基于數字孿生模型和狀態監測系統的道岔預測性維修

1 研究背景

盡管道岔的長度僅占英國鐵路總長度的4%，但卻占用著英國國營鐵路公司維護和更新預算的 20% 以上。原因在于道岔鋼軌在列車行駛的作用力下，橫截面幾何形狀將發生變化，從翼軌到岔心的過渡也會出現不連續性，這將導致此處的輪軌沖擊力顯著高于連續軌道，從而造成鋼軌變形和磨損加劇。

鐵路基礎設施維保人員一直致力于降低道岔的維保成本。隨著數字技術的發展和應用，基于數據的預測性維修在提高列車行駛安全性和線路可用性、預防故障、降低全生命周期成本方面擁有巨大潛力。實現預測性維修的途徑是對鐵路基礎設施進行定期檢查和連續狀態監測以獲取其狀態數據。對于一般軌道線路，可使用無人機（UAV）和軌道檢測車等設備進行定期檢查；而對于道岔等事關安全的關鍵部位，則應進行連續狀態監測，以求在提高安全性的同時降低故障概率和檢查成本。

然而，目前對于道岔的狀態監測僅限于對從轉轍機獲得的電信號進行分析。該方法可用于監控道岔的轉換和密貼，但對于道岔可動部件之外故障的檢測能力十分有限。因此，為采集道岔處軌道結構的狀態數據，應在軌道上安裝傳感器。為此，需首先確定道岔易發生故障的關鍵點位；然后確保傳感器能夠正確捕獲來自這些關鍵點位的數據；最后應保證傳感器足夠堅固，可承受輪軌間的高強度作用力。

對于故障監測點位置的確定，可以通過分析道岔故障的歷史統計數據，或采用數值模擬的方法實現。數值模擬可根據既有結構老化的一般規律，通過使用適當的材料科學、磨損學、結構力學領域的建模方法和知識，模擬鋼軌與軌道車輛的相互作用，從而實現對易發生故障位置的預測。此外，利用源自現場的實時狀態數據可將上述方法建立的道岔數值模擬模型轉化為數字孿生模型，從而實現對其維保計劃的實時制定和修改。對于傳感器魯棒性（決定傳感器能否被應用在惡劣鐵路環境中的重要考核因素）的保證，隨著數字技術及智能組件制造技術的突飛猛進，通過金屬部件3D 打印技術將傳感器嵌入智能鐵路基礎設施中，已成為重要研究方向。

2 列車 - 道岔間相互作用建模方法

在列車-軌道間相互作用的主要數值模擬方法中，多體仿真（MBS）和有限元（FE）分析可分別用于模擬列車的詳細動力學參數和軌道下部結構材料的力學特性。本文將采用上述2種方法進行模擬仿真，以確定道岔沿其長度方向易發故障的位置，如圖1所示。

圖1 數值模擬方法流程圖

2.1 通過多體仿真預測道岔鋼軌表面易損壞位置

本研究的重點是道岔鋼軌的表面損傷，特別是由滾動接觸疲勞（RCF）所導致的表面裂紋萌生，因為其會由表及里地逐步擴展到鋼軌內層，并觸發各式各樣的機械失效，是道岔故障損壞的主要模式，也是造成列車延誤和維護更新成本增高的主要原因。為對道岔的表面損傷進行計算，本研究采用為道岔多體仿真而開發的模型，并使用R260級鋼軌、瑞典UlC60-760-1 : 14型道岔和7 號客車模型，對列車-道岔間的相互作用進行模擬仿真，根據模擬計算出的縱向、橫向和旋轉方向上的蠕變力和蠕變量，計算出鋼軌磨耗量Tγ。根據雙線性滾動接觸疲勞損傷函數與Tγ的經驗關系可知，Tγ與磨損、滾動接觸疲勞的發生相關，如圖2所示。此外，Tγ的臨界值取決于鋼軌的材料。

圖2 R260級鋼軌的雙線性滾動接觸疲勞損傷函數

通過將模擬計算結果與現場觀測值進行對比分析可知：對于R260級鋼軌，Tγ值小于15 J/m不會導致任何損壞；Tγ值為15～75 J/m意味著易發生滾動接觸疲勞；Tγ值為75 ～175 J/m表示滾動接觸疲勞減少但磨耗增加；Tγ值大于175 J/m會導致過度磨耗，需要對滾動接觸疲勞裂紋進行清除。但是對于R350HT鋼軌，只有當Tγ＞400 J/m 時才可能發生過度磨損。

2.2 對易損壞位置進行有限元建模

道岔下部結構的材料力學特性可以通過有限元方法進行分析。分析結果對于確定傳感器安裝位置和與道岔下部結構相關的其他研究至關重要。

由于在有限元建模時，為提高計算效率，通常忽略車輛動力學的細節部分，因此目前通常使用多體仿真-有限元組合模擬的方法來解決上述問題，即從多體仿真中獲得列車-道岔間動態相互作用的關鍵信息，并將其導出到有限元中進行進一步分析。然而，多體仿真模型和有限元模型的軌道動力學難以兼容，從而影響模擬分析結果的準確性。

為解決這一問題，本研究采用一種組合模擬方法——將從多體仿真模型獲得的車輛運動結果轉換為有限元模型，以確保2種模型之間的兼容性。

在有限元模型中，鋼軌由固定在基板上的鋼軌墊支撐，基板與軌枕上的基板墊連接，軌枕固定在有砟道床上，尖軌直接安裝在基板上，如圖3、圖4所示。然而，在多體仿真模型中，鋼軌僅有2層支撐，即鋼軌與軌枕之間的鋼軌墊、軌枕與地面之間的道砟，如圖5所示。

圖3 有限元模型中各層之間的連接關系

圖4 用于滾動接觸疲勞模擬仿真的3D有限元模型組

圖5 多體仿真模型中各層之間的連接關系

因此，為確保多體仿真和有限元2種軌道模型之間的兼容性，將有限元模型中鋼軌墊、基板和基板墊層組合的等效剛度與多體仿真模型中鋼軌墊層的剛度進行了比較，并從英國國營鐵路公司標準中查得鋼軌墊、基板墊和道砟層的剛度特性，用于計算相應層材料的等效彈性模量。此外，研究人員還進行了瑞利阻尼系數計算，以根據鋼軌墊和道砟的共振頻率范圍對其材料的阻尼性能進行微調。為準確模擬出道砟層的動態效應，研究人員采取2種研究思路：一是考慮道砟層的彈性，在軌枕兩端表面加入垂向和橫向的彈簧緩沖元件；二是考慮道砟層的特性，通過將多體仿真模型中使用的剛度和黏性阻尼轉換為等效彈性模量和瑞利阻尼，以復制有限元分析中的動態響應，從而實現對2種建模方法動態柔度的比較。

2.3 道岔下部結構動態特性校準

在推導材料特性的基礎上，本研究比較了多體仿真和有限元模型中鋼軌在一定頻率范圍內的動態柔度，即鋼軌在施加單位荷載時的撓度；對于使用實體元素建模的部件，即鋼軌墊、基板墊和道砟，進行了阻尼損耗系數的靈敏度分析，以便對阻尼性能進行微調，并使用彈簧緩沖元件表示道砟層。

2.4 滾動接觸仿真 + 對照驗證

在確保多體仿真模型和有限元模型軌道動力學兼容性的前提下，就可以進行滾動接觸有限元仿真。本研究模擬了單個S1002型車輪通過道岔基本軌和尖軌時的動態相互作用。為此，研究人員將步驟1中從多體仿真模型獲得的車輪橫向和縱向運動結果作為車輪可變邊界條件輸入有限元模型，并通過將所得的接觸力結果與多體仿真模擬結果進行比較，驗證有限元模型的有效性。

3 數值模擬結果討論

3.1 道岔鋼軌表面易損傷位置的預測

通過列車-道岔間相互作用的多體仿真分析，研究人員發現并確定了軌頭高磨耗區及滾動接觸疲勞易發區域的位置。通過對比不同輪對通過所造成的影響可知，鋼軌與輪對的相互作用是導致道岔鋼軌表面損傷的主要原因。圖6展示了雙轉向架車輛的第一個輪對通過道岔時的鋼軌磨耗量Tγ。

由圖6可知，Tγ的峰值出現在距離岔尖7～9 m的位置，即輪軌接觸面從基本軌過渡到尖軌的區域。根據雙線性滾動接觸疲勞損傷函數（圖2）可知，距離岔尖9 ～9.5 m處是最易發生滾動接觸疲勞的區域，此處的Tγ值接近75 J/m。

圖6 輪對通過道岔時的鋼軌磨耗量

3.2 材料性能計算和軌道剛度驗證

如圖7所示，在10～1 000 Hz的頻率范圍內，由多體仿真模型和有限元模型得到的鋼軌垂向動態柔度呈現出良好的一致性，這證明了多體仿真模擬出的道岔下部結構動態響應可應用于滾動接觸有限元仿真分析中。

圖7 多體仿真模型與有限元模型的軌道動力學兼容性

3.3 有限元模型與多體仿真模型的對比驗證

圖8展示了同一輪對在多體仿真和有限元分析中由于列車-道岔間相互作用而產生的垂向接觸力對比結果。由圖可知，總體上2種方法得出的垂向接觸力數值相近，微小的差異可歸因于多體仿真模型中更細致地考慮了垂向懸架動力學因素，以及為使有限元分析結果更穩定而在有限元模型中對車輪施加恒定軸載的參數進行了設定。

圖8 2種方法得出的垂向接觸力對比結果

4 基于數字孿生模型和狀態監測系統的道岔預測性維修前景展望

通過導入實際鐵路運行參數（如列車行駛速度、乘客數量、列車軸重、輪軌摩擦條件等），可以將上述反映列車-道岔間相互作用的數值模擬模型轉化為數字孿生模型。實現這一目標需要進行多自由度的精確模擬，這將導致計算及建模效率的降低。為解決這一問題，可以使用有限元降階建模方法。盡管此方法需要花費較長的初始計算時間，并進行大量有限元模擬驗證，但是一旦經過驗證標定的數字孿生模型構建完成，就可以在給定的邊界范圍內進行高效率且精確的數值模擬計算。對數字孿生模型進行驗證標定的目的在于確定模型的有效性，并為故障檢測、診斷、預測算法的開發提供依據，其中一種有效方法是比較傳感器（如應變計）測量值與模型輸出值的一致性。經驗證標定的數字孿生模型可通過預測道岔鋼軌老化趨勢，分析其易損傷部位，進而提示傳感器最佳布設位置，從而直接或間接地支持預測性維修。

數字孿生模型、狀態監測系統與道岔預測性維修之間的關系如圖9所示。數字孿生模型與狀態監測系統可分別利用機械老化模型和傳感器采集數據預測道岔故障的發生。此外，狀態監測系統可以檢測和診斷實際發生的道岔故障，數字孿生模型可以輔助優化狀態監測系統傳感器的布設位置。

圖9 基于數字孿生模型和狀態監測系統的道岔預測性維修流程

此外，在為鐵路基礎設施（如道岔）安裝傳感器、打造智能基礎設施方面，目前的3D 打印相關研究已證明該技術封裝和制造嵌入式傳感器的潛力。3D 打印成形工藝（如選擇性激光熔覆（SLM）工藝）和接合工藝（如激光金屬沉積（LMD）工藝）可封裝嵌入式傳感器。然而，仍有與之相關的技術難點需要攻克：其一，由于應用于高負載動態環境（如車輛-軌道相互作用），因此嵌入式傳感器對于強度和剛度的要求高于其他傳感器，優化材料微結構性能變得非常重要；其二，由于該技術目前僅被應用于高附加值制造和快速原型設備制造領域，因此生產成本較高。為解決上述問題，應大力推進金屬3D打印技術在鐵路領域的應用研究，將傳感器封裝和嵌入鐵路基礎設施，以提高其疲勞壽命。