车载式钢轨断面磨耗近红外检测方法

陈磊 王海峰 王勇

摘要 常规车载式钢轨断面磨耗检测方法直接对磨耗特征能够进行检测，却未对磨耗特征进行提取，造成常规方法准确度低。文章提出车载式钢轨断面磨耗近红外检测方法，通过对钢轨断面磨耗特征进行提取，判定钢轨断面的变化趋势，从而基于近红外技术确定磨耗能量分布状态，构建检测模型以实现钢轨断面磨耗检测。设计的对比实验结果表明该方法在对磨耗检测准确度的提升方面有显著效果，因此将近红外技术应用于车载式钢轨断面磨耗检测中，能够提高磨耗检测的准确度。

关键词 钢轨断面磨耗；近红外技术；磨耗检测；检测方法

中图分类号 G642文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0014-03

0 引言

目前我国钢轨磨耗的测量主要采用人工测量方法，但这种方法已不适应目前国内铁路发展的现状，有必要开发先进的检测技术，以提高铁路工程部门的工作效率，降低铁路维护成本，有效地保证铁路线路的质量。在这种情况和需求下，该文提出了一种车载式钢轨断面磨耗近红外检测方法，用于检测轨道部分。

1 车载式钢轨断面磨耗近红外检测方法设计

1.1 钢轨断面磨耗特征提取

提取钢轨断面磨耗的统计特征量，并使用与检测方法相对应的自相关匹配检测方法来对钢轨断面磨耗特征进行滤波处理[1-2]。用于发现钢轨断面磨耗检测的等效低通滤波可以表示如下：

式中，B——带宽滤波器带的宽度；T——采样间隔，用以反映轨道横截面的特性（T=12B）；τ——时间序列的函数。

对于局部区域中的所有时间频率平面，分辨率是相同的，得到磨耗特征的输入与输出的关系如下式：

式中，ak=0（k=1，2，…，p）——磨耗采样幅度，采用连续小波变换对钢轨断面磨耗特征进行参考估计；x（t）——任意原始钢轨断面磨耗特征；x（n）——输出频率，亦即分辨率；W——车载式机械钢轨断面厚近红外探测信号s（t）的带宽。

连续波变换的公式如下：

这里，h表示在满足条件的磨耗的瞬时频率：

使用Fourier變换对钢轨断面磨耗检测进行窄时域加窗处理，基本小波（Prototype）或母小波（Motherwavelet）用h（t）表示，得到钢轨断面磨耗特征的短时Fourier变换如下：

由此得出钢轨断面磨耗特征的能量提取密度谱：

根据上述方程式，把一个复杂的钢轨断面磨耗特征分解成若干滑动平均采样分量之和，根据提取的连续小波变换的谱能量特征，实现钢轨断面磨耗检测的特征提取。

1.2 基于近红外技术确定磨耗能量分布状态

在上述提取特征的基础上，进一步的研究表明，钢轨断面检测磨耗在不同状态下的断面检测磨耗特征可能存在某些差异[3]，因此该文设置了2种不同的状态。在这2种状态下磨耗特征的幅值变化示意图如图1所示。

从图1可以看出，不同状态下，磨耗特征有实质性的变化。这表明在不同状态下磨耗特征存在显著差异。为了提高钢轨断面检测的准确性，该文设计的方法在分析了钢轨断面磨耗特征的基础上，使用近红外技术将上述提取的钢轨断面磨耗特征这个参数进行多重变换，直观地识别出线性覆盖与重叠的关系，并确定磨耗的能量分布状态。此时的变换F可表达为如下公式：

式中，fe——线性变量。

此时收集的磨耗特征会按照一定的周期顺序进行更改。当在离散频域中保持该序列时，可以减少磨耗分析数据的总量，并且可以提高磨耗分析的效率。目前，可以通过结合效率分析的结果来确定中心频率的特性，表达如下公式：

式中，p——中心频率特性的二次频率的平均变化；f——集中频率方差。

此外，可以分析磨耗的能量变化之间的关系，以确定磨耗的中心是否发生了变化。当牵引中心发生变化时，可以根据牵引中心的补偿程度来计算能量关系。在复杂的电磁环境中，应提取轨道节段的牵引特性，并通过以下公式确定分布位置与牵引特性的方程：

式中，d——分析参数；G（t）——磨耗变化函数；t——车载式钢轨断面检测时间；H（ f ）——新的对称换档函数。使用该变化规律方程可有效地分析钢轨断面状态，判定钢轨断面的变化趋势，从而确定磨耗能量分布状态。

1.3 构建车载式钢轨断面磨耗检测模型

为了实现钢轨断面磨耗检测，建立了磨耗模型。根据确定的磨耗能量分布状态，经门限检测后定位磨耗位置，进行钢轨断面磨耗输出检测。采用级联陷波检测法对钢轨断面磨耗特征进行干扰滤波处理，提高磨耗检测能力。

为了提高钢轨断面磨耗处理的准确性，该文使用分析方法来确定磨耗的光谱变化，并对磨耗进行傅立叶变换。当前收集的密封磨耗对应于开放频域，并对应于时间—频率分布关系。设置窗口函数g（t）用以精准地判断磨耗的时间分辨率动态变化情况，该公式可以表示如下：

式中，g（t）——实时确定动态函数的变化方向，从而确定磨耗的处理状态，提高磨耗部分的处理精确性；ej——开口带的宽度；j——公共分布矩阵。

f频率窗口的函数应通过磨耗加窗来构建，并构建具有时间分辨率和频率分辨率的总时频分布S（t， f）。当将钢轨断面磨耗特征的时域和频域结合在一起时，取窗函数为δ（t），此时：

提取近红外传感磨耗的统计特征量，采用确定自相关一致性的检测方法对磨耗的磨耗参数、截面磨耗的极限值进行滤波，其公式如下：

式中，r（t）——假设测量机械钢轨断面检测的回波磨耗；λ——检测控制函数；μ——钢轨断面磨耗特征检测的约束项。

在目标点接收到的最近的红外光函数分量可用如下公式表示：

式中，b——机械钢轨断面厚的近红外探测输出增益；urqx——时间—尺度增益。

不同的振幅配置设置了电机控制横截面频率的局部外部点。使用确定磨耗面积的方法，通过测量磨耗的部分来获得钢轨断面磨耗测试中的近红外时间—尺度二维差值分量如下式：

构造如下的4×4矩阵表示钢轨断面磨耗的独立分量：

式中在二维平面（m，n）上，使用多维波标度分解方法将红外感应的磨耗的尺度分解，并获得用于确定密封磨耗检测的平均信号形成值，如下式所示：

对每个红外特性进行放大频域，并在标度参数的基础上评估钢轨断面磨耗参数。参数的测量结果如下式：

根据参数结果，结合上述计算建立车载式钢轨断面磨耗检测模型M。模型如下式所示：

p——钢轨断面磨耗特征的带宽。由此构建钢轨断面磨耗特征模型，结合磨耗能量分布状态进行钢轨断面磨耗检测。根据构建的车载式钢轨断面磨耗检测模型，实现钢轨断面磨耗检测。

2 实验论证

为了验证车载式钢轨断面厚近红外检测方法的检测效果，建立了一个合适的实验平台，并与常规车载式钢轨断面磨耗检测方法对比，实验如下。

2.1 实验准备

为了确保实验的有效性，该文选择安装在车辆上的PX409高精度磨耗检测器。该检测器符合车辆磨耗检测的原理，用于确定磨耗部分。该磨耗检测器具有低滞后和可重复性，并具有可实时校准的宽范围温度补偿，可以尽量缩短实验响应的持续时间，以提高实验结果的可信度。安装在汽车上的PX409磨耗探测器应包括5个极限范围，可实时判断车载式磨耗的输入、输出情况。断面磨耗检测器参数见表1。

从表1可以看出，该磨耗检测器可直接测量实验相关参数，再结合金属环的摩擦系数进行判断。该磨耗检测器的量程为50～900 kHz，输出范围很广，可根据采集磨耗的变化关系完成磨耗放大处理，降低实验难度。

为了结合数据处理和有效完成数据采样，该文选择PC-6358数据采集卡，并使用LabVEW完成驱动程序。在数据收集之前，可以使用5 125个加强件来增强传输过程中的断面磨耗，以提高磨耗的可识别性。

收集中心建成后，设置不同的磨耗和条件，以提高实验灵敏度。在确保磨耗发生一定变化的基础上，记录现有的磨耗数据，并进行实时调整，且必须记录在此过程中获得的数据。

根据记录的磨耗值，可以对现有钢轨断面样本进行有效划分，实时调整车载式钢轨断面的状态，为后续的钢轨断面磨耗检测实验做参考。

2.2 对比实验

在“2.1”基础上可进行车载式钢轨断面厚检测效果实验，即分别使用该文设计的车载式钢轨断面厚近红外检测方法和常规的车载式钢轨断面厚检测方法，对设置的机械钢轨断面进行检测，并记录三种方法的检测结果，与实际机械钢轨断面厚进行对比，实验结果见表2。

由表2可知，该文设计的车载式钢轨断面厚近红外检测方法在不同磨损状态下检測的钢轨断面均与实际钢轨断面相对接近，检测差值较小，常规的车载式钢轨断面厚检测方法检测的断面与实际差值较大。证明该文设计的车载式钢轨断面厚近红外检测方法检测的磨耗较准确，具有准确性，有一定的应用价值。

3 结语

该文提出了车载式钢轨断面磨耗近红外检测方法，并实现了车载式钢轨磨耗的检测对比实验。试验结果表明，该方法多次测量结果的重复性好，且钢轨廓形态测量偏差控制在0.25 mm以内，满足现场作业的要求。

参考文献

[1]侯智雄， 王昊， 赵延峰， 等. 地铁钢轨波浪磨耗检测系统研制及应用[J]. 铁道建筑， 2021（11）： 120-123.

[2]倪海波. 车载式轨道巡检检测装置在城际铁路中的应用[J]. 轨道交通装备与技术， 2023（1）： 12-15+19.

[3]史红梅， 张志鹏， 李富强， 等. 钢轨磨耗动态测量中轨廓自动配准方法研究[J]. 铁道学报， 2021（10）： 84-90.