基于振动信号的高铁铁轨无损监测方法研究

摘要

近年来,高速铁路得到了快速发展,建设中的高铁网络正在改变着现有的交通运输格局,已有效地缓解了铁路运输的紧张状况。新建的高速铁路的基础设施设计至少达到250公里/小时,相对传统的普通列车,其运行速度快,密度大,行车间隙短。同时,高速启动和制动对铁轨造成的损伤大,大的运输量也使铁轨易产生疲劳和断裂;这就对我国目前使用的以超声波探伤小车为主,大型探伤车为辅的探测方法产生重大冲击。探伤小车在列车行车间隙探伤,速度慢,效率低,安全性差,不利于高铁铁轨的安全检查;大型探伤车主要在国外被广泛使用,但其存在诸多缺陷,如占用轨道,检测速度有限,一般低于100公里每小时,大多数只能检测钢轨表面缺陷,对钢轨如轨头内部裂纹和其他缺陷尚无能为力等。本课题在这样的背景下,研究一种新的实时钢轨健康监测方法,利用钢轨的振动信号分析钢轨伤损。理论仿真上,利用ANSYS软件建立无损及内部有伤损的模型,对模型进行动力学仿真,对得到的振动响应信号进行小波变换、小波包分解、经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD),以提取损伤信息,对比发现 EMD算法识别损伤的效果较好。根据本文振动响应信号特点,提出反对称的延拓方法,并采用总体平均经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)方法抑制EMD算法的端点效应和模态混叠现象。经分析得到,改进后的EMD方法提取损伤信息效果较好,并提出损伤判别的初步依据。实验室条件下,搭建振动信号测试系统,利用自制单摆锤击钢轨模型,采用ICP(Integrated Circuit-Piezoelectric)加速度传感器采集钢轨模型的振动信号,通过USB数据采集卡传输到计算机中的LabVIEW程序进行存储并将结果导入MATLAB进行滤波及损伤分析。实验表明,改进后的EMD方法可识别出损伤。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 高铁铁轨损伤监测的提出

1.3 课题的主要研究内容

1.4 本文的内容安排

第二章 钢轨模型的建立及动力学分析

2.1 钢轨有限元模型的建立

2.2 钢轨模型的动力学分析

2.3 本章小结

第三章 钢轨模型的振动响应信号分析

3.1 小波变换

3.2 小波包分解

3.3 经验模态分解（EMD）

3.4 三种信号分析方法的比较

3.5 本章小结

第四章 实验方案及测试信号分析

4.1 实验方案

4.2 测试系统

4.3 测试信号分析

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 本文总结

5.2 对课题的未来展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录