重載鐵路路基形變檢測方法研究

王浩

摘要：針對傳統(tǒng)重載鐵路路基變形檢測方法存在檢測相對誤差較大，無法達(dá)到預(yù)期的檢測效果的問題，提出一種重載鐵路路基形變檢測方法。通過對檢測路段路基變形測試，獲取到重載鐵路路基振動信號，利用小波變換技術(shù)對振動信號預(yù)處理，提取到振動信號時域、頻域特征，根據(jù)信號特征對鐵路路基動應(yīng)力分析，量化路基變形量，以此實(shí)現(xiàn)重載鐵路路基形變檢測。經(jīng)實(shí)驗證明，所設(shè)計方法檢測結(jié)果相對誤差在1m以內(nèi)，在重載鐵路路基變形檢測方面具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：重載鐵路路基；形變檢測；變形測試；小波變換技術(shù)；動應(yīng)力

0? ?引言

鐵路路基是承受列車荷載以及軌道荷載的基礎(chǔ)，在長時間的運(yùn)行下，鐵路路基會發(fā)生不同程度的變形。鐵路路基變形不僅會影響到車輛駕駛感受，而且還會影響到重載鐵路的使用壽命，因此需要采取有效手段對重載鐵路路基變形檢測，及時對發(fā)生變形路段進(jìn)行維修和養(yǎng)護(hù)，以此保證重載鐵路可以長期穩(wěn)定運(yùn)行。

重載鐵路不同于普通鐵路，重載鐵路車輛行駛速度快、體積大、質(zhì)量高，重載列車經(jīng)過時所產(chǎn)生的動荷載更強(qiáng)，對路基的影響更大，因此重載鐵路路基變形檢測要求更高。最初采取的檢測方式為人工檢測方式，由技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地測量，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，智能檢測方式逐漸取代人工檢測方式。國內(nèi)重載鐵路路基變形智能檢測起步比較晚，相關(guān)技術(shù)與理論還不夠成熟，現(xiàn)行檢測方法相對誤差比較大，難以保證檢測精度，已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。

本文提出一種重載鐵路路基形變檢測方法。通過對檢測路段路基變形測試，獲取到重載鐵路路基振動信號，利用小波變換技術(shù)對振動信號預(yù)處理，提取到振動信號時域、頻域特征，根據(jù)信號特征對鐵路路基動應(yīng)力分析，量化路基變形量，以此實(shí)現(xiàn)重載鐵路路基形變檢測。

1? ?路基變形測試

通常情況下，如果鐵路路基存在變形，重載列車行駛在重載鐵路路基上時，路基面會產(chǎn)生不同方向的振動，比如水平方向與垂直方向，因此通過對路基振動進(jìn)行測試，可獲取到重載鐵路路基變形數(shù)據(jù)[1]。

1.1? ?測試前準(zhǔn)備

在測試之前，在測試路段安裝無線傳感器。考慮到無線傳感器性能的好與壞直接關(guān)系到路基變形檢測精度，因此路基變形測試中選用性能優(yōu)良的KYHFAP-A4F5型振動傳感器。在測試車輛上采用串并聯(lián)的方式安裝一個振動傳感器，并通過USB接口將振動傳感器與局域網(wǎng)連接。根據(jù)實(shí)際情況對振動傳感器各項參數(shù)設(shè)定，其中包括測量靈敏度、滿刻度測量范圍、頻率響應(yīng)范圍以及采樣頻率等[2]。

1.2? ?測試流程

安裝完振動傳感器后，開始路基變形測試。選用的測試車輛軸重范圍在20～30t之間，車輛最大載重范圍在80～100t之間。測試列車在重載鐵路上勻速行駛，行駛速度為60km/h。在行駛過程中，車輛因路基變形會產(chǎn)生振動信號，振動信號經(jīng)過振動傳感器，經(jīng)過截止頻率為70～80Hz的低通濾波器濾除高頻噪聲，再經(jīng)過差分電路，將振動傳感器輸出電壓調(diào)節(jié)到1.15～2.25V之間，振動信號經(jīng)過差分電路調(diào)節(jié)后輸出，以此采集到重載鐵路路基水平方向與垂直方向的加速度信號。

2? ?路基數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1? ?原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

考慮到振動傳感器采集到的路基變形數(shù)據(jù)種類較多，各個類別數(shù)據(jù)之間量綱不同，因此對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其用公式表示為：

（1）

式中：y-表示標(biāo)準(zhǔn)化處理后的重載鐵路路基數(shù)據(jù)；y表示原始重載鐵路路基水平方向與垂直方向的加速度數(shù)據(jù)；ymax表示原始加速度數(shù)據(jù)最小值；ymin表示原始加速度數(shù)據(jù)最大值[3]。

2.2? ?提取信號母小波

利用小波變換技術(shù)對標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)變換，提取到數(shù)據(jù)的時域特征與頻域特征[4]。將原始數(shù)據(jù)的時域特征作為信號處理的因變量，將頻率作為信號處理的自變量，對原始信號進(jìn)行傅立葉變換，提取信號母小波。其用公式表示為：

（2）

式中：F（w）表示重載鐵路路基振動信號的母小波；y-（t）表示振動信號；e表示頻限函數(shù)；g（t）表示時限函數(shù)[5]。

2.3? ?獲取母小波序列

利用上述公式對路基振動信號進(jìn)行傅立葉變換，得到的母小波F（w）在一定程度上反映振動信號在時刻、頻率的相對信號成分[6]。再將振動信號母小波進(jìn)行平移與伸縮變換，得到母小波序列，其用公式表示為：

（3）

式中：?（α，b）表示振動信號母小波序列；α表示母小波的伸縮因子；ψ表示小波變換函數(shù)；t表示時間因子；b表示母小波的平移因子。通過對振動信號小波變換，提取到振動信號局部時頻特征，為后續(xù)路基變形識別檢測奠定基礎(chǔ)。

3? ?路基變形識別檢測

3.1? ?路基動應(yīng)力幅值確定

根據(jù)以上提取到的路基振動信號時域、頻域特征，對重載鐵路路基動應(yīng)力分析，確定路基動應(yīng)力分布情況。路基動應(yīng)力幅值與路基上列車行駛速度、路基變形狀態(tài)等存在線性關(guān)系，其用公式表示為：

（4）

式中：σ表示重載鐵路路基動應(yīng)力幅值；K表示常數(shù)；P表示列車的靜軸重；v表示列車行駛速度；h表示列車行駛速度影響系數(shù)，通常情況下該系數(shù)取值范圍在0.15～0.55之間[7]。

3.2? ?重載鐵路路基變形位移量確定

列車車輪在存在變形的路基上行駛時，受變形影響重載鐵路線路路基產(chǎn)生振動簡諧振動，根據(jù)運(yùn)動規(guī)律，可以得到重載鐵路路基變形位移量，其用公式表示為：

（5）

式中：z（t）表示重載鐵路路基變形位移量；A表示振動幅度；T表示列車行駛時間周期；? 表示角頻率；η表示相位。

3.3? ?重載鐵路路基變形量確定

通過以上計算，可以得到重載鐵路路基基面速度與變形位移值。根據(jù)路基位移值、時間與路基變形量之間的線性關(guān)系，將數(shù)據(jù)代入到變形函數(shù)中，即可得到重載鐵路路基變形量，其用公式表示為：

（6）

式中：△u表示重載鐵路路基變形量；λ表示重載鐵路路基表面速度值；△t表示重載鐵路路基振動信號采樣間隔；k表示重載鐵路路基表面加速度值。

3.4? ?路基變形量識別

利用上述公式即可得到重載鐵路路基變形量。根據(jù)國內(nèi)重載鐵路路基表層的彈性變形管理規(guī)范，設(shè)定路基變形閾值。考慮到國內(nèi)重載鐵路路基表層為級配砂礫石，可以將4mm作為路基表層彈性變形控制值，因此將閾值設(shè)定為4mm。如果公式（6）計算值大于4mm，則表示當(dāng)前檢測路段存在路基變形，輸出變形值；如果公式（6）計算值小于4mm，則表示當(dāng)前檢測路段路基比較平整，不存在變形，按照上述規(guī)則檢測識別出重載鐵路路基變形。

4? ?實(shí)驗論證

4.1? ?實(shí)驗準(zhǔn)備與設(shè)計

完成上述重載鐵路路基變形檢測方法設(shè)計后，為實(shí)現(xiàn)對設(shè)計方法在實(shí)際應(yīng)用中效果的檢驗，采用對比實(shí)驗的方式，對設(shè)計方法的可行性與可靠性進(jìn)行檢驗。

以某重載鐵路為實(shí)驗對象，該鐵路長度為1000km，路寬為2.15m。該重載鐵路投入運(yùn)營年限較長，部分路段已經(jīng)出現(xiàn)變形，利用本文設(shè)計方法對該重載鐵路路基變形檢測。為了使實(shí)驗數(shù)據(jù)與實(shí)驗結(jié)果具有一定的說明性，選擇兩種傳統(tǒng)方法作為比較對象。2種傳統(tǒng)方法分別為基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的檢測方法和基于機(jī)器視覺的檢測方法，以下分別用傳統(tǒng)方法A與傳統(tǒng)方法B表示。

根據(jù)該重載鐵路實(shí)際情況，實(shí)驗準(zhǔn)備了10臺振動傳感器，振動傳感器參數(shù)設(shè)定如下：測量靈敏度設(shè)定為15.56mV/g，滿刻度測量范圍設(shè)定為±100g，頻率響應(yīng)范圍設(shè)定為1.05kHz。路基變形測試車輛型號為HFAS-A7F7。通過路基測試共獲取到2.15GB振動數(shù)據(jù)，按照上述流程對數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理、傅立葉變換以及小波變換，提取振動信號時域、頻域特征，根據(jù)信號特征識別檢測到路基變形量，具體檢測結(jié)果如表1所示。

4.2? ?實(shí)驗結(jié)果與討論

以檢測相對誤差作為3種方法檢測精度評價指標(biāo)，實(shí)驗共設(shè)計8組，每組實(shí)驗設(shè)定測點(diǎn)10個。將10個測點(diǎn)檢測值與實(shí)際變形量比對，得到各個測點(diǎn)測量結(jié)果相對誤差，取平均值作為最終實(shí)驗結(jié)果，使用電子表格對實(shí)驗數(shù)據(jù)記錄，具體數(shù)據(jù)如表2所示。從表2數(shù)（轉(zhuǎn)下頁）（接上頁）據(jù)可以看出，3種方法在相對誤差方面表現(xiàn)出明顯的差異。所設(shè)計方法的檢測結(jié)果相對誤差比較小，誤差范圍在0.04～0.15mm之間，平均相對誤差為0.08mm，可以將檢測結(jié)果相對誤差控制在1mm以內(nèi)，數(shù)值較小，基本可以忽略不計。而2種傳統(tǒng)方法相對誤差比較高，傳統(tǒng)方法A檢測結(jié)果相對誤差范圍在3.01～5.14mm之間，平均相對誤差為4.25mm，比設(shè)計方法高將近4.5mm。傳統(tǒng)方法B檢測結(jié)果相對誤差范圍在4.62～8.15mm之間，平均相對誤差為6.75mm，比設(shè)計方法高將近7mm。綜上所述，文中設(shè)計方法在檢測精度方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，相比較兩種傳統(tǒng)方法，更適用于重載鐵路路基變形檢測。

5? ?結(jié)束語

路基變形是重載鐵路監(jiān)測與管理的重要指標(biāo)，對路基變形進(jìn)行檢測則是重載鐵路監(jiān)管工作中重要環(huán)節(jié)。針對傳統(tǒng)方法存在的不足與缺陷，本文結(jié)合相關(guān)研究資料，提出了一套新的檢測思路，并通過實(shí)際應(yīng)用論證了該思路的可行性，有效降低了重載鐵路路基變形檢測相對誤差，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)方法的優(yōu)化與創(chuàng)新，為重載鐵路路基變形檢測方法研究提供了參考依據(jù)。

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