周長義，孫偉

基于聲發(fā)射檢測的鋼軌斷裂實時監(jiān)測及定位方法研究

周長義1，孫偉2

(1. 哈爾濱鐵路科研所科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150006；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

基于鋼軌斷裂實時監(jiān)測技術(shù)對有效保障列車運(yùn)行安全的重要性，以鐵路常用的60 kg軌道為研究對象，以聲發(fā)射檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)試驗分析軌道斷裂的聲發(fā)射信號特征，有效區(qū)分列車運(yùn)行引入的聲發(fā)射信號。搭建監(jiān)測系統(tǒng)，通過斷軌檢測模擬試驗，驗證該方法的有效性和準(zhǔn)確性，并通過TDOA算法實現(xiàn)對斷裂的定位。研究結(jié)果表明：軌道斷裂會產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號，且斷裂聲發(fā)射信號特征主頻在100~160 kHz，聲壓幅值高，且在時域上存在明顯的突發(fā)性；其特征與列車運(yùn)行特征存在明顯區(qū)別，可有效實現(xiàn)實時斷軌監(jiān)測；利用TDOA方法實現(xiàn)軌道斷裂位置的確定，定位精度優(yōu)于±20 cm。研究結(jié)果為軌道斷軌檢測提供了有效的參考依據(jù)，對軌道交通運(yùn)行安全的技術(shù)發(fā)展具有十分重要的意義。

聲發(fā)射；斷軌；實時監(jiān)測

在鐵路交通運(yùn)輸體系中，軌道結(jié)構(gòu)起著支撐列車和引導(dǎo)車輪前進(jìn)的作用，是整個系統(tǒng)中的基礎(chǔ)。若鋼軌發(fā)生裂痕、斷裂等故障，未能及時檢測和修復(fù)，則會導(dǎo)致列車脫軌、傾覆等極其重大的安全事故[1-2]。2001年美國愛德華州發(fā)生因鋼軌斷裂引起列車脫軌，造成1人死亡96人受傷的重大事故；我國也曾發(fā)生過斷軌引起的重大安全事故，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全和人民生命財產(chǎn)安全。目前，國內(nèi)外關(guān)于斷軌檢測方法主要有手推式超聲波探傷車和大型鋼軌超聲波探傷車定期巡檢[2]、超聲導(dǎo)波檢測鋼軌斷裂[3-5]、利用軌道電路功能進(jìn)行斷軌檢 測[6-7]、利用TCR記錄信息奇異值分解分析斷軌檢測[8]、根據(jù)故障樹分析斷軌[9]及光導(dǎo)纖維檢測及等方法。而鋼軌探傷車占用軌道時間長；而軌道電路受道床參數(shù)情況影響較大，定位性差，誤報率高。超聲導(dǎo)波的方式是目前國內(nèi)外研究較多的方向，實現(xiàn)區(qū)域定位，但準(zhǔn)確定位較差，且當(dāng)列車占有時，無法檢測[10-12]。本文提出了一種基于聲發(fā)射的實時鋼軌斷裂監(jiān)測技術(shù)。聲發(fā)射檢測技術(shù)具有在線的實時監(jiān)測，定位準(zhǔn)確，布置簡單，無需改造鐵軌等優(yōu) 點(diǎn)[13]。

1 基于聲發(fā)射斷軌檢測原理

由于鐵路鋼軌發(fā)生裂紋、剝離和斷裂時會在其結(jié)構(gòu)內(nèi)因能量的快速釋放而產(chǎn)生突變型的彈性波，即為聲發(fā)射信號，其頻帶較寬，且通過監(jiān)測該聲發(fā)射信號，利用兩對傳感器實現(xiàn)對一定區(qū)域內(nèi)的雙軌斷軌的發(fā)生及位置；典型的聲發(fā)射信號傳播如圖1所示。

將聲發(fā)射傳感器分別成對地布置在鋼軌的每根軌道的軌腰上，被動監(jiān)測軌道中產(chǎn)生并傳播的聲發(fā)射信號，利用多通道采集設(shè)備同步采集各傳感器感知的聲發(fā)射信號，并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過上位機(jī)進(jìn)行存儲和處理，經(jīng)過濾波，識別斷軌聲發(fā)射特征信號，判斷斷軌的發(fā)生，并利用TDOA算法進(jìn)行 定位。

圖1 聲發(fā)射信號傳播示意圖

2 軌道斷裂聲發(fā)射特征信號

目前鋼軌斷裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的特征尚無研究資料可參考，需要開展測試試驗來進(jìn)行分析。利用靜態(tài)彎軌機(jī)，對1根1.3 m長的真實鋼軌進(jìn)行實際的折斷，通過聲學(xué)檢測儀進(jìn)行測試，采集并分析其聲發(fā)射信號。對鋼軌中間位置人為切割一個缺口，切割位置距邊緣640 mm處2 mm深；8通道同時采集傳感器放置位置如圖2所示。

圖2 實驗傳感器安裝位置及斷裂口位置

圖3 斷裂信號采集時域譜圖

從信號采集時域圖3中可以明顯分析得到在約為47.44 s的時刻，發(fā)生了斷裂，8路檢測信號均檢測到信號的斷崖式突變，信號強(qiáng)度可達(dá)到4.2 V到5.3 V，各傳感器檢測的信號具有一致性。而斷裂后，因發(fā)生的碰撞或傳感器掉落而感知的信號具有不同的狀態(tài)。

針對斷裂信號即框圖的信號進(jìn)行時頻分析如圖4所示，提取特征值，如表1所示，經(jīng)分析軌道斷裂聲發(fā)射信號特征如下。

1)時域譜圖中，斷裂信號為突發(fā)性的階躍信號；各路傳感器信號存在時間一致性；幅度也在全部檢測過程中是最大的；

2)頻譜主峰頻率和主要能量集中在100~160 kHz之間；

3)振鈴數(shù)可高達(dá)幾百，與未斷裂前有明顯區(qū)別。

而后又重復(fù)進(jìn)行試驗2次，得到信號及特征與上述結(jié)果相一致，其主峰頻帶均在100~160 kHz之間，以通道1為例主頻分別為125.2，134.5和122.3 kHz，因此，并不會因為斷裂過程的復(fù)雜性而導(dǎo)致斷裂的信號特征頻帶會發(fā)生較大轉(zhuǎn)移；在鋼軌的結(jié)構(gòu)相一致的情況下，不同的長度、位置等只會影響斷裂信號到達(dá)不同傳感的信號強(qiáng)度及時間。

(a) 斷裂信號時域譜圖；(b) 斷裂信號頻域譜圖

表1 斷裂信號的特征提取

3 列車占用軌道聲發(fā)射信號特征

外場實驗主要是利用北京昌平火車站和哈爾濱新香坊火車站的外場實驗區(qū)，進(jìn)行實際軌道運(yùn)行下的列車占用時的聲發(fā)射信號采集與分析；分別在鋼軌的軌腰和軌底每間隔5 m的距離配置傳感器4對傳感器，通過多通道采集儀進(jìn)行采集存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過上位機(jī)的MATLAB程序進(jìn)行分析。

當(dāng)列車通行時，其時域譜圖如圖5所示，從中可以清晰地看出從列車的逐漸抵近、經(jīng)過、遠(yuǎn)離的過程，時域譜圖中出現(xiàn)幅度上升，增大，信號飽和狀態(tài)以及拖尾衰減，感知不到的過程。從頻域上如圖6所示，可得其主頻帶在2~20 kHz存在較高的幅度，占主要成份。通過列車的進(jìn)站速度和檢測到有效信號開始到結(jié)束，整個距離大約在2 km，也就意味著目前該設(shè)備可有效的感知距離為1 km。

圖5 列車運(yùn)行期間軌道聲發(fā)射信號時域譜圖

從頻譜中可以明顯看出列車運(yùn)行時的聲發(fā)射信號相一致，而區(qū)別于斷軌信號的特征，其中主要體現(xiàn)如下2點(diǎn)。

1)列車運(yùn)行的軌道聲發(fā)射信號頻譜特征主峰和主要能量集中在低頻段20 kHz以下；而軌道斷裂信號主要集中在高頻段；

2)列車運(yùn)行的特征頻譜形狀與斷裂信號不同，相對變化平緩，且高頻段是連續(xù)下降的，不存在斷裂信號的變化狀態(tài)。

圖6 列車運(yùn)行期間軌道聲發(fā)射信號頻域譜圖

4 斷軌檢測及定位

斷軌聲發(fā)射信號主要沿鋼軌向遠(yuǎn)處傳播，三維直接可簡化為二維問題來處理，可采用聲達(dá)時差的定位法進(jìn)行如圖7所示，結(jié)合頻譜分析和特征譜分析，經(jīng)濾波等處理，可以準(zhǔn)確地確定位置。

為了避免多個信號源的干擾，設(shè)置前置放大器的硬件濾波為100~200 kHz，同時在采集軟件中用切比雪夫濾波器進(jìn)行帶通濾波，避免通常環(huán)境中存在的低頻帶的干擾源，確保特征信號的有效監(jiān)測。

聲達(dá)時差法是采用多個傳感器，當(dāng)特征信號源的信號達(dá)到不同位置的傳感器的時間不同，由此可通過速度來確定信號源的位置信息。在二維平面問題中，利用3個傳感器就可以形成兩條單邊雙曲線來產(chǎn)生交點(diǎn)，確定位置[13]。

圖7 多傳感器定位示意圖

展開式(1)，可得到式(2)：

根據(jù)上述分析，這種方法至少要進(jìn)行三階估計，傳感器至少需要4個，因此在內(nèi)場設(shè)置的 12.5 m長的鐵路上進(jìn)行樹枝斷裂模擬軌道斷裂的定位模擬實驗，將傳感器分別粘接在軌底和軌腰上，形成二維平面定位的平面，并將傳感器的相應(yīng)位置輸入到分析程序中。利用干樹枝抵在軌頭上，使其斷裂，其斷裂聲發(fā)射信號將沿軌道傳播，被4個傳感器接收，因為到達(dá)每個傳感器的時間差不一樣，通過TDOA算法確定位置信息，實驗方案如圖8所示。2次斷裂的位置為離左側(cè)開端6 m處，而根據(jù)定位結(jié)果如圖9所示，定位精度≤±20 cm。

(a) 第1次定位(592 cm，610 cm)；

5 結(jié)論

1)軌道斷裂會產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號，且斷裂聲發(fā)射信號特征主頻在100~160 kHz，聲壓幅值高，且在時域上存在明顯的突發(fā)性。

2)軌道斷裂的聲發(fā)射信號特征與列車運(yùn)行聲發(fā)射信號特征存在明顯區(qū)別，可有效實現(xiàn)實時斷軌監(jiān)測。

3)搭建的內(nèi)場軌道斷裂定位模擬實驗系統(tǒng)，利用TDOA算法，實現(xiàn)了斷裂聲發(fā)射信號的監(jiān)測與定位，定位精度≤±20 cm。

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Study on real-time detection and location method for rail broken based on acoustic emission

ZHOU Changyi1, SUN Wei2

(1Harbin Railway Administration Science and Technology Research Institute, Harbin 150006, China;2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

It is very important to study the railway broken real-time detection and location method for train moving safety. The 60 kg railway as the studying object, the broken railway detection method was researched based on the acoustic emission technology. Through experimentation, the railway broken acoustic emission signal characters were analyzed for distinguishing the signal of the train running on the railway. And then, the real-time detection system was established and the detection method was accurate and effective through the simulation experimentation of the railway broken testing. At the same time, the railway broken position was shown by the TDOA arithmetic. The research conclusions indicate that railway broken accident can produce the acoustic emission signal transmitting along the railway, and this signal main frequency and power are between 100 kHz and 160 kHz, and the sound pressure is very high. Then, the signal has the paroxysmal character in the time field, and the railway broken acoustic emission signal is very different from the train running signal. And then the TDOA arithmetic can locate the railway broken position, and the method location accuracy is ±20 mm. The results can provide the references for the railway broken detection method, and It is very significative for railway and train running safety detection.

acoustic emission; railway broken; real-time detection

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190335

U216.3

A

1672 - 7029(2020)01 - 0232 - 07

2019-04-24

哈爾濱鐵路局科研開發(fā)計劃資助項目(kwh2016022)

周長義(1973-)，男，山東成武人，正高級工程師，從事軌道安全等技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)；E-mail：zhouchangyi@htkrail.com

(編輯 蔣學(xué)東)