高速铁路轨道短波病害动态检测技术综述与展望

支洋

（中国国家铁路集团有限公司 工电部，100844）

0 引言

轨道结构是整个高速铁路基础设施的重要组成部分，车辆运行安全性和舒适性要求线路具备高平顺性和高可靠性。目前，我国已投入运营高铁线路总里程数将近4万km，随着运营时间的增加，轨道在车辆动载荷反复作用下结构状态将产生变化，微小变形积累到一定程度会形成轨道不平顺，如不及时整治将演变为轨道病害。波长1 m以下的短波病害，如焊接接头不良、擦伤、钢轨波磨等，易引起轨道-车辆系统的剧烈振动，缩短车辆及轨道部件的使用寿命，增加铁路养护维修费用，是危害行车安全的潜在隐患。

轨道短波病害主要分为2类，一类是单点冲击短波病害，如焊接接头不良、凹坑和轨面擦伤等；另一类是连续周期性短波病害，如打磨痕迹、钢轨波磨等。轨道几何检测系统的有效检测波长范围通常在2～120 m，难以评判波长1 m以下的短波病害对高速铁路轨道-车辆系统运行的安全性和舒适性的影响，需要研究其他诊断和评判方法。

轴箱直接与轮对相连，利用轴箱加速度评判轨道短波状态，不但可直接反映短波不平顺激发的外界力对车辆动力学的影响，同时可以突破轨道几何检测系统波长限制和人工地面检测效率低下的瓶颈，为保障行车安全、实现高速铁路的高效维修与管理提供强有力的理论与技术支撑。

1 短波状态动态检测技术框架

利用高速综合检测列车实测的轴箱加速度动态诊断轨道短波病害，技术框架见图1，主要包括短波病害动力学仿真、特征提取和动态诊断方法。在短波病害动力学仿真方面，早期采用多体动力学方法建模，模拟短波病害几何参数对车辆动态响应的影响；后来随着计算技术特别是并行技术的发展，能更真实模拟短波病害形状和材料非线性的有限元仿真成了首选。利用时域、频域、时频方法从轴箱加速度中挖掘能表征短波病害的时域特征，确定带通滤波的频率范围。在短波病害动力学仿真和特征提取的基础上，利用轴箱加速度的特征指标如轨道冲击指数，动态评判轨道短波的平顺状态。

图1 高速铁路轨道短波状态动态检测技术框架

2 短波状态仿真分析

早期Jenkins等［1］利用现场实测的轮轨力统计分析钢轨焊接接头不良对轨道-车辆系统动力学性能的影响，发现车轮经过钢轨低接头过程中会出现2个轮轨力峰值，分别为P1和P2力。P1力持续时间较短，主要受钢轨等效质量、列车运行速度以及车辆系统簧上质量影响，为高频瞬态冲击力；P2力持续时间较长，主要与轨道系统等效刚度相关，为中低频响应力，对轨道结构的破坏较为明显。

随着计算机技术的快速发展，仿真分析方法包括多体系统动力学和有限元方法逐渐在轨道-车辆系统动力学分析中占重要地位。SUN等［2］利用自主开发的轨道-车辆系统耦合仿真分析软件，探索了钢轨焊接接头处列车运行速度与轮轨作用力的关系。

与多体系统动力学相比较，有限元方法能更准确模拟轨道短波病害、轮轨材料和接触非线性对轨道-车辆系统动态特性的影响。Dong［3］利用垂向轨道-车辆系统有限元模型，得出了车辆通过钢轨低接头时P1力和P2力的波动规律。Molodova等［4］利用ANSYS建立三维轮轨有限元模型，探明了钢轨凹痕与轴箱加速度的关联关系。于淼等［5］应用ABAQUS软件建立三维高速轮轨非稳态滚动接触有限元模型，初步探明了复合短波病害的形成机理。

利用有限元方法模拟短波病害对轨道-车辆系统影响的基本思路是，先建立轨道和轮对的几何模型，通过修改钢轨表面节点坐标对轨道短波病害建模，接下来计算轨道-车辆系统的静力平衡，最后采用显式有限元方法模拟车辆通过短波病害区域的动态响应。

3 短波病害动态响应特征提取方法

从轴箱加速度中提取轨道短波病害特征的方法包括时域、频域和时频分析等方法。信号的时域特征指标主要包括峰值、均值、方差、标准差等；频域分析主要采用傅里叶变换揭示频率与能量的对应关系。

由于轮轨作用是强非线性接触问题，用来诊断轨道短波病害的轴箱加速度信号呈现高度非线性和非平稳特性。单纯的时域或频域方法适合于平稳信号，对于非平稳信号，时频分析方法联合时间-频率表示一维时间信号的特征，具有独特的优势。经典时频分析包括STFT、Wigner-Ville分布、Chirplet变换、EEMD等。2010年Daubechies等［6］提出了同步压缩小波变换（SST），根据瞬时频率对时频分布进行重排。徐晓迪等［7］对SSTFT进行了改进，优化了脊线提取方式，将零碎曲线连接成完整的频率曲线。

钢轨擦伤区段在列车经过时接触应力增加导致剪切应力也增大，严重时会增加钢轨表面疲劳，并引起钢轨掉块等病害。利用改进的SSTFT方法对不同深度的钢轨擦伤区段的轴箱加速度进行时频分析，结果见图2。图中能量较大的点为焊接接头对应位置，钢轨擦伤区段的轴箱加速度在频域内呈现全频段的白噪声特性，这是由于列车经过擦伤区域时轮轨接触点恰好在引起掉块的地方，从而产生了冲击响应。同时，在100～400 Hz之间能量比较集中，这是由于擦伤区域长度以及轨面粗糙度较大引起的中高频响应。对比图2（a）、图2（b）可知，擦伤深度为2.5 mm时产生的冲激响应能量要比擦伤深度为1.5 mm时的大，全频段的白噪声特性也比较明显。对比图2（c）和图2（d）可知当综合检测列车以更高的速度经过钢轨擦伤区段时，速度越大，轴箱加速度的振动能量越大。

图2 不同深度的钢轨擦伤区段轴箱加速度时频分布

4 短波病害动态诊断方法

如果将轮对近似地看成是刚性结构，则轴箱的振动加速度可直接反映由轨道短波不平顺所引起的外界激扰力对车辆动力学的影响。因此，许多学者采用轴箱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。

2004年，日本学者Sunaga等［8］提出利用轴箱加速度的有效值诊断新干线上的轨道短波病害，发现轨枕松动、轨面粗糙、钢轨波磨等短波病害对应不同频段的轴箱加速度，可通过对轴箱加速度设置不同的滤波范围进行诊断。

2016年，Molodova等［9］利用轴箱加速度对焊接接头的健康状态进行诊断，并给出了定量的评判指标，即尺度平均小波功率谱指标（scale-averaged wavelet power，SAWP）。王林栋［10］在借鉴国内外算法的基础上提出了基于振动响应的钢轨波磨快速检测方法；当线路里程长且采样频率高于1 000 Hz时，常规的诊断方法会碰到计算量大满足不了在线应用要求的问题。刘金朝等［11-12］通过挖掘轴箱加速度能量指标计算过程中的递推映射关系，提出了快速诊断轨道短波病害的轨道冲击指数方法，详细过程可描述如下：

（1）根据轨道短波病害对应的轴箱加速度的频率分布特性，取通滤波频率一般为 ［10，500］Hz，对实测的轴箱加速度进行带通滤波；

（2）利用能量指标的递推映射关系，快速计算带通滤波后的轴箱加速度的移动有效值S及其平均值；

（3）计算轴箱加速度的轨道冲击指数TII，定义为轴箱加速度的移动有效值S与其平均值的比值；

（4）对轨道进行单元划分，单元长度一般取为50 m；

（5）提取各单元TII的最大值，记为TIIe，同时记录对应的里程信息；

（6）结合阈值评判轨道短波状态，即若TIIe大于阈值，则诊断轨道短波状态不良。

利用轨道冲击指数方法对某线路K1+523附近的轴箱加速度进行分析，得到轨道冲击指数（见图3）。轨道冲击指数超过阈值6，诊断该处焊接接头状态不良。现场复核发现钢轨表面鱼鳞伤严重、同时存在剥落掉块（见图4），验证了轨道冲击指数方法能有效诊断钢轨短波病害。

图3 某线路K1+523附近的轨道冲击指数

图4 钢轨剥落掉块

5 结论与展望

为了从演变机理上找到抑制病害发展的养护措施，轨道短波病害对轨道-车辆系统动力学性能影响的研究一般采用多体系统动力学和有限元方法，相比较而言，有限元方法由于能细化考虑材料、接触和高速转动的非线性，能更精确描述短波病害与车辆响应的关联关系。在挖掘提取轨道短波特性的时域、频域、时频分析方法中，时频方法因为能同时提取短波病害发生的位置和频率特性而显得优势明显。短波病害的诊断方法的发展路线是从时域、频域、时频，然后再回到时域即轨道冲击指数方法。

虽然国内外对轨道短波病害的仿真分析和诊断方法已开展了大量研究，但仍有一些深层次的问题有待解决。如何结合数值仿真方法和信号挖掘技术，找出高速铁路钢轨波磨的产生机理、发展规律从而找到针对性的抑制措施是有待攻克的难题；轮轨接触共振是公认的钢轨波磨形成的理论，但共振发生的随机性还有待揭示。此外，复合型短波病害的诊断、识别、评价等也是有待深入研究的问题，如何从车辆响应特性上将单点冲击短波病害和周期性短波病害分离是其识别的难点。