基于超声导波的实时断轨检测方法研究

论文摘要

随着我国铁路向客运高速化、货运重载化方向发展,对轨道结构的完整性提出了更高的要求,铁路运输安全保障工作的重要性越来越高。钢轨作为轨道结构的基本组成部分,具有承受车轮的巨大压力并将其传递到轨枕上,同时引导机车车辆车轮前进的功能。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面,还应提供较好的粘着牵引力。而铁路运营线上如果出现钢轨断裂就有可能造成列车出轨、倾覆等重大行车安全事故。因此,必须及时检测并发现钢轨中存在的裂纹或断裂,确保铁路运输的安全和畅通。本论文的主要目的是针对无轨道电路区段环线加计轴闭塞设备不具备断轨检测功能,而现有的工务钢轨探伤设备不能在线动态监测断轨的问题,设计一种适用于对没有装设轨道电路的无缝长轨区段进行断轨检测的方法。首先,本文通过总结和分析目前我国断轨统计资料和数据,得出断轨产生的主要原因和断轨分布的特点。在轨道交通中,钢轨由于自身材质的缺陷以及长期受到各种外力复合作用会使得钢轨发生折断现象。钢轨断裂最常见的原因有两种,一种是当有列车在钢轨上行驶时,钢轨在列车轮对的反复冲击力作用下发生断裂；另一种情况是当轨道空闲时,钢轨受到外界人为或自然灾害使得一段钢轨缺失造成断轨。断轨发生后如果不能及时发现将给铁路运输安全带来极大的威胁,轻者造成列车晚点,重则导致列车颠覆和人员伤亡,因而对断轨检测方法的研究具有重要意义。本文在分析比较了当前国内外断轨检测所使用的主要方法和检测设备的基础上,同时借鉴了工业生产中的超声导波无损检测思想,提出了一种基于超声导波在钢轨中传导与衰减测量技术的新的断轨检测方法。该方法采用两端发射超声导波、中央接收的检测方式。此方法不易受到钢轨及道床的电气参数影响,在道床泄漏阻抗小等一些不适合采用轨道电路的区段可以替代轨道电路完成断轨检测功能,并能通过声波回波时间、幅值测定法估测钢轨断裂位置和裂纹大小。对列车运行时钢轨中声波频谱的特征提取还可以使其具备区间内列车占用检测的功能。为了阐明该方法的检测机理,本文详细分析了超声导波在钢轨波导管中的传播特性和铁路环境中激励声的特征,然后使用LabVIEW编程开发环境设计了超声导波断轨检测仿真程序,完成了用户界面、信号生成、采集、断轨判断与报警、波形保存等各部分程序的编写。最后在理论分析的基础上,采用仿真平台分别对轨道完整态、列车占用态和断轨态进行仿真,提出了断轨定位及裂纹大小确定方法,为该断轨检测方法的实际应用提供了理论和仿真依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 国内外断轨检测发展状况
• 1.2 课题的背景及意义
• 1.3 论文主要工作
• 2 断轨产生机理及超声导波断轨检测方法的提出
• 2.1 断轨产生的机理分析
• 2.1.1 钢轨的功能和特性
• 2.1.2 断轨产生的原因及规律
• 2.2 超声导波断轨检测方案设计
• 2.2.1 检测方法设计
• 2.2.2 总体方案设计
• 2.2.3 设备可靠性设计
• 2.2.4 其它问题
• 3 超声导波断轨检测及钢轨声场数学模型分析
• 3.1 钢轨中的声波传播计算
• 3.1.1 矩形声波导
• 3.1.2 钢轨中声波传播截止频率计算
• 3.2 超声导波检测信号的频率选择
• 3.2.1 钢轨中超声导波频率与传播距离的关系
• 3.2.2 超声导波信号频率的确定
• 3.3 轨道环境振动激励分析
• 3.3.1 铁路周围环境中存在的激励声
• 3.3.2 轮轨声的种类及特点
• 3.4 轮轨接触模型
• 3.4.1 轮轨表面粗糙度谱
• 3.4.2 轮轨振动Remington模型分析
• 3.4.3 轮轨接触区作用函数
• 3.4.4 列车行驶噪声的频谱分析
• 3.5 铁路实际工作环境对断轨检测的影响
• 3.5.1 钢轨温度变化对导波传播的影响
• 3.5.2 施工或人为敲击的影响
• 3.5.3 雨水对钢轨中声信号的影响
• 3.5.4 列车车辆多种不确定噪声的影响
• 4 超声导波断轨检测仿真研究
• 4.1 仿真平台的选择
• 4.2 仿真程序设计
• 4.2.1 检测信号生成程序
• 4.2.2 数据采集程序
• 4.2.3 断轨判断与报警程序
• 4.2.4 数据保存程序
• 4.2.5 历史数据查询程序
• 4.2.6 仿真程序用户界面
• 4.2.7 仿真程序工作流程
• 4.3 钢轨完整态仿真
• 4.4 列车占用态仿真
• 4.5 断轨态的仿真分析
• 4.5.1 断轨类型分析
• 4.5.2 钢轨完全折断的仿真
• 4.5.3 钢轨垂向裂纹的仿真
• 4.5.4 钢轨断裂位置的仿真计算
• 4.5.5 钢轨断裂处的裂纹大小仿真计算
• 4.6 接收通道设备故障时的仿真
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果