CN101264767A - 一种钢轨断裂车载非接触快速监测技术 - Google Patents

Abstract

一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，含有安装在机车、车辆的n条(n≥2)轮对的2n个轴箱上的2n个用来检测断裂轨道对车轮所发生冲击状态的传感器，并将该2n个传感器的信号并列、同时送到对应匹配的2n个共振解调变换器；而后将2n个共振解调变换器输出的2n个共振解调信号并列送到计算机的2n个对应的AD通道，由转速接口输出的转速控制信号控制，进行车速自动跟踪的、不间断的连续采样以获得每个传感器监测每条轨道的2n个分为两组的连续样本，送到监控计算机的计算机断轨诊断专家系统，由其对所获样本信息进行实时分析诊断、分离出钢轨断裂的信息，最后与通过485接口与从机车监控系统获得的实时里程坐标一同发出警报。

Description

一种钢轨断裂车载非接触快速监测技术

技术领域

本发明涉及一种钢轨断裂车载非接触快速监测技术，属于机械故障检测与诊断技术的范畴，主要用于非接触快速监测诊断专用重载货运铁路钢轨的断裂故障。

背景技术

现有铁路钢轨断裂监测装置，分为静态监测与动态监测两大类型。静态监测技术由人工操作某种检测装置沿着钢轨表面进行连续监测实现的；动态监测是将监测装置安装在专用监测车上，让监测车以30km/h左右的速度慢速行驶，用监测仪器对钢轨表面进行连续监测实现的。用于上述两类检测的技术有磁探伤技术、电涡流技术等。其优点是直接评价轨道的组织结构的连续性，数据直观，在发现可疑点后可以(停车)定点监测，可以人工参与识别监测发现的钢轨接缝等“正常断裂”，可以使人工立即确认断裂点而不必通过监测装置确认断裂点的里程坐标等。其缺点是监测速度缓慢、不能与该线路的运营正常行车速度匹配，要么安排专用检道车或检测时间进行，必须停止正常运营，影响生产，造成经济损失；要么需要人工在两列车通过的时间间隔中进行人工检测，但因为货运专线的列车长(例如长达数km)和密度大(例如每t＝15分钟通过一列车)，以车速80km/h、车长3km计算，通过一个点的时间达到t₁＝3/80*60＝2.25分钟，则监测时间仅有dt＝t-t₁＝12.5分钟，将监测设备搬上、搬下轨道的时间、加上保障人身安全的避让时间，余下的监测时间仅剩几分钟，还难免发生设备、人身的重大事故。而造成这种局面的关键因素是监测技术的监测速度慢。此外，由于现有的上述监测技术速度慢，不可能频繁监测，而重载铁路的钢轨断裂可能在两次检测的时间间隔中发生并发展到造成事故状态，因此需要高速的、能够在运营列车的机车或车厢上安装的、能够实时地频繁地监测的新技术。

发明内容

本发明的目的：旨在提出一种钢轨断裂车载非接触快速监测技术，把钢轨断裂的检测速度提高到全面适应正常运营速度，能够在距钢轨表面更远距离地非接触监测，能够不影响正常营运，避免使用常规人工监测的方法可能发生的人身、设备事故，能够在列车行车中自动监测、以便实时处理断轨事件防止发生断轨及列车颠覆事故，能够适合于在每一列列车的牵引机车上或者车厢上安装而实现全面的防范，而在发现故障但可以安全通过时能够自动通报故障点的里程坐标以便工务人员及时准确地赶到故障点进行人工核查和及时维修，而在发现危险断裂时及时停车抢修。

本发明的上述目的通过以下方式实现：

一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征是：含有安装在机车、车辆的n条(n≥2)轮对的2n个轴箱上的2n个用来检测断裂轨道对车轮所发生冲击状态的传感器1-1～1-2n，并将该2n个传感器的信号并列、同时送到对应匹配的2n个共振解调变换器2；而后将2n个共振解调变换器输出的2n个共振解调信号IFD₁～IFD_2n并列送到计算机3的2n个对应的AD通道AD₁～AD_2n，由转速接口32输出的转速控制信号控制，进行车速(车轮转速)自动跟踪的、不间断的连续采样以获得每个传感器监测每条轨道的2n个分为两组的(左组、右组)连续样本，送到监控计算机的计算机断轨诊断专家系统31，由其对所获样本信息进行实时分析诊断、在剔除钢轨接缝和车轮踏面故障以及轴承故障等信息后，分离出钢轨断裂的信息，最后与通过485接口与从机车监控系统获得的实时里程坐标一同发出警报。

所述共振解调变换器2，含有与传感器1-1～1-2n的数量匹配的共振解调变换单元2-1～2-2n，在选择的车轴数n＝2、使用4个传感器1-1、1-2、1-3、1-4时，则有相同的共振解调变换单元2-1、2-2、2-3、2-4相匹配，其中前左传感器1-1的输出信号接到共振解调变换单元2-1的输入端IN₁，前右传感器1-2的输出信号接到共振解调变换单元2-2的输入端IN₂，后左传感器1-3的输出信号接到共振解调变换单元2-3的输入端IN₃，后右传感器1-4的输出信号接到共振解调变换单元2-4的输入端IN₄；同时，共振解调变换单元2-1～2-4的输出端IFD₁～IFD₄分别对应接到计算机3的AD变换器的AD₁～AD₄通道输入端。

所述计算机断轨诊断专家系统31，在对所获样本进行实时分析诊断、剔除钢轨接缝和车轮踏面故障以及轴承故障等信息、分离出钢轨断裂的信息、与通过485接口从机车监控系统获得的实时里程坐标一同发出警报信号的技术中，它含有数据滑动移位补零环节311(含311-1、311-2)，先进先出堆栈312(含312-1～312-4)，转速跟踪同步陷波器313(含313-1～313-4)，还含有由相对积运算通道314-1、314-2组成的滑动相对积分离技术314；其过程是：首先对来自AD变换器AD1~AD4的、对共振解调信号IFD₁～IFD₄采样获得的时间同步或准同步数据，以FIFO方式，以帧为单位对应送到先进先出堆栈312的对应堆栈312-1～312-4，其中，对于312-1和312-2两个前轮传感器对应的堆栈在堆栈复零准备启用之前先用数据滑动移位补零环节311的311-1、311-2分别送入h＝L/dl＝200L/(Dπ)个零以实现对数据滑动移位，而后，转速跟踪同步陷波器313的各通道分别从对应堆栈312-1～312-4中，取用每一帧数据进行转速跟踪同步陷波；随后将陷波后的前左通道数据和后左通道的数据交由滑动相对积分离技术314的相对积运算通道314-1进行相对积运算，输出左(轨)准报警信息，将陷波后的前右通道数据和后右通道的数据交由滑动相对积分离技术314的相对积运算通道314-2进行相对积运算，输出右(轨)准报警信息。

所述计算机断轨诊断专家系统31的滑动相对积分离技术，是按以下定义的函数和实现的：

设有f₁(t)、f₂(t)为同时采样的两个时间函数，则其相对于积函数D(t)定义为：

$D\left(t\right)={\lim }_{c\→0}\frac{f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)}{|f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)+c|}$

其特征在于本发明的相对积函数DH(t)定义如下：

$\mathrm{DH}\left(t\right)={\lim }_{c\→0}\frac{f_1(t+\mathrm{\τ})f_2(t+\mathrm{\τ})}{|f_1(t+\mathrm{\τ})f_2(t+\mathrm{\τ})+c|}---\left(1\right)$

式中的常量τ是考察两个原函数是否同步的相对滑动时间，例如设定：车轮每转动一周，转速传感器发出的转速脉冲为200个，设车轮转动的频率为fn，则转速频率信号亦即采样频率信号fc＝200fn，设车轮的直径为D，传感器1-1与1-3或1-2与1-4所在的车轴距离为L，由于车轮转一周，机车前进Dπ，因此采样的步长是dl＝Dπ/200，安装传感器的两条车轴间的距离L对应的采样点数h＝L/dl＝200L/Dπ，于是，为了简化分析，式(1)的滑动相对积函数可以改造为以同时采样的车辆同侧样本f1(n)、f2(n)为原函数，以采样序号n为变量的样本滑动相对积函数如下：

$\mathrm{DH}\left(n\right){=}_{\mathrm{limc}\→0}\frac{f_1(n+h)f_2(n+h)}{|f_1(n+h)f_2(n+h)+c|}---\left(2\right)$

该样本滑动相对积函数的物理意义是：如果把前轮的转速跟踪采样的原始样本向后移动对应前后轮距离的L的采样点数h，则在钢轨上同一个故障冲击前后车轮的共振解调信息样本的某同一个横坐标n上必然同步出现该故障信息，它们的符号乘积必定是正(脉冲)；由于前后两个车轮的踏面和轴承的故障冲击已经在求滑动相对积之前被转速跟踪同步陷波器313所作的陷波而被大部分剔除，即使有所残余干扰信息，也因为两个样本中的干扰不可能移位后仍然同步，则它们的干扰的相对积为0，特别是用于进行断轨检测的车轮可以通过工艺保障实现既没有踏面故障、也没有轴承故障的优良状态，更有利于提高检测的信号噪声比。

图6是两个车轮都存在同时发生的踏面故障冲击钢轨的条件下，识别轨道断裂信息的电子硬件电路仿真。

图7为图6的检测波形显示图。

所述共振解调变换单元2-1是用硬件电路实现的模拟共振解调单元，含有电阻器R₁、R₂、运放OP₁、二极管D₁、D₂组成的电流电压变换器，由电阻器R₃～R₁₀、电容器C₁～C₄、电感器L₁、运放OP₂、OP₃组成的谐振器，由电阻器R₁₁～R₁₃、二极管D₃、D₄、运放OP₄、OP₅组成的检波器，由电阻器R₁₄～R₁₈、电容器C₅～C₇、运放OP₅组成的平滑滤波器；来自传感器1-1的地线接GND，信号线接IN₁，IN₁接电阻器R₁到负电源VSS，还接到二极管D₁的负端和D₂的正端，还接到电阻器R₂的一端，还接到运放OP₁的负输入端，二极管D₁、D₂的另一端接地GND，电阻器R₂的另一端接到OP₁的输出端，运放OP₁的正输入端接地GND，运放OP₁的输出端接到电阻器R₃的一端，R₃的另一端接电阻器R₄的一端、电容器C₁和C₂的一端，R₄的另一端接地GND，电容器C₂的另一端接运放OP₂的负输入端，还接电阻器R₅的一端，电阻R₅的另一端接电容器C₁的另一端和运放OP₂的输出端，运放OP₂的正输入端接地，输出端经过电阻R₆接到运放OP₃的负输入端和电阻器R₇的一端，R₇的两一端接OP₃的输出端，OP₃输出端还接电阻器R₈的一端，R₈的另一端接到电阻器R₃与R₄的联结点，运放OP₃的正输入端接地GND；运放OP₃的输出端接电容器C₃的一端，C₃的另一端接电阻器R₉的一端，电阻器R₉的一端接电感器L₁的一端、电容器C₄的一端、电阻器R₁₀的一端和运放OP₄的正输入端，电阻器R₁₀、电容器C₄、电感器L₁的另一端接地GND；运放OP₄的负输入端接二极管D₃的正端，接电阻器R₁₁的一端，R₁₁的另一端接运放OP₅的负输入端、电阻R₁₂的一端，电阻器R₁₂的另一端接运放OP₅的输出端，运放OP₄的输出端还接二极管D₄的正端，二极管D₄的负端接运放OP₅的正输入端和电阻器R₁₃的一端，电阻器R₁₃的另一端接地GND；运放OP₅的输出端接电阻器R₁₄的一端，电阻器R₁₄的另一端接电容器C₅的一端和电阻器R₁₅的一端，电阻器R₁₅的另一端接电容器C₆的一端和电阻器R₁₆的一端，电阻器R₁₆的另一端接运放OP₆的正输入端和电容器C₇的一端，电容器C₇、C₅的另一端接地GND，电容器C₆的另一端接运放OP₆的输出端，运放OP₆的负输入端接电阻器R₁₇的一端和电阻器R₁₈的一端，电阻器R₁₈的另一端接运放OP₆的输出端，电阻器R₁₇的另一端接地GND；运放OP₁～OP₆的正电源端接正电源VDD＝12V，负电源端接负电源VSS＝-10V；运放OP₆的输出端输出共振解调信号IFD₁到计算机3的AD接口的AD₁。

所述共振解调变换器的各个共振解调单元可以是数字共振解调单元，它由电阻器R₁、R₂、运放OP₁、二极管D₁、D₂组成的电流电压变换器输出端，连接对电流电压变换输出的传感器信号进行高速采样的高速AD变换器211，由AD变换的输出数字信号送到以FIR/IIR等技术实现的数字谐振模块212进行数字共振变换，对数字共振变换输出的数字共振信息用数字解调模块213解调为谐振信号的包络波形数字信号，然后送到数字抽样模块214以200FN的转速信号作参照对包络波形数字信号进行抽样，输出IFD1数字信息样本，直接送到计算机3由计算机断轨诊断专家系统31进行分析处理和诊断报警。

所述转速接口32含有输入整形器321、锁相倍频器322，输入整形器321接受来自机车转速传感器的、200倍于车轮转速频率的转速信号200FN，经过输入整形器321整理为TTL电平的方波200FNO送到锁相倍频器322，还输出到进行各个并行AD转换的AD转换器和进行转速监测的计算机断轨诊断专家系统31，锁相倍频器322则可以把经过2n倍频的输出信号400NfN送到用作2n个IFD通道动态扫描AD变换的AD转换器。

根据以上技术方案提出的这种钢轨断裂车载非接触快速监测技术，把钢轨断裂的检测速度提高到全面适应正常运营速度，能够在距钢轨表面更远距离地非接触监测，能够不影响正常营运，避免使用常规人工监测的方法可能发生的人身、设备事故，能够在列车行车中自动监测、以便实时处理断轨事件防止发生断轨及列车颠覆事故，能够适合于在每一列列车的牵引机车上或者车厢上安装而实现全面的防范，而在发现故障但可以安全通过时能够自动通报故障点的里程坐标以便工务人员及时准确地赶到故障点进行人工核查和及时维修，而在发现危险断裂时及时发出警报，请求停车抢修。

附图说明

图1为本发明方案的基本示意图；

图2为共振解调变换器电路图；

图3为数字共振解调变换器的连接原理图；

图4为转速接口系统示意图；

图5为计算机断轨诊断专家系统的工作原理图；

图6为识别轨道断裂信息的电子硬件仿真电路图；

图7为图6的检测波形显示图。

图中：1是车轮，1-1～1-4是传感器，2是共振解调变换器，2-1～2-4是共振解调变换单元，3是计算机31是计算机断轨诊断专家系统，311、311-1～311-2是数据滑动移位补零环节，312、312-1～312-4是先进先出堆栈，313、313-1～313-4是转速跟踪同步陷波器，314是滑动相对积分离技术，314-1～314-2是相对积运算通道。

具体实施方式

这种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征是：含有安装在机车、车辆的n条(n≥2)轮对的2n个轴箱上的2n个用来检测断裂轨道对车轮所发生冲击状态的传感器1-1～1-2n，并将该2n个传感器的信号并列、同时送到对应匹配的2n个共振解调变换器2；而后将2n个共振解调变换器输出的2n个共振解调信号IFD₁～IFD_2n并列送到计算机3的2n个对应的AD通道AD₁～AD_2n，由转速接口32输出的转速控制信号控制，进行车速(车轮转速)自动跟踪的、通过不间断的连续采样以获得每个传感器监测每条轨道的2n个分为两组的(左组、右组)连续样本，送到监控计算机的计算机断轨诊断专家系统31，由其对所获样本信息进行实时分析诊断、在剔除钢轨接缝和车轮踏面故障以及轴承故障等信息后，分离出钢轨断裂的信息，最后与通过485接口从机车监控系统获得的实时里程坐标一同发出警报。

譬如：在列车的牵引机车的两条或两条以上轮对的四个或四个以上轴箱上安装四个或四个以上用来检测断裂轨道对车轮所发生冲击的冲击监测传感器1，例如在行进方向靠前第一条轴(前轴)上的左边传感器定义为1-1，右边传感器定义为1-2，另一条轴(后轴)的左边传感器定义为1-3，右边传感器定义为1-4；该四个传感器的信号并列、同时送到四个对应的共振解调器2，对应上述四个传感器所接的共振解调器分别为2-1～2-4，进行旨在剔除常规的振动而提取冲击的共振解调变换，然后将四个共振解调信号送到计算机3的四个AD通道进行车速(车轮转速)自动跟踪的、不间断的连续采样以获得每个传感器监测每条轨道的两组四个连续样本，由计算机断轨诊断专家系统(软件)对所获样本进行实时分析诊断，剔除钢轨接缝、车轮踏面故障等信息，分离出钢轨断裂的信息，与从机车监控系统通过通讯获得的实时里程坐标一同发出警报。

所述共振解调变换器2(见附图1)，含有与冲击监测传感器1的数量匹配的共振解调变换单元，在使用四个冲击监测传感器1-1、1-2、1-3、1-4时，则有相同的共振解调变换单元2-1、2-2、2-3、2-4相匹配，其中前左传感器1-1的输出信号接到共振解调变换单元2-1的输入端IN₁，前右传感器1-2的输出信号接到共振解调变换单元2-2的输入端IN₂，后左传感器1-3的输出信号接到共振解调变换单元2-3的输入端IN₃，后右传感器1-4的输出信号接到共振解调变换单元2-4的输入端IN₄；同时，共振解调变换单元2-1～2-4的输出端IFD₁～IFD₄分别对应接到计算机3的AD的变换器的AD₁～AD₄通道输入端。

所述计算机断轨诊断专家系统31(见附图5)在对所获样本进行实时分析诊断、剔除钢轨接缝和车轮踏面故障以及轴承故障等信息、分离出钢轨断裂的信息、与通过485接口从机车监控系统获得的实时里程坐标一同发出警报信号的技术中，它含有数据滑动移位补零环节311(含311-1、311-2)，先进先出堆栈312(含312-1～312-4)，转速跟踪同步陷波器313(含313-1～313-4)，还含有由相对积运算通道314-1、314-2组成的滑动相对积分离技术314；其过程是：首先对来自AD变换器AD₁～AD₄的、对共振解调信号IFD₁～IFD₄采样获得的时间同步或准同步数据，以FIFO方式，以帧为单位对应送到先进先出堆栈312的对应堆栈312-1～312-4，其中，对于312-1和312-2两个前轮传感器对应的堆栈在堆栈复零准备启用之前先用数据滑动移位补零环节311的311-1、311-2分别送入h＝L/dl＝200L/(Dπ)个零以实现对数据滑动移位(式中，L为两条轴的距离，D为车轮的轮径)，而后，转速跟踪同步陷波器313的各通道分别从对应堆栈312-1～312-4中，取用每一帧数据进行转速跟踪同步陷波，以尽最大可能剔除信号中由于车轮踏面和轴承等与车轮转动同步的故障引起的信息；随后将陷波后的前左通道数据和后左通道的数据送到滑动相对积分离技术314的相对积运算通道314-1进行相对积运算，输出左(轨)准报警信息，将滤波器后的前右通道数据和后右通道的数据送到滑动相对积分离技术314的相对积运算通道314-2进行相对积运算，输出右(轨)准报警信息。

所述计算机断轨诊断专家系统的滑动向堆积函数是按以下定义和实现的：设有f₁(t)、f₂(t)为同时采样的两个时间函数，则其相对积函数D(t)定义为：

$D\left(t\right)={\lim }_{c\→0}\frac{f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)}{|f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)+c|}$

本发明的滑动相对积函数DH(t)定义如下：

$\mathrm{DH}\left(t\right)={\lim }_{c\→0}\frac{f_1(t+\mathrm{\τ})f_2(t+\mathrm{\τ})}{|f_1(t+\mathrm{\τ})f_2(t+\mathrm{\τ})+c|}---\left(1\right)$

式中的常量τ是考察两个原函数是否同步的相对滑动时间，前面已经设定：车轮每转动一周，转速传感器发出的转速脉冲为200个，设车轮转动的频率为fn，则转速频率信号亦即采样频率信号fc＝200fn，设车轮的直径为D，传感器1-1与1-3(或1-2与1-4)所在的车轴距离为L，由于车轮转一周，机车前进Dπ，因此采样的步长是dl＝Dπ/200，安装传感器的两条车轴间的距离L对应的采样点数h＝L/dl＝200L/Dπ，于是，为了简化分析，式(1)的滑动相对积函数可以改造为以同时采样的同侧样本f1(n)、f2(n)为原函数，以采样序号n为变量的样本滑动相对积函数如下：

$\mathrm{DH}\left(n\right){=}_{\mathrm{limc}\→0}\frac{f_1(n+h)f_2(n+h)}{|f_1(n+h)f_2(n+h)+c|}---\left(2\right)$

该样本滑动相对积函数的物理意义是：如果把前轮的转速跟踪采样的原始样本向后移动对应前后轮距离的L的采样点数h，则钢轨上同一个故障冲击前后车轮的共振解调信息样本的某同一个横坐标n上必然同步出现该故障信息，它们的符号乘积必定是正(脉冲)；由于前后两个车轮的踏面和轴承的故障冲击已经在求滑动相对积之前被转速跟踪同步陷波器313所作的陷波而被大部分剔除，即使有所残余干扰信息，也因为两个样本中的干扰不可能移位后仍然同步，则它们的干扰的相对积为0。

图6是两个车轮都存在同时发生的踏面故障冲击钢轨的条件下，识别轨道断裂信息的电子硬件电路仿真。

图7为图6的检测波形显示图。

所述共振解调变换单元2-1(见附图2)是用硬件电路实现的模拟共振解调单元，含有电阻器R₁、R₂、运放OP₁、二极管D₁、D₂组成的电流电压变换器，由电阻器R₃～R₁₀、电容器C₁～C₄、电感器L₁、运放OP₂、OP₃组成的谐振器，由电阻器R₁₁～R₁₃、二极管D₃、D₄、运放OP₄、OP₅组成的检波器，由电阻器R₁₄～R₁₈、电容器C₅～C₇、运放OP₅组成的平滑滤波器；来自传感器1-1的地线接GND，信号线接IN₁，IN₁接电阻器R₁到负电源VSS，还接到二极管D₁的负端和D₂的正端，还接到电阻器R₂的一端，还接到运放OP₁的负输入端，二极管D₁、D₂的另一端接地GND，电阻器R₂的另一端接到运放OP₁的输出端，运放OP₁的正输入端接地GND，运放OP₁的输出端接到电阻器R₃的一端，电阻器R₃的另一端接电阻器R₄的一端、电容器C₁和C₂的一端，电阻器R₄的另一端接地GND，电容器C₂的另一端接运放OP₂的负输入端，还接电阻器R₅的一端，R₅的另一端接电容器C₁的另一端和运放OP₂的输出端，运放OP₂的正输入端接地，输出端经过电阻R₆接到运放OP₃的负输入端和电阻器R₇的一端，R₇的一端接运放OP₃的输出端，OP₃输出端还接电阻器R₈的一端，R₈的另一端接到电阻器R₃与R₄的联结点，运放OP₃的正输入端接地GND；运放OP₃的输出端接电容器C₃的一端，C₃的另一端接电阻器R₉的一端，R₉的一端接电感器L₁的一端、电容器C₄的一端、电阻器R₁₀的一端和运放OP₄的正输入端，电阻器R₁₀、电容器C₄、电感器L₁的另一端接地GND；运放OP₄的负输入端接二极管D₃的正端，接电阻器R₁₁的一端，R₁₁的另一端接运放OP₅的负输入端、电阻器R₁₂的一端，R₁₂的另一端接OP₅的输出端，运放OP₄的输出端还接二极管D₄的正端，D₄的负端接OP₅的正输入端和电阻器R₁₃的一端，R₁₃的另一端接地GND；运放OP₅的输出端接电阻器R₁₄的一端，R₁₄的另一端接电容器C₅的一端和电阻器R₁₅的一端，R₁₅的另一端接电容器C₆的一端和电阻器R₁₆的一端，R₁₆的另一端接运放OP₆的正输入端和电容器C₇的一端，电容器C₇、C₅的另一端接地GND，C₆的另一端接OP6的输出端，OP₆的负输入端接电阻器R₁₇的一端和电阻器R₁₈的一端，R₁₈的另一端接OP₆的输出端，电阻器R₁₇的另一端接地GND；运放OP₁～OP₆的正电源端接正电源VDD＝12V，负电源端接负电源VSS＝-10V；运放OP₆的输出端输出共振解调信号IFD₁到计算机(3)的AD接口的AD₁。

所述共振解调变换器的各个共振解调单元如2-1(见附图3)，可以是数字共振解调单元，其特征是在上述图2由电阻器R₁、R₂、运放OP₁、二极管D₁、D₂组成的电流电压变换器输出端，连接对电流电压变换输出的传感器信号进行高速采样的高速AD变换器211，AD变换的输出数字信号送到以FIR/IIR等技术实现的数字谐振模块212进行数字共振变换，对数字共振变换输出的数字共振信息用数字解调模块213解调为谐振信号的包络波形数字信号，然后送到数字抽样模块214以200FN的转速信号作参照对包络波形数字信号进行抽样，输出IFD1数字信息样本，直接送到计算机3由断轨诊断专家系统(软件)31进行分析处理和诊断报警。

所述转速接口32(见附图4)含有输入整形器321、锁相倍频器322，输入整形器321接受来自机车转速传感器的、200倍于车轮转速频率的转速信号200FN，经过输入整形器321整理为TTL电平的方波200FNO送到锁相倍频器322，还输出到进行各个并行AD转换的AD转换器和进行转速监测的计算机断轨诊断专家系统(软件)，锁相倍频器322把经过2n倍频的输出信号400NfN送到用作2n个AD通道动态扫描AD变换的AD转换器。

Claims (7)

1. 一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征是：含有安装在机车的n条(n≥2)轮对的2n个轴箱上的2n个用来检测断裂轨道对车轮所发生冲击状态的传感器(1-1～1-2n)，并将该2n个传感器的信号并列、同时送到对应匹配的2n个共振解调变换器(2)；而后将2n个共振解调变换器输出的2n个共振解调信号(IFD₁～IFD_2n)并列送到计算机(3)的2n个对应的AD通道(AD₁～AD_2n)，由转速接口(32)输出的转速控制信号控制，进行车轮转速自动跟踪的、不间断的连续采样以获得每个传感器监测每条轨道的2n个分为两组的(左组、右组)连续样本，送到监控计算机的计算机断轨诊断专家系统(31)，由其对所获样本信息进行实时分析诊断、在剔除钢轨接缝和车轮踏面故障以及轴承故障等信息后，分离出钢轨断裂的信息，最后与通过485接口从机车监控系统获得的实时里程坐标一同发出警报。

2. 如权利要求1所述的一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征是：所述共振解调变换器(2)，含有与传感器的数量匹配的共振解调变换单元(2-1)～(2-4)，在使用四个冲击监测传感器(1-1)、(1-2)、(1-3)、(1-4)时，则有相同的共振解调变换单元(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)相匹配，其中前左传感器(1-1)的输出信号接到共振解调变换单元(2-1)的输入端(IN₁)，前右传感器(1-2)的输出信号接到共振解调变换单元(2-2)的输入端(IN₂)，后左传感器(1-3)的输出信号接到共振解调变换单元(2-3)的输入端(IN₃)，后右传感器(1-4)的输出信号接到共振解调变换单元(2-4)的输入端(IN₄)；同时，共振解调变换单元(2-1)～(2-4)的输出端(IFD₁)～(IFD₄)分别对应接到计算机(3)的AD变换器的(AD₁)～(AD₄)通道输入端。

3. 如权利要求1所述的一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征是：所述计算机断轨诊断专家系统(31)，在对所获样本进行实时分析诊断、剔除钢轨接缝和车轮踏面故障以及轴承故障等信息、分离出钢轨断裂的信息、与通过485接口从机车监控系统获得的实时里程坐标一同发出警报信号的技术中，它含有数据滑动移位补零环节(311)，先进先出堆栈(312)，转速跟踪同步陷波器(313)，还含有“滑动相对积分离技术”(314)；其过程是：首先对来自AD变换器(AD₁～AD₄)的、对共振解调信号(IFD₁～IFD₄)采样获得的时间同步或准同步数据，以FIFO方式，以帧为单位对应送到先进先出堆栈(312)的对应堆栈(312-1)～(312-4)，其中，对于(312-1)和(312-2)两个前轮传感器对应的堆栈在堆栈复零准备启用之前先用数据滑动移位补零环节(311)的(311-1)、(311-2)分别送入h＝L/dl＝200L/(Dπ)个零以实现对数据滑动移位，而后转速跟踪同步陷波器(313)的各通道分别从对应堆栈(312-1)～(312-4)中，取用每一帧数据进行转速跟踪同步陷波；随后将陷波后的前左通道数据和后左通道的数据送到滑动相对积分离技术(314)的相对积运算通道(314-1)进行相对积运算，输出左(轨)准报警信息，将滤波器后的前右通道数据和后右通道的数据送到滑动相对积分离技术(314)的相对积运算通道(314-2)进行相对积运算，输出右(轨)准报警信息。

4. 如权利要求1或3所述的一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征在于：所述计算机断轨诊断专家系统的滑动相对积分离技术，是按以下定义的函数和实现的：设有f₁(t)、f₂(t)为同时采样的两个时间函数，则其相对于积函数D(t)定义为：

$D\left(t\right)={\lim }_{c\→0}\frac{f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)}{|f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)+c|}$

本发明的滑动相对积函数DH(t)定义如下：

$\mathrm{DH}\left(t\right)={\lim }_{c\→0}\frac{f_1(t+\mathrm{\τ})f_2(t+\mathrm{\τ})}{|f_1(t+\mathrm{\τ})f_2(t+\mathrm{\τ})+c|}---\left(1\right)$

式中的常量τ是考察两个原函数是否同步的相对滑动时间，例如设定：车轮每转动一周，转速传感器发出的转速脉冲为200个，设车轮转动的频率为fn，则转速频率信号亦即采样频率信号fc＝200fn，设车轮的直径为D，传感器(1-1)与(1-3)(或(1-2)与(1-4))所在的车轴距离为L，由于车轮转一周，机车前进Dπ，因此采样的步长是dl＝Dπ/200，安装传感器的两条车轴间的距离L对应的采样点数h＝L/dl＝200L/Dπ，于是，为了简化分析，式(1)的滑动相对积函数可以改造为以同时采样的同侧样本f1(n)、f2(n)为原函数，以采样序号n为变量的样本滑动相对积函数如下：

$\mathrm{DH}\left(n\right){=}_{\mathrm{lim\; c}\→0}\frac{f_1(n+h)f_2(n+h)}{|f_1(n+h)f_2(n+h)+c|}---\left(2\right)$

该样本滑动相对积函数的物理意义是：如果把前轮的转速跟踪采样的原始样本向后移动对应前后轮距离的L的采样点数h，则钢轨上同一个故障冲击前后车轮的共振解调信息样本的某同一个横坐标n上必然同步出现该故障信息，它们的符号乘积必定是正(脉冲)；由于前后两个车轮的踏面和轴承的故障冲击已经在求滑动相对积之前被转速跟踪同步陷波器(313)所作的陷波而被大部分剔除，即使有所残余干扰信息，也因为两个样本中的干扰不可能移位后仍然同步，则它们的干扰的相对积为0。

5. 如权利要求1或2所述的一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征是：共振解调变换单元(2-1)是用硬件电路实现的模拟共振解调单元，含有电阻器(R₁、R₂)、运放(OP₁)、二极管(D₁、D₂)组成的电流电压变换器，由电阻器(R₃～R₁₀)、电容器(C₁～C₄)、电感器(L₁)、运放(OP₂、OP₃)组成的谐振器，由电阻器(R₁₁～R₁₃)、二极管(D₃、D₄)、运放(OP₄、OP₅)组成的检波器，由电阻器(R₁₄～R₁₈)、电容器(C₅～C₇)、运放(OP₅)组成的平滑滤波器；来自传感器(1-1)的地线接GND，信号线接(IN₁，IN₁)接电阻器(R₁)到负电源VSS，还接到二极管(D₁)的负端和(D₂)的正端，还接到电阻器(R₂)的一端，还接到运放(OP₁)的负输入端，二极管(D₁、D₂)的另一端接地GND，电阻器(R₂)的另一端接到(OP₁)的输出端，运放(OP₁)的正输入端接地GND，运放(OP₁)的输出端接到电阻器(R₃)的一端，(R₃)的一端接电阻器(R₄)的一端、电容器(C₁)和(C₂)的一端，电阻器(R₄)的另一端接地GND，电容器(C₂)的另一端接运放(OP₂)的负输入端，还接电阻器(R₅)的一端，(R₅)的另一端接电容器(C₁)的另一端和运放(OP₂)的输出端，运放(OP₂)的正输入端接地，输出端经过电阻器(R₆)接到运放(OP₃)的负输入端和电阻器(R₇)的一端，(R₇)的一端接(OP₃)的输出端，(OP₃)输出端还接电阻器(R₈)的一端，(R₈)的另一端接到电阻器(R₃)与(R₄)的联结点，(OP₃)的正输入端接地GND；(OP₃)的输出端接电容器(C₃)的一端，(C₃)的另一端接电阻器(R₉)的一端，(R₉)的另一端接电感器(L₁)的一端、电容器(C₄)的一端、电阻器(R₁₀)的一端和运放(OP₄)的正输入端，电阻器(R₁₀)、电容器(C₄)、电感器(L₁)的另一端接地GND；运放(OP₄)的负输入端接二极管(D₃)的正端，接电阻器(R₁₁)的一端，(R₁₁)的另一端接运放(OP₅)的负输入端、电阻器(R₁₂)的一端，(R₁₂)的另一端接(OP₅)的输出端，运放(OP₄)的输出端还接二极管(D₄)的正端，二极管(D₄)的负端接运放(OP₅)的正输入端和电阻器(R₁₃)的一端，电阻器(R₁₃)的另一端接地GND；运放(OP₅)的输出端接电阻器(R₁₄)的一端，电阻器(R₁₄)的另一端接电容器(C₅)的一端和电阻器(R₁₅)的一端，(R₁₅)的另一端接电容器(C₆)的一端和电阻器(R₁₆)的一端，(R₁₆)的另一端接运放(OP₆)的正输入端和电容器(C₇)的一端，电容器(C₇、C₅)的另一端接地GND，电容器(C₆)的另一端接运放(OP₆)的输出端，运放(OP₆)的负输入端接电阻器(R₁₇)的一端和电阻器(R₁₈)的一端，电阻器(R₁₈)的另一端接运放(OP₆)的输出端，电阻器(R₁₇)的另一端接地GND；运放(OP₁～OP₆)的正电源端接正电源VDD＝12V，负电源端接负电源VSS＝-10V；运放(OP₆)的输出端输出共振解调信号IFD₁到计算机(3)的AD接口的(AD₁)。

6. 如权利要求1或2所述的一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征在于：所述共振解调变换器的各个共振解调单元是数字共振解调单元，它由电阻器(R₁、R₂)、运放(OP₁)、二极管(D₁、D₂)组成的电流电压变换器输出端，连接对电流电压变换输出的传感器信号进行高速采样的高速AD变换器(211)，由AD变换的输出数字信号送到以FIR/IIR等技术实现的数字谐振模块(212)进行数字共振变换，对数字共振变换输出的数字共振信息用数字解调模块(213)解调为谐振信号的包络波形数字信号，然后送到数字抽样模块(214)以200FN的转速信号作参照对包络波形数字信号进行抽样，输出IFD1数字信息样本，直接送到计算机(3)由计算机断轨诊断专家系统(31)进行分析处理和诊断报警。

7. 如权利要求1所述的一种钢轨断裂车载非接触快速检测技术，其特征在于：转速接口(32)含有输入整形器(321)、锁相倍频器(322)，输入整形器(321)接受来自机车转速传感器的、200倍于车轮转速频率的转速信号200FN，经过输入整形器(321)整理为TTL电平的方波200FNO送到锁相倍频器(322)，还输出到进行各个并行AD转换的AD转换器和进行转速监测的计算机断轨诊断专家系统(31)，锁相倍频器(322)把经过2n倍频的输出信号400nfN送到用作2n个AD通道动态扫描AD变换的转换器(AD₁～AD_2N)。

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