CN102060036A - 高速列车轮对动态检测*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高速列车轮对动态检测***包括：设置在钢轨上的轨上检测装置，检测列车轮对信息；与轨上检测装置电连接的轨边转接单元，用于转接轨上检测装置检测得到的检测信号；与轨边转接单元电连接的数据处理单元，对轨边转接单元提供的检测信号进行处理得到轮对的检测结果。本发明实施例提供的高速列车轮对动态检测***的核心检测部件为轨上检测装置，其安装在钢轨的底部，无需对钢轨进行破坏性改造，同时，轨上检测装置能够在列车高速运行时获取得到列车的相关信息，且其内部相关器件抗震性好，能够适应高速运行环境。该***检测过程全自动进行、检测效率高，因此，该***适用于高速运行列车的在线检测。

Description

高速列车轮对动态检测***

技术领域

本申请涉及列车轮对检测技术领域，特别是涉及一种高速列车轮对动态检测***。

背景技术

轮对是列车走行部的重要部件之一，轮对质量的好坏直接影响列车行车安全。

近年来，随着我国经济的高速发展，火车运行速度逐年提升，伴随着高速和重载的需求，火车的轮对要承受很大的动态负载，在车轮踏面上极易出现踏面擦伤、剥离、不圆现象，导致火车运行品质下降，磨损加剧，甚至导致车轴断裂、崩轮，造成重大事故。所述踏面是指车轮与钢轨面相接触的外圆周，具有一定的斜度。所述踏面擦伤，是指由车轮发生滑行造成的，车轮滑行时车轮踏面与钢轨接触的那部分成了固定的磨擦面，它与钢轨持续摩擦而使车轮踏面上发生局部平面磨耗，形成擦伤。所述踏面剥离，是指由于车轮踏面表面长期运行受到冷热不均或持续冲击等造成的材料脱落。所述踏面不圆度，是指车轮踏面横断面上最大与最小直径的差值，也称作椭圆度或失圆度。

现有技术中的一种TPDS货车运行状态地面安全监测***，采用贴在钢轨轨腰两侧的中和轴上的应变片来感受货车通过时的应变力变化从而检测车轮踏面表面的踏面损伤及车体偏载状况，这种监测***仅适用于低速运行的列车检测，适应速度范围仅为20-120km/h，在安装时，需要对钢轨做破坏性改造，而高速铁路正线的整体道床不允许对钢轨做破坏性改造，因此，该***不适用于高速列车的轮对在线检测。此外，所述TPDS货车运行状态地面安全监测***安装后调试周期长，维护不方便，必要时需要更换钢轨，而且不能检测踏面的不圆度缺陷。

另外，现有技术中还有一种车轮踏面擦伤及不圆度在线动态检测装置，安装在列车入库检修线上，其采用接触检测法检测轮对的踏面擦伤和不圆度缺陷，但其适应速度范围在15km/h以下，不适用于高速列车的轮对在线检测。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种高速列车轮对动态检测***，以实现对高速列车的轮对信息的在线检测，技术方案如下：

一种高速列车轮对动态检测***，包括：

设置在钢轨上，用于获取列车轮对信息的轨上检测装置，所述轮对信息包括列车车号、轮对个数以及列车轮对踏面信息；

与所述轨上检测装置电连接的轨边转接单元，用于转接所述轨上检测装置检测得到的检测信号；

与所述轨边转接单元电连接的数据处理单元，对所述轨边转接单元提供的检测信号进行处理得到轮对的检测结果。

优选地，所述轨上检测装置包括：

位于列车行进方向上，且设置在一根钢轨内侧的***上电开关，用于列车到来时触发所述***得电；

设置在一根钢轨内侧，且位于所述***上电开关前方的车轴计数开关；

设置在两根钢轨内侧，且位于所述车轴计数开关前方，用于检测列车轮对踏面信息的激光传感器组；

设置在两根钢轨之间激光传感器组的车号识别模块。

优选地，所述激光传感器组激光传感器组包括至少12个激光传感器，且两根钢轨内侧的激光传感器数量相等。

优选地，所述激光传感器通过轨卡固定在钢轨底部。

优选地，所述激光传感器包括：

固定在同一根钢轨上的发射激光信号的激光发射器和激光接收器，且所述接收器设置在所述激光发射器的前方；

设置在激光发射器和激光接收器之间，用于保护所述激光发射器和所述激光接收器的护管。

优选地，所述激光接收器为高精度位置敏感检测器PSD接收器。

优选地，所述轨边转接单元包括：转接箱，以及设置在所述转接箱外的防护箱。

优选地，所述***上电开关为电磁传感器。

优选地，所述车轴计数开关为电磁传感器。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本发明实施例提供的高速列车轮对动态检测***通过轨上检测装置采集轮对踏面状况的检测数据信号，列车在钢轨上运行时，由于车轮载荷会使钢轨发生弯曲，其弯曲程度与车轮作用于钢轨上的力有关，从而使激光传感器发出的激光束发生偏移，其偏移位移与钢轨的弯曲度有关，进而与车轮作用于钢轨上的力有关，根据钢轨过车前后的形变变化并结合轮轨关系计算出轮对信息，即可以计算得到轮对踏面的擦伤、踏面剥离以及踏面不圆度等踏面缺陷，此外还可以用于检测列车的超偏载、横向力等运行状况。本发明实施例提供的高速列车轮对动态检测***的核心检测部件为轨上检测装置，其安装在钢轨的底部，无需对钢轨进行破坏性改造，同时，轨上检测装置能够在列车高速运行时获取得到列车的相关信息，且其内部相关器件抗震性好，能够适应高速运行环境。该***检测过程全自动进行、检测效率高，因此，该***适用于高速运行列车的在线检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种高速列车轮对动态检测***的结构示意图；

图2为本申请实施例一种轨上检测装置的结构示意图；

图3为本申请实施例一种激光传感器的安装示意图；

图4为本申请实施例一种激光传感器的结构示意图；

图5为本申请实施例接收器的工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

请参见图1，本发明实施例提供一种高速列车轮对动态检测***，包括：轨上检测装置1、轨边转接单元2、数据处理单元3。

所述轨上检测装置1安装在两根钢轨的内侧，用于获取列车轮对信息，该轮对信息包括列车车号、轮对个数以及列车轮对踏面信息；

所述轨上检测装置1利用激光传感器采集列车轮对踏面信息，所述激光传感器包括平行于钢轨设置的激光发射器和激光接收器，所述激光发射器和所述激光接收器的位置与所述钢轨相平行。当钢轨上没有列车经过时，激光发射器发射出的激光束正好位于激光接收器的正中心；当有列车经过钢轨时，由于车轮碾压在钢轨上导致钢轨弯曲变形，从而使激光发射器所发出的光束发生偏移，进而激光接收器接收到的光束产生位移，所述激光接收器将所述激光束的位移量转换成电信号，该激光传感器的检测精度可检测到列车轮对踏面上毫米级的缺陷。

该轨上检测装置是该高速列车轮对动态检测***的检测核心，该激光传感器具有安装简单、维护方便、抗震性能好等优点，该轨上检测装置主要通过螺栓卡接在钢轨底部，不需要对钢轨作破坏性改造。激光传感器又是所述轨上检测装置的核心检测部件，日常维护时，可以通过远程通信方式检测激光传感器上的电压状况。激光传感器内部的光学器件具有长期稳定性及抗震性，能够在列车高速运行的高频振动环境下长期使用。

轨边转接单元2与所述轨上检测装置1电连接。

由于轨上检测装置的线路很多且比较复杂，故通过轨边转接单元2转接轨上检测装置1上的电源信号及检测信号。轨上检测装置1的各个信号输出端分别连接至轨边转接单元2的信号输入端口，又由于轨上检测装置1走线复杂，需要轨边转接单元2将轨上检测装置1的进出线进行必要的合并，经所述轨边转接单元2合并后仅有两根线缆与数据处理单元3相连接，因此轨边转接单元2大大降低了***道床上的线路的复杂程度，适应铁路建设对线路的要求。

优选地，所述轨边转接单元2包括用于转接信号的转接箱，以及设置在转接箱外部的防护箱，用于保护所述转接箱，避免水、尘土及人为踩踏等外界因素影响转接箱的正常工作。

数据处理单元3与所述轨边转接单元2电连接，数据处理单元3接收轨边转接单元2转接来的信号，并依据轮轨关系计算出列车轮对踏面的缺陷信息。

上述高速列车轮对动态检测***还可以检测列车的偏载、超载、横向力等列车运行状况，具体的检测原理是检测轮对通过检测列车运行的横向力，进而预测出列车高速运行时的脱轨系数，进而可以提高列车行车安全性。

本发明实施例提供的高速列车轮对动态检测***通过轨上检测装置采集轮对踏面状况的检测数据信号，列车在钢轨上运行时，由于车轮载荷会使钢轨发生弯曲，其弯曲程度与车轮作用于钢轨上的力有关，从而使激光传感器发出的激光束发生偏移，其偏移距离与钢轨的弯曲度有关，进而与车轮作用于钢轨上的力有关，根据钢轨过车前后的形变变化并结合轮轨关系计算出轮对的缺陷信息，即能够计算得到轮对踏面的擦伤、踏面剥离以及踏面不圆度等踏面缺陷，此外还可以检测列车的超偏载、横向力等运行状况。本发明实施例提供的高速列车轮对动态检测***的核心检测部件为轨上检测装置，其安装在钢轨的底部，无需对钢轨进行破坏性改造，同时，轨上检测装置能够在列车高速运行时获取得到列车的相关信息，且其内部相关器件抗震性好，能够适应高速运行环境，该***检测过程全自动进行、检测效率高，因此能够适用于高速运行列车。

参见图2，本实施例提供的轨上检测装置的结构示意图，该轨上检测装置包括：依次设置在列车行进方向上的***上电开关11、车轴计数开关12、激光传感器组13、车号识别模块14。

所述***上电开关11设置在两根钢轨5中的其中一根的内侧，当列车到来时，触发所述***得电，使所述***处于待机状态，准备采集数据。

当列车车轮经过所述***上电开关11时，***上电开关11输出的电信号会发生变化，此变化的电信号可以触发***得电，具体地，可以通过电磁传感器实现，也可以通过激光传感器或电涡流传感器实现。

车轴计数开关12设置在两根钢轨5中的其中一根的内侧，且位于所述***上电开关11的前方，具体也可以通过电磁传感器实现，当检测到车轮(导体)通过时，输出的电信号发生一次变化，电磁传感器输出电信号的变化次数即列车车轴的个数。

激光传感器组13设置在钢轨5的内侧，且设置在车轴计数开关的前方，用来检测列车轮对踏面圆周缺陷。

所述激光传感器组13至少由12个激光传感器组成，且两根钢轨上设置的激光传感器个数相同，以12个激光传感器为例进行对激光传感器组13进行说明：

每根钢轨上设置有6个激光传感器，每个激光传感器负责约700mm长度的轮对踏面圆周的检测，6个激光传感器就能检测约为4200mm的圆周距离，而一个车轮的圆周长度小于4200mm，即6个激光传感器就能够检测到任意直径的车轮至少一个圆周的踏面距离。

需要说明的是，激光传感器的个数不限于12个，只要能够检测车轮踏面圆周的至少一个圆周的距离即可；传感器的个数可以多于12个，这样能够检测车轮的两个或更多个踏面圆周，进而实现多个传感器检测出同一个车轮信息，以使检测结果更加精确。

具体实施时，参见图3和图4，图3为本发明实施例一种激光传感器的安装示意图；图4为本发明实施例一种激光传感器的剖视结构示意图。

激光传感器包括激光发射器6、激光接收器7和护管8。如图3所示，激光发射器6和激光接收器7通过轨卡9卡装在一根钢轨的底部，具体的，所述轨卡9可以通过固定螺栓固定在钢轨底部上，安装简单，且不需对钢轨做破坏性改造。而且，激光接收器7设置在激光发射器6的前方，以使车轮先经过激光发射器6。护管8用于保护所述激光发射器6和所述激光接收器7内部的光学器件。

所述激光传感器灵敏度较好，可以测得的最小载荷为10kg，即使人手指按在所述激光传感器上方的钢轨上使钢轨发生的形变量也可以被激光传感器检测得到形变位移。同时，激光传感器中的激光接收器的测量范围较大，一列重达10吨的列车车轮经过激光传感器上方时，激光接收器所测量的位移量仅占其整个测量范围的10％，因此，该激光传感器能够适用于各种载荷的列车。

上述激光传感器的具体工作过程如下：

正常情况下激光发射器6发出的激光束打在激光接收器7的正中心的位置处；当有列车经过时，由于车轮碾压钢轨造成钢轨变形，其弯曲程度与车轮作用于钢轨的作用力、激光束初始位置与激光接收器中心点的距离及车轮作用时间有关。从而，使激光发射器6发射的激光光束方向发生偏移，使得沿着钢轨所在平面打在PSD激光接收器7的激光光束位置产生位移。

所述激光接收器7可以是PSD(Position Sensitive Device，高精度位移传感器)激光接收器，纵向设置在钢轨上，即可以感应激光光束上下偏移的位移量。其工作原理图如图5所示，所述激光接收器7的上下两端输出电压分别为U1和U2，且U1与U2之和不变。当激光束打在激光接收器7的正中心时，U1＝U2；当激光束向下偏移时，U1增大、U2减小；当激光束向上偏移时，U1减小，U2增大。

当列车未到达激光传感器时，由于车轮碾压钢轨使得与车轮相接触的钢轨向下弯曲，但是位于车轮前方的激光发射器6发出的激光光束向上偏移，使得激光接收器7输出的U1减小，U2增加；当车轮运动到激光发射器6的上方时，由于激光发射器6和激光接收器7分别固定在靠近枕木的钢轨处，因此车轮的承重力主要由枕木承受，此时钢轨基本不弯曲，因此激光发射器发出的激光光束不偏移；当车轮运动到激光发射器6的上方时，由于车轮承重力使与车轮接触的钢轨产生形变，即钢轨向下弯曲，导致激光发射器6发出的激光束向下偏移，从而使激光接收器7输出的U1增大，U2减小。

优选地，激光传感器将车轮经过时的全过程的电信号经所述轨边转接单元2提供给所述数据处理单元3，数据处理单元根据接收到的U1和U2的数值，利用以下公式计算得到轮对踏面圆周检测状况对应曲线：

$\mathrm{Position}=K\frac{U1-U2}{U1+U2}---\left(1\right)$

上述公式中K为正比例系数，U1和U2为激光接收器7输出的电压值。

由于U1+U2为常数，一个激光传感器所测得的车轮经过时轮对踏面圆周检测对应曲线为一开口向下的抛物线的形状。

当车轮存在踏面损伤，即踏面擦伤或踏面剥离时，对应激光传感器位置处得到的检测曲线将产生瞬间波浪形跳变，而不是光滑的抛物线。当车轮存在踏面损伤时，车轮踏面损伤处接触钢轨时，此时仅是踏面损伤处的一点接触钢轨，车轮以该点为支点发生转动，在转动过程中车轮有腾空的趋势，因而钢轨受到车轮的压力会变小，钢轨的形变减小，激光发射器发出的激光束的偏移量减小，当车轮踏面损伤处离开钢轨时，车轮向下的冲击力增大，钢轨的形变增大，激光发射器发出的激光束的偏移量增大，反映到曲线上就是一个波浪形跳跃的变化，而不是平滑的抛物线的形状。

根据曲线上产生跳变处的极值判断产生的损伤的大小，根据所测得的曲线中瞬间波浪形跳变个数可以判断出车轮损伤的个数。

一个激光传感器负责约700mm的车轮踏面圆周检测，6个激光传感器所测得的六条曲线就能反映整个车轮的踏面圆周状况，当车轮较不圆度时，六个传感器测得数据对应的曲线均为平滑的抛物线形状，而且这六条抛物线的顶点基本在一条直线上，当车轮踏面存在不圆度的缺陷时，所述六条抛物线的顶点是上下波动的，根据该六条抛物线的顶点波动状况可以计算出车轮不圆度的大小。

车号识别模块14设置在两根钢轨5之间，该车号识别模块14可以设置在***上电开关11的前方，在本实施例中，车号识别模块14设置在激光传感器组13的前方。

由于每条铁路线路上会经过很多的列车，该车号识别模块14用于确定激光传感器组13检测得到的车轮踏面信息对应的列车。具体的，列车上设置有包含列车车号基本信息的电子标签，车号识别模块14可以读取该标签并从中获取列车的车号信息，从而可以确定激光传感器组13检测得到的车轮踏面信息对应的列车，而且该车号识别模块14能够获取高速运行的列车的车号，是所述轨上检测装置适用于高速列车的前提之一。

需要说明的是，可以将本发明实施例中的激光接收器7横向设置在激光发射器6的前方，激光发射器6发射的激光在平行于轨枕所在的平面内打在激光接收器7上，即激光束在水平方向偏移，此时，可以用来检测横向力，当列车在转弯或由于货物装载不均匀时，车轮会产生左右摆动，进而产生横向力，该横向力在一定程度上对钢轨产生破坏，因此通过检测横向力可预测列车高速运行时的脱轨系数。

此外，本发明实施例提供的高速列车轮对动态检测***，不需要配备校准列车来校正***，具有自校正功能，该***可以通过重量已知的列车自动进行校准，列车每次通过该***时，***将列车的载重，温度和速度等数据记入数据库中，所述***每次计算时均会结合记录的最近100-200个车次的数据情况，利用列车载重参数等相关参数自动校正当次检测结果。

综上所述，本发明实施例提供的高速列车轮对动态检测***通过激光传感器采集车轮的踏面状况信息，所采集到的数据信息经数据处理单元进行处理及数据分析后可以得到列车轮对踏面信息。所述***的安装简单，维护方便，且不需对道床和钢轨做任何破坏性改造，该***可以适用于60-400km/h的速度范围，速度适用范围广；该***的检测过程全自动进行，且具有自校正功能，检测效率高，通常一列车检测时间在2min以下。所述***还可以将检测结果直接显示在显示设备上，直观显示有缺陷的车轮位置及缺陷大小等信息，还可以以网页的形式显示检测结果。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种高速列车轮对动态检测***，其特征在于，包括：

设置在钢轨上，用于获取列车轮对信息的轨上检测装置，所述轮对信息包括列车车号、轮对个数以及列车轮对踏面信息；

与所述轨上检测装置电连接的轨边转接单元，用于转接所述轨上检测装置检测得到的检测信号；

与所述轨边转接单元电连接的数据处理单元，对所述轨边转接单元提供的检测信号进行处理得到轮对的检测结果。

2.根据权利要求1所述的高速列车轮对动态检测***，其特征在于，所述轨上检测装置包括：

位于列车行进方向上，且设置在一根钢轨内侧的***上电开关，用于列车到来时触发所述***得电；

设置在一根钢轨内侧，且位于所述***上电开关前方的车轴计数开关；

设置在两根钢轨内侧，且位于所述车轴计数开关前方，用于检测列车轮对踏面信息的激光传感器组；

设置在两根钢轨之间激光传感器组的车号识别模块。

3.根据权利要求2所述的高速列车轮对动态检测***，其特征在于，所述激光传感器组包括至少12个激光传感器，且两根钢轨内侧的激光传感器数量相等。

4.根据权利要求3所述的高速列车轮对动态检测***，其特征在于，所述激光传感器通过轨卡固定在钢轨底部。

5.根据权利要求4所述的高速列车轮对动态检测***，其特征在于，所述激光传感器包括：

固定在同一根钢轨上的发射激光信号的激光发射器和激光接收器，且所述接收器设置在所述激光发射器的前方；

设置在激光发射器和激光接收器之间，用于保护所述激光发射器和所述激光接收器的护管。

6.根据权利要求5所述的高速列车轮对动态检测***，其特征在于，所述激光接收器为高精度位置敏感检测器PSD接收器。

7.根据权利要求1-6所述的高速列车轮对动态检测***，其特征在于，所述轨边转接单元包括：转接箱，以及设置在所述转接箱外的防护箱。

8.根据权利要求2-6所述的高速列车轮对动态检测***，其特征在于，所述***上电开关为电磁传感器。

9.根据权利要求2-6所述的高速列车轮对动态检测***，其特征在于，所述车轴计数开关为电磁传感器。

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