CN108519444A - 一种接触线缺陷位置的精确测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触线缺陷位置的精确测量方法，包括以下步骤：1)对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态，然后根据超声导波检测模态确定超声导波传感器，再基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过搭建的接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号；2)利用稀疏解卷积方法对超声导波检测信号进行分析处理，然后对分析处理的结果进行缺陷特征信息的识别及提取，得待检测接触线的缺陷位置，完成基于超声导波的接触线缺陷高精度检测，该方法能够实现对接触线缺陷的全面、快速、准确及有效的检测。

Description

一种接触线缺陷位置的精确测量方法

技术领域

本发明属于电气化铁路接触网故障检测领域，涉及一种接触线缺陷位置的精确测量方法。

背景技术

接触线作为接触网中直接和受电弓滑板摩擦接触取流的部分，其可靠性和安全性将直接影响列车的运行效率和安全。接触线是在力和电的双重作用下工作的，工作过程中不可避免的会产生动态疲劳，从而在其内部或表面产生各种形式的缺陷。另外，接触线生产过程中由于合金冶炼等生产技术的不当，将形成静态机理性缺陷。这些动态缺陷和静态缺陷如果没有及时被发现，将造成接触线断线事故，这不仅会造成巨大的经济损失，还严重威胁着列车人员的生命安全。因此，在电气化铁路中急需一种能够全面、可靠、有效地检测接触线裂纹的技术。

早期的接触线检测主要是依靠工人沿线路进行现场检测，但是该方法通常表现出检测精度差、检测效率低的特点。这主要是因为接触线属于架空设备，人工巡检一般不可达，检测结果依赖于检测人员的工程经验，对于内部缺陷和微裂纹人工巡检通常无法进行有效的检测检测。另外人工巡检是一种占线检测，无法满足电气化铁路高速度、高密度的运行要求。

为了最大程度保证接触线的安全运行，专家们研制出了各种各样的自动化接触网检测装置。这些检测装置主要基于超声波、激光和摄像等测量原理，通过安装合适的超声波、激光探头和高速摄像机阵列来获取接触网的相关状态参数，然后通过中央处理单元对采集到的状态数据进行分析处理，最后给出接触线的检测结果。但是，采用超声波方式对接触线进行检测时其检测精度和准确性都不太高，其工程使用的局限性也比较大；激光测量的检测精度主要依赖于接触线的表面光洁度，想要得到精确的检测结果，接触线表面就必要有比较好的光洁度，而考虑到接触线的工作环境和条件，很难保证其有较好的表面光洁度，因此激光测量具有检测精度不高的缺点；摄像测量技术主要通过对摄像机采集到的图像信息进行分析处理，根据图像处理的结果来确定接触线的缺陷位置信息。由于摄像机只能采集到接触线的表面缺陷信息，对于接触线的内部缺陷信息并不能有效的获取，所以对于接触线的内部缺陷检测摄像测量技术还有很大的不足。因此，需要研究新的、有效的接触线检测新技术，实现接触线缺陷的全面、快速、准确、有效的检测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种接触线缺陷位置的精确测量方法，该方法能够实现对接触线缺陷的全面、快速、准确及有效的检测。

为达到上述目的，本发明所述的基于超声导波的接触线缺陷高精度检测方法包括以下步骤：

1)采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态，然后根据超声导波检测模态确定超声导波传感器，再基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过搭建的接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号；

2)通过接触线超声导波检测的卷积模型利用稀疏解卷积方法对步骤1)得到的超声导波检测信号进行分析处理，以提高超声导波检测信号的时域分辨率，然后对分析处理的结果进行缺陷特征信息的识别及提取，得待检测接触线的缺陷位置，完成基于超声导波的接触线缺陷高精度检测。

步骤1)中采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解的具体操作过程为：

通过有限元分析软件建立接触线的横截面模型，再通过对接触线的横截面模型进行有限元网格划分，并导出网格划分得到的各离散单元的节点位置信息，其中，离散单元的位移表达式可以通过节点位置位移及形函数表示为：

其中，(U_xk,U_yk,U_zk)为节点位置位移，N(x,y)为形函数，离散单元的应变向量可以通过节点位移函数表示为：

其中，B₁＝L_xN_,x+L_yN_,y，B₂＝L_zN，N_,x及N_,y分别为形函数N_k(x,y)在x及y方向上的导数，

根据哈密顿原理，得接触线中超声导波的波动方程为：

[K₁+iξK₂+ξ²K₃-ω²M]_MU＝0

其中，K₁、K₂及K₃为对刚度矩阵，K₁及K₃为对称矩阵，K₂为斜对称矩阵，质量矩阵M为实数对称矩阵，U为未知节点位移的全局矢量，角标M表示系统的自由度数量；

求解所述接触线中超声导波的波动方程，得接触线的群速度及相速度频散曲线。

步骤1)中的接触线超声导波检测系统包括波激励系统及导波采集系统，导波激励系统产生沿接触线传播的超声导波；导波采集系统采集记录携带有检测结构信息的导波信号。

步骤2)的具体操作为：

2a)通过稀疏解卷积方法将从步骤1)得到的超声导波检测信号中恢复反射序列的问题转换为稀疏解卷积问题，其中，所述稀疏解卷积问题为：

其中，x为反射序列，s为超声导波检测信号，H为Toeplitz卷积矩阵，表示l₁范数，λ为正则化参数；通过迭代算法求解所述稀疏解卷积问题，以恢复出反射序列；

2b)从反射序列中识别及提取接触线上缺陷的位置特征信息，并确定裂纹脉冲与入射脉冲之间的时间差，得接触线上缺陷与波激励系统中导波激励传感器之间的距离L，其中，

其中，t₁为入射脉冲的响应时间，t₂为裂纹脉冲的响应时间，v_g为所选择检测模态导波在激励频率下的群速度。

根据超声导波的脉冲回波检测原理基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统。

导波激励系统由依次相连接的波形发生器、电压放大器及导波激励传感器组成；

导波采集系统由依次相连接的导波接收传感器、信号放大器及示波器组成。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的接触线缺陷位置的精确测量方法在具体操作时，通过接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号，然后利用稀疏解卷积方法对步骤1)得到的超声导波检测信号进行分析处理，以提高超声导波检测信号的时域分辨率，使得缺陷信息可以准确、全面的从检测信号中提取出来，实现接触线中缺陷位置的准确检测，保证接触线缺陷检测有效的同时，提高检测的精度及速度，为全面、快速、准确、有效的检测。需要说明的是，本发明采用超声导波作为检测手段，基于超声导波具有全波场特性及传播速度快的特点，可以一次性实现接触线内缺陷及外部缺陷的全面、快速检测。

附图说明

图1为本发明中接触线频散曲线求解的具体过程图；

图2a为本发明中的相速度频散曲线图；

图2b为本发明中的群速度频散曲线图；

图3为本发明中接触线超声导波检测系统的结构示意图；

图4为本发明中检测用的接触线裂纹位置的示意图；

图5为本发明中接触线裂纹超声导波原始检测信号图；

图6为本发明中接触线裂纹检测信号稀疏解卷积结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的基于超声导波的接触线缺陷高精度检测方法包括以下步骤：

1)采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态及超声导波传感器；然后根据超声导波检测原理基于超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过接触线超声导波检测系统对接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号。

其中，采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解的具体操作为：

通过有限元方法与解析算法相结合的方式求解接触线群速度、相速度频散曲线的具体过程如图1所示，具体的，首先，建立接触线横截面的ANSYS有限分析模型，并将接触线横截面的ANSYS有限分析模型进行网格划分，然后将离散单元的的网格节点位置信息导入到MATLAB中，剩余的分析计算过程在MATLAB中完成；

根据有限元的思想，在接触线“8”字型截面上通过有限元法进行网格划分，长度方向上用简谐方式表示导波的传播，接触线中任意点(x,y,z)处的应力σ、应变ε及位移u可以表示为：

σ＝[σ_x σ_y σ_z σ_yz σ_xz σ_xy]^T (1)

ε＝[ε_x ε_y ε_z γ_yz γ_xz γ_xy]^T (2)

u＝[u_x u_y u_z]^T (3)

应变及位移的关系可表示为：

假设长度方向z上的位移场为简谐波exp(iξz)，用空间分布函数来描述x-y截面上位移场的幅值变化：

接触线截面Ω可以表示成一系列有限元单元Ω_e，而离散单元的位移表达式可以用节点位置位移(U_xk,U_yk,U_zk)及形函数N_k(x,y)表示为：

用节点位移函数来表示单元的应变向量：

其中，B₁＝L_xN_,x+L_yN_,y，B₂＝L_zN，N_,x及N_,y分别为形函数N_k(x,y)在x及y方向上的导数。

根据哈密顿原理，波导介质的哈密顿变量在所有计算点处消失，即，

其中，分别为应变能和动能。

式(11)的离散形式为：

其中，n_e1为截面单元总数，和ρ_e分别为截面单元的刚度及密度。

将式(7)及(10)分别代入式(12)中，得离散单元的应变能和动能为：

将式(13)及式(14)代入式(12)中，得：

利用有限元法对式(15)进行组装，得：

得接触线中超声导波的波动方程为：

[K₁+iξK₂+ξ²K₃-ω²M]_MU＝0 (19)

通过对接触线中超声导波的波动方程的求解，即可得到接触线中超声导波的群速度及相速度频散曲线，由图2可知，在接触线中共有三种模态的导波存在，分别为L(0，n)、T(0，n)及F(m，n)，其中，L(0，n)及T(0，n)为对称模态，F(m，n)为非对称模态；除了T(0，1)模态之外，其他模态的波都表现出一定的频散特性，即波速随着频率的改变而改变；通过对群速度频散曲线分析可以发现，L(0，1)模态在50-100KHz范围内的群速度是最快的，这样可以容易对检测信号进行解释，同时在此频率范围内L(0，1)模态表现出的频散特性不是很严重。

其中，对接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号的具体过程为：

根据超声导波的脉冲回波检测原理，设计搭建如图3所示的接触线超声导波检测系统，该接触线超声导波检测系统包括导波激励系统及导波采集系统，其中，导波激励系统由波形发生器、电压放大器及导波激励传感器组成，通过导波激励系统产生沿接触线传播的超声导波；导波采集系统由信号放大器、示波器及导波接收传感器组成，通过导波采集系统采集记录携带有检测结构信息的导波信号。在检测过程中，首先由波形发生器产生L(0，1)模态的超声导波，然后通过电压放大器对产生的信号进行适当的放大，最后经过导波激励传感器将电压信号转化成可以沿接触线传播的机械振动信号；在采集过程中，首先由导波接收传感器将携带有结构信息的导波振动信号转化成电压信号，然后再经过信号放大器的放大后由示波器对检测信号进行记录。

2)利用稀疏解卷积方法对超声导波检测信号进行分析处理，以提高超声导波检测信号的时域分辨率，根据分析处理的结果进行缺陷特征信息的识别及提取，实现接触线缺陷位置的检测。

具体的，根据超声导波的脉冲反射原理，超声导波检测信号s(t)可以表示为：

s(t)＝h(t)*x(t)+n(t) (20)

其中，h(t)为入射信号，x(t)为反射序列，n(t)为噪声，符号*表示卷积算子，超声导波检测信号表示成矩阵的形式为：

s＝Hx+n (21)

其中，H为Toeplitz卷积矩阵，我们的研究目标是从超声导波检测信号s中恢复出反射序列x，因为超声导波检测信号s中包含的裂纹检测信息在反射序列x中都能够体现出来，并且反射序列x的时域分辨率要比超声导波检测信号s高，将式(21)的求解转化为稀疏解卷积问题：

其中，表示l₁范数，λ为正则化参数，由于式(22)缺少解析解，因此通过迭代算法求解式(22)，得反射序列，然后从反射序列中识别及提取缺陷的位置特征信息，再确定出裂纹脉冲与入射脉冲之间的时间差，最后计算出裂纹相对于导波激励传感器之间的距离L，其中，

其中，t₁为入射脉冲的响应时间，t₂为裂纹脉冲的响应时间，v_g为所选择检测模态导波在激励频率下的群速度。

实施例一

检测对象为某国产类型的接触线，通过线切割加工方法在其不同位置处加工不同深度的裂纹，裂纹距离接收传感器的位置如图4所示，通过图3所示的接触线超声导波检测系统，对图4所示的接触线裂纹进行检测，检测结果如图5所示。

理论上来看，由于在接触线的不同位置存在有4条裂纹，所以在接触线裂纹检测信号中(图5)除了入射脉冲及端面回波之外，还有4个裂纹回波成分存在。而在图5中，除了入射脉冲及端面回波之外，只有一个比较明显的裂纹回波存在，与理论分析严重不相符，其主要原因在于裂纹A及裂纹B的加工尺寸比较小，导致其回波幅值较小，从而淹没在背景噪声中；而裂纹C及裂纹D的相对加工位置为50mm，小于入射脉冲宽度的1/2，导致其回波相互重叠在一起形成图5所示的回波。显然在对检测信号进一步分析处理之前，无法直接从图5中提取出有用的裂纹信息。

本发明通过稀疏解卷积方法对检测信号进行解卷积处理，处理结果如图6所示。与原始检测信号相比，解卷积结果的时域分辨率有了很大的提高，从稀疏解卷积结果提取有用的裂纹位置检测信息，根据各反射源与入射脉冲之间的响应时间差与之前计算得到的导波群速度，对各裂纹位置进行计算，计算结果如表1所示，从表1中可以看出，所有裂纹位置的计算误差在0.52％—3.19％之间，都小于5％，在可接收范围之内。

表1

根据本实施例可以证明，本发明能够满足接触线缺陷检测的全面、快速、准确、有效的要求，为电气化铁路中接触线的检测提供理论指导。

Claims (6)

1.一种基于超声导波的接触线缺陷高精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解，再根据求解的结果选择超声导波检测模态，然后根据超声导波检测模态确定超声导波传感器，再基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统，最后通过搭建的接触线超声导波检测系统对待检测接触线进行缺陷检测，得超声导波检测信号；

2)通过接触线超声导波检测的卷积模型利用稀疏解卷积方法对步骤1)得到的超声导波检测信号进行分析处理，以提高超声导波检测信号的时域分辨率，然后对分析处理的结果进行缺陷特征信息的识别及提取，得待检测接触线的缺陷位置，完成基于超声导波的接触线缺陷高精度检测。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波的接触线检测方法，其特征在于，步骤1)中采用有限元方法与解析算法相结合的方式对接触线的群速度及相速度频散曲线进行求解的具体操作过程为：

通过有限元分析软件建立接触线的横截面模型，再对接触线的横截面模型进行有限元网格划分，并导出网格划分得到的各离散单元的节点位置信息，其中，离散单元的位移表达式可以通过节点位置位移及形函数表示为：

其中，(U_xk,U_yk,U_zk)为节点位置位移，N(x,y)为形函数，离散单元的应变向量可以通过节点位移函数表示为：

其中，B₁＝L_xN_,x+L_yN_,y，B₂＝L_zN，N_,x及N_,y分别为形函数N_k(x,y)在x及y方向上的导数，

根据哈密顿原理，得接触线中超声导波的波动方程为：

[K₁+iξK₂+ξ²K₃-ω²M]_MU＝0

其中，K₁、K₂及K₃为对刚度矩阵，K₁及K₃为对称矩阵，K₂为斜对称矩阵，质量矩阵M为实数对称矩阵，U为未知节点位移的全局矢量，角标M表示系统的自由度数量；

求解所述接触线中超声导波的波动方程，得接触线的群速度及相速度频散曲线。

3.根据权利要求1所述的基于超声导波的接触线检测方法，其特征在于，步骤1)中的接触线超声导波检测系统包括波激励系统及导波采集系统，导波激励系统产生沿接触线传播的超声导波；导波采集系统采集记录携带有检测结构信息的导波信号。

4.根据权利要求1所述述的接触线缺陷位置的精确测量方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：

2a)通过稀疏解卷积方法将从步骤1)得到的超声导波检测信号中恢复反射序列的问题转换为稀疏解卷积问题，其中，所述稀疏解卷积问题为：

其中，x为反射序列，s为超声导波检测信号，H为Toeplitz卷积矩阵，表示l₁范数，λ为正则化参数；通过迭代算法求解所述稀疏解卷积问题，以恢复出反射序列；

2b)从反射序列中识别及提取接触线上缺陷的位置特征信息，并确定裂纹脉冲与入射脉冲之间的时间差，得接触线上缺陷与波激励系统中导波激励传感器之间的距离L，其中，

其中，t₁为入射脉冲的响应时间，t₂为裂纹脉冲的响应时间，v_g为所选择检测模态导波在激励频率下的群速度。

5.根据权利要求1所述述的接触线缺陷位置的精确测量方法，其特征在于，根据超声导波的脉冲回波检测原理基于选择的超声导波传感器搭建接触线超声导波检测系统。

6.根据权利要求3所述的基于超声导波的接触线检测方法，其特征在于，导波激励系统由依次相连接的波形发生器、电压放大器及导波激励传感器组成；

导波采集系统由依次相连接的导波接收传感器、信号放大器及示波器组成。