CN107957285A - 一种铁路超偏载***及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种铁路超偏载检测***及方法，包括钢轨，在每两个轨枕间的每一股钢轨轨腰的两侧上都分别设置有两个采样点，每侧的采样点相对于钢轨对称设置，每一采样点上倾斜固定设置有一个光纤敏感元件，且所述采样点设置在钢轨的中和轴上，每股钢轨同侧的两个光纤敏感元件布局呈90°夹角，将光纤敏感元件设置在中和轴的采样点上，使得钢轨在受力变形时，光纤敏感元件的输出为剪力波形，在钢轨同一侧的两个光纤敏感元件呈90°夹角设置，保证在超偏载检测时，两个光纤敏感元件的剪力波形互补，以此形成整个检测过程中可采集的采集区间，保证了检测的精确度，并且每侧的采样点相对于钢轨对称设置，以此克服列车蛇形运行产生的滚摆干扰。

Description

一种铁路超偏载***及检测方法

技术领域

本发明涉及铁路超偏载检测领域，特别涉及一种铁路超偏载***及检测方法。

背景技术

铁路超偏载检测***是一种用于铁路运输***的计重安全保障设备。现有的铁路超偏载检测***结合使用了板式传感器和剪力传感器,以板式传感器作为计量计重的主要手段，以剪力传感器作为计轴识别工具与计重辅助手段，完成对运行车辆的超载及偏载的测量。其中，板式传感器和剪力传感器都采用了应变片这一传统的力学敏感元件, 将应变片附着于钢制弹性载体上，再将其安装在铁路上。具体安装时，参照图1所示，图1为一股钢轨的示意图，另一股与该股对称，剪力传感器21固定在钢轨1的轨腰12上，板式传感器22固定在特制钢轨1的轨枕3上，具体的，在钢轨1的中和轴钻孔后，将剪力传感器21安装在孔内，两条相邻的轨枕的间距通常为600mm。在检测过程中，车辆从进入检测区域到离开检测区域时，剪力传感器和板式传感器分别会输出入图2所示的剪力波形和压力波形，将剪力波形和压力波形合成后形成一个长度为1200mm的测量数据平台区段。可以对运行车辆的每一车轴进行计重测量。为了保证对动态运行车辆的测量精度，需要在钢轨上设置多个测量数据平台区段。合成后的信号经过数据处理后，以轴计量或转向架计量方式完成对车皮整车重量及超载、偏载程度的测量与判断。这种测量方式可以达到国家轨道衡计量站的验收标准及在70公里/小时车速以下的实用超偏载测量精度要求。

但是，采用这种测量方式有诸多缺点：首先，需要使用特制轨枕（混凝土枕或钢枕），即，在铁路上安装这种超偏载检测***时，要用特制轨枕更换普通轨枕，现场施工量很大；其次，采用应变片制成的板式传感器的成本较高；再次，安装剪力传感器时，必须在钢轨轨腰上钻孔，破坏了钢轨的结构强度，降低了钢轨的寿命周期，存在一定的安全隐患，而这是铁路工务部门坚决反对的。

由于这种测量方式存在上述缺点，业界一直在寻找替代这种测量方式的新测量：现有技术之一是仅采用剪力传感器来进行超偏载检测。例如，美国罗杰斯公司提供的超偏载检测***，其采用应变片制作剪力传感器，将剪力传感器用胶粘接在或焊在15米长的钢轨轨腰上；中国柯力公司也采用应变片来制作弧面剪力传感器，将弧面剪力传感器以一定间距固定在专用钢轨的轨腰上。上述两种方式避免了在钢轨上钻孔的弊端，去掉了特制轨枕和板式传感器组合的施工方式，但是还存在以下弊端，其一，必须在现场更换预先加工组装好的专用钢轨，对现场轨枕间距要求很严，现场施工量仍然很大。其二，传统的传感器抗电磁干扰能力较弱，信号传输距离近，容易受雷击效应击穿。此外，美国罗杰斯公司的胶水特殊，成本高，焊接是满焊对粘接面加工要求高，且胶粘的寿命周期有限；中国柯力公司采用氩弧焊来将弧面剪力传感器焊接在轨腰上，但是施工现场的轨道电路国标中明确表示不允许用强电焊接。

另一现有技术是我公司公开号为CN105444853A的中国发明专利申请，该申请文件公开了一种采用钢轨作为弹性体的光纤检测装置，其包括剪力检测装置和压力检测装置，剪力检测装置通过在钢轨轨腰的两侧分别固定设置光纤敏感元件；压力检测装置通过板式弹性体固定设置光纤敏感元件，并把板式结构安放在钢轨与轨枕之间，通过同时测量钢轨的剪切力和压力来来实现对铁路超偏载的检测。该申请文件采用光纤传感器作为测量元件使测量的数据准确率以及抗电磁干扰能力较强。但是，这一方式仍需要更换特制枕木及板式传感器，施工工程量很大。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种铁路超偏载测量***，根据感应元件的安装位置和数量，起到对铁路超偏载检测的精度更高。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种铁路超偏载检测***，包括钢轨，在每两个轨枕间的每一股钢轨轨腰的两侧上都分别设置有两个采样点，每侧的采样点相对于钢轨对称设置，每一采样点上倾斜固定设置有一个光纤敏感元件，且所述采样点设置在钢轨的中和轴上，每股钢轨同侧的两个光纤敏感元件布局呈90°夹角。

通过采用上述技术方案，将光纤敏感元件设置在中和轴的采样点上，使得钢轨在受力变形时，光纤敏感元件的输出为剪力波形，在钢轨同一侧的两个光纤敏感元件呈90°夹角设置，保证在超偏载检测时，两个光纤敏感元件的剪力波形互补，以此形成整个检测过程中可采集的数据范围，保证了检测的精确度，并且每侧的采样点相对于钢轨对称设置，以此克服列车蛇形运行产生的滚摆干扰。

进一步的，所述光纤敏感元件与钢轨中和轴呈40~50°夹角。

通过采用上述技术方案，在夹角为40~50°可采集钢轨受到的剪力。

进一步的，所述光纤敏感元件与钢轨中和轴呈45°夹角。

通过采用上述技术方案，将光纤敏感元件与钢轨中和轴呈45°夹角使输出的波形便于运算处理。

进一步的，所述光纤敏感元件的中心与采样点一致。

通过采用上述技术方案，使剪力波形的波峰与波谷保持一致，便于运算处理。

进一步的，两侧的光纤敏感元件沿钢轨对称设置。

进一步的，同一股钢轨同侧的两个采样点的间距不小于250mm。

通过采用上述技术方案，在采样点不能与轨枕的支点重合的前提下，尽量长一些，由于我国的轨枕间距为600mm，除去轨枕的占用长度，因此采样点尽可能大于250mm。

进一步的，所述光纤敏感元件通过冷焊点焊固定在钢轨上。

通过采用上述技术方案，冷焊点焊不会破坏钢轨整体金相组织，不会造成钢轨退火，不影响钢轨的强度。

进一步的，还包括连接光纤敏感元件的采集装置，连接采集装置对每一光纤敏感元件输出信号进行处理的处理装置以及分别连接处理装置的显示装置和存储装置。

通过采用上述技术方案，通过采集装置将若干光纤敏感元件的剪力波形进行采集，再利用处理装置将采集到的剪力波形合成，从而得到超偏载数据，存储装置用于存储历史信息。

本发明的目的之一在于提供一种铁路超偏载检测方法，根据感应元件的安装位置和数量，起到对铁路超偏载检测的精度更高。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种铁路超偏载检测方法，包括以下步骤：

在每两个轨枕间的每一股钢轨轨腰的两侧上都分别设置两个采样点，每侧的采样点相对于钢轨对称设置，每一采样点上倾斜固定设置一个光纤敏感元件，且所述采样点设置在钢轨的中和轴上，每股钢轨同侧的两个光纤敏感元件布局呈90°夹角；

通过光纤敏感元件采集同一侧两个采样点受力情况得出剪力波形，合并两个剪力波形，得到超偏载检测数据；

显示超偏侧检测数据。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.不必在钢轨上钻孔，保护钢轨强度，提高铁路安全性能；

2.光纤传感器元件冷焊点焊在钢轨轨腰上，与胶粘方式比较，增加安装强度，提高使用寿命；

3.不用更换特制轨枕和钢轨，不用大规模调整轨枕间距，可在既有铁路线路上安装，大大减少工程量，降低成本；

4.抗电磁干扰及防雷性能强。

附图说明

图1是背景技术中一股钢轨的结构示意图；

图2是背景技术中受力及合成力的波形图；

图3是铁路超偏载检测***光纤敏感元件的安装示意图；

图4是钢轨截面安装示意图；

图5是一个光纤敏感元件在钢轨的受力分析图；

图6是路超偏载受力分析图；

图7是光纤感应元件结构及焊点安装示意图；

图8是铁路超偏载检测***框图；

图9是光纤敏感元件线路连接示意图。

图中，1、钢轨；11、轨头；12、轨腰；13、轨底；2、采样点；21、剪力传感器；22、板式传感器；3、轨枕；4、光纤敏感元件；41、光纤线；42、焊点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1，

一种铁路超偏载***，参照图2和图3所示，光纤敏感元件4的结构应用在钢轨1上，现有的钢轨1包括轨底13、轨腰12和轨头11；钢轨1的轨底13下面架设在轨枕3上，一般相邻的两个轨枕3间距为600mm，轨腰12上有一特殊的受力位置为中和轴，中和轴只承受剪力，该偏载***在每两个轨枕3间的每一股钢轨1轨腰12的两侧上分别设置两个采样点2，每侧采样点2相对于钢轨1对称设置，每一采样点2上倾斜固定设置有一个光纤敏感元件4，且采样点2设置在钢轨1的中和轴上，每股钢轨1同侧的两个光纤敏感元件4呈90°夹角。该光纤敏感元件4与钢轨1中和轴呈40~50°夹角，为了方便检测后的数据处理将光纤敏感元件4与钢轨1中和轴设置为45°。两侧的光纤敏感元件4沿钢轨1对称设置（与采样点2的相对位置以及倾斜角度一致）。在采样点2不能与轨枕3的支点重合的前提下，尽量长一些，由于我国的轨枕3间距为600mm，除去轨枕3的占用长度，因此采样点2尽可能大于250mm，各个枕木区间，光纤设置点间的距离尽量统一一致，光纤设置点离枕木间距中心的距离尽量相等，以利于数据处理运算。

参照图5所示，依据上述的光纤敏感元件4的位置安装完成后，利用钢轨1作为光纤传感器受力载体，在钢轨1受力变形时，光纤敏感元件4的输出为剪力波形的特性，使光纤作为一种新材料，直接成为铁路超偏载***中的新的检测装置。而将光纤敏感元件4设置在钢轨1的中和轴上，使得光纤敏感元件4采集到的为剪力信号，当钢轨1上有列车经过时，其剪力波形图5中的受力波形所示。

光纤敏感元件4的输出信号公式为：F=Wg•S•q/L，其中Wg为载荷，L为作为钢轨1支点的两枕木间距离，S为钢轨1受力点到其中一端支点的距离，q为受力点面积，此处简化为1。

由图5及公式可以看出：

1）光纤的输出以光纤中点与钢轨1中和轴交点为界限，向两端支点随受力点位置不同，分别呈正、负相反方向变化（纤敏感元件的中心点与采样点2不在同一位置时，波形图会相应的上下平移，不利于后期的计算，因此在安装时尽可能对齐，并且根据采集点的设置，波形图也会左右偏移）。

2）光纤输出值的大小服从公式：F=Wg•S•q/L呈线性状态，其最大值在受力点与光纤中点和中和轴相交处重合时。（正、负两方向均如此）

3）当枕木间距固定，光纤位置固定后，光纤输出的最大值仅与载荷正比例线性相关。

在参照图5可知，我们是可以得到峰值的，但是在列车高速运行且目前光纤数据采集仪采样速率只达到1000/S次的现状下，很难捕捉到光纤信号输出的最大峰值（其他值均有S/L的比值影响），就是说，有效数据采集区间太小，很难采集到足以保证计量精度的有效数据，由此造成的误差甚至达到6%。

因此，设置两个采样点2，如图6所示，在枕木区间内设置两个光纤安置点的目的是人为造成一个虽然短，却能提高捕捉有效数据概率的，有效数据采集区间（参照图6的合成后的波形图），虽然在实际中采集区间会存在误差，但是通过加权平均法可以将误差无限缩小误差。多个枕木区间连续或间断设置多个有效数据采集区间，可以稳定的提高计量精度。根据计算及实验：在70公里/小时以下车速时，采集区间应大于8个。

鉴于列车在线路运行状态是左右摆动蛇形前行的，车轮与钢轨1接触的受力点并不总是在轨顶面的中心线上，仅在轨腰12一侧中和轴的设置点，固定光纤传感器所得到的信号输出将由于车轮的摆动而被干扰。同样的载荷得不到同样的输出，所以采取钢轨1轨腰12中和轴每一个设置点的轨腰12两侧对应位置都各固定同样角度的光纤传感器，当车轮经过钢轨1设置点时，无论车轮怎样摆动，轨腰12设置点两侧对应的两个光纤传感器信号输出的合成总是和载荷相一致的线性正比例相关联。

光纤感应元件的结构大体如图7所示，确定采样点2的光纤敏感元件4，目前可采用的方法有：1,胶粘，2,加附加载体点电焊满焊，3,激光点焊，4,仿激光冷焊点焊。本申请文件优选为仿激光冷焊点焊，并由此确定光纤传感器的形状,只需冷焊点焊在对应于光纤线41外的焊点42位置即可，因为目前胶粘质量不能保障长时间稳定，点焊满焊在铁路现场施工不被允许，激光点焊设备体积庞大，价格昂贵，而冷焊点焊不会破坏钢轨1整体金相组织，不会造成钢轨1退火，不影响钢轨1强度，克服原销式剪力传感器21在轨腰12钻孔的不安全因素。

参照图8所示，该***还包括连接光纤敏感元件4的采集装置，连接采集装置对每一光纤敏感元件4输出信号进行处理的处理装置以及分别连接处理装置的显示装置和存储装置。

参照图9所示，具体的关于连接光纤敏感元件4的方式为串联。

实施例2，

一种铁路超偏载检测方法，包括以下步骤：

在每两个轨枕3间的每一股钢轨1轨腰12的两侧上都分别设置两个采样点2，每侧的采样点2相对于钢轨1对称设置，每一采样点2上倾斜固定设置一个光纤敏感元件4，且所述采样点2设置在钢轨1的中和轴上，每股钢轨1同侧的两个光纤敏感元件4布局呈90°夹角；

通过光纤敏感元件4采集同一侧两个采样点2受力情况得出剪力波形，合并两个剪力波形，得到超偏载检测数据；

显示并储存超偏侧检测数据。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种铁路超偏载检测***，包括钢轨，其特征在于：在每两个轨枕(3)间的每一股钢轨(1)轨腰(12)的两侧上都分别设置有两个采样点(2)，每侧的采样点(2)相对于钢轨（1）对称设置，每一采样点(2)上倾斜固定设置有一个光纤敏感元件(4)，且所述采样点(2)设置在钢轨(1)的中和轴上，每股钢轨（1）同侧的两个光纤敏感元件（4）布局呈90°夹角。

2.根据权利要求1所述的一种铁路超偏载检测***，其特征在于：所述光纤敏感元件（4）与钢轨中和轴呈40~50°夹角。

3.根据权利要求2所述的一种铁路超偏载检测***，其特征在于：所述光纤敏感元件（4）与钢轨中和轴呈45°夹角。

4.根据权利要求1所述的一种铁路超偏载检测***，其特征在于：所述光纤敏感元件（4）的中心与采样点（2）一致。

5.根据权利要求4所述一种铁路超偏载检测***，其特征在于：两侧的光纤敏感元件(4)沿钢轨对称设置。

6.根据权利要求1所述的一种铁路超偏载检测***，其特征在于：同一股钢轨（1）同侧的两个采样点（2）的间距不小于250mm。

7.根据权利要求1所述的一种铁路超偏载检测***，其特征在于：所述光纤敏感元件(4)通过冷焊点焊固定在钢轨(1)上。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种铁路超偏载检测***，其特征在于：还包括连接光纤敏感元件(4)的采集装置，连接采集装置对每一光纤敏感元件(4)输出信号进行处理的处理装置以及分别连接处理装置的显示装置和存储装置。

9.一种铁路超偏载检测方法，包括以下步骤：

在每两个轨枕(3)间的每一股钢轨(1)轨腰(12)的两侧上都分别设置两个采样点(2)，每侧的采样点(2)相对于钢轨（1）对称设置，每一采样点(2)上倾斜固定设置一个光纤敏感元件(4)，且所述采样点(2)设置在钢轨(1)的中和轴上，每股钢轨（1）同侧的两个光纤敏感元件（4）布局呈90°夹角；

通过光纤敏感元件(4)采集同一侧两个采样点（2）受力情况得出剪力波形，合并两个剪力波形，得到超偏载检测数据；

显示和存储超偏侧检测数据。