道岔构造复杂、状态多变、病害繁多，是高速铁路线路的薄弱环节，也是影响行车平稳性与安全性的关键基础设施，任何损伤都有可能造成列车运行事故^[1]，因此确保道岔钢轨完整性的需求日益迫切. 目前，国内外主要采用相关物理设备，如电荷耦合器件、超声波传感器、接触式轮式探头、电磁超声换能器等以及机器视觉，对钢轨进行无损检测^[2]. 在实际线路中，由于使用仪器探测道岔尖轨的区域仅是轨面宽度大于50 mm的部位，其余部位只能使用人工探测而无法利用仪器进行识别^[3]. 针对道岔尖轨的断轨识别，急需引入新的技术手段.

弹性波检测具有长距离、大范围、全截面、便捷性等优势^[4]，近年来受到国内外学者的广泛关注. Hayashi等^[5]研究钢轨中弹性波的传播特性，为弹性波监测技术在钢轨断轨监测中的可行性提供了依据；卢超等^[6]基于半解析有限元法，通过分析钢轨轨底各振动模态弹性波波结构，研究不同激励参数对钢轨弹性波传播特性的影响；朱力强等^[7]基于CHN60钢轨频散曲线，分析不同频率弹性波的模态数量及振型，根据激励响应理论及仿真结果确定激励方式；何存富等^[8]基于振动模态分析提取钢轨中弹性波的传播特性，确定适合的振动模态，针对钢轨的不同部位进行无损检测；范振中^[9]通过将道岔尖轨轨底、轨腰及轨头近似成不同厚度的平板波导，研究道岔尖轨各部位的兰姆波最优激发频率与激发角度；付连著等^[10]将尖轨简化为等截面结构，在理论分析和有限元仿真的基础上对尖轨进行缺陷监测试验；胡剑虹等^[11]基于有限元方法研究道岔钢轨特定模式导波的传播特性，分析不同频率导波对道岔钢轨轨底缺陷的检测效率，对实际道岔钢轨轨底缺陷进行检测；Zhang等^[12]通过研究声发射波在道岔钢轨中的传播特性，对道岔钢轨轨底缺陷进行识别和定位，研究缺陷信号的兰姆波频散特性；严寅中^[13]基于商业有限元软件ANSYS，建立12号道岔尖轨三维有限元模型，分析不同频率导波进行尖轨探伤的优势，能够与试验测试结果吻合较好；Burger^[14]利用弹性波来持续监测轨道完整性，该系统沿轨道以1 km间隔设立弹性波发射点，根据接收站是否接收到弹性波信号，确定钢轨的完整性；Loveday等^[15]对断轨检测系统添加脉冲回波操作模式，对钢轨轨头裂缝进行定位并监测裂缝的生长；李文超等^[16]基于脉冲回波反射法检测钢轨缺陷，利用小波变换理论分析缺陷处弹性波信号，根据散射波特征确定缺陷位置及大小；张友鹏等^[17]基于LabVIEW编程设计两端发射、中央接收的弹性波断轨检测程序，根据接收信号时间和幅值对钢轨断轨位置进行定位，分析轨道完整、列车占用和轨道断轨3种状态下弹性波的传播特性.

目前，对于区间线路等截面钢轨的断轨识别工作取得了良好的进展. 针对高速道岔变截面非对称尖轨，当前研究所建的模型没有考虑实际道岔线路中基本轨及轨下基础对弹性波信号的影响，无法准确地模拟道岔尖轨断轨监测. 本文以18号高速道岔为研究对象，基于显式有限元方法，建立考虑尖轨与基本轨密贴和轨下基础的有限元模型. 在尖/基轨斥离和密贴两种状态下，对道岔尖轨跟端施加不同中心频率的弹性波激励，利用信号在道岔钢轨中健康尖轨和不同断轨位置工况下传播时的差异，验证道岔区尖轨断轨识别的可行性.

弹性波在道岔钢轨中传播时，振动可以通过尖/基轨密贴区及轨下基础传递，对弹性波信号产生干扰. 在采用ANSYS/LS-DYNA平台进行模拟仿真时，建立可以考虑尖基轨密贴和滑床台板支承等轨下基础的高速道岔转辙器区实体模型，分别研究尖/基轨密贴和斥离2种状态下弹性波识别尖轨断轨的可行性. 模型中尖轨全长21.46 m，基本轨与尖轨等长，轨下基础设置35组，位置及形状与客运专线250公里18号高速道岔转辙器区岔枕布置方式相同. 通过定义面-面接触模拟尖轨与基本轨之间以及尖/基轨与轨下基础的接触，轨下基础建模时考虑滑床台板支承和铁垫板的振动传递作用，铁垫板底部节点固定约束. 道岔模型如图1所示.

由于道岔区尖轨存在螺栓孔，弹性波在钢轨中传播时会受到阻碍，可能影响断轨识别. 本文建立2根直尖轨，尖轨全长11.792 m，包含变截面全部区段和螺栓孔部分，一根完整没有螺栓孔，一根带有螺栓孔. 对2根尖轨跟端轨腰处网格施加经Hanning窗调制的5周期30 kHz正弦脉冲信号作为激励，激励方向为垂向，位于尖轨尖端轨腰中心处的A点作为信号接收点. 2根尖轨的有限元模型及激励波包如图2所示. 图中，M为幅值.

通过观察对比2根尖轨接收点信号，研究螺栓孔对信号识别的影响. 完整尖轨及带螺栓孔尖轨A点的振动加速度时频图如图3所示. 图中，a_n为标一化后的加速度，f为弹性波频率.

由图3可以看出，完整尖轨和带螺栓孔尖轨能量幅值存在一定的差异，但信号到达时间无明显差别，主频带均在30 kHz附近且清晰可辨，信号传播能量集中. 由于基于时频图中主频带及能量集中程度进行尖轨断轨识别，螺栓孔的存在仅在信号能量幅值处体现出差异，不影响对尖轨完整性的判断. 考虑到计算效率的问题，采用完整尖轨模型. 道岔模型采用八节点六面体实体单元网格进行网格划分. 由于网格划分过粗会造成计算过程中结构体变形、网格产生畸变等现象，导致计算结果不收敛；网格尺寸过小，则导致计算效率低下. 在网格划分过程中，需要合理选择网格单元的大小，保证在一个波长范围内包含10个以上网格. 不同频率弹性波选用的网格大小见表1. 表中，d为网格大小.

模型中设置的网格大小均为8 mm，模型共1 372 946个单元，道岔模型密度设为7 850 kg/m³，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3.

通过在北京通号试验场地现场安装弹性波发射、接收传感器，对高速道岔弹性波传播特性分析模型的仿真计算结果和试验数据进行对比验证.

检测试验针对与基本轨密贴的18号高速道岔直尖轨，系统采用一发两收的时间测量方案，激励传感器安装在距尖轨尖端11 792 mm轨底处，定位传感器安装在激励传感器前100 mm处，在尖轨尖端轨底位置处安装接收传感器. 根据定位传感器与接收传感器接收信号的时间差确定传播时间. 从激励传感器到尖轨尖端为试验区段，包含尖轨变截面区以及全部尖/基轨密贴区，可以与对于尖/基轨密贴区和轨下基础传播通道对弹性波进行尖轨断轨识别的影响研究进行对比分析. 具体测点及传感器布置方案如图4所示.

试验中的激励信号为中心频率为30 kHz的10周期Hanning窗信号，激励方向为垂直于轨底垂向，经信号放大器放大施加于激励传感器，数据采集器的采样频率为2 MHz，在尖轨尖端接收传感器处接收. 在所建立的高速道岔弹性波传播特性分析模型中施加相同的激励，分别提取仿真模型和试验中接收传感器接收数据进行对比分析，仿真及试验时域图如图5所示. 图中，M_n为归一化后的幅值.

从图5可以看出，仿真和试验采集的时域响应波形近似，信号达到的时间基本一致. 利用小波变换将时域响应转换到时频域进行分析，对比弹性波信号在传播过程中的主频带以及能量集中程度，可以对仿真模型的正确性进行进一步的验证.

从图6可知，在弹性波传播过程中，仿真和试验的响应能量均集中在30 kHz附近，主频带清晰可辨，能够达到断轨识别的目的.

对钢轨中弹性波的传播特性进行研究，选择出易于激发和接收、频散性弱、衰减速度低的弹性波，是利用弹性波进行断轨识别的前提. 利用半解析有限元法，可以对等截面钢轨求解弹性波频散曲线，分析钢轨中弹性波的传播特性. 由于尖轨截面沿纵向可变，尚无具体可行的方法对整根变截面尖轨的频散曲线进行绘制并研究其传播特性. 尖轨是通过对整根60D40钢轨进行切削压制形成，60D40钢轨未切削部分在尖轨总长中占比达到42%. 基于半解析有限元方法，通过对60D40钢轨截面弹性波频散曲线进行绘制，参考弹性波在60D40钢轨中的传播特性，研究道岔尖轨中的传播特性，指导道岔尖轨断轨识别的弹性波激励方式的选取. 60D40钢轨截面及频散特性曲线见图7. 图中，n为波数.

由图7可知，30 kHz以上频率的弹性波频散曲线相交现象十分严重，容易发生模态转换，在断轨识别过程中不易对弹性波信号进行区分，且频率越高弹性波信号衰减越快，信噪比越低，不适于在长距离结构中关于断轨检测信号的识别. 选取的最高激励频率为30 kHz. 2 kHz以下频率弹性波存在4种截止频率为0的基本波模式，4 kHz时出现第1个截止频率非0的波模式，在10 kHz时各频散曲线开始存在相交区域，出现模式转换现象. 为了对比研究低频（以基本波模式为主）、中频（出现模式转换现象）、高频下信号检测尖轨断轨的差异，对中心频率为2、4、10、30 kHz的弹性波在道岔钢轨中的传播进行有限元仿真.

为了对整根尖轨进行断轨监测，尽量消除由于传播距离长导致的弹性波频散及模式转换现象，仿真采用脉冲透射波检测法，即一端激励一端接收的方式进行检测，根据能否接收到信号判断尖轨完整情况. 在实际线路中，钢轨完整性在线监测系统激励探头的安装须不影响列车的正常运行，因此，信号加载在道岔尖轨跟端轨腰处网格节点，选取经Hanning窗调制的5周期正弦脉冲信号作为激励. 为了研究尖/基轨密贴区的振动传递作用，激励方向垂直于钢轨轨腰，即图3中y轴正方向，位于尖轨尖端轨腰中心处的A点作为信号接收点，尖轨激励位置与接收位置如图8所示.

利用删除单元法模拟尖轨断轨，删除单元法可以在不影响结构体其他单元和节点编号的基础上，达到模拟断轨的目的. 在实际线路中，为了保证尖轨具有足够强度可以承受列车荷载的压力，从尖轨顶宽20 mm处开始与基本轨共同受力，此处距尖轨尖端4 m，尖/基轨密贴区从尖轨尖端计算共10.68 m. 在不同的断轨位置工况下，弹性波可以通过尖/基轨密贴区传递至基本轨的区间长度不同，为了比较检测信号的差异，共设置2种断轨工况进行对比. 断轨工况1为距离尖轨尖端4 m处尖轨断裂，断裂形状为垂向断裂，断轨工况2为距离尖轨尖端10 m处尖轨断裂，断裂形状同上. 考虑上述2种工况下的尖轨断轨如图9所示.

在斥离状态下，由于尖轨与基本轨之间不存在相互接触的区域，2根钢轨可以通过滑床台以及铁垫板等轨下基础传递振动. 在尖轨断轨状态下，对尖轨跟端施加激励，振动经轨下基础传递至基本轨，通过完好的基本轨沿纵向传递，再次经过轨下基础传递至尖轨尖端，形成一个完整的传播通道，对弹性波识别信号产生干扰. 在斥离状态下，可以排除尖轨与基本轨密贴对弹性波传播信号的干扰，通过分析在健康尖轨和断轨工况下的A点振动加速度时频图，研究轨下基础传播通道对弹性波识别断轨的影响. 健康尖轨及不同断轨工况下的A点振动加速度时频图如图10所示.

由图10可知，在尖/基轨斥离状态下，弹性波频率越低，传播能量越集中. 在健康尖轨中，随着频率的提高，弹性波的频散和多模态特性更加明显，但主频频带可以清晰辨明且与激励频率重合. 在断轨工况下，接收点接收到弹性波信号，说明弹性波可以通过轨下基础传播通道进行传播. 接收到的弹性波能量微弱，微小的信号扰动可以导致时频图能量聚集，在断轨工况下杂波较多，无法根据弹性波信号对断轨位置进行准确定位，但通过与健康尖轨时频图主频频带及能量的对比可以准确判断尖轨断轨的产生.

在道岔尖轨跟端施加点处拾取激励的振动加速度响应，根据A点弹性波信号在不同工况、不同频率下能量密度及分布情况的仿真结果，通过对比激励点的弹性波信号峰值和接收点的弹性波信号峰值得到不同工况下信号的衰减倍数，如表2所示. 表中，A₁为健康尖轨衰减倍数，A₂为断轨工况1衰减倍数，A₃为断轨工况2衰减倍数.

由表2可知，在健康尖轨中，弹性波衰减倍数随着激励频率的增大而增大. 在2、10 kHz激励下，不同断轨工况信号的衰减倍数误差均小于5%，在4、30 kHz激励下，断轨工况2的衰减倍数高于断轨工况1. 不同断轨工况的衰减倍数与激励频率之间没有明显关联，无法通过弹性波信号的衰减对断轨位置进行定位，但断轨工况下的信号衰减倍数均大于10⁹，通过与健康尖轨信号衰减倍数的对比可以准确判断尖轨断轨的产生. 这是因为轨下基础具有弹性，在弹性波的激励下振动振幅极小，无法对弹性波信号产生明显影响. 轨下基础可以作为弹性波在道岔中的传播通道，但在断轨状态下，通过轨下基础传播的弹性波信号衰减倍数均大于10⁹，对道岔尖轨断轨检测的影响可以忽略不计.

在斥离状态下，可以将尖轨和基本轨视为相互独立的2根钢轨. 在进行高速道岔尖轨断轨识别时，忽略轨下基础的振动传递作用.

在密贴状态下，道岔区尖轨和基本轨密贴区可以相互传递振动，振动以弹性波的形式进行传播. 当发生断轨事故时，尖基轨密贴区可以形成传播通道，通过该通道传播的弹性波信号会对断轨识别产生影响. 在密贴状况下，可以通过研究健康尖轨和断轨工况下弹性波传播特性的差异，确定基本轨对道岔尖轨断轨检测的影响. 健康尖轨及不同断轨工况下的A点振动加速度时频图如图11所示.

由图11可知，在尖基轨密贴状态下，当激励的频率为2 kHz时，能量能够集中传递，接收点能量集中分布在激励频率附近；当激励频率上升时，能量呈现出多模态和频散的特性. 对于健康尖轨，接收点主频频带较明显，且与激励频率重合，但相较于斥离状态下，密贴时的接收点能量分布更分散，这是由于部分能量通过尖基轨密贴区传至基本轨所导致的；在断轨工况下，接收点时频图的频率范围广，杂波多，持续时间长，但尖轨接收到的能量比斥离状态更多. 通过时频图中的能量集中状况及幅值可以准确判断尖轨断轨的产生.

在道岔尖轨跟端激励施加点处拾取振动加速度响应，并在A点拾取振动加速度响应. 根据图9的仿真结果，通过对比激励点的弹性波信号峰值和A点的弹性波信号峰值，计算不同工况下弹性波信号的衰减倍数，如表3所示.

在密贴状态下，健康尖轨与断开尖轨之间存在一定差异，可以通过弹性波信号的衰减倍数对尖轨断轨进行识别. 在2、4、10、30 kHz频率激励下，断轨工况1中A点的弹性波信号峰值分别是健康尖轨工况下A点的11.8、46、67.8、694倍，断轨工况2中A点的弹性波信号峰值分别是健康尖轨工况下A点的26.4、49.8、123.11、1 037倍. 可以看出，断轨工况1中A点衰减倍数均小于断轨工况2，不同断轨工况下的弹性波信号衰减倍数存在较明显的差异，这是因为断轨工况1中的尖基轨密贴区面积大于断轨工况2下的尖基轨密贴区面积，在断轨工况1中能量可以通过接触面积更大的贴合区进行传播. 相关规律需要设立更多的断轨工况进行研究.

根据上述仿真研究，对不同频率弹性波的衰减倍数进行对比分析，如表4所示. 表中，B₁为斥离状态下的衰减倍数，B₂为密贴状态下的衰减倍数.

由表4可知，低频率弹性波（2、4 kHz）在健康尖轨中传播时，在密贴和斥离2种工况下，弹性波能量衰减倍数近似，且衰减率和时频图无明显差别，说明低频率弹性波进行检测时不受基本轨密贴的影响.

（1）在尖基轨斥离状态下，可以排除基本轨对弹性波传播的影响，研究滑床台板支承对断轨识别的影响. 断轨工况与健康尖轨接收到的信号峰值差异十分明显，说明滑床台板支承不影响弹性波对道岔尖轨完整性的识别效果. 在斥离状态下，可以将尖轨视为完全独立的钢轨.

（2）尖基轨密贴时，由于尖轨和基本轨直接接触，弹性波将在整个尖基轨密贴区传递振动，能量分布范围广，与斥离状态的能量幅值存在十分显著的差异，对道岔尖轨完整性的识别产生较大地影响，说明在密贴状态下基本轨对弹性波信号能够产生干扰，无法将尖轨视为完全独立的钢轨，需要考虑尖基轨密贴区的作用.

（3）不同频率弹性波的衰减率存在明显的差别. 频率越低，弹性波衰减率越低，可以识别更长距离的钢轨，能量在传播过程中较集中. 在密贴和斥离2种状态下，针对健康尖轨，低频率弹性波的衰减率和时频图无明显差别，不受基本轨密贴与滑床台板支承等轨下基础的影响；在断轨工况下，与健康尖轨信号存在较大差异，适宜作为道岔尖轨完整性监测的频率.

（4）基于半解析有限元方法，通过借鉴60D40钢轨截面弹性波频散曲线，研究变截面非对称道岔尖轨中弹性波的传播特性. 在时域进行尖轨断轨识别仿真模拟，对结果进行时频分析，为下一步开展变截面钢轨弹性波传播特性及频散特性理论研究作指导，并将结合试验研究断轨程度及位置对弹性波传播的影响.