基于振动信号的高铁铁轨无损监测方法研究

作     者：李海晴 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈仁文

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：振动信号 钢轨无损检测 有限元分析 经验模态分解 振动测试系统 

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。