[发明专利]基于运营车辆的钢轨核伤检测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及钢轨核伤检测领域。更具体地，涉及一种基于运营车辆的钢 轨核伤检测系统及方法。

背景技术

随着信号处理技术及现代检测技术的迅速发展，对于钢轨核伤的研究得 到了充分的重视，并取得了丰富的研究成果。目前对于钢轨核伤的研究主要 集中于钢轨核伤发展机理、钢轨核伤检测技术、钢轨核伤的特征频带等方 面。

在钢轨核伤的形成机理研究方面：M.Ishida等人研究了预防性磨削对核 伤数量的减少的影响，包括理论模型、实验室双圆盘机实验和现场试验，研 究发现通过轨道磨削可减少轨道上的核伤数量；在英国，Clayton和Hill通过 实验室实验探讨了水润滑条件下的滚动接触疲劳表现，实验结果表明，样品 表面的塑性变形及起始于表面的裂缝，均和轨道核伤相类似；P.Bold等人研 究了在钢轨核伤处出现的由表面引发的钢轨表面裂纹以某一轨距角形式向钢 轨表面传播的现象；1987年，Cannon和Pradier在欧洲铁路研究所开展了一 次滚动接触疲劳研究项目，这项研究项目的目的是弄清楚滚动接触疲劳问 题，并提出一些控制或消除措施；Bogdanski等人引入了一个核伤类裂纹的 2D模型，通过这个模型研究了裂纹带来的影响，如倾角、残余应力、牵引 负荷，以及裂缝中的液体滞留等；Bogdanski等人1998年提出了一个核伤类 裂纹的3D有限元模型，并通过这个模型，确定了裂纹前缘附近的应力状 态，同时也计算了裂纹前缘附近的应力值和应力强度因子的范围；2008年， Bogdanski又通过一个3D有限元模型，研究了裂纹前缘附近的液体滞留机 制；钢轨核伤是荷兰铁路网上很重要的滚动接触疲劳问题；2003-2008年， ProRail启动了一个项目，目的在于研究钢轨核伤的起因、引发及早期检测 等。

在钢轨核伤检测技术方面：20世纪60年代，德国研发了一种利用超声 波检测钢轨核伤的技术。Kondo等人指出日本早自1971年起就开始利用超声 波技术检测铁路网中出现的剥离裂纹伤损，而这种伤损与钢轨核伤极为相 似。但是这种超声波检测方法只适用于有裂纹的核伤即重度核伤，故对于钢 轨核伤的早期不适用；随后，Thomas提出将超声波与涡电流结合技术用于 钢轨核伤的检测，研究表明这种方法可以检测出钢轨焊缝、绝缘接头、轨头 裂纹等多种钢轨病害，相比之前只能检测出一种病害的方法，该技术有更大 的发展空间，但是问题是这种技术仍然不能估计出钢轨核伤的深度；2008年 之后，在一些研究中开始使用应变仪来测量轮对的垂向、纵向及横向应力， 其中Magel等人通过研究轮对上的应力状态估计了轮对的弯曲应力峰值、车 轮附着力以及滚动接触疲劳伤损，依据该方法检测钢轨滚动接触疲劳伤损时 的振动频率为90Hz；随后，C.Esveld和M.Molodova等人提出对于钢轨核 伤的检测及分析需要更高频的振动信号；2009年，Delprete和Rosso又提出 了一种利用换能器来估计轮轨垂向、纵向和横向接触力，但是这种方法仅可 以用于局部测量，而不能沿轨道进行连续检测；Grassie提出利用轴箱加速 度可以在线检测钢轨的质量及不平顺状态，对加速度信号进行双重积分，从 而可以获得钢轨伤损的垂-纵向轮廓；M.Molodova在2013年又提出了一种基 于FE有限元模型的钢轨核伤的早期检测方法，该方法仍然是对轴箱的加速 度信号进行数据分析，提出了钢轨早期核伤的时、频域特性，并对钢轨核伤 的检测系统进行了改进，取得了良好的效果，验证了钢轨核伤早期检测的可 行性。基于轴箱加速度的检测方法不仅可以检测出钢轨的不平顺状态，而且 具有设备简单、成本低等优势，故目前对于钢轨核伤检测方法的研究大多是 利用轴箱加速度。

在钢轨核伤响应频率方面：2002年，Kawasaki和Youcef-Toumi提出利 用客运车辆的加速度来评估轨道不平顺的方法，这种方法利用了一个三维车 -轨模型，以车流量加速度为输入信号，得到的轨道不平顺为输出信号，相 关的检测频率为11Hz；Real等人验证了在高达250Hz的频带内，利用轴箱 加速度进行柔度计算最终可得到钢轨的垂-纵向轮廓；2008年，Z.Li和 M.Molodova研究发现钢轨核伤与2kHz甚至更高的振动频率有关，并提出了 钢轨短道伤损处轴箱加速度的高频特性。