張彥博, 劉秀波, 張博, 張志川, 陳茁

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生院, 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所, 北京 100081）

0 引言

隨著新建高速鐵路線逐年增多, 鋼軌擦傷對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)造成的影響也逐年增大, 目前已經(jīng)成為危害高速鐵路安全的主要因素。由于鋼軌擦傷會(huì)造成輪軌沖擊力增大, 鋼軌所受的垂直載荷增加, 會(huì)引發(fā)其他病害出現(xiàn)[1］, 因此對(duì)鋼軌擦傷快速準(zhǔn)確地檢出很有必要。

鋼軌擦傷的檢測(cè)方法主要包括鋼軌探傷、視覺(jué)檢測(cè)方法和基于軸箱加速度的檢測(cè)方法3類(lèi)。鋼軌探傷無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別未出現(xiàn)裂紋或掉塊的鋼軌擦傷；視覺(jué)檢測(cè)對(duì)于形態(tài)相近的表面?zhèn)麚p難以區(qū)分；基于軸箱加速度的檢測(cè)方法難以區(qū)分傷損種類(lèi), 所以鋼軌擦傷需要找到合適的檢測(cè)方法來(lái)精準(zhǔn)識(shí)別和定位。

根據(jù)《高速鐵路線路維修規(guī)則》, 高速鐵路鋼軌擦傷只能通過(guò)打磨或銑磨的方式來(lái)進(jìn)行維修或換軌。根據(jù)鋼軌擦傷特點(diǎn)、成因和形成機(jī)理, 建立有效的鋼軌擦傷防治措施和管理方法在鐵路運(yùn)營(yíng)中至關(guān)重要, 合理的周期性維護(hù)方法能夠保證列車(chē)運(yùn)行的安全性。

綜上所述, 針對(duì)鋼軌擦傷問(wèn)題的普遍性及對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全性的不利影響, 亟需開(kāi)展針對(duì)高速鐵路鋼軌擦傷的成因和特點(diǎn)、機(jī)理和檢測(cè)方法的相關(guān)研究。

1 鋼軌擦傷特點(diǎn)和成因

鋼軌擦傷（Wheel Burn）是機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組在不同軌面狀態(tài)下啟動(dòng)制動(dòng)、上下坡道、經(jīng)過(guò)小曲率半徑時(shí), 由于輪軌黏著力不足造成輪對(duì)空轉(zhuǎn)或輪軌之間的相對(duì)滑動(dòng), 使得輪軌接觸面因摩擦而產(chǎn)生塑性變形或金屬相變, 在鋼軌踏面產(chǎn)生白色光帶、局部凹陷、局部堆高, 甚至產(chǎn)生剝離掉塊, 從而危害列車(chē)運(yùn)行安全[2-7］。

鋼軌擦傷通常表現(xiàn)為在白色光帶上形成的橢圓形或長(zhǎng)條形的淬火區(qū)域（見(jiàn)圖1）, 圖1（a）為車(chē)輪空轉(zhuǎn)造成的擦傷；圖1（b）為擦傷造成的剝離掉塊[8］；圖1（c）為擦傷產(chǎn)生的長(zhǎng)條狀白層馬氏體。通常深度為0.3~2.5 mm, 長(zhǎng)度為15 mm~10 m, 間距為1.8~4.6 m不等[9］。擦傷處的硬度高于鄰近母材硬度[10］, 既有雙軌成對(duì)出現(xiàn), 也有單軌出現(xiàn), 以曲線分布和長(zhǎng)大坡道分布居多, 但存在部分擦傷分布未見(jiàn)明顯分布規(guī)律[5, 8-9］。

圖1 部分鋼軌擦傷的形貌特征

王棟[1］認(rèn)為, 列車(chē)啟動(dòng)空轉(zhuǎn)、軸重增大和牽引制動(dòng)力等多種作用力下會(huì)導(dǎo)致信號(hào)機(jī)前后、長(zhǎng)大坡道處和曲線處產(chǎn)生擦傷。胡二根[2］統(tǒng)計(jì)了機(jī)車(chē)擦傷的分布特征, 得出車(chē)站與制動(dòng)地段為擦傷多發(fā)地段, 其中上坡道的擦傷數(shù)量較多。魏建堂等[9］對(duì)擦傷的影響因素進(jìn)行了探究, 得出線路平縱斷面、機(jī)車(chē)類(lèi)型和運(yùn)輸組織模式對(duì)擦傷形成的影響較大。寧國(guó)平[11］通過(guò)對(duì)滬昆高鐵擦傷地段的車(chē)型、線路特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 得出擦傷一般是由工程車(chē)在建設(shè)初期造成的, 多分布于曲線和長(zhǎng)大坡道上。李闖[6］認(rèn)為機(jī)車(chē)啟動(dòng)、下坡制動(dòng)、抱閘行駛和輪軌接觸面相對(duì)滑動(dòng)是造成擦傷的4種原因, 坡度和軸重的增大會(huì)增加產(chǎn)生擦傷的可能性。以上擦傷均由機(jī)車(chē)產(chǎn)生, 而趙康云[7］提出, 動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)也會(huì)造成鋼軌擦傷, 但其發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng), 檢測(cè)難以發(fā)現(xiàn)。

2 基于仿真的鋼軌擦傷機(jī)理研究

輪軌耦合仿真為研究鋼軌擦傷的形成機(jī)理和擦傷對(duì)列車(chē)動(dòng)力學(xué)的影響提供了快捷有效的方法, 本節(jié)將針對(duì)輪軌有限元仿真的研究進(jìn)行論述。

2.1 擦傷形成機(jī)理的研究

根據(jù)擦傷的成因可知, 輪軌間的高溫摩擦和迅速冷卻是造成鋼軌表面相變產(chǎn)生白層馬氏體的根本原因, 所以熱耦合仿真模型的建立將有助于擦傷形成機(jī)理的研究, 從而得出擦傷的形成機(jī)理。

蘇航等[12］通過(guò)建立包含滑行制動(dòng)升溫、溫度擴(kuò)散和鋼軌冷卻3個(gè)階段的有限元熱力耦合模型, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪軌摩擦熱損傷機(jī)理的研究, 并對(duì)滑行速度、滑行時(shí)間和列車(chē)軸重等因素進(jìn)行了分析。趙鑫等[13-14］建立了純滑動(dòng)條件下的輪軌滾動(dòng)接觸熱耦合模型, 并研究了蠕滑率、摩擦系數(shù)、軸重和磨損速度對(duì)溫度場(chǎng)分布和熱載荷的影響[15］。針對(duì)鋼軌波磨, Chen等[16］建立了彈塑性熱耦合模型, 研究了車(chē)輪制動(dòng)過(guò)程中鋼軌波磨對(duì)輪軌熱接觸應(yīng)力和溫度分布的影響。大連交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[17-20］建立了輪對(duì)抱死滑行時(shí)熱接觸耦合的三維有限元模型, 研究了車(chē)輪踏面類(lèi)型、車(chē)輪直徑、相對(duì)滑動(dòng)速度和材料參數(shù)等因素對(duì)接觸斑、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。蘭州交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[21-24］分別建立了二維和三維的輪軌接觸熱耦合模型, 并在模型中引入了隨溫度變化的材料參數(shù)和摩擦系數(shù), 研究了不同蠕滑率對(duì)溫度分布和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響, 分析了變摩擦系數(shù)和相對(duì)滑動(dòng)速度與溫度分布和應(yīng)力分布的關(guān)系。Wu等[25］考慮了軌道與環(huán)境的熱對(duì)流、熱輻射, 采用隨溫度變化的材料參數(shù), 通過(guò)移動(dòng)鋼軌頂面法向接觸壓力和切向牽引力, 實(shí)現(xiàn)了二維滑動(dòng)接觸過(guò)程的仿真。

2.2 擦傷對(duì)列車(chē)動(dòng)力學(xué)的影響

代爾夫特理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)[26-36］建立了單輪單軌的三維隱傷有限元模型（見(jiàn)圖2）, 將隱式計(jì)算得出的輪軌靜態(tài)位移作為顯式分析的初始狀態(tài), 并設(shè)置動(dòng)態(tài)松弛距離來(lái)衰減初始振動(dòng), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)隱傷形成機(jī)理和隱傷對(duì)車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)影響的研究。趙鑫等[37］與賈昕昱[38］針對(duì)高速鐵路鋼軌波磨的問(wèn)題, 建立了類(lèi)似的仿真模型, 并限制了沙漏控制能量。于淼等[39-40］針對(duì)高鐵波磨和焊接接頭響應(yīng)的問(wèn)題, 建立了雙輪雙軌的瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型, 采用了8節(jié)點(diǎn)減縮積分線性實(shí)體單元以縮減運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)。

圖2 隱傷的三維有限元模型

Vo等[41］通過(guò)建立有限元模型, 對(duì)比了高黏著、低黏著以及完全打滑的情況對(duì)列車(chē)運(yùn)行狀況的影響。Han等[42］建立了帶有車(chē)輪扁疤缺陷的三維輪軌接觸有限元模型并分析了車(chē)輪扁疤對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的影響。劉洋[43］通過(guò)使用圓弧形凹坑來(lái)模擬鋼軌剝離掉塊, 使用與溫度相關(guān)的變摩擦系數(shù)來(lái)模擬摩擦熱的影響, 研究了鋼軌剝離掉塊對(duì)輪軌沖擊響應(yīng)的影響。

綜合來(lái)看, 建立熱力耦合仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擦傷形成機(jī)理的研究, 借鑒其他學(xué)者針對(duì)鋼軌波磨和隱傷的分析方法可以實(shí)現(xiàn)擦傷對(duì)列車(chē)動(dòng)力學(xué)影響的探究。

3 鋼軌擦傷檢測(cè)方法

目前鋼軌表面?zhèn)麚p的檢測(cè)方法主要有：渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁漏檢測(cè)、視覺(jué)識(shí)別和軸箱加速度檢測(cè)。由于超聲波檢測(cè)對(duì)于表面?zhèn)麚p靈敏度較低且多用于內(nèi)部傷損的探傷[44-45］, 所以在此對(duì)渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、視覺(jué)檢測(cè)和軸箱加速度檢測(cè)進(jìn)行論述。

3.1 電磁檢測(cè)

3.1.1 渦流檢測(cè)

利用電磁感應(yīng)原理, 以交流電磁線圈在鋼軌表面產(chǎn)生渦流的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)稱(chēng)為渦流檢測(cè)。被測(cè)鋼軌和檢測(cè)儀器會(huì)影響渦流的大小、相位以及分布位置, 其作用于線圈使得線圈的阻抗發(fā)生變化, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌缺陷的檢測(cè)[46］。Thomas等[47］研究了德國(guó)鐵路公司所用軌檢車(chē)的超聲和渦流檢測(cè)設(shè)備對(duì)不同傷損的檢測(cè)能力（見(jiàn)圖3）, 結(jié)果表明：渦流檢測(cè)能夠較好地確定鋼軌表面?zhèn)麚p的位置和大小, 如鋼軌擦傷、軌頭裂紋和輕微隱傷等。黃鳳英[48］對(duì)鋼軌表面裂紋進(jìn)行了渦流檢測(cè)定量評(píng)估的實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)隨著裂紋深度增加, 渦流檢測(cè)的準(zhǔn)確率逐漸下降, 若深度＞5 mm時(shí), 渦流檢測(cè)將無(wú)法提供準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。Kishore等[49］使用渦流探傷系統(tǒng)對(duì)不同深度和長(zhǎng)度的人造鋼軌表面裂紋和隱傷進(jìn)行檢測(cè), 通過(guò)對(duì)比獲得的信號(hào), 可以準(zhǔn)確區(qū)分表面裂紋及鋼軌隱傷。渦流對(duì)鋼軌表面?zhèn)麚p的面積和粗糙度較為敏感, 由于其穿透性較差且易受到裂紋形狀的影響, 所以對(duì)傷損深度的測(cè)量不準(zhǔn)確[50-51］。通過(guò)對(duì)鋼軌表面不同深度和角度的人工傷損檢測(cè), 熊龍輝等[52］對(duì)渦流探傷特性進(jìn)行了研究, 得出渦流探頭的最佳激勵(lì)頻率為769 Hz, 當(dāng)傷損深度＞2.7 mm或角度＞30°時(shí), 渦流檢測(cè)難以準(zhǔn)確識(shí)別傷損尺寸。針對(duì)渦流檢測(cè)裝置, 馬旺宇等[53］研制了一種適用于人工巡檢的便攜式渦流探傷儀；黃鳳英等[54］研究了一種既適用于道岔, 也適用于正線鋼軌的軌面渦流檢測(cè)系統(tǒng)；胡乾午等[55］開(kāi)發(fā)了可以定量準(zhǔn)確檢測(cè)鋼軌表面小裂紋的渦流探傷方法及裝置；Park等[56］設(shè)計(jì)了手推式16通道渦流檢測(cè)設(shè)備, 對(duì)軌面?zhèn)麚p的長(zhǎng)度和寬度測(cè)量較為準(zhǔn)確。

圖3 軌道檢測(cè)車(chē)的渦流檢測(cè)設(shè)備

3.1.2 漏磁檢測(cè)

當(dāng)磁性材料被磁化時(shí), 表面的缺陷會(huì)引起磁導(dǎo)率的變化, 從而導(dǎo)致磁路中的磁通產(chǎn)生偏移, 進(jìn)而改變磁感應(yīng)線的方向, 使部分磁通漏到材料表面, 并在空氣中繞開(kāi)缺陷, 然后再進(jìn)入材料內(nèi)部, 從而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)[57］。漏磁檢測(cè)是通過(guò)磁性傳感器采集到的磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)探測(cè)鋼軌表層和淺表層的損傷。

常規(guī)的二維漏磁信號(hào)檢測(cè)技術(shù)雖然能夠識(shí)別規(guī)則性缺陷, 但無(wú)法滿足實(shí)際檢測(cè)的需求, 為了克服檢測(cè)方法不足, 王平等[58］采用三維磁場(chǎng)測(cè)量方法和有限元法對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的三維分布情況進(jìn)行了分析, 并設(shè)計(jì)了一套三維漏磁檢測(cè)系統(tǒng)。為滿足高速檢測(cè)的需求, 熊龍輝等[59］研究了巡檢速度、提離距離等影響因素對(duì)鋼軌磁化強(qiáng)度的影響；高運(yùn)來(lái)等[60］從理論、仿真和試驗(yàn)3個(gè)方面對(duì)高速漏磁裂紋巡檢的速度效應(yīng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[61-63］研究了脈沖漏磁信號(hào)的過(guò)沖和波動(dòng)現(xiàn)象, 建立了信號(hào)特征與缺陷參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)人工裂紋缺陷深度的量化評(píng)估。為了提高漏磁場(chǎng)對(duì)鋼軌傷損的檢測(cè)精度, 文獻(xiàn)[64-66］在漏磁檢測(cè)的磁路中加入了鐵氧體, 提高了漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度和范圍；張潤(rùn)華等[67］在磁路中加入了屏蔽層, 減弱了振動(dòng)的干擾, 提高了信噪比；張事成等[68］與賈銀亮等[69］提出了一種縱向陣列式漏磁檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)干擾的抑制。徐其瑞等[70］將其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)安裝在GTC-80X鋼軌探傷車(chē)上并進(jìn)行了車(chē)載試驗(yàn), 實(shí)現(xiàn)了40 km/h運(yùn)行速度下對(duì)頂面人工傷損的檢測(cè)。Antipov等[71-73］探究了俄羅斯鋼軌探傷車(chē)搭載的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)在鋼軌橫向裂紋的深度檢測(cè)中的可行性, 并提出了速度超過(guò)80 km/h時(shí), 漏磁磁極之間的距離應(yīng)超過(guò)3 m, 探傷車(chē)漏磁系統(tǒng)布局示意見(jiàn)圖4[72］。

圖4 探傷車(chē)漏磁系統(tǒng)布局示意圖

3.2 視覺(jué)檢測(cè)

3.2.1 熱成像檢測(cè)

熱成像檢測(cè)又被稱(chēng)為紅外熱成像檢測(cè), 因鋼軌無(wú)法自發(fā)熱, 所以鋼軌探傷一般使用主動(dòng)式紅外熱成像技術(shù)來(lái)檢測(cè)。根據(jù)加熱方式不同, 主動(dòng)式紅外熱成像可分為脈沖熱成像、階躍脈沖熱成像、鎖相熱成像以及超聲波熱成像[74］。

脈沖熱成像是當(dāng)導(dǎo)電試樣在不同脈沖的激勵(lì)下以及傷損的影響下, 因焦耳熱現(xiàn)象產(chǎn)生溫度場(chǎng)的分布和傳導(dǎo)現(xiàn)象時(shí), 使用紅外熱像儀在加熱和冷卻階段獲得紅外熱成像圖, 并通過(guò)分析處理多熱圖來(lái)檢測(cè)傷損[75-76］。Peng等[77］基于渦流脈沖熱成像技術(shù), 對(duì)鋼軌斜裂紋進(jìn)行檢測(cè), 并分析了其時(shí)域和頻域空間曲線。白潔等[78］利用渦流脈沖熱成像技術(shù), 研究了鋼軌疲勞裂紋中第三種物質(zhì)填充引起的裂紋閉合效應(yīng), 并對(duì)其特征進(jìn)行了分析。Feng等[79］通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與建立仿真模型對(duì)隱傷裂紋生長(zhǎng)的兩階段進(jìn)行了渦流脈沖熱成像探傷, 驗(yàn)證了渦流脈沖熱成像檢測(cè)對(duì)隱傷識(shí)別的可行性。

脈沖熱成像對(duì)于小尺寸傷損的檢測(cè)不是很敏感, 而鎖相熱成像能夠從干擾信號(hào)中提取出小缺陷造成的微弱的周期性響應(yīng)信號(hào)[80］。趙延廣[81］利用鎖相紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)了復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)中的夾雜、開(kāi)裂和脫粘等缺陷, 并對(duì)其疲勞性能進(jìn)行了研究。Peng等[82］使用由波形發(fā)生器控制的舞臺(tái)燈光作為熱源, 激勵(lì)含有多個(gè)隱傷的鋼軌, 證明了鎖相紅外熱成像檢測(cè)可以準(zhǔn)確識(shí)別鋼軌隱傷（見(jiàn)圖5）。呂寶西[83］對(duì)U71Mn鋼軌的軌頭、軌腰、軌底等部位進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展試驗(yàn), 通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的柔度法、顯微目測(cè)法, 證明了鎖相紅外熱成像技術(shù)的先進(jìn)性。

圖5 鋼軌隱傷熱成像檢測(cè)

3.2.2 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)

目前在軌道傷損檢測(cè)中, 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)器視覺(jué)主要用攝像頭獲取圖像信號(hào), 然后利用圖像處理系統(tǒng)將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào), 讓計(jì)算機(jī)代替人眼來(lái)做出相應(yīng)判斷。與人眼類(lèi)似, 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)可以有效檢測(cè)到鋼軌表面的傷損, 但無(wú)法探測(cè)到鋼軌內(nèi)部裂紋或淺表層缺陷。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立起較為完善的行業(yè)體系和標(biāo)準(zhǔn), 并在世界各地鐵路得到廣泛應(yīng)用, 其中具有代表性的有[84］：

（1）美國(guó)ENSCO研發(fā)的RSIS系統(tǒng)采用線掃描成像法, 從行駛的車(chē)輛上收集和記錄連續(xù)的高分辨率軌道表面圖像, 并能夠成功識(shí)別剝離掉塊、裂紋、隱傷和擦傷等。

（2）意大利MERMEC公司研制的V-CUBE鋼軌視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可以從3個(gè)子系統(tǒng)獲取鋼軌表面、緊固件、軌枕和道床的多達(dá)50種病害圖像和檢測(cè)數(shù)據(jù), 運(yùn)行速度可達(dá)到200 km/h。

（3）德國(guó)BvSys公司所開(kāi)發(fā)的RailCheck系統(tǒng)使用線陣掃描相機(jī)并配合大功率LED燈來(lái)拍攝整個(gè)作業(yè)面, 該檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌面、扣件、軌枕、道岔等結(jié)構(gòu)的檢測(cè), 并且運(yùn)行速度可達(dá)200 km/h。

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院團(tuán)隊(duì)[85-86］研制了車(chē)載軌道巡檢系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用6個(gè)線陣CCD相機(jī)運(yùn)動(dòng)掃描以獲取軌道圖像, 并利用主成分分析和線性判別分析等方法構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型, 實(shí)現(xiàn)對(duì)擦傷等病害的自動(dòng)化識(shí)別。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了95%的擦傷檢出率, 巡檢速度可達(dá)160 km/h。丁政開(kāi)[84］采用4K高精度線陣相機(jī), 設(shè)計(jì)了手推式鋼軌表面缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)車(chē), 并采用最大穩(wěn)定值區(qū)域方法提取鋼軌擦傷特征, 實(shí)現(xiàn)了鋼軌擦傷的自動(dòng)化識(shí)別, 識(shí)別過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6 鋼軌擦傷視覺(jué)檢測(cè)

任盛偉等[87］提出了鋼軌表面擦傷的檢測(cè)算法, 主要包括：鋼軌區(qū)域提取、灰度圖生成、基于最大熵原理的二值化處理和擦傷的判定4個(gè)過(guò)程, 實(shí)現(xiàn)了90.7%的平均準(zhǔn)確率和3.95%平均漏檢率。在任盛偉等人的基礎(chǔ)上, 趙宏偉等[88］采用了圖像均值填充法, 增加了灰度圖中擦傷區(qū)域與背景圖之間的對(duì)比度, 提高了擦傷檢出率。基于盲源分離原理, 李清勇等[89］提出了缺陷圖像的稀疏表示模型并實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌擦傷的識(shí)別。Yunus等[90-91］采用深度學(xué)習(xí)處理了來(lái)自3D激光相機(jī)的軌面缺陷圖像, 實(shí)現(xiàn)了144 km/h速度下的實(shí)時(shí)檢測(cè), 識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99%。Li等[92］利用加權(quán)投影廓形的軌道定位算法分割由車(chē)載圖像子系統(tǒng)采集到的軌道圖像, 然后利用支持向量機(jī)識(shí)別波磨, 檢測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)98.47%。侯博文等[93］提出了利用ResNet作為分類(lèi)模型的深度殘差網(wǎng)絡(luò)的軌道缺陷識(shí)別方法, 利用已知鐵路隧道的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模型訓(xùn)練, 實(shí)現(xiàn)了98.51%的識(shí)別準(zhǔn)確率。Bai等[94］提出了一種基于改進(jìn)YOLOv4的鐵路表面缺陷檢測(cè)方法, 實(shí)現(xiàn)了鐵路路面的輕量化網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)檢測(cè), 提升了對(duì)鋼軌表面微小傷損的檢出率。

3.3 軸箱加速度檢測(cè)

軸箱與輪對(duì)為剛性連接, 鋼軌的短波不平順會(huì)表現(xiàn)為輪對(duì)的振動(dòng), 并通過(guò)輪對(duì)直接傳遞到軸箱, 所以軸箱加速度在一定程度上能反映鋼軌缺陷在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的激擾, 利用軸箱加速度可以識(shí)別部分鋼軌傷損[95］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多通過(guò)使用軸箱加速度來(lái)測(cè)評(píng)鋼軌狀態(tài)的研究, 其中Molodova等[96］利用小波功率譜, 根據(jù)軸箱加速度信號(hào)的頻域響應(yīng)對(duì)不同嚴(yán)重程度的隱傷進(jìn)行分類(lèi), 并可以根據(jù)頻率大小區(qū)分隱傷的嚴(yán)重程度（見(jiàn)圖7）。輕微隱傷檢出率為78%, 中、重度隱傷檢出率為100%。Li等[97］提出了3種基于軸箱加速度的檢測(cè)輕微隱傷的改進(jìn)方法。第1種為采用縱向軸箱加速度以提高對(duì)隱傷檢測(cè)的靈敏度；第2種為使用多傳感器, 采用降噪技術(shù)并重復(fù)測(cè)量；第3種為采用減少車(chē)輪缺陷干擾的信號(hào)處理方法。曹西寧等[98］采用希爾伯特-黃變換的方法, 對(duì)軸箱加速度進(jìn)行時(shí)頻分析, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)短波不平順的定位, 為養(yǎng)護(hù)維修工作提供了保障。基于希爾伯特-黃變換, 鄧小軍等[99］改進(jìn)了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解理論, 通過(guò)添加白噪聲來(lái)構(gòu)造不同的尺度分量, 實(shí)現(xiàn)了時(shí)頻空間的均勻分布, 并對(duì)波磨時(shí)頻特征進(jìn)行了分析。Jamshidi等[100］通過(guò)使用特定頻帶中的軸箱加速度的最大功率譜密度估計(jì)隱傷的視覺(jué)長(zhǎng)度, 建立了隱傷增長(zhǎng)的穩(wěn)健預(yù)測(cè)模型。劉金朝等[101］提出了基于軸箱垂向振動(dòng)加速度的軌道沖擊指數(shù)方法, 減少了鋼軌接頭焊縫、道岔等隨機(jī)因素對(duì)結(jié)果的影響, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道短波不平順病害的識(shí)別。

圖7 輕微和重度隱傷的小波功率譜對(duì)比

綜合來(lái)看, 渦流檢測(cè)對(duì)深度較深的傷損檢測(cè)會(huì)存在不準(zhǔn)確性, 但對(duì)表面?zhèn)麚p的檢測(cè)如鋼軌擦傷具有較強(qiáng)的適用性；漏磁檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌表面?zhèn)麚p的快速識(shí)別, 未來(lái)可應(yīng)用于鋼軌擦傷的識(shí)別；熱成像檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌隱傷、鋼軌軌頭、軌腰、軌底等部分的裂紋檢測(cè), 但其尚未應(yīng)用于擦傷的識(shí)別；機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高時(shí)速的鋼軌擦傷檢測(cè)與識(shí)別, 且識(shí)別準(zhǔn)確率較高；軸箱加速度可以識(shí)別輪軌沖擊位置, 但難以直接區(qū)分傷損類(lèi)型。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)鋼軌擦傷的相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研, 綜述了鋼軌擦傷的成因和特點(diǎn)、鋼軌擦傷的機(jī)理研究以及鋼軌擦傷的主要檢測(cè)方法。主要結(jié)論如下：

（1）鋼軌擦傷是由于輪軌黏著力不足而產(chǎn)生的輪對(duì)空轉(zhuǎn)或者輪軌之間的相對(duì)滑動(dòng), 使得鋼軌踏面因摩擦而產(chǎn)生塑性變形或金屬相變, 可能會(huì)導(dǎo)致擦傷表面出現(xiàn)白色光帶、局部凹陷、局部堆高、局部裂紋以及掉塊。鋼軌擦傷通常會(huì)以單軌分布或雙軌對(duì)稱(chēng)分布的形式出現(xiàn)在進(jìn)出站信號(hào)機(jī)前后、長(zhǎng)大坡道和曲線段處, 機(jī)車(chē)軸重、線路平縱斷面、軌面狀態(tài)、啟動(dòng)制動(dòng)和輪軌接觸關(guān)系會(huì)對(duì)擦傷的形成產(chǎn)生影響。

（2）有限元仿真分析是分析鋼軌擦傷機(jī)理的一種行之有效的分析方法, 建立熱耦合仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擦傷形成機(jī)理的研究, 借鑒其他學(xué)者針對(duì)鋼軌波磨和隱傷的分析方法可以實(shí)現(xiàn)擦傷對(duì)列車(chē)動(dòng)力學(xué)影響的探究。

（3）針對(duì)鋼軌擦傷的檢測(cè)方法, 主要有電磁檢測(cè)、視覺(jué)檢測(cè)和軸箱加速度檢測(cè)。綜合來(lái)看, 渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌表面和淺表層裂紋進(jìn)行識(shí)別, 且車(chē)載渦流檢測(cè)可以識(shí)別擦傷的位置和大??；熱成像檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌隱傷、鋼軌軌頭、軌腰、軌底等部分的裂紋檢測(cè), 但其尚未應(yīng)用于擦傷的識(shí)別；機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高時(shí)速的鋼軌擦傷檢測(cè)與識(shí)別, 且識(shí)別準(zhǔn)確率較高；軸箱加速度檢測(cè)可以識(shí)別出沖擊響應(yīng)較大的擦傷位置, 但難以區(qū)分傷損類(lèi)型。

基于現(xiàn)有結(jié)論, 鋼軌擦傷的未來(lái)研究方向可分為以下幾點(diǎn)：

（1）鋼軌擦傷的形成機(jī)理和對(duì)列車(chē)動(dòng)力性能影響的深入研究。國(guó)內(nèi)外利用有限元仿真分析鋼軌擦傷的形成機(jī)理和對(duì)列車(chē)動(dòng)力性能影響的研究, 以及與多體動(dòng)力學(xué)結(jié)合的聯(lián)合仿真研究十分有限, 所以未來(lái)建立鋼軌擦傷的有限元和多體動(dòng)力學(xué)仿真模型將會(huì)填補(bǔ)這一空白。

（2）提高單個(gè)檢測(cè)手段的精度, 實(shí)現(xiàn)多種檢測(cè)手段的集成應(yīng)用。對(duì)鋼軌擦傷的檢測(cè)方法而言, 現(xiàn)有檢測(cè)手段都有其不可避免的缺陷, 因此基于多種檢測(cè)手段集成的多源數(shù)據(jù)分析、單個(gè)檢測(cè)手段準(zhǔn)確率的提升、擦傷的嚴(yán)重程度評(píng)判以及檢測(cè)速度的提升將是未來(lái)鋼軌擦傷檢測(cè)技術(shù)的研究方向。