曹 志,高洪清,王 威,劉華云
(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,南京 210000;2.南京航空航天大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,南京 210016;3.南京軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司,南京 210000;4.成都唐源電氣股份有限公司,成都 610000)
我國(guó)是一個(gè)擁有龐大的人口基數(shù)的發(fā)展中國(guó)家,每年的人口流動(dòng)規(guī)模都非常大。尤其在每年的春節(jié)期間,巨大的人口流動(dòng)需求使得我國(guó)的鐵路交通得到迅速發(fā)展。自1905年由中國(guó)鐵路之父詹天佑先生修建的京張鐵路起,我國(guó)的鐵路里程已達(dá)到15.49萬(wàn)公里,位居世界第二[1-2]。隨著城市化進(jìn)程的加速,城市規(guī)模的擴(kuò)大以及綠色、低碳的發(fā)展理念,城市交通方式也發(fā)生了深刻的變革,從私家車為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楣步煌橹?。慣性基準(zhǔn)法是常見的軌道檢測(cè)方法,文獻(xiàn)[3]為了提高軌道的檢測(cè)效率,設(shè)計(jì)了一種非接觸式軌道檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)檢測(cè)軌道狀態(tài),該系統(tǒng)通過(guò)慣性測(cè)量單元,計(jì)算列車與軌道之間的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),與正常運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比,從而檢測(cè)軌道損耗狀態(tài),該方法對(duì)軌道的平順問題檢測(cè)精度較高,但面對(duì)波磨損耗時(shí),檢測(cè)精度較低。文獻(xiàn)[4]為了研究軌道高低不平順對(duì)軌道的影響,構(gòu)建了一個(gè)檢測(cè)模型,并采用慣性基準(zhǔn)法對(duì)軌道高低不平順進(jìn)行檢測(cè)分析,結(jié)果顯示,從時(shí)域角度分析時(shí),扣件剛度,路基支承剛度和軌枕間距對(duì)高低不平順影響較小,該方法主要在于分析軌道不平順的影響。文獻(xiàn)[5]為了了解靜態(tài)及動(dòng)態(tài)下,軌道不平順之間的關(guān)系,提出了基于慣性基準(zhǔn)法的虛擬軌道檢測(cè)方法,結(jié)果顯示,動(dòng)態(tài)和靜態(tài)不規(guī)則性之間存在明顯的線性關(guān)系,作者分析了軌道不平順之間的關(guān)系,但軌道檢測(cè)是采用的虛擬檢測(cè),精準(zhǔn)度較低。文獻(xiàn)[6]為了提高軌道檢測(cè)效率,及檢測(cè)精度,提出了一種利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行攝影測(cè)量的方法,結(jié)果顯示該方法檢測(cè)位置精度較高,負(fù)荷實(shí)驗(yàn)預(yù)期。該作者提出的方法,僅可檢測(cè)軌道位置,無(wú)法對(duì)軌道本身的波磨損耗進(jìn)行檢測(cè)。隨著各種鐵路交通及城市軌道交通的增加,軌道體系的檢測(cè)維護(hù)成為了一個(gè)新的挑戰(zhàn)。尤其是軌道波磨——鋼軌上出現(xiàn)的波浪狀不平整現(xiàn)象,它是軌道使用過(guò)程中的主要損傷類型。為了對(duì)這一損傷進(jìn)行有效的檢測(cè),首先需要深入理解地鐵軌道波磨的形成原因和其分類。因此,本研究旨在深入研究地鐵軌道波磨的基本特征,并基于慣性基準(zhǔn)法設(shè)計(jì)了一個(gè)專門的地鐵軌道波磨檢測(cè)系統(tǒng),期望為城市交通軌道的維護(hù)提供更為先進(jìn)的技術(shù)支持。
軌道的波磨損耗是一種無(wú)法避免的軌道損傷,早期的軌道波磨檢測(cè)是通過(guò)工人手工逐點(diǎn)測(cè)量,該方式無(wú)論是檢測(cè)效率,還是檢測(cè)精準(zhǔn)度,都非常低下。若波磨損耗發(fā)現(xiàn)較晚,將會(huì)導(dǎo)致軌道打磨修復(fù)變得十分困難,若打磨修復(fù)不到位,就將軌道投入使用,將會(huì)導(dǎo)致軌道損耗進(jìn)一步加劇,最終導(dǎo)致整條軌道廢棄,造成非常大的成本損耗及資源浪費(fèi)。城市軌道交通的修建成本極高,若因軌道波磨損耗導(dǎo)致地鐵線路廢棄,將對(duì)當(dāng)?shù)爻鞘械慕?jīng)濟(jì)發(fā)展等方面造成極大的損失,因此,及時(shí)地檢測(cè)發(fā)現(xiàn)軌道損耗狀況,并加以改善,可以有效地延長(zhǎng)地鐵軌道的使用壽命。軌道的波磨損耗,可根據(jù)磨損的類型、波形的波長(zhǎng)、波長(zhǎng)確定機(jī)制及軌道損傷機(jī)制進(jìn)行分類[7-8]。按照軌道損傷機(jī)制,可將波磨損耗劃分為6種:波谷塑性變形、塑性彎曲、滾動(dòng)接觸疲勞、波谷縱向振動(dòng)磨耗、橫向振動(dòng)磨耗及波谷磨耗[9-10]。我國(guó)城市軌道交通的波磨損耗中,波磨波長(zhǎng)在50~350 mm之間,最大波深為1.37 mm,且主要發(fā)生在曲線段。軌道的波磨損耗分為開始階段及發(fā)展階段,開始階段是指剛開始出現(xiàn)的階段,發(fā)展階段是指軌道波磨損耗不斷加劇的過(guò)程,發(fā)展階段中,軌道的波磨損耗與輪軌之間的相互作用會(huì)相互促進(jìn)并形成一個(gè)循環(huán),如圖1所示[11-12]。
圖1 軌道波磨損耗與輪軌相互作用的循環(huán)
軌道波磨損耗是輪軌之間的相互作用導(dǎo)致的,但軌道磨耗的具體成因并沒有較為明確的理論,目前主流的成因包括反饋振動(dòng)理論、自激振動(dòng)理論、基礎(chǔ)疲勞理論[13-14]。1)反饋振動(dòng)理論,由于軌道在投入運(yùn)行之初,輪軌接觸面就不平順,使得在使用之初,輪軌之間就有振動(dòng)形成,而這些振動(dòng)又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致軌道平面更加粗糙,更加粗糙的平面又會(huì)增加輪軌之間的振動(dòng),如此反復(fù)循環(huán),就形成了軌道的波磨損耗[15-16];2)自激振動(dòng)理論,在列車運(yùn)行的過(guò)程中,由于某些特定因素或軌道的固有特性,導(dǎo)致輪軌之間產(chǎn)生了自激振動(dòng),從而導(dǎo)致了波磨損耗的產(chǎn)生[17-18];3)接觸疲勞理論,發(fā)生在載荷過(guò)重或列車重復(fù)接觸次數(shù)較多的軌道軌頭表面損傷,該損傷的表現(xiàn)形式較多,包括裂紋、表面凹陷、分層剝落等,這些軌道損傷對(duì)軌道的波磨損耗有極大的促進(jìn)作用[19-20]。由于波磨損耗具有隨機(jī)性,因此,需要通過(guò)數(shù)值法來(lái)計(jì)算,在實(shí)際工程中,最常用的傅里葉變換是快速傅里葉變換,在使用快速傅里葉變換時(shí),數(shù)據(jù)的采樣數(shù)必須為2n個(gè),若該要求無(wú)法滿足,就需要在信號(hào)的末端增加一個(gè)0,再假設(shè)x(t)為時(shí)域函數(shù),采樣時(shí)間間隔為Δt,那么快速傅里葉變換如式(1)所示:
(1)
式中,f為參數(shù),N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。時(shí)域分析主要用于,分析波磨損耗的波深隨著軌道使用里程的變化而變化,雖然軌道波磨損耗的深度是隨機(jī)變量,無(wú)法預(yù)知,但可以通過(guò)在軌道中不斷地采樣,并將其在軌道中的長(zhǎng)度表示出來(lái),就可以采用時(shí)域分析對(duì)其進(jìn)行分析,在此過(guò)程中,還可以獲得軌道波磨損耗的最大值、平均值及方差等數(shù)據(jù),工作人員也可以根據(jù)時(shí)域分析數(shù)據(jù),快速定位發(fā)生軌道波磨損耗的路段,并進(jìn)行軌道的維護(hù)工作。粗糙度水平分析,是根據(jù)軌道波磨損耗的均方根值大小來(lái)進(jìn)行判斷的,假設(shè)軌道波磨損耗分析中,采樣點(diǎn)為i,每個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的波磨損耗的深度為xi,那么均方根可通過(guò)式(2)計(jì)算獲得:
(2)
式中,XRMN為均方根。利用該公式計(jì)算獲得軌道的粗糙度水平后,將其與國(guó)家規(guī)定的軌道表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)值相比較,即可獲得該段軌道的粗糙度水平,該分析方式常用于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)方法中,對(duì)檢測(cè)精度的要求較高。
慣性基準(zhǔn)法是一種常用的軌道波磨檢測(cè)方法,該方法實(shí)現(xiàn)成本低,檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單。慣性基準(zhǔn)法是指通過(guò)加速度計(jì)的安裝,收集列車軸箱加速度。若軌道剛度足以承受列車重量而不產(chǎn)生形變,那么列車軸箱在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)曲線,就與軌道表面在垂直方向上的波磨曲線,因此,將加速度計(jì)收集到的加速度進(jìn)行處理,即可獲得軌道的波磨損耗值。在收集列車軸箱加速度時(shí),若列車一對(duì)車輪產(chǎn)生的垂向位移為x(l),位移過(guò)程中的加速度為a(l),那么列車在軌道上行駛過(guò)程中,軸箱在垂直方向上的加速度的計(jì)算如式(3)所示:
(3)
若列車運(yùn)行過(guò)程中,車輪在垂直方向上的位移為dw,軸箱的加速度為aw,那么根據(jù)式(3)可知,軌道波磨損耗的計(jì)算見式(4):
(4)
式中,c1,c2為積分常數(shù)?;趹T性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)中,包括了各種信號(hào)的放大、濾波等操作?;趹T性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)處理流程分為4個(gè)部分:第一部分是數(shù)據(jù)信號(hào)的采集輸入,該部分的數(shù)據(jù)信號(hào)指檢測(cè)列車左右兩個(gè)軸箱的加速度,該數(shù)據(jù)由加速度計(jì)獲得;第二部分為模擬調(diào)理部分,該部分中含有兩個(gè)模塊,分別是模擬濾波器及A/D采樣;第三部分是數(shù)字處理部分,該部分包括5個(gè)模塊,分別是去偏濾波模塊、數(shù)值積分模塊、數(shù)字高通濾波模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊;最后一個(gè)部分是數(shù)據(jù)可視化部分,該部分可將最后得到的軌道波磨損耗的波形顯示出來(lái),在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),由第一部分的兩個(gè)加速度計(jì)將收集數(shù)據(jù)輸入模擬濾波器中進(jìn)行預(yù)處理,再通過(guò)A/D采樣模塊,之后進(jìn)入去偏濾波模塊進(jìn)行處理,去偏濾波模塊將處理后的數(shù)據(jù)送至數(shù)值積分模塊,進(jìn)行積分處理,將積分處理的結(jié)果輸入數(shù)字高通濾波模塊進(jìn)行最后的處理,數(shù)字高通濾波器處理結(jié)束后,會(huì)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)中,經(jīng)過(guò)上述處理后,將結(jié)果輸入數(shù)據(jù)可視化模塊,即可得到軌道波磨損耗的波形,其處理流程如圖2所示。
圖2 基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)數(shù)據(jù)處理流程
從圖2中可以知道,檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字處理部分包括去偏濾波、數(shù)字積分及數(shù)字高通濾波,去偏濾波是為了去除檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的直流偏量,數(shù)字積分處理則是為了獲得軌道波磨損耗值,數(shù)字高通濾波則是為了截取波長(zhǎng)范圍內(nèi)的信號(hào)。在檢測(cè)列車的轉(zhuǎn)向軸箱中安裝加速度計(jì)時(shí),無(wú)法保證加速度計(jì)完全垂直于輪軌接觸面,因此,難免在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)加速度軸的偏移;除此之外,收集到的原始信號(hào)中,還存在低頻部分,該部分的存在易引起積分過(guò)程中,出現(xiàn)積分飽和的情況,因此,需要去偏濾波器進(jìn)行處理,去偏濾波器的函數(shù)表達(dá)式如公式(5):
(5)
式中,z為變量,ωd為參數(shù),可決定濾波器的衰減特性及帶寬。基于慣性基準(zhǔn)檢測(cè)法的檢測(cè)原理,對(duì)濾波器處理過(guò)后的加速信號(hào)進(jìn)行連續(xù)兩次數(shù)字積分,即可獲得軌道波磨損耗值,牛頓-科茨法是一種常用的數(shù)字積分方法,該方法使用差值多項(xiàng)式進(jìn)行積分,辛普森法是該方法的一種,研究采用該方法對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行積分處理,該方法中,每個(gè)采樣點(diǎn)之間的屬性特征之間的關(guān)系如公式(6)所示:
(6)
式中,s(n)表示每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值對(duì)應(yīng)的積分值。式(6)的傳遞函數(shù)如式(7)所示:
(7)
式中,H(z)表示傳遞函數(shù)。由式(6)可知,當(dāng)z=1時(shí),函數(shù)H(z)出現(xiàn)極點(diǎn),極點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致積分時(shí)出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象。在經(jīng)過(guò)兩次積分處理后,數(shù)據(jù)信號(hào)中,已經(jīng)包含了其他波長(zhǎng)的信號(hào)信息,再采用數(shù)字高通濾波器,對(duì)積分后得到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,即可對(duì)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行截取操作,并通過(guò)該操作提高軌道波磨損耗的檢測(cè)精準(zhǔn)度,數(shù)字高通濾波器是由低通濾波器及一個(gè)全通濾波器組成的,研究選取的低通濾波器為三階低通濾波器,該濾波器的函數(shù)表達(dá)式見式(8):
(8)
式中,U(z)為三階低通濾波器函數(shù),k為濾波器參數(shù),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,選取特定范圍的波長(zhǎng)。再通過(guò)全通濾波器減去低通濾波器,即可獲得高通濾波器,如式(9)所示:
V(z)=UAP-U(z)
(9)
式中,V(z)為高通濾波器函數(shù),UAP為全通濾波器函數(shù)。由于研究設(shè)計(jì)的軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)與原檢測(cè)系統(tǒng)有所不同,因此,需要重新設(shè)計(jì)檢測(cè)中的各種硬件及電路設(shè)施。研究構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)中,加速傳感器選擇非常重要。由于列車軸箱的加速度測(cè)量范圍較大,因此,加速度計(jì)必須具有良好的線性度,電容式微加速度計(jì)的成本較低、穩(wěn)定性較高,且其信號(hào)讀取復(fù)雜的缺點(diǎn),可通過(guò)增加一個(gè)信號(hào)調(diào)理板進(jìn)行改進(jìn),因此,研究采用電容式加速度計(jì),作為檢測(cè)列車軸箱加速度測(cè)量?jī)x。Model2012是該種類額加速度計(jì)中較為常見的一種,該加速度計(jì)輸出阻抗低,接線簡(jiǎn)單便捷,但該加速度計(jì)的輸出信號(hào)為差分信號(hào),需要對(duì)該型號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,才能成為檢測(cè)系統(tǒng)可以接收并處理的信號(hào)。通常使用減法器,作為電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變儀,減法器通常是通過(guò)儀表放大器實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合Model2012加速度計(jì)的信號(hào)特點(diǎn),及檢測(cè)系統(tǒng)中的電壓情況,研究以AD8250芯片,作為信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片,該型號(hào)芯片的功能如圖3所示。
圖3 信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片AD8250的功能框圖
AD8250是一種可編程的儀表放大器,該放大器具有以下5個(gè)特點(diǎn):1)尺寸小巧,可以安裝在大多數(shù)系統(tǒng)中,而不影響系統(tǒng)的功能;2)電壓使用范圍較寬,對(duì)系統(tǒng)要求更低;3)可自主編程,提高放大器性能;4)在直流電中具有高共模抑制比的同時(shí),還具有低增益漂移;5)在交流電中建立時(shí)間短,功耗低。檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理時(shí),需要采樣頻率是最大信號(hào)頻率的兩倍及以上,才不會(huì)造成信號(hào)中信息的缺失,一般會(huì)將采樣頻率,定為信號(hào)最大頻率的5~10倍。在研究設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)中,只需要指定范圍內(nèi)的信號(hào)信息,因此,還需要對(duì)指定范圍內(nèi)的信號(hào)頻率進(jìn)行抗混疊濾波操作,該操作是采用低通濾波器,對(duì)采樣信號(hào)頻率進(jìn)行處理,去除高于評(píng)價(jià)采樣頻率的部分。MAX291濾波器是巴特沃斯濾波器中的一種,具有開關(guān)電容式結(jié)構(gòu),具有該結(jié)構(gòu)的濾波器需要一個(gè)時(shí)鐘作為電路驅(qū)動(dòng)器,且該時(shí)鐘的頻率應(yīng)是截止頻率的100倍。驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘也分為內(nèi)部及外部?jī)煞N,其中外部時(shí)鐘的安裝方式便捷,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,僅需外接一個(gè)電容即可,由于接線簡(jiǎn)單,因此,在出現(xiàn)故障時(shí),可以及時(shí)修復(fù)。但該濾波器易受外界電磁干擾,在安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):1)在布線時(shí),需要預(yù)留一塊無(wú)線路的地方作為濾波器的安裝地,以減少底線對(duì)濾波器的干擾;2)加強(qiáng)濾波器電源,該措施可以有效減少電源紋波;3)濾波器需要單獨(dú)供電,并且與檢測(cè)系統(tǒng)的電源隔離開;4)需要將時(shí)鐘信號(hào)與信號(hào)傳輸線進(jìn)行隔離,避免產(chǎn)生干擾。
為了對(duì)研究構(gòu)建的基于慣性基準(zhǔn)法軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,在SIMPACK軟件上進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗(yàn)。SIMPACK軟件是一種機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件,包含了許多專業(yè)模塊及樣機(jī)系統(tǒng)。研究基于此軟件,構(gòu)建了檢測(cè)車輛模型,其中部分關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。
表1 檢測(cè)車輛建模參數(shù)
為了驗(yàn)證研究設(shè)計(jì)的基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng)的有效性,研究將其與基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。
圖4 基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)與基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果對(duì)比
圖4(a)為兩種檢測(cè)系統(tǒng)在不同檢測(cè)長(zhǎng)度下的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比結(jié)果,可以看到,兩種檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差值的走向基本一致,但慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差,略小于弦測(cè)法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差,檢測(cè)長(zhǎng)度為400 m時(shí),弦測(cè)法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差為0.79 mm,而慣性標(biāo)準(zhǔn)法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差為0.72 mm,檢測(cè)長(zhǎng)度為850 m時(shí),兩種方法的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差基本相等。圖4(b)為兩種檢測(cè)系統(tǒng)在不同的檢測(cè)長(zhǎng)度下的檢測(cè)精準(zhǔn)度,可以看到,隨著檢測(cè)軌道長(zhǎng)度的增加,檢測(cè)精度在不斷下降,檢測(cè)軌道長(zhǎng)度為10 m時(shí),基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為89.3%,基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為85.6%,檢測(cè)軌道長(zhǎng)度為20 m時(shí),基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為86.4%,基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為81.2%,檢測(cè)軌道長(zhǎng)度為50 m時(shí),基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為82.1%,基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為79.8%,檢測(cè)軌道長(zhǎng)度為100 m時(shí),基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為81.32%,基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度為79.5%。基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度較低,但成本也更低。確定了基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨檢測(cè)方法的有效性后,研究在曲線半徑為400 m的軌道上,添加了一定程度的波磨損耗,并對(duì)軌道的波磨損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到該波磨損耗下的軌道功率譜密度,并以上述數(shù)據(jù)對(duì)研究構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 軌道波磨檢測(cè)系統(tǒng)的檢驗(yàn)結(jié)果
圖5(a)為軌道波磨損耗的檢測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比結(jié)果,可以看到,檢測(cè)值與實(shí)際值的趨勢(shì)基本一致,但具體誤差較大。實(shí)際值在0.1、0.3、0.55、0.77 m處均為波峰,其中,0.1 m處波峰幅值為0.602 3 mm,0.3 m處的波峰幅值為0.681 2 mm,0.55 m處的波峰幅值為0.598 3 mm,0.77 m處的波峰幅值為0.576 3 mm,實(shí)際軌道波磨損耗的最大波深為0.681 2 mm,最小波深為0.576 3 mm,平均波深為0.557 0 mm。地鐵軌道的實(shí)際波磨損耗,在隨著縱向長(zhǎng)度的增加而減小,軌道縱向長(zhǎng)度在0.3 m時(shí),軌道波磨損耗波深達(dá)到最大值。檢測(cè)情況則在0.08、0.3、0.52、0.75 m處達(dá)到軌道波磨損耗峰值,其中,0.08 m處的幅值為0.572 1 mm,0.3 m處的幅值為0.583 8,0.52 m處的幅值為0.563 4 mm,0.75 m處的幅值為0.564 8 mm,檢測(cè)軌道波磨損耗的最大波深為0.583 8 mm,最小波深為0.563 4 mm,平均波深為0.486 3 mm。研究設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)的軌道波磨損耗數(shù)據(jù),略低于實(shí)際的軌道波磨損耗數(shù)據(jù)。圖5(b)為實(shí)際情況與檢測(cè)數(shù)據(jù)的軌道波磨損耗功率譜密度對(duì)比結(jié)果,可以看到,實(shí)際情況下,功率譜密度圖中存在兩處明顯的波峰,分別是頻率為0處及頻率為4.784 m-1兩處,其中,頻率為0處波峰是由于軌道波磨損耗波形的數(shù)據(jù)均值,在線性條件中不為0造成的,該處對(duì)應(yīng)的功率譜密度為0.300 0 mm2*m。頻率為4.784 m-1處的波峰對(duì)應(yīng)的功率譜密度為0.106 4 mm2*m。除上述兩個(gè)明顯的波峰外,在頻率為9.384 m-1處,該頻率位置下的功率譜密度較小,不具有參考價(jià)值,由上述數(shù)據(jù)可知,軌道波磨損耗的實(shí)際波長(zhǎng)為209 mm。檢測(cè)情況中可以看到頻率在20 m-1以后,與實(shí)際情況基本一致,在此之前也與實(shí)際情況極其相似,僅在頻率為10~20 m-1之間,檢測(cè)頻率波動(dòng)較大,與實(shí)際值不符。檢測(cè)數(shù)據(jù)中,兩處明顯波峰分別在頻率為0及頻率為4.830 m-1處,檢測(cè)情況中除兩處明顯波峰外,也存在一個(gè)不明顯之處,由于不具有參考意義,因此不做討論,由上述數(shù)據(jù)可知,檢測(cè)結(jié)果的波長(zhǎng)為207 mm。
地鐵已經(jīng)是我國(guó)主要的城市交通手段之一,地鐵壽命與地鐵軌道波磨損耗息息相關(guān),為了提升城市地鐵的使用壽命,研究構(gòu)建了基于慣性基準(zhǔn)法的軌道波磨損耗檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)列車的軸箱加速度進(jìn)行測(cè)量以獲得軌道的波磨損耗情況,研究構(gòu)建的系統(tǒng)采用Model2012系列加速度計(jì)作為測(cè)量設(shè)備,并采用AD8250作為信號(hào)處理設(shè)備。結(jié)果顯示,基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的成本花費(fèi),是基于弦測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)的成本的83%。基于慣性基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)最大波深為0.583 8 mm,相較于實(shí)際值,降低了14.3%,檢測(cè)評(píng)價(jià)波深為0.486 3,相較于實(shí)際值,降低了12.7%,檢測(cè)數(shù)據(jù)波長(zhǎng)為207 mm,相較于實(shí)際波長(zhǎng),降低了0.96%。研究構(gòu)建的基于關(guān)系基準(zhǔn)法的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)成本更低,且其檢測(cè)精度滿足實(shí)際使用所需,但研究構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度僅剛好滿足實(shí)際應(yīng)用所需,誤差仍處于較高水平,仍待改進(jìn)。