肖 乾，姜雄峰，劉海濤，謝鋒云，周生通

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實驗室，江西 南昌 330013）

高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展給國民經(jīng)濟(jì)注入了強(qiáng)大的活力，給人們的出行帶來了極大的便利，但同時也為鐵路的安全運(yùn)營帶來了巨大的挑戰(zhàn)。 安全和平穩(wěn)是高速列車運(yùn)行的最基本要求，其核心在于輪軌關(guān)系。 車輪作為輪軌關(guān)系中的重要一環(huán)，是影響輪軌關(guān)系的重要因素。 列車輪對的工作環(huán)境比較復(fù)雜，不但要和鋼軌、車閘發(fā)生撞擊和摩擦，且常受到雨水、油污甚至腐蝕劑的侵蝕和損害，列車輪對工作一段時間后，會造成一定程度的磨損和缺陷。 列車車輪踏面損傷常見形式為扁疤、剝離/剝落等車輪局部損傷和車輪踏面凹坑磨耗、車輪多邊形等車輪全周損傷， 其他缺陷形式如硌傷、脫層、塌陷等對輪軌動態(tài)響應(yīng)的影響和與車輪扁疤和剝離/剝落類似[1-3]。 踏面損傷會加劇車輛橫向振動，甚至發(fā)生列車脫軌事故[4]。 輪對質(zhì)量的優(yōu)劣對鐵路和城市軌道交通安全運(yùn)行至關(guān)重要。 及時對已損壞輪對進(jìn)行檢修，可以有效降低事故發(fā)生率、提高列車使用率。 對列車輪對幾何參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測跟蹤，可以為輪對設(shè)計與制造、使用與維修、輪軌磨耗預(yù)測及鋼軌型面優(yōu)化提供科學(xué)決策的依據(jù)。 如何對輪對幾何參數(shù)與損傷進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的測量，一直是軌道交通領(lǐng)域迫切需要解決的問題，也是此領(lǐng)域科研人員長期研究的重要課題[5]。

為了列車的安全運(yùn)營， 自上個世紀(jì)70 年代以來，世界各國相繼進(jìn)行了車輪踏面擦傷、磨耗、剝離等車輪損傷自動檢測監(jiān)測技術(shù)研究[6]。 楊凱[7]綜述了國內(nèi)外學(xué)者對車輪踏面擦傷和不圓度檢測所采取的靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩大類方法。 日本JR 公司于1994 年開始在鐵路中實際應(yīng)用列車輪對尺寸和車輪踏面形狀的動態(tài)檢測裝置[8]。 我國西南交通大學(xué)研制的LY 系列輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)采用了“電磁超聲探傷技術(shù)”和“光截圖像檢測技術(shù)”兩大關(guān)鍵技術(shù)， 實現(xiàn)了對車輪的外形尺寸和踏面缺陷檢測，操作便捷、自動化程度、實用性強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、缺陷檢出能力強(qiáng)，故障預(yù)警信息準(zhǔn)確、檢測準(zhǔn)確性高、系統(tǒng)重復(fù)性好， 在我國鐵路系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[9]。Cheng 等[10]在鋼軌旁布置一維、二維激光位移傳感器和車輪位置傳感器，結(jié)合三角測量原理，有效判別了通過輪對的輪緣高度、 輪緣厚度和車輪直徑。然而， 采用軌旁檢測的方法既不直接也不連續(xù)，無法做到對車輪在整個服役期間的實時監(jiān)控[11]。 我國地鐵車輛普遍受到車輪踏面磨耗的困擾， 汪群生等[12]建立考慮車體彈性振動和車下懸吊設(shè)備的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，分析一個鏇輪周期內(nèi)車輪磨耗對車體和車下懸吊設(shè)備振動響應(yīng)的規(guī)律，隨著運(yùn)營里程增加和列車運(yùn)行速度的提高，車體及其懸吊設(shè)備的振動特性不斷惡化。 而諧波磨耗車輪在車輛運(yùn)行過程中會產(chǎn)生周期性的垂向激勵引起車輛的強(qiáng)迫振動。 列車速度越高，激勵就越大，現(xiàn)場實測因車輪諧波磨耗引起的軸箱垂向振動加速度達(dá)到100～300 g， 引發(fā)了軸箱端蓋螺栓松動構(gòu)成行車隱患[13]。也就是說，車輪磨耗與轉(zhuǎn)向架或車體振動特性間必定存在某種聯(lián)系。 Wang[14]建立了車輪磨耗演變規(guī)律與轉(zhuǎn)向架和車體振動之間的關(guān)系，提出了車輪鏇修周期的優(yōu)化方案。Song 等[15]采用數(shù)值方法建立車輛-軌道耦合系統(tǒng)，分析了車輪多邊形引發(fā)的軸箱加速度動態(tài)響應(yīng)， 并使用EMMD （ensemble empirical mode decomposition）方法和Wigner-Ville 分布時頻法分析其時頻特性，由此監(jiān)測車輪多邊形化并識別車輪損傷程度。 軸箱加速度（axle box acceleration，ABA）分為垂向振動加速度、橫向振動加速度以及縱向振動加速度，軸箱加速度測量方便，在列車日常運(yùn)行中可以直接測量， 國內(nèi)外學(xué)者基于ABA 方法在軌道檢測和車輪局部損傷方面做了大量的研究工作。 鄧金豪等[16]采用現(xiàn)場測試和數(shù)值分析相結(jié)合的方法探討了高速列車輪對踏面擦傷與軸箱垂向加速度之間的關(guān)系，并提出一種自適應(yīng)形態(tài)提升小波法有效識別了車輪踏面擦傷。 Wei Liu[17]研究了輪對縱向振動特性與車輪踏面剝離的關(guān)聯(lián)性，輪對縱向振動與踏面剝離引起的接觸位置等接觸參數(shù)密切相關(guān)。 Molodova 和Li 等[18]為了進(jìn)一步提高鋼軌壓潰損傷的準(zhǔn)確性，對軸箱加速度檢測方式、信號處理方法以及自動分析算法上做了大量改進(jìn)， 現(xiàn)場試驗驗證了基于ABA 的鋼軌壓潰損傷檢測的有效性。

列車車輪踏面損傷監(jiān)測方法在近年來得到了迅速的發(fā)展，研究成果不斷積累，其中不乏許多新穎前沿的理論方法和技術(shù)手段。 為了更好地掌握鐵道車輪踏面損傷實時監(jiān)測方法，促進(jìn)相關(guān)研究領(lǐng)域的研究發(fā)展，本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外輪對踏面損傷實時監(jiān)測方法，對各方法的特點(diǎn)及其應(yīng)用進(jìn)行討論并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，系統(tǒng)全面地介紹研究現(xiàn)狀并對診斷方法的發(fā)展方向進(jìn)行討論。

1 車輪踏面損傷類型及檢測方法

1.1 損傷類型

鐵道車輪踏面損傷主要包括扁疤、 剝離/剝落、踏面凹坑磨耗和車輪多邊形等類型。 車輪踏面損傷會引起輪軌間強(qiáng)作用力，影響輪軌正常接觸和動力學(xué)性能，其中踏面/輪緣磨耗和車輪多邊形是高速列車檢測重點(diǎn)關(guān)注對象。

1.1.1 扁疤

車輪扁疤通常是在車輛異常制動或低黏著條件下, 由于車輪運(yùn)行狀態(tài)改變而引起輪軌間強(qiáng)烈摩擦, 進(jìn)而導(dǎo)致車輪接觸區(qū)材料缺失而產(chǎn)生的一種缺陷,如圖1 所示[19-21]根據(jù)車輪磨損情況可將車輪扁疤的損傷演化分為新扁疤、扁疤邊緣磨損、扁疤完全磨損3 個階段,其中,扁疤邊緣磨損、扁疤完全磨損統(tǒng)稱為舊扁疤。 車輪扁疤誘發(fā)的輪軌沖擊力和輪軌動態(tài)響應(yīng)可達(dá)正常情況下的數(shù)倍，產(chǎn)生輪軌噪聲[22-23]，且會對列車重要零部件造成沖擊，影響列車行駛安全。

圖1 車輪扁疤Fig.1 Wheel flat

1.1.2 車輪剝離/剝落

車輪踏面剝離指列車車輪在正常行程中由于熱-機(jī)載荷作用或輪軌滾動接觸疲勞而在踏面圓周或局部圓周上表現(xiàn)的金屬掉塊剝落損傷現(xiàn)象, 如圖2 所示[24-26]。有國外學(xué)者將熱損傷導(dǎo)致的這種現(xiàn)象稱為剝離，而由于輪軌滾滾動接觸疲勞產(chǎn)生的損傷定義為剝落。 然而，在實際情況中對這兩種情況區(qū)分較難，且可能同時存在，故國內(nèi)學(xué)者將其統(tǒng)一命名為剝離。 車輪踏面剝離的出現(xiàn)不但會影響列車行車安全，還會增加車輪鏇修和換輪的頻次，在減少車輪實際壽命的同時造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[27]。

圖2 車輪剝離Fig.2 Wheel tread spalling

1.1.3 車輪凹坑磨耗

車輪踏面磨耗為輪軌間滾動摩擦接觸中發(fā)生的一種自然損耗現(xiàn)象。 在高速鐵路系統(tǒng)中，由于列車運(yùn)行的平穩(wěn)性指標(biāo)和軌道平直度標(biāo)準(zhǔn)都很高，輪軌接觸點(diǎn)基本聚集在車輪名義滾動圓處，軌道軌頭的輪軌接觸光帶也較為集中，引發(fā)車輪踏面橫向凹坑磨損。 當(dāng)凹坑磨耗達(dá)到一定深度后，會導(dǎo)致由輪軌滾動接觸不連續(xù)引起的車輪橫向失穩(wěn)，將直接影響列車的安全性和舒適性，車輪踏面凹坑如圖3 所示[1，28]。

圖3 車輪凹坑磨耗Fig.3 Wheel tread hollow wear

1.1.4 車輪多邊形

車輪多邊形是指車輪沿踏面圓周方向的波狀、非均勻磨耗,屬于車輪不圓順的一種特殊形式,可分為周期性車輪不圓順和非周期性車輪不圓順2 種類型，如圖4 所示[29-31]。 列車車輪多邊形磨耗會引起列車軌道間強(qiáng)烈振動和噪聲，加速車輛軌道系統(tǒng)零部件疲勞破壞，嚴(yán)重威脅列車安全運(yùn)營[32]。

圖4 車輪多邊形Fig.4 Wheel polygonization

1.2 檢測方法

目前車輪踏面損傷的檢測方法，從檢測方式上分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩類。 靜態(tài)檢測法是在車輛入庫進(jìn)行檢修維護(hù)時，檢修員通過手持輪對尺寸測量儀器等測量工具手動測量輪對的各項參數(shù)，此法不能做到對車輪狀態(tài)的實時監(jiān)測。 動態(tài)檢測法是在列車運(yùn)行狀態(tài)下定性或定量的測量車輪踏面損傷程度。 動態(tài)檢測法不影響列車調(diào)度，具有信息化和自動化的特點(diǎn)，能夠自動檢測踏面損傷并儲存檢測結(jié)果，可實現(xiàn)實時的車輪狀況監(jiān)測。

自20 世紀(jì)70 年代起，世界各國相繼開展了鐵道車輛踏面故障動態(tài)檢測系統(tǒng)的研究工作[33]。 我國在90 年代中期提出了一些新的方法并應(yīng)用于鐵路交通[4]。 依據(jù)檢測裝備安裝位置的不同，動態(tài)檢測法可分為車載式檢測和軌旁式檢測兩種[7，34]，具體檢測方法如表1 所示。

表1 鐵道車輪踏面缺陷動態(tài)檢測方法Tab.1 Railroad wheel tread defect dynamic detection methods

2 軌旁式動態(tài)檢測法

軌旁式檢測法是在列車行進(jìn)線路上安裝檢測系統(tǒng)， 列車通過該段軌道時才可對車輪進(jìn)行檢測。目前，按照技術(shù)原理的不同常用軌旁動態(tài)檢測方法可分為輪軌力檢測法、 激光與機(jī)器視覺檢測法、聲發(fā)射檢測法、振動加速度法、超聲波檢測法、光纖光柵技術(shù)法。

2.1 輪軌力檢測法

一般情況下，可在鋼軌上粘貼應(yīng)變片或在車輪上裝置應(yīng)變片以獲取列車車輪行駛時所產(chǎn)生的振動激勵及由損傷引起的動態(tài)響應(yīng)，從而反映車輪踏面狀態(tài)[35]。 在檢測時，要通過標(biāo)定，得到載荷與應(yīng)變片的輸出之間的對應(yīng)關(guān)系，利用這種關(guān)系換算出輪軌垂向力的大小。 通過觀察輪軌垂向力的幅值，可以對其進(jìn)行簡單分析，初步判斷車輪狀態(tài)。 Nielsen等[36]利用安置在軌腰和軌底的應(yīng)變片電路成功測量輪軌接觸力和軌道彎矩。 為了得到列車車輪損傷與輪軌間動態(tài)響應(yīng)的映射關(guān)系，Johansson 等[37]將應(yīng)變片安裝在軌腰、軌底及軌枕上，將加速度傳感器裝于軌枕建立了一套車輪沖擊載荷監(jiān)測系統(tǒng)，用于研究車輪不圓對輪軌接觸力和軌道響應(yīng)的影響。 提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性與便利性一直是研究人員關(guān)注的方向，Paolo 等[38]通過高速攝像機(jī)和激光器對車輪踏面特征進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合輪軌力測量數(shù)據(jù)來制定車輪維護(hù)計劃， 為車輪維修決策提供了有用信息，圖5 為在軌腰安裝應(yīng)變片的示意圖及實際安裝圖。隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)變片的安裝位置也不再局限于軌道上，Pedro 等[39]開發(fā)了一種輪軌接觸力測量系統(tǒng)，主要通過在車輪上列裝應(yīng)變片獲取車輪變形，經(jīng)計算后算得輪軌接觸力，并與激光位移傳感器測車輪幅板變形獲取輪軌接觸力的方法進(jìn)行比較，此方案在等比例車輛模型中成功進(jìn)行了實驗。 研究發(fā)現(xiàn)，在過大曲線時， 應(yīng)變片法對輪軌接觸力更為敏感，并提出未來可將此法用于整車系統(tǒng)。

圖5 軌腰應(yīng)變片的安裝情況Figure.5 Installation of rail strain gauges

輪軌力檢測法系統(tǒng)穩(wěn)定性較好， 適用于高低速，但檢測結(jié)果受應(yīng)變片數(shù)量、車輪直徑和軌枕間距的影響，且有一定的技術(shù)要求。

2.2 激光和機(jī)器視覺檢測法

激光、機(jī)器視覺及兩者結(jié)合的測量方式是目前國內(nèi)外輪對幾何參數(shù)檢測方法的熱點(diǎn)研究方向。Samsoe U 等[40]提出一種基于激光位移傳感器的車輪磨耗檢測方法：列車行駛過監(jiān)測區(qū)段時，外側(cè)1D激光位移傳感器測量車輪踏面外形曲線， 內(nèi)側(cè)1D激光位移傳感器用于定位車輪內(nèi)側(cè)面位置，再結(jié)合修正算法即可計算出經(jīng)過車輪的輪廓曲線和踏面磨耗。 該方法結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)置多套外側(cè)激光傳感器可在瞬間得到車輪踏面外形曲線的多個點(diǎn)，減少車速對精度的影響，但成本將大幅提升。 激光傳感器也可用于測量車輪的踏面廓形，Nanumann 等[41]研發(fā)出一套基于多個1D 激光位移傳感器的列車車輪幾何參數(shù)測量系統(tǒng)， 可判斷車速高于72 km/h 的車輪是否存在過深磨耗，測量速度低于9.6 km/h 的列車車輪的直徑，輪緣厚度及磨耗等參數(shù)。 然而，單1D激光位移傳感器進(jìn)行車輪踏面測量會造成定位精度相對較低的問題，馮其波等[42-43]提出多種基于激光傳感器的車輪參數(shù)檢測方法， 其使用的雙1D 激光位移傳感器檢測方法可減小由車輪姿態(tài)和蛇形運(yùn)動導(dǎo)致的橫向定位誤差， 測量原理如圖6 所示，在C 點(diǎn)設(shè)置一個渦流傳感器， 在A，G 兩點(diǎn)分別放置激光位移傳感器, 以β 角度射出的激光照在車輪點(diǎn)E 上，根據(jù)C，E 兩點(diǎn)計算車輪半徑R，當(dāng)α=β 時有

圖6 雙1D 激光位移傳感器測量原理Fig.6 Schematic diagram of the diameter measurement using duoble 1D laser displacement transducer

同時，其發(fā)現(xiàn)在機(jī)械加工過程中確保3 個激光位移傳感器處于同一平面時， 測量同一踏面滾動圓的3點(diǎn)空間坐標(biāo)，通過坐標(biāo)擬合可得輪對直徑，提高測量精度且無需安裝渦流傳感器。 Zheng 等[44]利用此原理開發(fā)出使用3 個1D 激光位移傳感器動態(tài)精確測量列車車輪直徑的系統(tǒng)，大大降低了軌道形變對測量精度的影響，實驗證明，該系統(tǒng)測量誤差符合要求，未來可應(yīng)用于高速鐵路系統(tǒng)中。

列車車輪踏面機(jī)器視覺檢測法通常是以一束激光射向駛來的輪對形成踏面外形光帶，此光帶反應(yīng)了車輪踏面在光平面內(nèi)的幾何圖形[45]，在輪對下方與光平面成一定角度布置CCD （charge coupleddevice）攝像機(jī)采集圖像，通過邊緣檢測、跟蹤算法對圖像進(jìn)行出列和綜合分析計算，實現(xiàn)車輪外形的關(guān)鍵尺寸參數(shù)以及邊緣曲線的動態(tài)測量，最終得到車輪踏面的損傷信息。 隨著機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展，激光傳感器與攝像機(jī)的結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器更為常用。 成都車輛段與開發(fā)單位結(jié)合CCD圖像檢測技術(shù)和超聲探傷技術(shù)聯(lián)合研制出LY 型車輛輪對動態(tài)檢測裝置并投入線路實裝，基本實現(xiàn)普速客車車輪外形與擦傷檢測功能[9]。張廣軍等[46]提出的結(jié)構(gòu)光列車車輪直徑測量系統(tǒng)實現(xiàn)了車速100 km/h時，踏面磨耗測量誤差為0.18 mm，測量原理如圖7所示。 設(shè)置多套結(jié)構(gòu)光傳感器可獲取車輪整個踏面輪廓，可用于車輪故障分析，譚志忠等[47]在鋼軌內(nèi)外側(cè)設(shè)置多套結(jié)構(gòu)光幾何參數(shù)測量系統(tǒng)。 此系統(tǒng)可拍攝車輪完整一周的踏面，經(jīng)算法處理后可識別獲取車輪幾何參數(shù)及識別車輪擦傷故障。 環(huán)境光的強(qiáng)弱是影響監(jiān)測系統(tǒng)對車輪踏面損傷識準(zhǔn)確率的重要因素。 Ran 等[48]提出一種基于骨架提取的亞像素激光條紋中心提取算法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的車輪參數(shù)檢測系統(tǒng)中，可顯著降低復(fù)雜光照環(huán)境的干擾，提高測量精度。 同時分析了動態(tài)檢測引起的偏心誤差對測量結(jié)果的影響并建立模型進(jìn)行修正，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，且成功應(yīng)用于鐵路工務(wù)段。 還有學(xué)者將激光傳感器技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)結(jié)合起來以期獲得更為可靠高效的檢測方法。He 等[49]提出了激光與機(jī)器視覺結(jié)合法的輪對幾何參數(shù)檢測方法，1D/2D 激光位移傳感器分別確定車輪內(nèi)側(cè)空間位置和測量外側(cè)踏面曲線，由于車輪輪緣內(nèi)側(cè)基本不產(chǎn)生磨耗與擦傷，即可求出車輪直徑、輪緣厚、輪緣高、磨耗與內(nèi)側(cè)距等參數(shù)。 該方法具有系統(tǒng)簡單、成本低、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 基于結(jié)構(gòu)光的車輪幾何參數(shù)測量系統(tǒng)Fig.7 Schematic diagram of the structured light-based wheel geometry measurement system

基于激光、機(jī)器視覺及兩者結(jié)合的檢測方法實施起來較為簡單，故障定位精準(zhǔn)，分析結(jié)果可靠，且機(jī)器視覺技術(shù)廣泛應(yīng)用于車輪踏面檢測領(lǐng)域[50-51]，具有良好發(fā)展前景。

2.3 聲發(fā)射檢測法

列車在鋼軌上運(yùn)行時， 正常車輪與鋼軌之間發(fā)出的聲音是均勻而規(guī)則的。當(dāng)車輪故障產(chǎn)生后，聲音信號的規(guī)律性會被破壞， 會發(fā)出不同的振動聲音信號。 利用傳感器接收帶有故障車輪與鋼軌之間發(fā)出的不規(guī)律的聲音信號并對該聲音信號進(jìn)行分析，就可判斷出車輪是否存在損傷。 早期日本開發(fā)的基于噪聲檢測法的檢測系統(tǒng)，在軌旁安裝2 個聲音傳感器，一個傳感器用于探測車輪與軌道間產(chǎn)生的振動噪聲，另外一個用于探測背景聲，通過對比兩個傳感器采集到的信號，可以從傳感器采集到的聲音波形中分辨出車輪是否帶有踏面故障。 市場比較常見的有TADSTM, RailBAMTM 等聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)[52-53]，但其主要對車輪軸承進(jìn)行故障診斷,而非車輪損傷。

近年來，鐵路行業(yè)對監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和最高測量速度有了更高要求，研究人員對聲發(fā)射檢測技術(shù)進(jìn)行不斷地改進(jìn)。Bollas 等[54]對高頻AE 傳感器在車輪狀態(tài)動態(tài)檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。 聲發(fā)射檢測技術(shù)也可用于鋼軌裂紋檢測中，Hao 等[55]利用AE技術(shù)檢測高速鐵路強(qiáng)輪軌噪聲下的輪軌裂紋信號，并提出了一種Hurst 指數(shù)改進(jìn)型自適應(yīng)譜線增強(qiáng)器，抑制了列車高速狀態(tài)下的噪聲，提高了信噪比，取得了良好的檢測結(jié)果,其實驗臺如圖8 所示。對于此類非接觸式的測量方法，改進(jìn)其數(shù)據(jù)處理算法可獲得更好的識別效果，Chen 等[56]提出了一種麥克風(fēng)陣列信號處理方法用于識別故障車輪和定位，通過寬帶加權(quán)多信號分類方法估計車輪轉(zhuǎn)動過程中的聲源位置， 應(yīng)用Levenberg-Marquardt 和Crank Nicolson 方法得出相應(yīng)的地面阻抗， 再經(jīng)過庫爾特斯波束成型器確定損傷的準(zhǔn)確位置，實驗證明該方法可適用于車輪表面損傷產(chǎn)生的沖擊噪聲，且數(shù)值仿真和實驗具有良好的的一致性。

圖8 高速輪軌滾動接觸模擬試驗臺Fig.8 Simulation rig for high-speed wheel-rail rolling contact

聲發(fā)射檢測法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)安裝簡單，檢測方式簡單，但該方法測量精度受到限制，檢測信號易被臨輪干擾，只能對車輪做定性檢測。

2.4 振動加速度法

基于振動加速度的檢測方法主要是借助加速度傳感器來測量由輪軌相互作用產(chǎn)生的沖擊振動信號，進(jìn)而通過時域分析、頻域分析和模式識別等手段來判斷車輪故障情況[57]。 軌旁式動態(tài)檢測中的振動加速度法則是將加速度傳感器安裝在鋼軌上用于接收鋼軌的振動信號，檢測范圍包括車輪整個圓周。 Skarlatos 等[58]應(yīng)用模糊邏輯方法來診斷鐵路車路缺陷，利用裝置在新鐵軌的軌頭外側(cè)、軌腰和軌底的加速度傳感器獲取車輪駛過時的軌道振動信號，將信號的振動幅度值、中心頻帶和列車速度作為輸入進(jìn)行分析以判斷車輪缺陷等級， 如良好、輕度損壞、故障和危險。 并提出擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫以獲得更精準(zhǔn)的測量結(jié)果。 采用應(yīng)變片構(gòu)成的剪力橋無法做到對車輪全周長進(jìn)行故障診斷，因而必須加入其他類型的傳感器進(jìn)行聯(lián)合檢測。 Lee 和Chiu[59]提出將測量的加速度振動信號轉(zhuǎn)化為輪軌沖擊力以克服此缺點(diǎn)，同時比較了通過加速度計和應(yīng)變片剪力橋兩種方法獲取的軌道加速度與車輪沖擊力大小之間的關(guān)系，應(yīng)用反分析法和均方根法作為信號處理技術(shù)。 研究發(fā)現(xiàn)，剪力橋法在計算應(yīng)變計工作區(qū)域以內(nèi)的沖擊力方面表現(xiàn)良好，且不受車輛速度限制。 圖9（a）和圖9（b）分別給出了應(yīng)變片傳感器和加速度計接收到的部分時域信號。 從剪力橋在標(biāo)定過程中獲得的沖擊的標(biāo)準(zhǔn)偏差來看， 剪力橋的測量結(jié)果在其工作狀態(tài)下不受列車速度和載荷的影響。趙蓉和史紅梅[60]提出了一種基于高階譜的PSO-SVM的車輪擦傷識別方法，并取得良好識別結(jié)果。 振動加速度法能適應(yīng)列車高低速運(yùn)行，實現(xiàn)對車輪擦傷的判別。 并且性能穩(wěn)定，但難以避免來自鄰輪的干擾。

圖9 部分振動信號Fig.9 Partial vibration signal

2.5 超聲波檢測法

超聲波檢測法一般有超聲測距法和電磁超聲法兩種。 超聲波在物體表面?zhèn)鞑r以瑞利表面波為主，視材料特性，其僅在目標(biāo)表面以下半個波長的深度傳播，當(dāng)遇到表面缺陷時超聲波會受到阻擋而反射。 利用超聲波的這種原理，可實現(xiàn)對車輪表面缺陷進(jìn)行檢測。 俄羅斯于上世紀(jì)90 年代中期研制出基于超聲測距法的輪對參數(shù)檢測裝置，但檢測車速只能低于5 km/h。 Salzburger 等[61]提出了如圖10（a）所示的基于電磁超聲的軌旁動態(tài)檢測系統(tǒng)， 其主要手段是在鋼軌合適的位置安裝超聲探頭組，進(jìn)行檢測狀態(tài)下，探頭持續(xù)發(fā)出高頻超聲波信號，當(dāng)車輪碾壓到探頭上時，若車輪表面完好則超聲波會沿車輪運(yùn)行一周，若車輪表面存在缺陷超聲波傳播則受到阻擋，被反射回發(fā)射探頭，經(jīng)處理則可確定缺陷位置，診斷結(jié)果如圖10（b）所示。 該法測量方便，但測量車速需低于15 km/h。 鐵路車輛車輪和軌道之間的接觸條件對輪軌的壽命和列車行車安全至關(guān)重要， 采用超聲波反射測量法可有效測量輪軌狀態(tài)。 Brunskill 等[62]在軌道上開口以安裝超聲波傳感器來測試不同速度和負(fù)載下輪軌接觸壓力，利用準(zhǔn)靜態(tài)彈簧模型從反射的波形信號中提取輪軌接觸面積和接觸剛度信息，將數(shù)據(jù)處理后可得到輪軌接觸力二維曲線圖。 然而，在鋼軌上開口安裝傳感器會破壞鋼軌的整體性， 這將破壞鋼軌的整體性，加大鋼軌的局部接觸應(yīng)力，同時也影響列車運(yùn)行質(zhì)量和乘坐舒適度。 為此，Zhou 等[63]采取在軌腰上安裝超聲波陣列傳感器來檢測輪軌接觸應(yīng)力，從而得到輪軌接觸應(yīng)力在軌道分布云圖，為檢測車輪踏面狀態(tài)提供基礎(chǔ)依據(jù)。 在此研究的基礎(chǔ)上，Zhou 等[64]提出一種新型的基于超聲波反射測量法的短期和長期動態(tài)輪軌接觸監(jiān)測方法。 并對超聲波在鋼軌中的傳播途徑及超聲波元件的最佳安裝位置和發(fā)射器-接收器的組合進(jìn)行了深入的探索，研究結(jié)果表明該法可在列車輪嚴(yán)重磨損情況下檢測多個接觸點(diǎn)，且不需要改變軌道結(jié)構(gòu)，但此法仍處在實驗室階段。

圖10 超聲波檢測技術(shù)Fig.10 Ultrasonic technique

列車車輪超聲波缺陷信號本身受缺陷本身性質(zhì)、超聲波衰減、踏面材質(zhì)、踏面表面粗糙度、探頭耦合效應(yīng)和馬氏體等因素影響，會導(dǎo)致計算機(jī)進(jìn)行分析時，經(jīng)常出現(xiàn)對缺陷大小的錯誤判定。 故現(xiàn)階段仍需對缺陷信號的波形分析和當(dāng)量比較標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更多的研究和實驗測試。 超聲波檢測法的檢測精度高，計算速度快，能夠適應(yīng)不同車速，但是系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，安裝實現(xiàn)困難，成本高。

2.6 光纖光柵技術(shù)法

布拉格光纖光柵（fibre bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器的工作原理是通過在相位掩模上將一截短光纖暴露于紫外線輻射，而后掩模圖案將產(chǎn)生周期性折射率[65],FBG 傳感器在受到機(jī)械應(yīng)變和熱應(yīng)力變化的作用下，會導(dǎo)致反射光光譜中心波長變化，從而可從中心波長的變化反映外界物理量的變化。

FBG 傳感器具有無需電源布線，有強(qiáng)抗電磁干擾能力等特點(diǎn)， 因此被廣泛用于鐵路檢測系統(tǒng)中。在技術(shù)應(yīng)用方面，國內(nèi)外一些學(xué)者通過直接在軌旁加裝FBG 傳感器來間接得到列車車輪健康狀況信息。 Lee 等[66]利用FBG 組成的系統(tǒng)來測定列車的脫軌率，同時評估了FBG 傳感器在計軸、列車識別和速度檢測方面的能力。 Wang 等[67]在橋梁伸縮縫、軌腰、軌底版和混凝土板床安置了FBG 傳感器建立了一個軌道性能監(jiān)測和安全預(yù)警系統(tǒng)，并且能夠隨著季節(jié)和溫度的變化提供完整準(zhǔn)確的軌道變化的長期數(shù)據(jù)。采用FBG 傳感技術(shù)還可同時對列車車輪和鋼軌健康狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，Roveri 等[68]沿1.5 km的鐵軌安裝FBG 傳感器建立了一套車輪和軌道粗糙度的識別檢測系統(tǒng)，經(jīng)頻率濾波器、時域切分、時間和集合平均等手段處理數(shù)據(jù)后提取出每節(jié)車廂和軌道上的粗糙度信息，再由算法處理后即可確定軌道和車輪的磨損狀態(tài)、 列車速度和列車負(fù)載等，為鐵路維修服務(wù)部門實時反映軌道和運(yùn)行中的列車的健康狀況。 車輪多邊形化是高速列車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)異常振動的主要激擾源，可導(dǎo)致運(yùn)營列車車輛關(guān)鍵部件的缺陷或故障， 危害列車行駛安全，Liu 等[69]提出將FBG 傳感器粘于鋼軌軌腰出建立了一種車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)， 并結(jié)合了貝葉斯盲源分離的算法對信號進(jìn)行處理， 能夠在通過的車輪組中識別出車輪局部缺陷和車輪多邊形，預(yù)測車輪局部缺陷的位置。在線路上進(jìn)行實測后， 成功識別了偏差為0.06 mm的輕度車輪踏面損傷, 監(jiān)測結(jié)果與靜態(tài)檢測結(jié)果吻合良好，監(jiān)測系統(tǒng)如圖11 所示。 基于光纖光柵技術(shù)法的檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，適用于高低速，但技術(shù)難度和造價偏高。

圖11 實際線路上的FBG 監(jiān)測系統(tǒng)Fig.11 On- line FBG detection systems

3 車載式動態(tài)檢測法

車載式動態(tài)檢測法是將檢測系統(tǒng)安裝在車輛上以獲取車輪狀態(tài)信息，進(jìn)行車輪不間斷監(jiān)測。 車載式檢測系統(tǒng)傳感器一般安裝在軸箱上和轉(zhuǎn)向架上，采用監(jiān)測方法為軸箱振動加速度法（ABA）和光纖傳感技術(shù)（FBG）。

3.1 軸箱振動加速度法

將加速度傳感器直接安裝在車輪軸箱上，可以更直接的檢測到車輪故障引起的振動信號。 車輛軸箱振動信號比較復(fù)雜，因為它不僅包含車輪缺陷信息，還包括軌道狀態(tài)信息，故障不能直觀的反映出來。 因此，如何從強(qiáng)背景噪聲中有效地提取車輪特征是鐵路車輪故障檢測的關(guān)鍵問題。 周璇等[70]通過在滾動試驗臺的軸向上安裝3 個加速度傳感器獲取車輪踏面擦傷故障信號， 對信號經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸鈁71]（empirical mode decom-position，EMD） 后得到本征模函數(shù)分量（intrinsic mode function，IMF），提取各階IMF 分量的能量和峭度特征以構(gòu)建出特征向量并輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行故障識別。 結(jié)果顯示車速在200 km/h 內(nèi)具有較高識別率。滾動試驗臺及傳感器安裝位置如圖12 所示。然而，EMD 算法存在模態(tài)混疊的缺點(diǎn)，會導(dǎo)致IMF 在物理上不唯一，甚至失去意義， Li 等[72]提出了一種改進(jìn)的EMD 法并應(yīng)用于模擬軸箱加速度振動信號和實測軸箱加速度振動信號中， 通過實驗比對后發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的EMD 法可抑制模態(tài)混疊現(xiàn)象，具有更高的抗噪性。 在之后的工作中，Li 等[73]還提出了一種自適應(yīng)多尺度形態(tài)濾波的算法用于提取軸箱振動信號中的特征分量，并用于識別車輪是否存在扁疤故障，研究結(jié)果表明所提出的方法能夠?qū)崟r診斷出車輪的扁疤，且這種技術(shù)可適用于鐵路車輪實時監(jiān)測系統(tǒng)中。 陳博[74]將集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法[75]運(yùn)用到車輪軸箱加速度振動信號處理中， 采用基于遺傳算法-支持向量機(jī)的車輪多邊形識別方法并應(yīng)用于構(gòu)建的故障識別模型中，實驗表明模型對多邊形的識別效果良好。 對算法進(jìn)一步改進(jìn)后，Song 等[15]采用改進(jìn)的集合經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥ê蚖ingner-Ville 法對仿真得出的軸箱振動加速度信號進(jìn)行處理。 數(shù)值結(jié)果表明，車輛最大軸箱加速度及其頻率與車輪多邊形的階數(shù)之間存在定量關(guān)系。 國內(nèi)外學(xué)者還研究了除EMD 算法外的其他方法在車輪故障識別中的應(yīng)用，鄧金豪和金煒東[16]采用改進(jìn)的自適應(yīng)形態(tài)提升小波對實測軸箱垂向振動加速度信號進(jìn)行分析，有效的檢測出車輪踏面擦傷。Bosso 等[76]提出了一種用于識別車輪損傷的算法并將其集成到車載故障診斷系統(tǒng)中用于車載應(yīng)用。

圖12 實驗臺Fig.12 Test rig

軸箱加速度檢測法能實現(xiàn)對在役列車車輪狀態(tài)的實時監(jiān)測，檢測精度較高并可依據(jù)實測信號通過各手段來對車輪故障進(jìn)行定量定位識別，是目前的研究熱點(diǎn)。 但此法數(shù)據(jù)采集通道多，數(shù)據(jù)處理量大且仍停留在實驗室階段，未見成規(guī)模、系統(tǒng)的實裝應(yīng)用。

3.2 光纖傳感檢測法

應(yīng)用FBG 傳感器的監(jiān)測技術(shù)可實現(xiàn)車載裝備的車輪損傷識別。 香港理工大學(xué)Wang 等[77]利用裝在列車轉(zhuǎn)向的FBG 傳感器來獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)，開發(fā)了一種基于貝葉斯預(yù)測和動態(tài)線性模型（dynamic linear model, DLM）的車輪缺陷監(jiān)測系統(tǒng)，并經(jīng)過了實驗驗證。 在貝葉斯框架下，通過制定DLM 獲取由應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的近似實際應(yīng)力范圍，并得到下次觀測的預(yù)測分布，同時引出貝葉斯系數(shù)、最大累積貝葉斯系數(shù)和運(yùn)行長度這3 個指標(biāo)進(jìn)行離群值檢測和變化點(diǎn)檢測，在確認(rèn)變化點(diǎn)后，通過對變化點(diǎn)前后的連續(xù)觀測值進(jìn)行貝葉斯假說檢驗，執(zhí)行損傷評估，最終實現(xiàn)車輪損傷實時監(jiān)測。 多檢測技術(shù)融合使用可讓信息呈現(xiàn)方式更加多元與形象，有利于對車輪狀態(tài)融合分析，王其昂等[78]通過在線上車輛的軸箱處以如圖13 的方式布置雙向加速度計和FBG 應(yīng)變計來獲取列車軸箱加速度響應(yīng)，設(shè)計卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)，對不同標(biāo)簽的數(shù)據(jù)展開訓(xùn)練，進(jìn)行損傷特征提取后實現(xiàn)了對高鐵車輪損傷的高效識別，開拓了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在列車車輪損傷識別中的應(yīng)用。

圖13 傳感器布置Fig.13 Layout of sensors installation

4 結(jié)束語

車輪踏面損傷普遍存在于鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，車輪不圓與軌道不平順耦合作用產(chǎn)生的強(qiáng)振動與強(qiáng)噪聲嚴(yán)重影響車輛部分零件的服役壽命和列車動力學(xué)性能，危害列車行車安全。 本文從軌旁式檢測法和車載式檢測法方面，總結(jié)和分析了目前國內(nèi)外列車車輪踏面損傷實時監(jiān)測方法發(fā)展情況，得到結(jié)論如下。

1） 目前車輪踏面擦傷檢測技術(shù)還處于不斷的探索和發(fā)展中，目前投入實際使用的車輪踏面擦傷檢測方法檢測精度不高。

2） 基于軸箱加速度的檢測方法雖然成功的應(yīng)用于一些實驗室條件下的車輪損傷識別。 然而，并沒有形成整套的設(shè)備，無法在實際情況中充分應(yīng)用。

3） 大多檢測系統(tǒng)只適用于低速，在實際運(yùn)行的列車上實用性并不強(qiáng)。

4） 現(xiàn)階段軌道車輛踏面損傷檢測系統(tǒng)需要加快理論向應(yīng)用的轉(zhuǎn)化速度，切實提高軌道交通關(guān)鍵裝備的故障診斷及健康管理能力。

國內(nèi)外鐵路列車車輪狀態(tài)檢測技術(shù)有了一定成果，但總體而言，無論是理論研究還是實際系統(tǒng)的研制都還不夠成熟，仍有許多工作需要進(jìn)一步開展：

1） 鐵道列車車輪踏面檢測系統(tǒng)中傳感器的種類、位置和數(shù)量受結(jié)構(gòu)、成本制約。 傳感器的布置工作需同時考慮技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)效益，要求有足夠的測試信息數(shù)據(jù)量，使得踏面損傷檢測方法在實際應(yīng)用中面臨阻礙。 同時，檢測手段的易用性、實用性和兼容性的不完善是系統(tǒng)面臨的主要困難，解決該問題需要從提高損傷識別精度、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本等多個角度考慮。

2） 車輪踏面損傷診斷方法的激勵形式除了輪軌間相互的作用外還包含環(huán)境激勵，傳感器接收的信號中包含干擾源；而大部分檢測方法都假定環(huán)境激勵為一般的高斯白噪聲激勵，這與實際不符。 因此，對于如何有效處理接收的非平穩(wěn)信號，提高抗噪及識別準(zhǔn)確度未來將開展進(jìn)一步的研究。

3） 對于目前信號處理的各種智能算法仍處在實驗室階段，開展不同損傷診斷方法與算法相結(jié)合的應(yīng)用研究，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以解決在實際環(huán)境中遇到的問題。

4） 現(xiàn)階段對檢測方法的研究還在以定量定位為主，而損傷診斷中還應(yīng)包含故障預(yù)警與剩余壽命預(yù)測。 準(zhǔn)確的作出故障預(yù)警與剩余壽命預(yù)測，能在保證列車安全行駛的同時減少人力物力投入，降低維修成本。

5） 目前車輪鏇修是及時消除多邊形磨耗的關(guān)鍵手段。 科學(xué)的鏇修策略應(yīng)基于車輪多邊形磨耗實時精確監(jiān)控技術(shù)確定合理的多邊形深度鏇修限界、準(zhǔn)確預(yù)測車輪多邊形的發(fā)展階段及制定更經(jīng)濟(jì)性的狀態(tài)修決策。 這些都是目前需要進(jìn)一步開展的工作。

6） 軌道車輛需要針對性的智能運(yùn)維策略，繼續(xù)發(fā)展基于車輪損傷識別技術(shù)的研究， 實現(xiàn)狀態(tài)感知、故障特征提取、挖掘和分析，加強(qiáng)與人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的融合，利用現(xiàn)代信號處理技術(shù)的方法， 基于信號和基于知識的損傷識別技術(shù)研究。建立輪對全壽命周期跟蹤管理功能的輪對運(yùn)營狀態(tài)智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從人工檢測、人工管理到自動在線監(jiān)測、智能分析管理，不僅為輪對設(shè)計和管理提供設(shè)計與科學(xué)決策的依據(jù)，還能滿足現(xiàn)代城市軌道交通和鐵路發(fā)展的實際需求。