基于LamB波的道岔斷軌監測系統研究與應用

蔣忠輝 楊鐵軍 吳志剛 王新華

1.四川西南交大鐵路發展股份有限公司，成都 610073；2.中國鐵路昆明局集團有限公司，昆明 650011

隨著高速鐵路服役時間增加，各種隱藏的問題逐漸暴露，如CN 道岔曲/直基本軌11—32 軌枕之間萌生滑床板壓痕裂紋、翼軌93—96 軌枕之間出現斷裂等。這些隱患若不能及時處理，將引發嚴重的安全事故。道岔作為線路的重要組成部分，其服役狀態對列車過岔的平穩性和安全性至關重要，尤其是道岔尖軌和心軌，不僅存在邊界條件復雜、斷面變化大、探傷作業空間有限等特點，而且處于軌道電路監測的盲區。目前，探傷小車和便攜式探傷儀是道岔探傷作業的常用手段［1］，但檢測效率較低，受人為因素影響較大，且兩個檢修周期之間依然存在嚴重的安全隱患。因此，亟待研發一種能夠實時監測道岔尖/心軌健康狀態的在線監測系統。

超聲導波［2］是無損檢測領域中的新興技術，由縱波、橫波與結構邊界發生多次反射作用后形成，因而在不同的結構中會產生不同的導波形式，主要包括Rayleigh 波、勒夫波、斯通利波、LamB 波等［3］。與傳統的超聲波探傷相比，超聲導波可沿著波導的長度方向傳播，具有全截面覆蓋、長距離傳播、受道岔參數影響小、不干擾既有電氣化設備工作等優點，特別適用于管道、鋼絲繩、鋼軌等細長結構［4-7］。超聲導波技術在管道缺陷檢測中已經非常成熟，并且成功實現商業化應用，但在鋼軌結構健康監測領域還處于從理論研究走向工程應用的階段。

LamB 波是板厚度與超聲波波長數量級相同的結構中產生的應力波，也稱板波，文獻［8］將60 軌的軌頭、軌腰以及軌底分別近似為平板，推導了各位置關鍵厚度下的Rayleigh-LamB 頻散方程，并研究了鋼軌各部位的最佳激發頻率，從理論上驗證了基于LamB波實現鋼軌健康監測的可行性。本文基于LamB 波提出一種道岔斷軌監測方法及系統，并通過現場試驗對該系統的有效性進行驗證。

1 道岔斷軌監測方法的基本原理

基于LamB 波開發道岔斷軌監測系統需要研究導波激發和接收、導波的傳播特性、導波與傷損的相互作用、傷損識別算法等。其中，導波的激發和接收需借助超聲換能器，而換能器的激發頻率和模態取決于導波的傳播特性。LamB 波在鋼軌中傳播具有頻散、多模態等特點。為降低導波信號處理難度，提高傷損信號辨識度，實現傷損定位功能，通常會選擇非頻散、單模態的導波參數作為發射源；而在不要求傷損定位的場景下，也可以考慮選擇非頻散、多模態的導波參數，并借助神經網絡算法實現鋼軌的健康監測。

1.1 導波的傳播特性

導波在結構中傳播特性的分析方法主要有解析法［8］（Rayleigh-LamB 頻散方程、三維彈性理論、Mindin板理論）和數值仿真法［6-7，9-10］（半解析有限元法、有限差分法、局部互感模擬法）兩類。本文采用Rayleigh-LamB頻散方程來研究導波的傳播規律。

LamB 波在結構中傳遞時，結構上下表面層質點沿橢圓形軌跡振動，而結構內部的質點以縱波分量或橫波分量形式振動，從而構成全板振動。根據質點運動關于板中面的對稱性，可將LamB 波的傳播模態分為對稱模態（S 模態）和非對稱模態（A 模態）兩種，其頻散方程如下。

S模態：

A模態：

式中：h=d/2，d為板厚；k為波數，k=ω/cp，ω為角頻率，cp為導波的相速度；p2=ω2/-k2，CL為縱波波速；q2=ω2/-k2，CT為橫波波速。

CL、CT與材料的屬性有關，表達式分別為

式中：ρ為材料密度；λ、μ為材料的拉梅常數，λ=Eν/[(1+ν)(1-2ν)]，μ=E/[2( 1+ν)]，E為彈性模量，ν為泊松比。

Rayleigh-LamB 頻散方程描述了相速度cp與頻率f及板厚d之間的關系。該方程為超越方程，任意頻厚積對應無數個相速度解，但其中實數解卻是有限的。實數解表示結構的非衰減傳播模態，只保留實數解部分。得到cp后再計算導波的群速度cg，表達式為

將滿足方程的所有實數解繪制在同一張圖中，即可得到相速度、群速度隨頻厚積變化的頻散曲線，如圖1 所示。可知：①除模態A0 和S0 外，其他模態均存在截止頻率。高階模態的導波在其截止頻率以下不能長距離傳播。板厚一定時，只有頻率達到某一值后才會產生高階模式并正常傳播。②頻率較低時存在的導波模式較少，模態A0和S0的導波模式始終存在，且隨著頻厚積增大，導波模式也相應增多。③頻厚積小于0.2 MHz·mm 時，對稱模態S0 具有較好的非頻散特性；頻厚積大于1.0 MHz·mm 時，非對稱模態A0 具有較好的非頻散特性。可見，頻散現象不僅與導波頻率有關，還與結構厚度有關。

圖1 頻散曲線示意

1.2 LamB波激發和接收

頻散曲線對研究導波的傳播特性、激發和接收具有重要的理論指導意義［2］。鋼軌是由軌頭、軌腰、軌底三部分組成的結構，其導波模態比板結構更加復雜。文獻［11］將鋼軌中的導波進一步分解為扭轉模態、縱向模態和彎曲模態。其中，扭轉模態不能在鋼軌中近似常波傳播；縱向模態類似于LamB 波對稱模態，在大部分頻率下頻散較嚴重，很難在鋼軌中長距離傳播，且在不損壞鋼軌的前提下很難激發；彎曲模態類似于LamB 波反對稱模態，又分為垂直彎曲模態和水平彎曲模態，二者波速相近，不易區分。彎曲模態容易實現單模態激發，可用于鋼軌傷損監測。

1.3 LamB波與自然裂紋的相互作用

很多學者利用有限元法模擬了導波與裂紋的相互作用，并通過人造傷的方式進行了試驗驗證［6-7，9-10］。但少有學者通過試驗方式研究導波與自然裂紋的相關作用。通常，超聲波與自然裂紋的相互作用會產生反射和衍射現象［6-7］。為了研究LamB波與自然裂紋的相互作用關系，利用兩根3.6 m 長的鋼軌進行試驗，其中一根鋼軌為無傷，另一根軌底角上表面存在如圖2所示的橫向裂紋，裂紋長50 mm，深12 mm。

圖2 LamB波與裂紋的相互作用試驗

發射傳感器T1、接收傳感器R1—R4 安裝位置以及傷損位置X1如圖3所示。其中，發射傳感器連接同一信號源，R1 和R3 位于無傷鋼軌，R2 和R4 位于有傷鋼軌。R1和R2用于驗證超聲波與自然裂紋產生的反射現象，R3 和R4 用于驗證超聲波與自然裂紋產生的衍射現象。

圖3 傳感器安裝位置示意（單位：cm）

R1—R4 采集的原始信號見圖4。可知：①R1 和R2 均采集到明顯的首達波和端面反射波信號；R2 在2 ms 時接收到反射波信號。根據超聲導波的飛行時間［12］，可計算出該反射波出現的位置為2.43 m，這與實際傷損位置2.50 m 相差0.07 m，誤差僅2.8%，可以初步認為該反射波為自然裂紋引起的傷損反射波。②R3 和R4 的首達波呈現出明顯差異，說明自然傷裂紋阻礙了超聲波的傳播，從而引起波形的改變。

圖4 R1—R4采集的原始信號

為了進一步驗證圖4中出現的反射波是否為自然裂紋產生的反射波，在無傷鋼軌上進行人造傷試驗，造傷位置與自然裂紋位置相同，設置4 種試驗工況。①工況1：無傷；②工況2：軌底角傷損30 mm × 5 mm；③工況3：軌底角傷損40 mm × 9 mm；④工況4：軌底角傷損40 mm × 10 mm。

4 種工況下R3 采集的信號見圖5。可知：在人造傷損工況下，R3 在2 ms 同樣接收到反射波信號，反射波幅值隨著傷損尺寸增大而增大，證實了發射傳感器激發的LamB 波會與自然裂紋、人造傷裂紋等傷損產生反射現象。

圖5 4種試驗工況下R3采集的信號

綜上，LamB 波具備非頻散、少模態特性，且對自然裂紋、人造傷損較敏感，適用于鋼軌傷損監測。因此，可基于這些特性，同時利用傷損指數［12］表征傷損大小，實現道岔尖軌/心軌折斷監測。

2 高速道岔斷軌監測系統的結構

高速道岔斷軌監測系統由激發和接收傳感器、監測分機、監測中心、客戶端等組成，通過路局內網或公網將監測結果信息實時傳遞到客戶端（圖6）。該系統具有設備故障自檢、道岔尖軌/心軌折斷監測等功能，可實時監測道岔的服役狀態，并根據狀態異常提供報警信息，保障行車安全。

圖6 高速道岔斷軌監測系統客戶端

激發傳感器用于激發特定頻率的導波。接收傳感器可以采集包含傷損信息的導波信號。監測分機包含信號源、采集卡、工控機、空氣開關、防雷模塊等，主要負責導波信號的激發控制、數據采集和分析，并將分析結果傳輸到客戶端。客戶端包含監控圖、報警提示、系統故障自檢、歷史信息查詢與統計等，其中監控圖展示了被監測車站的道岔位置、編號、傳感器布點等狀態信息。一旦某只監測傳感器采集到傷損信號，系統會發出報警，提示用戶進行處理。

3 系統集成測試

為了驗證該系統監測道岔斷軌報警功能的有效性和泛化能力，分別針對長心軌、導曲軌、尖軌進行了模擬傷損試驗。

1）在昆明南工務段管內普者黑車間對道岔長心軌進行了線下模擬傷損試驗；

2）昆明南工務段組織工務車間及相關單位配合晉寧東3#道岔更換導曲軌，借機對道岔導曲軌進行了線上模擬傷損試驗；

3）在昆明南動車所對道岔尖軌進行了線上模擬傷損試驗。

3.1 長心軌模擬傷損試驗

在長心軌變截面處安裝發射傳感器F1，并分別在距離發射傳感器0.16、1.65 m 處安裝接收傳感器J1、J2，軌底造傷位置距離發射傳感器1.32 m，如圖7 所示。試驗中，分別于14：18 和14：23 進行兩次造傷，傷損類型均為軌底斜裂紋貫穿，深度分別為2、4 mm。

圖7 長心軌軌底模擬傷損試驗

J1 和J2 的傷損指數變化曲線見圖8。可知：J1 和J2 在無傷狀態下，傷損指數均沒有明顯變化；在第一次軌頭造傷后，傷損指數出現了明顯上升，但是沒有到達系統報警閾值；隨著傷損進一步加深，傷損指數升至系統閾值以上，并觸發系統一級報警。

圖8 長心軌軌底造傷試驗得到的傷損指數變化曲線

在長心軌跟端安裝發射傳感器F2，并在距離發射傳感器0.16 m 處安裝接收傳感器J3，造傷位置位于輪軌接觸的臨界位置（60AT型可動心軌），距離發射傳感器1.66 m，如圖9所示。試驗中分別于14：49和15：11進行兩次造傷，傷損類型均為軌頭貫穿裂紋，深度分別為17、30 mm。

圖9 長心軌軌頭模擬傷損試驗

J3 的傷損指數變化曲線見圖10。可知：無傷狀態下，傷損指數沒有明顯變化；第一次軌頭造傷后，傷指數出現明顯上升，但是沒有到達系統報警閾值；隨著傷損進一步加深，傷損指數升至系統閾值以上，并觸發系統一級報警。

圖10 長心軌軌頭造傷試驗得到的傷損指數變化曲線

3.2 導曲軌模擬傷損試驗

在晉寧東3#道岔導曲軌安裝了4 只傳感器，其中F3、F4 為發射傳感器，J4、J5 為接收傳感器，均使用夾具安裝，如圖11所示。在J4所在的導曲軌進行人工造傷，每次造傷耗時2～ 5 min。首先，于23：40：25 在軌底切割長30 mm、深8 mm 的裂紋（傷損類型為軌底角裂紋），系統未發出報警；繼續在同一造傷位置加深裂紋，當傷損長30 mm、深15 mm 時（23：42：52），系統發出報警，如圖12 所示；然后，在軌頭進行人工造傷（傷損類型為軌頭橫向貫穿裂紋），當深度達到11 mm 時（23：54：03），系統發出了報警。另外，對照組J5 始終沒有誤報警。該結果表明，道岔斷軌監測系統可以有效識別長30 mm、深15 mm 軌底角裂紋以及深11 mm的軌頭橫向貫穿裂紋。

圖11 晉寧東3#道岔導曲軌模擬傷損試驗

圖12 監測系統客戶端報警

3.3 尖軌模擬傷損試驗

在曲尖軌上安裝5 只傳感器，其中F5 為發射傳感器，J6—J9 為接收傳感器，傳感器均使用磁夾具安裝。J6—J9 分別距尖軌尖端4 010、2 520、1 313、607 mm；F5 距尖軌尖端4 492 mm；傷損1—傷損3 分別距尖軌尖端3 465、3 270、1 655 mm，如圖13 所示。利用角磨機進行人工造傷，每次造傷耗時1～ 5 min。

圖13 尖軌模擬傷損試驗

傷損1：傷損類型為軌頭橫向貫穿裂紋。傷損深4.5 mm 時系統未發出報警；繼續在該位置加深裂紋，深度達到15 mm時系統顯示J6—J8報警。

傷損2：傷損類型為軌底裂紋。傷損長30 mm、深8 mm時，系統顯示J6—J9報警；

傷損3：傷損類型為軌頭軌頂面掉塊。傷損長30 mm、深5 mm時，J8、J9發出報警（J6、J7已拆除）。

試驗結果表明，該系統可以有效識別深15 mm 的尖軌軌頭橫向貫穿裂紋，長30 mm、深8 mm 的軌底裂紋，長30 mm、深5 mm軌頭軌頂面掉塊（軌頭截面大于10 mm的區域）。

4 結論及展望

通過研究鋼軌中導波的傳播特性、導波模態的選擇、導波與自然裂紋的相互作用以及傷損識別算法等，開發了一套基于LamB 的道岔斷軌監測系統，并通過現場試驗進行了驗證。主要結論如下：

1）監測系統選擇的導波模態與自然裂紋相互作用時會產生明顯的反射回波，這種反射波信號隨著傷損加大而增加。

2）在道岔長心軌線下模擬傷損試驗中，該系統可以有效識別軌底橫向貫穿、深4 mm 裂紋，軌頭橫向貫穿、深30 mm裂紋。

3）在道岔導曲軌線上模擬傷損試驗中，該系統可以有效識別長30 mm、深15 mm 軌底角人造裂紋，軌頭橫向貫穿、深11 mm裂紋。

4）在道岔曲尖軌線上模擬傷損試驗中，該系統可以有效識別尖軌軌頭橫向貫穿、深15 mm 裂紋，軌底長30 mm、深8 mm 裂紋，軌頂長30 mm，深5 mm 軌頭掉塊（軌頭截面大于10 mm的區域）。

5）該道岔斷軌監測系統可以實現高速道岔尖軌、心軌、導軌等區域全覆蓋，并且滿足TG/GW 116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規則（試行）》中除軌頭截面小于10 mm 區域有長30 mm 且深5 mm 的掉塊外所有斷軌工況的監測報警功能。

在接下來的研究中，將測試該系統在現場更加復雜環境條件下的穩定性和監測算法的魯棒性，同時還需不斷地對該系統進行優化和改進，提高報警準確率。隨著系統的不斷完善以及技術層面的不斷突破，該系統有望在中國高速鐵路運維中發揮重要作用。