专利名称：高速铁路钢轨焊接接头状态的检测方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高速铁路安全运行技术领域，特别涉及一种高速铁路钢轨焊接接头状态的检测方法与系统。
背景技术：
钢轨焊接接头是高速铁路的薄弱环节，已成为限制行车速度和决定养护维修质量的关键设备。对钢轨焊接接头的评判包括静态评判和动态评判两种，目前主要采用静态评判，动态评判缺失。
静态评判操作比较简单，首先利用电子平直仪测量钢轨焊接接头的平直度，然后根据一定的准则评判其状态。如，以焊缝为中心的Im范围内，若平直度在任意200mm区段内高低点波动差不大于0. 2mm，则认为状态合格，否则需要维修。图1为钢轨焊接接头的平直度的静态测量结果示意图，其中上限和下限构成最优波形，它们之间的最大距离称为最优峰值，通常取值0.2。
静态评判的最优波形和最优峰值根据经验而定，缺少理论依据。此外，焊接接头的平直度对车辆-轨道系统动态特性的影响，除了与其最优峰值有关，同时与轮轨的接触状态、车辆的悬挂参数密切相关。因此，为了动态掌握钢轨焊接接头的状态，指导养护维修，非常有必要开展焊接接头的动态评判。
按照波长划分，钢轨焊接接头不平顺属于短波不平顺，波长一般在0. 1 Im之间， 而轨道几何检测系统的检测波长通常在3 120m之间，难以评判钢轨焊接接头的短波不平顺对高速铁路轨道-车辆系统运行的安全性和舒适性的影响，需要研究其它辅助评判手段。
轴箱直接与轮对相连，轨道不平顺通过轮对直接传递到轴箱上。假设把轮对近似地看成是刚性结构，则轴箱垂向加速度能直接反映轨道短波不平顺所引起的外界的激扰力对车辆动力学的影响。因此，国内外选择采用轴箱垂向加速度辅助评判轨道短波不平顺对车辆动力学性能的影响[参考文献1-7]。图2是在波纹磨耗钢轨上实测的轴箱垂向加速度信号示意图，图3是在正常钢轨上的轴箱垂向加速度信号示意图。
国内外虽然在利用轴箱垂向加速度诊断钢轨磨耗方面开展了大量的研究工作 [参考文献8-10]，但是如何利用轴箱垂向加速度评判焊接接头状态还未见相关文献报道和专利说明，而焊接接头的状态对于高速铁路的安全运输具有重大意义。发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明实施例提供一种高速铁路焊接接头状态的检测方法与系统，该方案利用轴箱垂向加速度来检测焊接接头的状态，填补了国内外在本领域的技术空白。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种高速铁路钢轨焊接接头状态的检测方法，所述方法包括对轴箱垂向加速度进行时间采样，得到轴箱垂向加速度的时间采样信号；对所述轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波；计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值；根据所述轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值；判断焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值是否大于阈值， 如果大于阈值则判定该焊接接头状态不良。
在对所述轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波之前，所述方法还包括 预先设定带通滤波的频率下限Fy以及动态确定带通滤波的上限截止频率!^h ；其中，动态确定带通滤波的上限截止频率 ^具体包括在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内， 对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱；计算每个功率包络谱中的第一主频能量占该功率包络谱总能量的百分比，绘制所述百分比与其对应频点的关系曲线；将所述关系曲线中百分比的峰值对应的频点确定为带通滤波的上限截止频率。
所述在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内，对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱包括: 假设轴箱垂向加速度的能量主要分布在[Fa-FJHz之间，对频率WFaHz到FbHz进行扫描，假设频率增量为F。Hz，则第j次的扫描频率是& = Fa+(j-1) ^FcHz ；重复执行下列步骤A-步骤C，直到完成[Fa-Fb]Hz频率范围的扫描；A、对轴箱垂向加速度进行[&，FjJHz带通滤波， 生成滤波后的信号；其中&为频率下限；B、利用Hilbert变换提取\(0的包络，得至IJaj (t) ；(^、对…⑴进行细化傅立叶分析得到与Fj对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱。
所述计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值包括假设带通滤波后的轴箱垂向加速度信号为{Xi，i = 1,2,…N}，N表示采样点数，假设有效值的窗口宽度为K;计算前K个点的平方和S = ，得到第1个有效值皿\ =T^ ;对J循环，J = 2,3,…N-K+1，计算其余有效值:■=」(S + xlK—「0。
根据所述轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值包括将多个有效值分为一组，计算每组有效值的平均值m和方差ο，根据所述平均值m和方差ο得出轴箱垂向加速度有效值的参考将轴箱垂向加速度有效值大于参考值&的大值超限点所在的位置确定为大值超限焊接接头；根据焊接接头周期性间距，确定大值超限焊接接头中间的所有焊接接头的位置；取同一焊接接头附近多个大值超限点有效值的最大值作为该焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值。
在判断焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值是否大于阈值之前，所述方法还包括根据所述焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值，绘制焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线；将焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线中，对应概率大于设定门限值的有效值作为检测焊接接头状态的阈值。
为了实现上述目的，本发明实施例还提供一种高速铁路钢轨焊接接头状态的检测系统，所述系统包括加速度采样装置，用于对轴箱垂向加速度进行时间采样，得到轴箱垂向加速度的时间采样信号；带通滤波装置，用于对所述轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波；有效值计算装置，用于计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值；焊接接头定位装置，用于根据所述轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值；接头状态检测装置，用于判断焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值是否大于阈值，如果大于阈值则判定该焊接接头状态不良。
所述系统还包括带通上限截止频率生成装置，所述带通上限截止频率生成装置包括共振解调单元，用于在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内，对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱；百分比曲线绘制单元，用于计算每个功率包络谱中的第一主频能量占该功率包络谱总能量的百分比，绘制所述百分比与其对应频点的关系曲线；上限截止频率确定单元，用于将所述关系曲线中百分比的峰值对应的频点确定为带通滤波的上限截止频率。
所述焊接接头定位装置包括参考值生成单元，用于将多个有效值分为一组，计算每组有效值的平均值m和方差ο，根据所述平均值m和方差ο得出轴箱垂向加速度有效值的参考值& ；第一焊接接头确定单元，用于将轴箱垂向加速度有效值大于参考值&的大值超限点所在的位置确定为大值超限焊接接头；第二焊接接头确定单元，用于根据焊接接头周期性间距，确定大值超限焊接接头中间的所有焊接接头的位置；焊接接头有效值确定单元，用于取同一焊接接头附近的多个大值超限点有效值的最大值作为该焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值。
所述系统还包括阈值处理单元，所述阈值处理单元具体包括分布曲线绘制单元， 用于根据所述焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值，绘制焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线；阈值确定单元，用于将焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线中，对应概率大于设定门限值的有效值作为检测焊接接头状态的阈值。
本发明实施例的技术方案根据轴箱垂向加速度的数据对全线的焊接接头状态进行检测，能有效检测高速铁路焊接接头的当前使用状态，为合理经济指导焊接接头的养护维修提供了强有力的理论依据。
图1为现有技术钢轨焊接接头的平直度的静态测量结果示意图2是在波纹磨耗钢轨上实测的轴箱垂向加速度信号示意图3是在正常钢轨上的轴箱垂向加速度信号示意图4为本发明实施例高速铁路焊接接头状态的检测方法的详细原理图如为本发明实施例的高速铁路焊接接头状态评判方法的流程图5为本发明实施例某个频点所对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱示意图6为本发明实施例第一主频功率百分比随滤波频率变化曲线图7为本发明实施例实测的轴箱加速度波形示意图为本发明实施例计算得到的轴箱垂向加速度的有效值示意图之一；
图8b为本发明实施例计算得到的轴箱垂向加速度的有效值示意图之二 ；
图8c为本发明实施例计算得到的轴箱垂向加速度的有效值示意图之三；
图9为本发明实施例实测轴箱垂向加速度有效值的分布曲线示意图10为本发明实施例高速铁路焊接接头状态最终检测结果示意图11为本发明实施例高速铁路钢轨焊接接头状态的检测系统的原理图Ila为图11中带通上限截止频率生成装置115的细化功能框图lib为图11中焊接接头定位装置113的细化功能框图Ilc为图11中阈值处理装置116的细化功能框图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种高速铁路焊接接头状态的检测方法与系统。与不均勻磨耗、波浪和波纹磨耗相比，焊接接头处的短波不平顺既具有高频冲击特性，同时具有低频周期特性。利用轴箱垂向加速度评判钢轨焊接接头将遇到两个关键的问题，即带通滤波频率的选择和焊接接头的定位。与波浪磨耗集中在较窄的高频范围内不同，焊接接头引起的高频冲击波分布在很宽的频带内，而且是变化的。
根据傅立叶变换原理，钢轨焊接接头瞬时脉冲从频域来看是一无限带宽信号，理论上存在所有频率成分，并且沿整个频率轴能量均布，因而必然含有轮对-轴箱系统固有振动频率成分，也就必然引起系统的固有振动，产生广义共振。本发明实施例基于上述原理，利用共振解调提出新的高速铁路焊接接头状态检测方法与系统。
对轴箱垂向加速度进行共振解调的基本原理如下
1、对轴箱垂向加速度信号进行带通滤波，记滤波后的轴箱垂向加速度连续信号为 X(t)，t为采样时刻。
2、利用Hilbert变换提取χ(t)的包络，得到a(t)。
3、对a(t)进行细化傅立叶分析，得到轴箱垂向加速度的细化功率包络谱。
本发明实施例钢轨焊接接头的动态检测方法主要包括以下算法基于共振解调的轴箱垂向加速度移动有效值的快速算法；基于共振解调的轴箱垂向加速度带通滤波上限截止频率自适应选取算法；以及基于共振解调的焊接接头的准确定位以及状态检测算法。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明权利要求保护的范围。
图4为本发明实施例高速铁路焊接接头状态的检测方法的详细原理图，如图4所示，该方法包括两步第1步(图4的左半部分)利用大量的实测轴箱垂向加速度数据计算焊接接头处的有效值，并根据有效值分布特性，计算得到阈值；具体地，图7为实测的轴箱加速度波形示意图；其中左半部分为轴箱垂向加速度信号，右半部分为轴箱横向加速度信号，可以看出，当横向加速度变大时，垂向加速度也相应变大；图8a-图8c为计算得到的轴箱垂向加速度的有效值示意图；图9为轴箱垂向加速度有效值的分布曲线示意图；第2步 (图4的右半部分)根据焊接接头处的垂向加速度有效值和阈值，在线检测焊接接头的状态。
第1步和第2步的关键算法是相同的。关键算法包括轴箱垂向加速度移动有效值的快速算法、轴箱垂向加速度带通滤波上限截止频率自适应选取算法、焊接接头的准确定位算法。此外，第1步还包括计算焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值分布的算法，本发明实施例采用直方图表示有效值的概率分布函数，然后对其进行归一化处理得到有效值的分布函数，具体分3步完成第1步计算得到焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值，第2步计算得到焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值直方图，即概率分布函数 ’第3步对直方图归一化得到它的分布函数。
图如为本发明实施例的高速铁路焊接接头状态评判方法的流程图，如图如所示， 该方法包括
S401、对轴箱垂向加速度进行时间采样，得到轴箱垂向加速度的时间采样信号。
轴箱垂向加速度的采集设备安装在综合检测列车的轴箱上，列车在运行过程中， 对钢轨上的多个位置的轴箱垂向加速度进行采集，因此对轴箱的垂向加速度的采样是一个时间采样。
S402、对轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波。
带通滤波的频率范围上限将通过下文所描述的带通滤波上限截止频率自适应选取算法来获得，由于轴箱垂向加速度主要是高频成分，低频成分所占比例很少，因此下限的选择对滤波的结果影响很少，可以根据实际需要预先设定一个下限频率&，如20Hz。
假设本发明实施例采用带通滤波上限截止频率自适应选取算法得到的上限截止频率I7h是450Hz，以R = 20HZ为例，则带通滤波的频率范围是[20，450]Hz。需要说明的是， 这一具体的频率范围仅仅用于对本发明实施例进行解释说明，而不用于对权利要求的保护范围进行限定，本案权利要求需要保护的是如何获得这一频率范围的方法，而非具体的频率范围数值。
本发明实施例所采用的轴箱垂向加速度带通滤波上限截止频率自适应选取算法包括首先，在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内，对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱；然后，计算每个功率包络谱中的第一主频能量占该功率包络谱总能量的百分比，绘制所述百分比与其对应频点的关系曲线；最后，将所述关系曲线中百分比的峰值对应的频点确定为带通滤波截止频率。
具体的算法如下
(1)在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内，对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱。
假设轴箱垂向加速度的能量主要分布在[Fa-FJHz之间，对频率WFaHz到FbHz进行扫描，假设频率增量为F。Hz，则第j次的扫描频率是& = Fa+(j-1)^FcHz ；重复执行下列步骤A-步骤C，直到完成[Fa-Fb]Hz频率范围的扫描。
A、对轴箱垂向加速度进行[Fl，Fj=Hz带通滤波，生成滤波后的信号\(0 ；其中& 为频率下限，如20Hz ；
B、利用Hilbert变换提取\ (t)的包络，得到ει」(t)；
C、对aj(t)进行细化傅立叶分析，得到与FjHz对应的轴箱垂向加速度的功率包络■i並曰ο
本实施例中，通过对轴箱垂向加速度的功率谱分析可知，轴箱垂向加速度的能量主要分布在[100-600]Hz之间，因此对频率从IOOHz到600Hz进行扫描，假设频率增量为 10Hz，则第j次的扫描频率是Fj = 100+(j-l)*10Hz ；该频率增量还可以根据实际精度需求而变化。
步骤A、B、C统称为共振解调的过程，通过该共振解调过程就能够得到与轴箱垂向加速度的功率谱的频率范围[100-600]Hz之间各个频点所对应的多个功率包络谱，图5为6/9页某个频点所对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱示意图。
(2)计算每个功率包络谱中的第一主频能量占该功率包络谱总能量的百分比，绘制所述百分比与其对应频点的关系曲线。
D、从图5来看，前5Hz的能量能够代表总能量，因此分别计算包络谱的第一主频的能量El以及前5Hz内的能量E ；
E、计算第一主频能量占总能量百分比=E
步骤D、E也是一个循环的过程，需要将每个频点所对应的功率包络谱都执行一遍，得出每个功率包络谱的百分比，绘制所述百分比与对应频点的关系曲线，如图6所示。
(3)将所述关系曲线中百分比的峰值对应的频点确定为带通滤波上限截止频率。
图6中的峰值为450HZ，所以得到滤波频率范围的上限是450Hz。
S403、计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值。
本发明实施例在计算轴箱垂向加速度移动有效值时，按时间采样。假设带通滤波后的轴箱垂向加速度信号为Ixi, i = 1,2, "·Ν}，其中N表示采样点数，假设有效值的窗口宽度为K，则轴箱垂向加速度的移动有效值的算法如下
(1)计算前K个点的平方和S = ΣΧ·，得到第1个有效值i=\
Rms1=^ISJK⑴
(2)对j循环，j = 2,3,…N-K+1，计算其余有效值
RMSj = ^{S + x^-x^/K(2)
举例说明如下假设采样点数N = 11，窗长K = 7，带通滤波后的轴箱垂向加速度信号为{Xi，i = 1，2，…11}，则第1至N-K+1 = 5个有效值的定义和计算如下
RMS1 =在 |>，
RMS2 =挺 X，
·3 =^Σ、2[T^o
RMS4= -^xfV I i=4
RMS5 =挺 X，
通过计算量分析可知，上述计算轴箱垂向加速度的移动有效值的算法的计算时间是线性的，即计算复杂度为O(N)。
S404、根据轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值。
具体包括将多个有效值分为一组，计算每组有效值的平均值m和方差ο，根据所述平均值m和方差ο得出轴箱垂向加速度有效值的参考将轴箱垂向加速度有效值10大于参考值&的大值超限点所在的位置确定为大值超限焊接接头；根据焊接接头周期性间距，确定大值超限焊接接头中间的所有焊接接头的位置；取同一焊接接头附近多个大值超限点有效值的最大值作为该焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值。
焊接接头精确定位算法如下
(1)将多个有效值分为一组，计算各组的有效值的平均值m和方差ο，如，可以按公式⑶计算轴箱垂向加速度的有效值的参考值&，得到的参考值如图8a_图8c中的虚线所示，图8a-图8c中只显示出了一组的参考值；
Rt = m+2. 5 σ (3)
(2)找出有效值大于参考值&的点，定义为大值超限点，这些大值超限点所在的位置就是焊接接头，记为·{■>+ = 1,2,，结果如图8a中大于零的‘O’点所示；由于同一焊接接头周围有多个大值超限点，所以有多个‘O’点；
(3)对/ = 1,2,…Mj进行聚合，对同一焊接接头处的大值超限点保留最大值，以保证同一焊接接头只有1个大值超限的‘O’点，聚合后的大值超限焊接接头记为= …众}，结果如图8b的中大于零的‘O’点所示；
(4)根据焊接接头周期性间距近似为100m，找出大值超限焊接接头中间的焊接接头，最后得到所有的焊接接头，以及所有焊接接头对应的轴箱垂向加速度有效值，如图8c 中大于零的‘O’点所示。
S405、若焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值大于阈值，则判定该焊接接头状态不良。
确定阈值的方式如下根据所述焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值，绘制焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线；将焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线中，对应概率大于设定门限值的有效值作为检测焊接接头状态的阈值。
以图9为例，在图9所示的焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线中，假设概率门限值为99. 5%，则对应概率为99. 5%有效值50m/s/s就是评判焊接接头状态的阈值。最终检测结果如图10所示，状态不良的焊接接头的有效值明显高于其它焊接接头处的有效值。
对应于图如的方法，本发明实施例还提供一种高速铁路焊接接头状态评判系统。 图11为本发明实施例高速铁路钢轨焊接接头状态的检测系统的原理图，如图11所示，该系统包括
加速度采样装置110，用于对轴箱垂向加速度进行时间采样，得到轴箱垂向加速度的时间采样信号；带通滤波装置111，用于对所述轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波；有效值计算装置112，用于计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值；焊接接头定位装置113，用于根据所述轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值；接头状态检测装置114，用于判断焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值是否大于阈值，如果大于阈值则判定该焊接接头状态不良。
如图11所示，该系统还包括带通上限截止频率生成装置115，如图Ila所示，该带通上限截止频率生成装置包括共振解调单元1150，用于在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内，对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱；百分比曲线绘制单元1151，用于计算每个功率包络谱中的第一主频能量占该功率包络谱总能量的百分比，绘制所述百分比与其对应频点的关系曲线；上限截止频率确定单元1152，用于将所述关系曲线中百分比的峰值对应的频点确定为带通滤波的上限截止频率。
图lib为焊接接头定位装置113的细化功能框图，如图lib所示，焊接接头定位装置113具体包括参考值生成单元1130，用于将多个有效值分为一组，计算每组有效值的平均值m和方差σ，根据所述平均值m和方差ο得出轴箱垂向加速度有效值的参考第一焊接接头确定单元1131，用于将轴箱垂向加速度有效值大于参考值&的大值超限点所在的位置确定为大值超限焊接接头；第二焊接接头确定单元1132，用于根据焊接接头周期性间距，确定大值超限焊接接头中间的所有焊接接头的位置；焊接接头有效值确定单元 1133，用于取同一焊接接头附近的多个大值超限点有效值的最大值作为该焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值。
如图11所示，该系统还包括阈值处理装置116 ；如图Ilc所示，阈值处理装置116 具体包括分布曲线绘制单元1160，用于根据所述焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值，绘制焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线；阈值确定单元1161，用于将焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线中，对应概率大于设定门限值的有效值作为检测焊接接头状态的阈值。
本发明技术方案带来的有益效果通过对某线1000多公里实测的轴箱垂向加速度数据的深入分析，结合共振解调技术计算得到焊接接头处有效值的分布函数曲线可以看出，相同工况下两次采集计算得到的分布曲线吻合一致。因此，新的焊接接头精确定位算法是稳定的，得到的分布曲线具有很好的可重复性。并且，利用新的检测方法对全线的焊接接头状态进行评判，能有效检测高速铁路焊接接头状态，为合理经济指导焊接接头的养护维修提供了强有力的理论依据。
以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。
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权利要求
1.一种高速铁路钢轨焊接接头状态的检测方法，其特征在于，所述方法包括对轴箱垂向加速度进行时间采样，得到轴箱垂向加速度的时间采样信号；对所述轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波；计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值；根据所述轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值；判断焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值是否大于阈值，如果大于阈值则判定该焊接接头状态不良。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波之前，所述方法还包括预先设定带通滤波的频率下限&，以及动态确定带通滤波的上限截止频率& ；其中，动态确定带通滤波的上限截止频率！^具体包括在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内，对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱；计算每个功率包络谱中的第一主频能量占该功率包络谱总能量的百分比，绘制所述百分比与其对应频点的关系曲线；将所述关系曲线中百分比的峰值对应的频点确定为带通滤波的上限截止频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内，对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱包括假设轴箱垂向加速度的能量主要分布在[Fa-FJHz之间，对频率WFaHz到FbHz进行扫描，假设频率增量为F。Hz，则第j次的扫描频率是& = Fa+(j-1)^FcHz ；重复执行下列步骤 A-步骤C，直到完成[Fa-Fb]Hz频率范围的扫描；A、对轴箱垂向加速度进行[&，F^Hz带通滤波，生成滤波后的信号\(0；其中&为频率下限；B、利用Hilbert变换提取Xj(t)的包络，得到a」(t)；C、对 (t)进行细化傅立叶分析，得到与Fpz对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值包括假设带通滤波后的轴箱垂向加速度信号为Ixi, i = 1，2，…N}，N表示采样点数，假设有效值的窗口宽度为K ；计算前K个点的平方和S = Zxf，得到第1个有效值 腿\ = .对j循环，j = 2,3, "·Ν-Κ+1，计算其余有效值雌广加+ “-x^J/K。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值包括将多个有效值分为一组，计算每组有效值的平均值m和方差σ，根据所述平均值m和方差ο得出轴箱垂向加速度有效值的参考将轴箱垂向加速度有效值大于参考值&的大值超限点所在的位置确定为大值超限焊接接头；根据焊接接头周期性间距，确定大值超限焊接接头中间的所有焊接接头的位置； 取同一焊接接头附近多个大值超限点有效值的最大值作为该焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在判断焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值是否大于阈值之前，所述方法还包括根据所述焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值，绘制焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线；将焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线中，对应概率大于设定门限值的有效值作为检测焊接接头状态的阈值。
7.一种高速铁路钢轨焊接接头状态的检测系统，其特征在于，所述系统包括加速度采样装置，用于对轴箱垂向加速度进行时间采样，得到轴箱垂向加速度的时间采样信号；带通滤波装置，用于对所述轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波； 有效值计算装置，用于计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值； 焊接接头定位装置，用于根据所述轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值；接头状态检测装置，用于判断焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值是否大于阈值，如果大于阈值则判定该焊接接头状态不良。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括带通上限截止频率生成装置，所述带通上限截止频率生成装置包括共振解调单元，用于在轴箱垂向加速度的功率谱对应的频率范围内，对轴箱垂向加速度进行共振解调，得到分别与所述频率范围内的各个频点对应的轴箱垂向加速度的功率包络谱；百分比曲线绘制单元，用于计算每个功率包络谱中的第一主频能量占该功率包络谱总能量的百分比，绘制所述百分比与其对应频点的关系曲线；上限截止频率确定单元，用于将所述关系曲线中百分比的峰值对应的频点确定为带通滤波的上限截止频率。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述焊接接头定位装置包括参考值生成单元，用于将多个有效值分为一组，计算每组有效值的平均值m和方差ο， 根据所述平均值m和方差ο得出轴箱垂向加速度有效值的参考第一焊接接头确定单元，用于将轴箱垂向加速度有效值大于参考值&的大值超限点所在的位置确定为大值超限焊接接头；第二焊接接头确定单元，用于根据焊接接头周期性间距，确定大值超限焊接接头中间的所有焊接接头的位置；焊接接头有效值确定单元，用于取同一焊接接头附近的多个大值超限点有效值的最大值作为该焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括阈值处理单元，所述阈值处理单元具体包括分布曲线绘制单元，用于根据所述焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值，绘制焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线；阈值确定单元，用于将焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值的分布曲线中，对应概率大于设定门限值的有效值作为检测焊接接头状态的阈值。
全文摘要
一种高速铁路钢轨焊接接头状态的检测方法与系统，所述方法包括对轴箱垂向加速度进行时间采样，得到轴箱垂向加速度的时间采样信号；对所述轴箱垂向加速度的时间采样信号进行带通滤波；计算滤波后的轴箱垂向加速度的有效值；根据所述轴箱垂向加速度的有效值确定焊接接头的位置，并提取每个焊接接头处的轴箱垂向加速度的有效值；若焊接接头处的轴箱垂向加速度有效值大于阈值，则判定该焊接接头状态不良。本发明实施例的技术方案根据轴箱垂向加速度的数据对全线的焊接接头状态进行检测，能有效检测高速铁路焊接接头的当前使用状态，为合理经济指导焊接接头的养护维修提供了强有力的理论依据。
文档编号B61K9/08GK102501886SQ20111034467
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者刘金朝, 黎国清 申请人:中国铁道科学研究院基础设施检测研究所, 北京铁科英迈技术有限公司