車(chē)載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測(cè)方法

陳磊 王海峰 王勇

摘要 常規(guī)車(chē)載式鋼軌斷面磨耗檢測(cè)方法直接對(duì)磨耗特征能夠進(jìn)行檢測(cè)，卻未對(duì)磨耗特征進(jìn)行提取，造成常規(guī)方法準(zhǔn)確度低。文章提出車(chē)載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)鋼軌斷面磨耗特征進(jìn)行提取，判定鋼軌斷面的變化趨勢(shì)，從而基于近紅外技術(shù)確定磨耗能量分布狀態(tài)，構(gòu)建檢測(cè)模型以實(shí)現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測(cè)。設(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法在對(duì)磨耗檢測(cè)準(zhǔn)確度的提升方面有顯著效果，因此將近紅外技術(shù)應(yīng)用于車(chē)載式鋼軌斷面磨耗檢測(cè)中，能夠提高磨耗檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞 鋼軌斷面磨耗；近紅外技術(shù)；磨耗檢測(cè)；檢測(cè)方法

中圖分類(lèi)號(hào) G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）11-0014-03

0 引言

目前我國(guó)鋼軌磨耗的測(cè)量主要采用人工測(cè)量方法，但這種方法已不適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)鐵路發(fā)展的現(xiàn)狀，有必要開(kāi)發(fā)先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，以提高鐵路工程部門(mén)的工作效率，降低鐵路維護(hù)成本，有效地保證鐵路線路的質(zhì)量。在這種情況和需求下，該文提出了一種車(chē)載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測(cè)方法，用于檢測(cè)軌道部分。

1 車(chē)載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 鋼軌斷面磨耗特征提取

提取鋼軌斷面磨耗的統(tǒng)計(jì)特征量，并使用與檢測(cè)方法相對(duì)應(yīng)的自相關(guān)匹配檢測(cè)方法來(lái)對(duì)鋼軌斷面磨耗特征進(jìn)行濾波處理[1-2]。用于發(fā)現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測(cè)的等效低通濾波可以表示如下：

式中，B——帶寬濾波器帶的寬度；T——采樣間隔，用以反映軌道橫截面的特性（T=12B）；τ——時(shí)間序列的函數(shù)。

對(duì)于局部區(qū)域中的所有時(shí)間頻率平面，分辨率是相同的，得到磨耗特征的輸入與輸出的關(guān)系如下式：

式中，ak=0（k=1，2，…，p）——磨耗采樣幅度，采用連續(xù)小波變換對(duì)鋼軌斷面磨耗特征進(jìn)行參考估計(jì)；x（t）——任意原始鋼軌斷面磨耗特征；x（n）——輸出頻率，亦即分辨率；W——車(chē)載式機(jī)械鋼軌斷面厚近紅外探測(cè)信號(hào)s（t）的帶寬。

連續(xù)波變換的公式如下：

這里，h表示在滿足條件的磨耗的瞬時(shí)頻率：

使用Fourier變換對(duì)鋼軌斷面磨耗檢測(cè)進(jìn)行窄時(shí)域加窗處理，基本小波（Prototype）或母小波（Motherwavelet）用h（t）表示，得到鋼軌斷面磨耗特征的短時(shí)Fourier變換如下：

由此得出鋼軌斷面磨耗特征的能量提取密度譜：

根據(jù)上述方程式，把一個(gè)復(fù)雜的鋼軌斷面磨耗特征分解成若干滑動(dòng)平均采樣分量之和，根據(jù)提取的連續(xù)小波變換的譜能量特征，實(shí)現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測(cè)的特征提取。

1.2 基于近紅外技術(shù)確定磨耗能量分布狀態(tài)

在上述提取特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的研究表明，鋼軌斷面檢測(cè)磨耗在不同狀態(tài)下的斷面檢測(cè)磨耗特征可能存在某些差異[3]，因此該文設(shè)置了2種不同的狀態(tài)。在這2種狀態(tài)下磨耗特征的幅值變化示意圖如圖1所示。

從圖1可以看出，不同狀態(tài)下，磨耗特征有實(shí)質(zhì)性的變化。這表明在不同狀態(tài)下磨耗特征存在顯著差異。為了提高鋼軌斷面檢測(cè)的準(zhǔn)確性，該文設(shè)計(jì)的方法在分析了鋼軌斷面磨耗特征的基礎(chǔ)上，使用近紅外技術(shù)將上述提取的鋼軌斷面磨耗特征這個(gè)參數(shù)進(jìn)行多重變換，直觀地識(shí)別出線性覆蓋與重疊的關(guān)系，并確定磨耗的能量分布狀態(tài)。此時(shí)的變換F可表達(dá)為如下公式：

式中，fe——線性變量。

此時(shí)收集的磨耗特征會(huì)按照一定的周期順序進(jìn)行更改。當(dāng)在離散頻域中保持該序列時(shí)，可以減少磨耗分析數(shù)據(jù)的總量，并且可以提高磨耗分析的效率。目前，可以通過(guò)結(jié)合效率分析的結(jié)果來(lái)確定中心頻率的特性，表達(dá)如下公式：

式中，p——中心頻率特性的二次頻率的平均變化；f——集中頻率方差。

此外，可以分析磨耗的能量變化之間的關(guān)系，以確定磨耗的中心是否發(fā)生了變化。當(dāng)牽引中心發(fā)生變化時(shí)，可以根據(jù)牽引中心的補(bǔ)償程度來(lái)計(jì)算能量關(guān)系。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，應(yīng)提取軌道節(jié)段的牽引特性，并通過(guò)以下公式確定分布位置與牽引特性的方程：

式中，d——分析參數(shù)；G（t）——磨耗變化函數(shù)；t——車(chē)載式鋼軌斷面檢測(cè)時(shí)間；H（ f ）——新的對(duì)稱(chēng)換檔函數(shù)。使用該變化規(guī)律方程可有效地分析鋼軌斷面狀態(tài)，判定鋼軌斷面的變化趨勢(shì)，從而確定磨耗能量分布狀態(tài)。

1.3 構(gòu)建車(chē)載式鋼軌斷面磨耗檢測(cè)模型

為了實(shí)現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測(cè)，建立了磨耗模型。根據(jù)確定的磨耗能量分布狀態(tài)，經(jīng)門(mén)限檢測(cè)后定位磨耗位置，進(jìn)行鋼軌斷面磨耗輸出檢測(cè)。采用級(jí)聯(lián)陷波檢測(cè)法對(duì)鋼軌斷面磨耗特征進(jìn)行干擾濾波處理，提高磨耗檢測(cè)能力。

為了提高鋼軌斷面磨耗處理的準(zhǔn)確性，該文使用分析方法來(lái)確定磨耗的光譜變化，并對(duì)磨耗進(jìn)行傅立葉變換。當(dāng)前收集的密封磨耗對(duì)應(yīng)于開(kāi)放頻域，并對(duì)應(yīng)于時(shí)間—頻率分布關(guān)系。設(shè)置窗口函數(shù)g（t）用以精準(zhǔn)地判斷磨耗的時(shí)間分辨率動(dòng)態(tài)變化情況，該公式可以表示如下：

式中，g（t）——實(shí)時(shí)確定動(dòng)態(tài)函數(shù)的變化方向，從而確定磨耗的處理狀態(tài)，提高磨耗部分的處理精確性；ej——開(kāi)口帶的寬度；j——公共分布矩陣。

f頻率窗口的函數(shù)應(yīng)通過(guò)磨耗加窗來(lái)構(gòu)建，并構(gòu)建具有時(shí)間分辨率和頻率分辨率的總時(shí)頻分布S（t， f）。當(dāng)將鋼軌斷面磨耗特征的時(shí)域和頻域結(jié)合在一起時(shí)，取窗函數(shù)為δ（t），此時(shí)：

提取近紅外傳感磨耗的統(tǒng)計(jì)特征量，采用確定自相關(guān)一致性的檢測(cè)方法對(duì)磨耗的磨耗參數(shù)、截面磨耗的極限值進(jìn)行濾波，其公式如下：

式中，r（t）——假設(shè)測(cè)量機(jī)械鋼軌斷面檢測(cè)的回波磨耗；λ——檢測(cè)控制函數(shù)；μ——鋼軌斷面磨耗特征檢測(cè)的約束項(xiàng)。

在目標(biāo)點(diǎn)接收到的最近的紅外光函數(shù)分量可用如下公式表示：

式中，b——機(jī)械鋼軌斷面厚的近紅外探測(cè)輸出增益；urqx——時(shí)間—尺度增益。

不同的振幅配置設(shè)置了電機(jī)控制橫截面頻率的局部外部點(diǎn)。使用確定磨耗面積的方法，通過(guò)測(cè)量磨耗的部分來(lái)獲得鋼軌斷面磨耗測(cè)試中的近紅外時(shí)間—尺度二維差值分量如下式：

構(gòu)造如下的4×4矩陣表示鋼軌斷面磨耗的獨(dú)立分量：

式中在二維平面（m，n）上，使用多維波標(biāo)度分解方法將紅外感應(yīng)的磨耗的尺度分解，并獲得用于確定密封磨耗檢測(cè)的平均信號(hào)形成值，如下式所示：

對(duì)每個(gè)紅外特性進(jìn)行放大頻域，并在標(biāo)度參數(shù)的基礎(chǔ)上評(píng)估鋼軌斷面磨耗參數(shù)。參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如下式：

根據(jù)參數(shù)結(jié)果，結(jié)合上述計(jì)算建立車(chē)載式鋼軌斷面磨耗檢測(cè)模型M。模型如下式所示：

p——鋼軌斷面磨耗特征的帶寬。由此構(gòu)建鋼軌斷面磨耗特征模型，結(jié)合磨耗能量分布狀態(tài)進(jìn)行鋼軌斷面磨耗檢測(cè)。根據(jù)構(gòu)建的車(chē)載式鋼軌斷面磨耗檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)鋼軌斷面磨耗檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證車(chē)載式鋼軌斷面厚近紅外檢測(cè)方法的檢測(cè)效果，建立了一個(gè)合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并與常規(guī)車(chē)載式鋼軌斷面磨耗檢測(cè)方法對(duì)比，實(shí)驗(yàn)如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了確保實(shí)驗(yàn)的有效性，該文選擇安裝在車(chē)輛上的PX409高精度磨耗檢測(cè)器。該檢測(cè)器符合車(chē)輛磨耗檢測(cè)的原理，用于確定磨耗部分。該磨耗檢測(cè)器具有低滯后和可重復(fù)性，并具有可實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的寬范圍溫度補(bǔ)償，可以盡量縮短實(shí)驗(yàn)響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。安裝在汽車(chē)上的PX409磨耗探測(cè)器應(yīng)包括5個(gè)極限范圍，可實(shí)時(shí)判斷車(chē)載式磨耗的輸入、輸出情況。斷面磨耗檢測(cè)器參數(shù)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，該磨耗檢測(cè)器可直接測(cè)量實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，再結(jié)合金屬環(huán)的摩擦系數(shù)進(jìn)行判斷。該磨耗檢測(cè)器的量程為50～900 kHz，輸出范圍很廣，可根據(jù)采集磨耗的變化關(guān)系完成磨耗放大處理，降低實(shí)驗(yàn)難度。

為了結(jié)合數(shù)據(jù)處理和有效完成數(shù)據(jù)采樣，該文選擇PC-6358數(shù)據(jù)采集卡，并使用LabVEW完成驅(qū)動(dòng)程序。在數(shù)據(jù)收集之前，可以使用5 125個(gè)加強(qiáng)件來(lái)增強(qiáng)傳輸過(guò)程中的斷面磨耗，以提高磨耗的可識(shí)別性。

收集中心建成后，設(shè)置不同的磨耗和條件，以提高實(shí)驗(yàn)靈敏度。在確保磨耗發(fā)生一定變化的基礎(chǔ)上，記錄現(xiàn)有的磨耗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，且必須記錄在此過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)。

根據(jù)記錄的磨耗值，可以對(duì)現(xiàn)有鋼軌斷面樣本進(jìn)行有效劃分，實(shí)時(shí)調(diào)整車(chē)載式鋼軌斷面的狀態(tài)，為后續(xù)的鋼軌斷面磨耗檢測(cè)實(shí)驗(yàn)做參考。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在“2.1”基礎(chǔ)上可進(jìn)行車(chē)載式鋼軌斷面厚檢測(cè)效果實(shí)驗(yàn)，即分別使用該文設(shè)計(jì)的車(chē)載式鋼軌斷面厚近紅外檢測(cè)方法和常規(guī)的車(chē)載式鋼軌斷面厚檢測(cè)方法，對(duì)設(shè)置的機(jī)械鋼軌斷面進(jìn)行檢測(cè)，并記錄三種方法的檢測(cè)結(jié)果，與實(shí)際機(jī)械鋼軌斷面厚進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，該文設(shè)計(jì)的車(chē)載式鋼軌斷面厚近紅外檢測(cè)方法在不同磨損狀態(tài)下檢測(cè)的鋼軌斷面均與實(shí)際鋼軌斷面相對(duì)接近，檢測(cè)差值較小，常規(guī)的車(chē)載式鋼軌斷面厚檢測(cè)方法檢測(cè)的斷面與實(shí)際差值較大。證明該文設(shè)計(jì)的車(chē)載式鋼軌斷面厚近紅外檢測(cè)方法檢測(cè)的磨耗較準(zhǔn)確，具有準(zhǔn)確性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

該文提出了車(chē)載式鋼軌斷面磨耗近紅外檢測(cè)方法，并實(shí)現(xiàn)了車(chē)載式鋼軌磨耗的檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法多次測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性好，且鋼軌廓形態(tài)測(cè)量偏差控制在0.25 mm以?xún)?nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的要求。

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