基于运营车辆的钢轨核伤检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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llHz;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。
[0006] 目前对于钢轨核伤的检测工作主要是基于轨检车和钢轨探伤仪进行，存在检测不 及时、检测周期长、检测设备投入资金大、检测精度不高、所能检测到的核伤类型受探伤仪 限制等弊端。例如，利用利用折射角为70°的横波探头探伤仪识别核伤病害时，这种检测方 法对可识别的核伤类型受到探伤仪结构的约束，且需耗费大量的人力物力，容易存在因为 人为疏忽等原因造成的检测错误，此外该方法的实时性较差，不能及时发现钢轨上的早、中 期核伤病害。
[0007] 因此，需要提供一种基于运营车辆的钢轨核伤检测系统及方法。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种基于运营车辆的钢轨核伤检测系统及方法，能够实现 车辆每一次经过钢轨时都可以对钢轨核伤进行一次检测，实时性高，能够避免人工检测时 可能存在的人为疏忽等问题。
[0009] 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0010] -种基于运营车辆的钢轨核伤检测系统，该系统包括：
[0011] 加速度传感器，根据车辆运行过程中的振动产生转向架的横向、垂向加速度信号， 用以检测车辆运行过程中车体的振动状态；
[0012] 信号采集及预处理单元，以固定的采样频率采集横向、垂向加速度信号并进行预 处理，产生各采样时刻的待检测信号；
[0013] 信号处理单元，对各采样时刻的待检测信号依次进行时域特征值分析识别钢轨核 伤、连续小波分析识别钢轨核伤和经验模态分解识别钢轨核伤。
[0014] 优选地，所述信号采集及预处理单元对采集到的横向、垂向加速度信号进行预处 理包括:对采集到的横向、垂向加速度信号进行隔离处理、模数转换和数字滤波。
[0015] 优选地，所述信号处理单元包括：
[0016] 信号时域特征值分析模块，对各采样时刻的待检测信号进行时域特征值分析识别 钢轨核伤，得到初步判定存在钢轨核伤的待检测信号；
[0017] 信号连续小波分析模块，对初步判定存在钢轨核伤的待检测信号进行连续小波分 析识别钢轨核伤，得到第二步判定存在钢轨核伤的待检测信号；
[0018] 信号经验模态分解模块，对第二步判定存在钢轨核伤的待检测信号进行信号经验 模态分解，得到最终判定存在钢轨核伤的待检测信号。
[0019] -种基于运营车辆的钢轨核伤检测方法，该方法包括如下步骤：
[0020] S1、利用加速度传感器根据车辆运行过程中的振动产生转向架的横向、垂向加速 度信号；
[0021 ] S2、以固定的采样频率采集横向、垂向加速度信号并进行预处理，产生各采样时刻 的待检测信号；
[0022] S3、对各采样时刻的待检测信号依次进行时域特征值分析识别钢轨核伤、连续小 波分析识别钢轨核伤和经验模态分解识别钢轨核伤，得到最终判定存在钢轨核伤的待检测 信号。
[0023]优选地，步骤S2中的预处理进一步包括:对采集到的横向、垂向加速度信号进行隔 离处理、模数转换和数字滤波。
[0024] 优选地，步骤S3进一步包括如下子步骤：
[0025] S3.1、对各采样时刻的待检测信号进行时域特征值分析识别钢轨核伤，得到初步 判定存在钢轨核伤的待检测信号；
[0026] S3.2、对初步判定存在钢轨核伤的待检测信号进行连续小波分析识别钢轨核伤， 得到第二步判定存在钢轨核伤的待检测信号；
[0027] S3.3、对第二步判定存在钢轨核伤的待检测信号进行信号经验模态分解，得到最 终判定存在钢轨核伤的待检测信号。
[0028] 优选地，步骤S3.1进一步包括如下子步骤：
[0029] S3.1. 1、计算待检测信号的时域特征值:平均值Xu、峰值Xmax和有效值Xrms，公式如 下：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]公式中，Xl为第i个采样时刻的待检测信号，η为采样点个数；
[0034] S3.1.2、将待检测信号的时域特征值与时域特征值阈值比较，若待检测信号的时 域特征值中至少有一项数值超过该数值的阈值，则判定待检测信号存在钢轨核伤，得到初 步判定存在钢轨核伤的待检测信号。
[0035] 时域特征值阈值包括:均值阈值、峰值阈值、有效值阈值;