侯博文，李佳靜，高 亮，蔡小培

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

在軌道交通大力發(fā)展的環(huán)境下，越來(lái)越多鐵路軌道安全及運(yùn)營(yíng)維護(hù)問(wèn)題也隨之而來(lái)。伴隨著軌道交通的大范圍服役[1]，軌道病害問(wèn)題不斷出現(xiàn)[2]。盡管目前我國(guó)無(wú)砟軌道系統(tǒng)整體服役良好，但在列車循環(huán)往復(fù)動(dòng)力及復(fù)雜環(huán)境條件的共同作用下，軌道結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中也涌現(xiàn)出不同類型的病害，如若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全服役造成極大隱患。因此，研究提出針對(duì)軌道病害的識(shí)別與評(píng)價(jià)方法具有重要意義。

作為鋼軌與無(wú)砟軌道間的連接系統(tǒng)，扣件系統(tǒng)的服役性能直接關(guān)系到整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的服役安全[3]。既有研究表明，當(dāng)無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)出現(xiàn)諸如彈條折斷[4-5]、扣件螺栓松脫[6-8]、扣件墊板竄出等病害后，車輛與軌道結(jié)構(gòu)的相互作用會(huì)進(jìn)一步加劇[9]，從而導(dǎo)致病害發(fā)展速度加快。以往研究中，針對(duì)扣件問(wèn)題的檢測(cè)方法大多通過(guò)人工巡檢的方式進(jìn)行，但該方法較依賴于巡道工人自身的職業(yè)素養(yǎng)與操作習(xí)慣，通常檢測(cè)的效率及準(zhǔn)確率低。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，廣大研究人員提出了基于機(jī)器視覺(jué)的場(chǎng)景識(shí)別和扣件失效定位方法[10-12]。閔永智等[13]利用開關(guān)型中值濾波和基于圖像梯度幅值的改進(jìn)Canny 邊緣檢測(cè)方法，通過(guò)基于曲線特征投影的模板匹配實(shí)現(xiàn)了扣件缺失的實(shí)時(shí)檢測(cè)。Singh 等[14]利用邊緣密度來(lái)定位扣件和檢測(cè)丟失扣件；戴鵬等[15]提出基于半監(jiān)督深度學(xué)習(xí)的扣件缺陷圖像識(shí)別方法，可快速精確定位扣件并識(shí)別扣件缺失、彈條折斷、彈條移位3類缺陷。范宏等[16]利用相鄰兩扣件圖形的差別，同時(shí)預(yù)先設(shè)定閾值，當(dāng)這一差值大于所設(shè)定值時(shí)即判斷扣件失效，實(shí)現(xiàn)扣件系統(tǒng)缺陷的自適應(yīng)檢測(cè)。機(jī)器視覺(jué)的方法雖然大幅提高了檢測(cè)精度，但目前尚存在檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜、難于現(xiàn)場(chǎng)布置、受光照等外界環(huán)境影響較大[17]等問(wèn)題，限制了機(jī)器視覺(jué)在扣件失效檢測(cè)方面的應(yīng)用。

王開云、朱勝陽(yáng)等[18-19]基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，分別研究了扣件系統(tǒng)的垂向振動(dòng)特性和彈條在安裝過(guò)程中的受力及列車動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)特性。對(duì)于扣件失效的理論及試驗(yàn)研究方面[20-23]科研人員也進(jìn)行了大量研究。尚紅霞等[24]建立了地鐵扣件系統(tǒng)有限元模型，表明Ⅲ型彈條的斷裂與彈條的安裝狀態(tài)密切相關(guān)，而隨著列車的反復(fù)通過(guò)，彈條在應(yīng)力集中處容易發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致輪軌相互作用力加劇，車輛和軌道結(jié)構(gòu)各部件加速破壞。余關(guān)仁等[25]建立鋼彈簧浮置板軌道三維有限元分析模型，研究列車行駛在扣件失效的鋼彈簧浮置板軌道上鋼軌垂向位移、加速度和臨近扣件支點(diǎn)反力的變化，且隨著失效扣件數(shù)目增加而顯著增大。Morales-Ivorra 等[26]通過(guò)VAMPIRE軟件研究了扣件失效在輪軌接觸位置產(chǎn)生的動(dòng)力影響，并評(píng)估其在兩條不同特性曲線上的列車脫軌風(fēng)險(xiǎn)。由以上可知，國(guó)內(nèi)外針對(duì)扣件失效引起軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)變化方面的研究較多，但從結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的角度開展對(duì)扣件失效識(shí)別的研究鮮見(jiàn)。

本文在現(xiàn)場(chǎng)1∶1實(shí)尺模型上提出了針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)扣件失效的檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)施加脈沖激勵(lì)[27-28]，根據(jù)鋼軌在扣件狀態(tài)良好及失效條件下的振動(dòng)響應(yīng)特性，研究選取合適的扣件失效識(shí)別判斷參數(shù)，并對(duì)提出的扣件失效識(shí)別方法進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了操作偏差對(duì)于扣件失效識(shí)別準(zhǔn)確率的影響。

1 現(xiàn)場(chǎng)激勵(lì)試驗(yàn)

本文選取1∶1實(shí)尺模型進(jìn)行脈沖激勵(lì)試驗(yàn)，實(shí)尺模型如圖1所示，試驗(yàn)布點(diǎn)方案[29]及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況分別如圖2和圖3所示。測(cè)試時(shí)，4個(gè)振動(dòng)加速度傳感器分別布置于鋼軌跨中斷面的軌腰和軌底外側(cè)以及鋼軌扣件斷面的軌腰和軌底外側(cè)，激勵(lì)點(diǎn)位置為扣件斷面處鋼軌頂面正中位置。

圖2 傳感器測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖/m Fig.2 Sketch of the location of the transducer

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of measuring points

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)儀器包括數(shù)據(jù)采集儀、振動(dòng)加速度傳感器和力錘，試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)如表1所示。測(cè)試的采樣頻率為20 kHz，力信號(hào)作為觸發(fā)條件，采集儀記錄力、振動(dòng)傳感器信號(hào)，每個(gè)工況下激勵(lì)30次，剔除偏差較大的數(shù)據(jù)后選取10組有效激勵(lì)力幅的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

本文針對(duì)CRTSⅡ型無(wú)砟軌道進(jìn)行脈沖激勵(lì)，所測(cè)得的力錘沖擊力的時(shí)域及頻域結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在當(dāng)前脈沖激勵(lì)下，10 Hz～4000 Hz 頻段內(nèi)的脈沖激勵(lì)頻譜較為平坦，說(shuō)明頻段范圍內(nèi)的激勵(lì)線性度較好，因此下文分析時(shí)主要選取該頻段范圍內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析。

表1 試驗(yàn)設(shè)備信息Table 1 Test equipment information

圖4 激勵(lì)力數(shù)據(jù)Fig.4 Excitation force data

本文的試驗(yàn)主要以扣件彈條失效開展研究，結(jié)合課題組前期研究成果及文獻(xiàn)調(diào)研[23,30-31]，在現(xiàn)場(chǎng)確實(shí)存在較多如圖5(a)所示螺栓預(yù)緊力不足的情況，且隨著扣件的扣壓力損失進(jìn)一步增大，將無(wú)法提供限制鋼軌位移的能力，線路的邊界條件也隨之發(fā)生改變。此時(shí)扣件的工作狀態(tài)基本接近如圖5(b)中彈條斷裂不提供扣壓力的情形，故采用人工移除扣件彈條的方式表征扣件單側(cè)彈條失效的模擬，且為了驗(yàn)證鄰近扣件彈條失效對(duì)于待檢測(cè)目標(biāo)扣件識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，在后文中也進(jìn)行了扣件失效組合工況試驗(yàn)，扣件彈條編號(hào)示意圖及扣件組合失效模擬的類型分別如圖6和表2所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)存在的扣件實(shí)際失效狀態(tài)及實(shí)驗(yàn)室扣件失效模擬Fig.5 Laboratory simulation and actual status of fastener failureon site

圖6 扣件彈條編號(hào)及激勵(lì)點(diǎn)位置Fig.6 Numbering of the fastener clipsand excitation position

表2 扣件組合失效類型Table 2 Failure type of fastener

通過(guò)對(duì)扣件正常及單側(cè)彈條失效狀態(tài)下的鋼軌施加力錘脈沖激勵(lì)，測(cè)試得到扣件正上方及扣件跨中位置兩個(gè)斷面的鋼軌軌腰及軌底外側(cè)的振動(dòng)加速度。分別將其轉(zhuǎn)換到1/3倍頻程后，對(duì)10組數(shù)據(jù)取平均值，得到的鋼軌軌腰及軌底外側(cè)的振動(dòng)加速度1/3倍頻程曲線如圖7所示。

利用圖7中的測(cè)試結(jié)果，分別計(jì)算四組測(cè)點(diǎn)位置下扣件分別處于正常及單側(cè)彈條失效狀態(tài)下的鋼軌振動(dòng)加速度振級(jí)差。通過(guò)分析可知，在10 Hz～128 Hz 頻段內(nèi)，由于鋼軌全局振動(dòng)模態(tài)剛度受多個(gè)扣件共同影響，失效某一個(gè)扣件對(duì)整體剛度的改變影響不大，故在低頻段相同測(cè)點(diǎn)處的鋼軌振級(jí)變化較?。辉?28 Hz～4000 Hz 頻段內(nèi)，鋼軌高階彎曲變形模態(tài)使得振動(dòng)響應(yīng)對(duì)于局部[32]扣件剛度的變化更加敏感，相同測(cè)點(diǎn)的振極差變化較為明顯，且扣件存在失效條件下的振動(dòng)響應(yīng)普遍高于正常工況[33]。當(dāng)前測(cè)試工況下，鋼軌振級(jí)差最大值在4.83 dB～6.26 dB，各1/3倍頻程中心頻率下的鋼軌振級(jí)差的平均值為1.58 dB～1.9 dB。為了更加顯著地表征扣件在不同狀態(tài)下對(duì)于鋼軌振級(jí)差的影響，因此初步選取2 dB作為鋼軌振級(jí)差的閾值用于識(shí)別扣件失效。

圖7 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)Fig.7 Vibration acceleration response of each measuring point

2 扣件失效識(shí)別方法研究

2.1 扣件失效識(shí)別的思路與方法

本文扣件失效識(shí)別方法主要基于鋼軌在扣件狀態(tài)良好及失效條件下的振動(dòng)響應(yīng)差異來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，對(duì)于振動(dòng)響應(yīng)的差異只要保證扣件在不同狀態(tài)下施加在鋼軌上的激勵(lì)源相同。通常行車激勵(lì)受車輛形式、車速和隨機(jī)不平順等因素影響較大，無(wú)法保證施加的激勵(lì)具有較為一致的分布。相比之下，采用人工激勵(lì)可以保證激振力及頻域分布基本一致，激振點(diǎn)選擇也較為靈活。綜上，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，選定檢測(cè)中常用的“寬頻”力錘脈沖荷載作為激勵(lì)源。首先獲得脈沖激勵(lì)作用下軌道結(jié)構(gòu)扣件正常及失效狀態(tài)下的鋼軌振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換(FFT)轉(zhuǎn)化到頻域上進(jìn)行對(duì)比，將頻域結(jié)果進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為振級(jí)(dB)后，比較兩者在各中心頻帶處的振級(jí)差，并利用超過(guò)某預(yù)設(shè)的振級(jí)差閾值(dB)的頻帶數(shù)占分析頻段內(nèi)總頻帶數(shù)的百分比來(lái)評(píng)判扣件失效是否存在，識(shí)別程序流程圖如圖8所示。

根據(jù)公式計(jì)算不同的頻帶劃分方法，將頻譜的譜線匯總到不同的頻帶中取幅值均值作為該頻帶下的幅值。每個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)的上、下限由式(1)和式(2)確定：

窄帶譜計(jì)算公式：

式中：fi對(duì)應(yīng)第i個(gè)頻帶的中心頻率；fu、fd為第i個(gè)頻帶的截止上限和截止下限；n可取1、3、6、12、24，當(dāng)n=3時(shí)代表1/3倍頻程。

圖8 扣件失效識(shí)別程序流程圖Fig.8 Flow chart of fastening system failure identification

由式(1)、式(2)可知，不同的頻帶劃分方式會(huì)導(dǎo)致某一條譜線處于不同頻帶，從而造成不同頻帶內(nèi)的振級(jí)差發(fā)生變化，因此必須首先分析不同頻帶劃分方式對(duì)于識(shí)別準(zhǔn)確率的影響。分析時(shí)，對(duì)于窄帶譜劃分方式，帶寬分別選取為1 Hz、10 Hz、50 Hz 和100 Hz，對(duì)于倍頻程譜劃分方式，分別選取1/1、1/3、1/6及1/12倍頻程。初步對(duì)比式(1)、式(2)可知，窄帶譜計(jì)算方法將全頻段的能量平均到均勻分布的頻帶中，即某種帶寬下，各頻帶包含的譜線數(shù)量相同。對(duì)于倍頻程譜而言，在其低頻區(qū)域內(nèi)，倍頻程譜的分辨率過(guò)細(xì)，當(dāng)FFT的譜線分辨率大于倍頻程某條頻帶的帶寬時(shí)會(huì)導(dǎo)致倍頻程譜中存在若干空頻帶，降低倍頻程譜對(duì)于振級(jí)差差異性的表征；在高頻區(qū)域內(nèi)，一個(gè)頻帶內(nèi)包含的譜線過(guò)多，同樣會(huì)降低倍頻程譜對(duì)于振級(jí)差差異性的表征。因此結(jié)合前文圖7的倍頻程曲線可以看出，采用窄帶譜的頻帶劃分方式比倍頻程的劃分方式更適用于扣件失效識(shí)別，因此下文分析時(shí)主要研究窄帶譜劃分方式下不同帶寬對(duì)于識(shí)別準(zhǔn)確率的影響。

根據(jù)上述描述，本文提出的扣件失效識(shí)別程序流程圖如圖8所示。在進(jìn)行扣件失效識(shí)別時(shí)，首先選取一段目視狀態(tài)較為良好的軌道結(jié)構(gòu)，對(duì)該區(qū)段內(nèi)相鄰兩跨軌枕的每個(gè)扣件位置進(jìn)行5組脈沖激勵(lì)測(cè)試，分別計(jì)算各個(gè)扣件位置的5組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的鋼軌窄帶譜在不同頻帶內(nèi)的振級(jí)平均值。若每個(gè)測(cè)試位置的試驗(yàn)結(jié)果在各頻帶內(nèi)的振級(jí)差均小于2 dB時(shí)，則選取該15組數(shù)據(jù)均值作為扣件狀態(tài)正常下的鋼軌振級(jí)基準(zhǔn)。將待檢測(cè)區(qū)段的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行窄帶譜分析并與正常狀態(tài)下的鋼軌振級(jí)基準(zhǔn)在每個(gè)中心頻率下做差后得到當(dāng)前窄帶譜劃分方式下的振級(jí)差曲線。設(shè)總頻帶數(shù)量為N，振級(jí)差曲線超過(guò)振級(jí)差閾值的頻帶數(shù)量為n，n占總頻帶數(shù)量N的比值為頻帶占比C。當(dāng)C超過(guò)預(yù)設(shè)的頻帶占比閾值Y時(shí)，判斷存在扣件失效；反之判斷扣件狀態(tài)正常，具體判斷方式如式(3)：{

2.2 評(píng)判指標(biāo)的計(jì)算

根據(jù)實(shí)際情況，存在2種識(shí)別出錯(cuò)的可能：①扣件正常而判斷成失效，造成誤判；②扣件失效但判斷成正常，造成漏判。為了分析計(jì)算程序識(shí)別準(zhǔn)確率，假設(shè)總測(cè)試次數(shù)為T，將存在失效但判斷為正常工況的個(gè)數(shù)為P，將正常工況判斷為存在失效的個(gè)數(shù)為Q，誤判率W及漏判率M分別定義如下：

扣件失效識(shí)別誤判率W：

2.3 扣件失效識(shí)別參數(shù)選取

本節(jié)主要研究窄帶譜頻帶帶寬的選擇，各頻帶內(nèi)的振級(jí)差閾值以及頻帶占比閾值對(duì)于扣件失效識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，從而確定三個(gè)參數(shù)的合理取值。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，以拆除扣件單側(cè)彈條模擬扣件失效為例，在該扣件所在位置處的軌頂進(jìn)行激勵(lì)并在軌腰及軌底安裝加速度計(jì)。在進(jìn)行扣件失效識(shí)別時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，故選取了20組激振力幅值較為接近的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，避免造成由于力幅大小不一而導(dǎo)致的軌道振動(dòng)響應(yīng)非線性，其中前10組試驗(yàn)扣件狀態(tài)保持正常，后10組測(cè)試扣件狀態(tài)為單側(cè)彈條失效。試驗(yàn)時(shí)考慮到扣件失效會(huì)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生較為明顯的影響，因此利用軌腰及軌底外側(cè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行判斷時(shí)，考慮如下判斷準(zhǔn)則：只有當(dāng)軌腰及軌底測(cè)點(diǎn)同時(shí)判斷該扣件不存在失效時(shí)，判斷扣件正常；當(dāng)軌腰或軌底外側(cè)測(cè)點(diǎn)中至少一個(gè)測(cè)點(diǎn)判斷扣件存在失效時(shí)，判斷為扣件失效。表3給出了當(dāng)選取振級(jí)差閾值和頻帶占比閾值分別為2 dB和70%，帶寬分別為1 Hz、10 Hz、50 Hz、100 Hz 時(shí)的程序識(shí)別準(zhǔn)確率結(jié)果。

表 3不同頻譜帶寬下的扣件失效識(shí)別率Table3 Fastening system failureidentification rate under different frequency band division

從表3可以看出，當(dāng)計(jì)算分析帶寬選擇為10 Hz時(shí)，扣件單側(cè)彈條失效識(shí)別的準(zhǔn)確率達(dá)最高，為100%，當(dāng)計(jì)算分析帶寬選擇其他帶寬時(shí)，扣件失效識(shí)別的準(zhǔn)確率在95%以上，由此說(shuō)明窄帶譜的帶寬的選取對(duì)于識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率有影響。因此，在進(jìn)行后續(xù)識(shí)別過(guò)程中，分析帶寬選為10 Hz。

在確定窄帶譜帶寬為10 Hz 基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究振級(jí)差閾值及頻帶占比閾值對(duì)于識(shí)別準(zhǔn)確率的影響。其中，振級(jí)差閾值分別選取為1 dB、2 dB、3 dB，頻帶占比閾值分別為60%、70%、80%，程序識(shí)別準(zhǔn)確率結(jié)果如表4所示。由表4數(shù)據(jù)可知，在相同的頻帶占比閾值下，振級(jí)差閾值越大會(huì)導(dǎo)致誤判率越低，漏判率越高；在相同振級(jí)差閾值下，頻帶占比閾值越高會(huì)導(dǎo)致誤判率越低，漏判率越高。可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于振級(jí)差閾值和頻帶占比閾值兩個(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)，振級(jí)差閾值參數(shù)更為敏感，要綜合選取最合適的參數(shù)達(dá)到最好的識(shí)別效果。在當(dāng)前工況下，振級(jí)差閾值和頻帶占比閾值分別為2 dB和70%時(shí)，扣件單側(cè)彈條失效的識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)100%。由此可知，選用2 dB的振級(jí)差閾值和70%的頻帶占比閾值有利于提高識(shí)別準(zhǔn)確率。綜上，后續(xù)分析時(shí)，以上參數(shù)按照窄帶譜帶寬10 Hz，振級(jí)差閾值2 dB，頻帶占比閾值70%的方式進(jìn)行選取。

2.4 程序可靠性驗(yàn)證

2.4.1實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證

考慮到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中扣件出現(xiàn)失效的情況具有一定的隨機(jī)性，因此本節(jié)主要針對(duì)程序的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。考慮到此次試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)實(shí)尺模型長(zhǎng)度有限，軌道板兩側(cè)與實(shí)際線路中的鋼軌約束狀態(tài)有一定差異，因此在試驗(yàn)時(shí)只針對(duì)板正中間的扣件進(jìn)行隨機(jī)拆除，激勵(lì)位置與加速度計(jì)安裝位置均位于扣件所在斷面。試驗(yàn)過(guò)程中，在每次錘擊之前對(duì)目標(biāo)扣件進(jìn)行隨機(jī)拆除，從多次試驗(yàn)結(jié)果中隨機(jī)選擇60次的試驗(yàn)結(jié)果，并分為3組不同的隨機(jī)驗(yàn)證工況。當(dāng)扣件彈條拆除時(shí)記錄為“1”，當(dāng)扣件保持原安裝狀態(tài)記為“0”。進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中軌腰和軌底測(cè)點(diǎn)在該測(cè)試工況下存在扣件失效記錄為“1”，扣件狀態(tài)正常記錄為“0”。評(píng)價(jià)該位置扣件狀態(tài)時(shí)采用軌腰和軌底的測(cè)點(diǎn)共同進(jìn)行判斷，只有當(dāng)軌腰及軌底測(cè)點(diǎn)同時(shí)判斷該扣件不存在失效時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果記錄為扣件正常；當(dāng)軌腰或軌底外側(cè)測(cè)點(diǎn)中至少1個(gè)測(cè)點(diǎn)判斷扣件存在失效時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果記錄為扣件失效。如無(wú)特殊說(shuō)明，后文在進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中均按此過(guò)程進(jìn)行。3組隨機(jī)試驗(yàn)的識(shí)別結(jié)果如表5所示。

表4 不同振級(jí)差和頻帶占比閾值下的扣件失效識(shí)別率/(%)Table 4 Fastening system failure identification rate under different vibration level threshold and percentage threshold

表5 不同驗(yàn)證工況下扣件失效識(shí)別結(jié)果Table 5 Identification results of fastener failure under different validation cases

由表5結(jié)果可知，驗(yàn)證工況1 的程序識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)100%；在當(dāng)前的判斷準(zhǔn)則下，驗(yàn)證工況2及驗(yàn)證工況3各出現(xiàn)了一組誤判情況，但不存在漏判。三組驗(yàn)證試驗(yàn)下的程序識(shí)別準(zhǔn)確率均在95%以上。以上驗(yàn)證結(jié)果可以說(shuō)明，該算法有較好的可靠性。

2.4.2京沈高鐵現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證

本文的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)在京沈高鐵正線開展，現(xiàn)場(chǎng)的軌道結(jié)構(gòu)類型為CRTSIII型板式無(wú)砟軌道，扣件采用WJ-8B型彈條，扣件節(jié)點(diǎn)間距為630 mm，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、彈性扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土層、隔離層以及具有限位結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土底座等部分組成。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，我們通過(guò)手持式數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置扣件失效病害前后的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，并應(yīng)用病害識(shí)別算法的即時(shí)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于扣件狀態(tài)的檢測(cè)，采用彈簧懸掛和磁鐵支座固定加速度計(jì)的安裝方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于軌腰和軌底測(cè)試位置的快速移位和安裝。

由于京沈段剛開通，軌道狀態(tài)良好，尚未出現(xiàn)扣件失效情況，征得上級(jí)主管部門同意，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)采用與實(shí)驗(yàn)室相同的方式進(jìn)行了扣件失效模擬試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的兩種工況分別為：1)扣件單側(cè)彈條失效；2)扣件雙側(cè)彈條失效。在京沈段對(duì)于2種不同失效工況分別進(jìn)行50次錘擊測(cè)試，測(cè)試得到的激勵(lì)力幅和扣件正常及失效條件下的鋼軌振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果如圖9所示。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)激勵(lì)點(diǎn)位置仍為扣件斷面處鋼軌頂面正中位置，選取扣件斷面位置的軌腰及軌底測(cè)點(diǎn)共同進(jìn)行失效識(shí)別判斷，采用本文的病害識(shí)別程序檢測(cè)扣件狀態(tài)的識(shí)別準(zhǔn)確率如表6所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.9 Field test results

表6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試扣件失效識(shí)別準(zhǔn)確率Table 6 Fastening system failureidentification rate on field test

從表6中的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，利用該識(shí)別程序在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行扣件失效識(shí)別時(shí)，識(shí)別的準(zhǔn)確率能達(dá)到94%以上，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率高。值得說(shuō)明的是，我們進(jìn)行50次試驗(yàn)是為了驗(yàn)證算法的魯棒性，對(duì)于同一扣件位置盡管會(huì)出現(xiàn)在某一次的結(jié)果中未識(shí)別的情形，但在后面的幾次測(cè)試結(jié)果仍然可以檢測(cè)出失效，因此在以后的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)敲擊3次進(jìn)行分析判斷，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)位置的加速度傳感器安裝控制在20 s完成，力錘敲擊鋼軌的測(cè)試過(guò)程可以控制在5 s敲擊3次的作業(yè)頻率，根據(jù)振動(dòng)加速度曲線的衰減時(shí)間，可以保證前后兩次的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果不疊加，對(duì)于某一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置檢測(cè)時(shí)間控制在30 s左右，現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)扣件位置的測(cè)試流程和每一步所用的時(shí)間如圖10所示。在振動(dòng)加速度傳感器的下方附有磁座，測(cè)試時(shí)只需將測(cè)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)，根據(jù)下文的分析只要保證測(cè)點(diǎn)安裝位置偏差小于6 cm，均能保證算法識(shí)別的魯棒性。本文的扣件失效的檢測(cè)效率相比人工檢測(cè)方式稍有下降，但存在很多明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)本文的病害識(shí)別方法檢測(cè)準(zhǔn)確性更高，設(shè)備的使用對(duì)人的依賴性和經(jīng)驗(yàn)性顯著下降，且通過(guò)振動(dòng)響應(yīng)獲得的數(shù)據(jù)信息更加全面、可靠。因此，本文提出的病害識(shí)別方法對(duì)于人工經(jīng)驗(yàn)難以判別的情況下，配合人工巡檢共同完成對(duì)于扣件失效的檢測(cè)是有必要的。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流程及所用時(shí)間Fig.10 Field test process and time

2.5 鄰近扣件失效影響

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)除存在單個(gè)扣件彈條失效外，通常還存在多個(gè)扣件連續(xù)失效等情況[26]。當(dāng)待檢測(cè)扣件附近存在其他失效扣件時(shí)可能會(huì)對(duì)當(dāng)前扣件的識(shí)別結(jié)果造成影響。因此，本節(jié)主要分析目標(biāo)扣件附近存在其他失效狀態(tài)扣件時(shí)，程序?qū)奂ёR(shí)別準(zhǔn)確性的影響?？奂M合失效工況及對(duì)應(yīng)的識(shí)別結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表7的識(shí)別結(jié)果，對(duì)于扣件雙側(cè)彈條失效、彈條連續(xù)失效及彈條間隔失效三種工況，程序識(shí)別的準(zhǔn)確率均可達(dá)100%。經(jīng)分析可知，當(dāng)扣件狀態(tài)正常時(shí)，由軌腰及軌底振動(dòng)測(cè)點(diǎn)判斷結(jié)果未出現(xiàn)任何誤判情況，但當(dāng)扣件發(fā)生不同類型的失效后，軌腰及軌底外側(cè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)發(fā)生了顯著變化，因此程序可以較好地對(duì)扣件失效狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。隨著彈條失效數(shù)量的增加，鋼軌振動(dòng)響應(yīng)將更加不同于扣件狀態(tài)正常下的鋼軌振動(dòng)響應(yīng)，因此扣件失效的識(shí)別準(zhǔn)確性更好。綜上可知，當(dāng)待檢測(cè)扣件附近存在其他失效扣件時(shí)基本不會(huì)對(duì)程序的識(shí)別準(zhǔn)確率造成影響。

表7 不同扣件失效方式下的識(shí)別結(jié)果Table 7 Identification results of different fastener failure modes

2.6 測(cè)點(diǎn)安裝位置影響

為了進(jìn)一步評(píng)估不同測(cè)點(diǎn)位置對(duì)于識(shí)別結(jié)果的影響，保持2.5節(jié)試驗(yàn)工況不變，進(jìn)一步增加了兩相鄰扣件跨中位置處的鋼軌斷面安裝振動(dòng)加速度計(jì)，從而比較不同測(cè)點(diǎn)所在斷面及位置對(duì)于識(shí)別結(jié)果的影響。限于篇幅，故僅給出不同位置處的識(shí)別準(zhǔn)確率，匯總?cè)绫?所示。

表8 不同測(cè)點(diǎn)位置下扣件失效識(shí)別準(zhǔn)確率/(%)Table 8 Identification accuracy rates of fastening system failure under different sensor fixing position

從表8結(jié)果可知，對(duì)于不同扣件失效工況而言，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位置位于目標(biāo)扣件所在的鋼軌斷面時(shí)，程序的識(shí)別準(zhǔn)確率明顯高于測(cè)點(diǎn)安裝于鄰近跨中位置斷面。利用扣件上方的軌腰及軌底測(cè)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別時(shí)，準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上。因此，在利用本文提出的程序算法進(jìn)行扣件失效識(shí)別時(shí)，建議將測(cè)點(diǎn)安裝位置位于待檢測(cè)目標(biāo)扣件所在位置的鋼軌軌腰及軌底外側(cè)，用兩個(gè)位置的測(cè)點(diǎn)共同判斷軌道病害。

3 操作偏差對(duì)識(shí)別準(zhǔn)確率的影響

由于脈沖激勵(lì)在現(xiàn)場(chǎng)需要人工進(jìn)行施加，不同操作者的操作習(xí)慣可能對(duì)識(shí)別結(jié)果造成影響。本節(jié)主要研究操作誤差對(duì)扣件失效識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，以扣件出現(xiàn)單側(cè)彈條失效為例，激勵(lì)點(diǎn)位于待檢測(cè)目標(biāo)處，選取扣件位置的振動(dòng)響應(yīng)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，分別研究激勵(lì)點(diǎn)位置偏差和測(cè)點(diǎn)位置偏差的影響。

3.1 激勵(lì)點(diǎn)位置偏差影響

本節(jié)主要研究激勵(lì)點(diǎn)位置的偏差對(duì)扣件失效識(shí)別準(zhǔn)確率的影響。測(cè)點(diǎn)位置位于目標(biāo)扣件對(duì)應(yīng)的鋼軌軌腰及軌底外側(cè)并保持不變，分別研究激勵(lì)點(diǎn)位于扣件正上方以及偏移2 cm、4 cm、6 cm、8 cm共計(jì)5個(gè)工況下激勵(lì)點(diǎn)位置偏差對(duì)于識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，如圖11所示。每個(gè)工況下各進(jìn)行20組錘擊試驗(yàn)，其中包含10組扣件狀態(tài)正常試驗(yàn)，10組扣件單側(cè)彈條失效試驗(yàn)。利用本文算法進(jìn)行識(shí)別后得到的結(jié)果如表9所示。

圖11 激勵(lì)點(diǎn)位置偏差示意圖 /cm Fig.11 Sketch of the deviation of the excitation position

表9 激勵(lì)點(diǎn)偏差對(duì)識(shí)別結(jié)果影響Table9 Influence of excitation position deviationson identification accuracy

從表9結(jié)果可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位置保持不變時(shí)，激勵(lì)點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差后對(duì)于識(shí)別結(jié)果影響較小。當(dāng)力錘激勵(lì)位置偏差超過(guò)6 cm 以上時(shí)，20組試驗(yàn)中僅出現(xiàn)了一組漏判情況，導(dǎo)致識(shí)別準(zhǔn)確率由100%下降至95%。整體來(lái)看，激勵(lì)點(diǎn)位置偏差對(duì)于本文提出的識(shí)別算法影響較小，即沿線路方向上，當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)位置距目標(biāo)扣件所在位置的偏差小于6 cm 以內(nèi)時(shí)可以保證大于95%的識(shí)別準(zhǔn)確率。

3.2 測(cè)點(diǎn)位置偏差影響

本節(jié)主要研究當(dāng)測(cè)點(diǎn)安裝位置在沿線路方向上出現(xiàn)偏差后對(duì)于扣件失效識(shí)別準(zhǔn)確率的影響。保持激勵(lì)位置不變，分別研究測(cè)點(diǎn)位于扣件正上方以及偏移2 cm、4 cm、6 cm、8 cm 共計(jì)5個(gè)工況下測(cè)點(diǎn)安裝位置偏差對(duì)于識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，如圖12所示。每個(gè)工況下各進(jìn)行20組錘擊試驗(yàn)，其中包含10組扣件狀態(tài)正常試驗(yàn)，10組扣件單側(cè)彈條失效試驗(yàn)。利用本文算法進(jìn)行識(shí)別后得到的結(jié)果如表10所示。

圖12 傳感器安裝位置偏差示意圖/cm Fig.12 Sketch of deviationsof sensorsfixing position

表10 測(cè)點(diǎn)偏差對(duì)識(shí)別結(jié)果影響Table 10 Influence of sensor fixing position deviation on identification results

從表10結(jié)果可知，當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)位置保持不變時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差后對(duì)于識(shí)別結(jié)果有一定影響。當(dāng)測(cè)點(diǎn)位置距離扣件中心線偏差從0 cm 增大至8 cm 時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率由100%下降至80%。當(dāng)傳感器安裝位置偏差在6 cm 以內(nèi)時(shí)，程序識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)95%。由此可見(jiàn)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作時(shí)，建議傳感器安裝位置距離目標(biāo)扣件中心線的偏差不大于6 cm，此時(shí)可以保證至少95%的識(shí)別準(zhǔn)確率。

4 結(jié)論

本文對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道扣件失效識(shí)別方法進(jìn)行了研究，通過(guò)開展場(chǎng)地1∶1實(shí)尺模型試驗(yàn)，采用人工移除扣件彈條的方式模擬扣件失效，根據(jù)自編程序設(shè)計(jì)了針對(duì)扣件失效狀態(tài)的識(shí)別算法，并對(duì)程序的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。利用該算法，分析了測(cè)點(diǎn)安裝位置、鄰近存在非目標(biāo)失效扣件以及人為操作誤差等因素對(duì)于識(shí)別準(zhǔn)確性的影響，得到的主要結(jié)論如下：

(1)提出了基于脈沖激勵(lì)下鋼軌振動(dòng)響應(yīng)的扣件失效識(shí)別算法，通過(guò)將鋼軌加速度進(jìn)行頻譜分析后，按照窄帶譜的頻帶劃分方式識(shí)別效果優(yōu)于倍頻程譜的頻帶劃分方式，當(dāng)選取頻譜帶寬10 Hz，振級(jí)差閾值2 dB，頻帶占比閾值70%時(shí)針對(duì)單目標(biāo)扣件失效的識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)100%。

(2)當(dāng)待檢測(cè)目標(biāo)點(diǎn)扣件相鄰扣件中存在失效情況時(shí)，該算法對(duì)目標(biāo)扣件失效的識(shí)別準(zhǔn)確率最高可達(dá)100%，說(shuō)明當(dāng)待檢測(cè)扣件附近存在其他失效扣件時(shí)基本不會(huì)對(duì)程序的識(shí)別準(zhǔn)確率造成影響。

(3)當(dāng)測(cè)點(diǎn)安裝位置位于待檢測(cè)目標(biāo)扣件對(duì)應(yīng)鋼軌斷面時(shí)，程序識(shí)別的準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上，識(shí)別準(zhǔn)確率明顯高于將測(cè)點(diǎn)安裝于相鄰兩扣件跨中的鋼軌斷面。

(4)在京沈高鐵正線開展了扣件失效識(shí)別驗(yàn)證，識(shí)別準(zhǔn)確率在94%以上?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手持式數(shù)據(jù)采集儀與病害識(shí)別算法的即時(shí)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于扣件狀態(tài)的檢測(cè)，保證單個(gè)扣件位置的檢測(cè)時(shí)間控制在30 s左右，實(shí)現(xiàn)在人工經(jīng)驗(yàn)難以判別的情況下配合人工巡檢進(jìn)行扣件狀態(tài)的檢測(cè)。

(5)激勵(lì)點(diǎn)位置偏差對(duì)于程序識(shí)別準(zhǔn)確率影響較小，測(cè)點(diǎn)安裝位置偏差對(duì)于程序識(shí)別準(zhǔn)確率影響較為明顯。在沿線路方向上，以扣件中心線為基準(zhǔn)，當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)位置與基準(zhǔn)位置的偏差小于6 cm、測(cè)點(diǎn)位置與基準(zhǔn)位置偏差不大于6 cm 時(shí)程序?qū)τ诳奂У淖R(shí)別準(zhǔn)確率在95%以上。