发射模块（12）发送出去；由wifi无线接收模块（13）接收后输出给上位机（14）。

2.根据权利要求1所述高铁钢轨伤损检测实验平台，其特征在于，它还包括变频器（7），变频器（7）的转速控制信号输出端与电机（8）的转速控制信号输入端相连。

3.根据权利要求2所述高铁钢轨伤损检测实验平台，其特征在于，它还包括压力传感器（11），压力传感器（11）用于检测加压装置（1）施加给模拟车轮（3）的压力信号，压力传感器（11）的压力信号输出端与wifi无线发射模块（12）的压力信号输入端相连。

4.根据权利要求3所述高铁钢轨伤损检测实验平台，其特征在于，它还包括编码器测速模块（12），编码器测速模块（12）用于测量电机（8）的转速，编码器测速模块（12）的电机转速信号输出端与wifi无线发射模块（12）的电机转速信号输入端相连。

5.基于权利要求4所述高铁钢轨伤损检测实验平台的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用加压装置（1）加压来模拟不同车重，通过调整电机（8）的转速来模拟不同车速，在模拟高铁钢轨（4）上不同位置制造表面伤损，通过振动加速度传感器（9）采集模拟高铁钢轨（4）的表面伤损信号，并提取其时域特征参数和时频域特征参数，通过支持向量机来建立伤损识别库；

步骤二、在模拟高铁钢轨（4）上沿圆周方向设置多个振动加速度传感器（9），对每个振动加速度传感器采集的表面伤损信号进行处理，提取其时域特征参数和时频域特征参数；

步骤三、对照步骤一的伤损识别库，判断步骤二获取的每个振动加速度传感器（9）所在位置是否存在表面伤损。

6.基于权利要求5所述高铁钢轨伤损检测方法，其特征在于，步骤一中建立伤损识别库的过程为：

步骤一一、模拟高铁钢轨（4）上某处位置制造出表面伤损，并把振动加速度传感器（9）设置在该伤损位置附近，加压装置（1）通过丝杆（2）给模拟车轮（3）加压，来实现给模拟高铁钢轨（4）模拟施加车重，车重数值由压力传感器（11）读取；启动电机（8），通过控制电机（8）的转速n₁来调整模拟高铁钢轨（4）达到设定的车速其中：D₂为模拟高铁钢轨（4）的直径，d₁为主动轮（6）上的皮带轮直径，d₂为模拟高铁钢轨（4）上的皮带轮直径；

步骤一二、上位机（14）对接收的模拟高铁钢轨（4）的表面伤损信号按数据长度N进行截取，获取m个表面伤损信号x_i(t)，i=1,2,...,m，

其中：数据长度N由公式确定，

式中：t为模拟高铁钢轨（4）旋转一周的时间，且n为模拟高铁钢轨（4）的转速，F_s为振动数据采集的采样速率；

步骤一三、对步骤一二获取的m个表面伤损信号x_i(t)进行低通滤波处理，去除高频噪声后获取m个滤波后表面伤损信号y_i(t)，i=1,2,...,m；t=0,1,...,N-1，

步骤一四、按照下面的公式提取步骤一三获取的m个滤波后表面伤损信号y_i(t)的时域特征参数：

均值y‾=1NΣt=0N-1|y(t)|;]]>

峰值y_p：y_p=max(|y(t)|)；

均方根y_rms：yrms=(1NΣt=0N-1y2(t))1/2;]]>

方根幅值y_r：yr=(1NΣt=0N-1|y(t)|1/2)2;]]>

标准差y_std：ystd=(1N-1Σt=0N-1(y(t)-y‾)2)1/2;]]>

偏度y_ske：yske=Σt=0N-1(y(t)-y‾)3(N-1)ystd3;]]>

峭度y_kur：ykur=Σt=0N-1(y(t)-y‾)4(N-1)ystd4;]]>

波形因子y_SF：ySF=yrmsy‾;]]>

峰值因子y_CF：yCF=ypyrms;]]>

脉冲因子y_IF：yIF=ypy‾;]]>

裕度因子y_CIF：yCIF=ypyr;]]>

步骤一五、提取步骤一三获取的m个滤波后表面伤损信号y_i(t)的时频域特征参数：能量熵值、奇异熵值和前5个IMF分量的能量比重，

对滤波后表面伤损信号y_i(t)进行经验模态分解，获取分解后前5个低阶IMF分量c_i'(t)，i'=1,2,...,5，t=0,1,...,N-1，

各阶IMF能量值E_i'按公式i=1,2,,5获取，

各阶IMF分量的能量比重p_i'按公式获取，

能量熵值Hen按公式获取；

奇异熵值Hsv按公式获取；

其中，I_i'为前5个低阶IMF分量按照IMF1IMF5]]>组成的矩阵的奇异值；

步骤一六、根据步骤一一调整出不同车速、不同车重和不同伤损位置，进而获取大量的步骤一四所述时域特征参数和步骤一五所述时频域特征参数，并采用支持向量机对其进行伤损分类识别，建立伤损识别库。