CN102092406A - 光纤光栅传感列车车轮踏面状态在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅传感列车车轮踏面状态在线监测系统，涉及到轨道交通安全监测领域。本系统的组成主要包括光纤光栅传感器阵列，光纤光栅解调仪表和计算机。设计了一种检测钢轨的光纤光栅传感器，选取一段监测区域，在该区域每两根枕木之间的钢轨上都安装上本发明中的光纤光栅传感器，组成一个传感器阵列。该检测区域的长度大于列车车轮在钢轨上走行一周的距离，当列车车轮通过该监测区域时，由于轮轨之间形成耦合作用，利用传感器阵列就可以连续地检测整个踏面的状况。光纤光栅解调仪表通过通信光纤接受到光纤光栅传感器的信号，并将解调数据实时传送到计算机，利用这些数据实现本系统在线判断出车轮踏面不圆度改变、多边形化及破损等故障的功能。

Description

光纤光栅传感列车车轮踏面状态在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感列车车轮踏面状态的在线监测系统，特别涉及到车轮踏面故障的监测，属于轨道交通安全监测领域。

背景技术

轮轨接触在关系轨道交通行车安全和运行可靠性方面起着重要的作用，轮对的踏面即列车车轮对与轨道的接触面，轮对踏面的不圆度改变、多边形化、破损等故障会导致高频冲击振动，使钢轨垂向的冲击力增大，这会降低列车的舒适性，产生大的噪声，甚至诱发断轨断轴等严重事故，因此必须及时有效地对列车轮对状态进行检测。而且随着铁路运输的密集化和高速化的发展，对踏面在线检测的需求更加迫切。

目前国内对火车轮对踏面的检测还停留在手工机械式测量阶段，检测技术落后，工作效率低，劳动强度大，并容易产生人为检测误差，无法快速、准确掌握轮对状态，同时也不便于信息管理。

在公开号为CN101830237A的发明专利中，公开了一种基于光纤传感网络的重载运输线路安全实时监测系统和方法。该系统中，利用光纤光栅应变传感器、加速度传感器和温度传感器对钢轨和铁路桥梁结构进行检测，可被用于判断钢轨无焊缝处的断裂情况、钢轨和车轮的情况以及铁路桥梁的结构安全状态。但是该专利只是简略的提到能用该系统进行车轮伤病监测，且没有提供具体的实现方案。在公开号为CN201362265Y的发明专利中，公开了一种光纤光栅列车计轴系统，该系统是基于检测轮轨耦合状况来实现计轴功能的，但是该系统不能完整的检测车轮踏面整个展开面的故障状况，不具备准确踏面监测的功能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中的不足，提供一种光纤光栅传感列车车轮踏面状态的在线监测系统和方法。

实现本发明目的的技术方案：一种光纤光栅传感列车车轮踏面在线监测系统，它包括传感器阵列，光纤光栅解调仪表和计算机；所述的传感器阵列由在长度大于列车车轮在钢轨上走行一周距离的监测区域，每两根枕木之间的钢轨上都安装的光纤光栅传感器组成；每个光纤光栅传感器由光纤光栅敏感元件和弹性元件组成，其弹性元件是一块置于钢轨底部的不锈钢板，它被两对夹块卡在钢轨上，每对夹块通过一根螺栓连接并利用该螺栓的预紧力使弹性元件和钢轨密贴，光纤光栅敏感元件被粘结剂固化于不锈钢板表面，两端光纤从保护管中引出；传感器阵列的光纤光栅传感器的光纤引出端两两熔接在一起连接通信光纤，光纤光栅解调仪表的输入端与传感器阵列通过上述通信光纤连接在一起，输出端和计算机的输入端连接。

当列车车轮经过布有光纤光栅传感器的检测区域时，钢轨在车厢的重力作用下会产生应力变化，同时亦会发生形变，由于光纤光栅传感器和钢轨是密贴的，没有相对位移，因此光纤光栅亦会随之发生形变，从而实现光纤光栅传感器对轮轨耦合的感知；同一车轮致使传感器阵列中的光纤光栅传感器相继产生的变化，当车轮还未完全离开前一光纤光栅传感器所在的那段钢轨时，就已经使后一光纤光栅传感器产生变化，而且监测区域的长度大于车轮踏面圆的周长，使得车轮整个踏面圆周与轨道接触的情况就可以完全展开，任何位置出现故障，在传感器阵列的输出信号中都可以得到反映。

本发明的光纤光栅传感列车车轮踏面在线监测系统中，将传感器阵列连续地检测到每个车轮踏面的状况，由光纤光栅解调仪表通过通信光纤接受到传感器阵列的光纤光栅传感器的信号，并将相应的解调数据实时传送到计算机，计算机接收数据后，制定应用程序绘制实时曲线并对数据进行处理，从实时曲线中直观的观测到踏面的故障，对数据进行分析和处理后进一步了解故障的类型和病害程度。

本发明适用于列车车轮踏面健康状况的在线监测。本发明利用夹块通过紧固螺栓将传感器安装在钢轨上，结构简单，便于维修和更换，不影响列车的正常运营；由于采用光纤光栅作为传感器，是基于光波长信号调制的成熟的传感技术，因此具有精度高、不受电磁干扰，结合光纤光栅成熟的封装技术，使得能在恶劣的环境下长期稳定的工作；传感器阵列有效的检测距离大于列车车轮踏面圆的周长，这就保证了能够完整的检测整个踏面的健康状况；本发明中解调仪表实时在线的解调出传感器参量的变化，使得本系统能实现实时在线的监测；计算机接收数据后，制定应用程序绘制实时曲线并对数据进行处理，从实时曲线中可以直观的观测到踏面的故障，对数据进行分析和处理可以进一步了解故障的类型和病害程度；由于传感器阵列的各光纤光栅传感器之间的距离是固定的，解调仪表的采样速率也是固定，因此可以利用车轮经过不同光纤光栅传感器间隔的采样点数来确定时间间隔，将两光纤光栅传感器的距离除以时间就可以得到列车通过该监测区域的速度，还可以利用多个光纤光栅传感器的间隔，进一步求出列车经过该区域时的加速度；另外，本系统还具有计轴功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是光纤光栅传感列车车轮踏面在线监测系统示意图。

图2是光纤光栅传感器安装示意图。

图3是列车车轮经过时传感器阵列中各光纤光栅传感器输出曲线示意图。

图4是车轮踏面故障类型一

图5是车轮踏面故障类型二

图中：1-光纤光栅解调仪表，2-通信光纤，3-钢轨，4-枕木，5-光纤光栅传感器，6-列车车轮，7-计算机，8-螺母，9-夹块，10-弹性元件，11-螺栓。

具体实施方式

参考图1、图2、图3详细说明本发明的具体实施方案。

如图1所示，光纤光栅传感列车车轮踏面在线监测系统，主要包括光纤光栅解调仪表1，计算机7，和由光纤光栅传感器5组成的传感器阵列。当有车轮经过监测区域时，光纤光栅传感器阵列感知钢轨3的变化。由于钢轨3和车轮6是相互耦合的关系，当车轮踏面出现故障时，例如有裂缝或缺口，踏面圆周多边形化，失圆等，钢轨的应变变化会与正常条件下不同，利用光纤光栅解调仪表实时输出的光纤光栅传感器参量变化值就可以及时的发现故障。

在图2所示实施例中，光纤光栅传感器5的弹性元件10置于钢轨3底部，夹块9将弹性元件10卡在钢轨3上，夹块通过螺栓11连接并利用螺栓11的预紧力使弹性元件10和钢轨3密贴，不产生相对位移。每个光纤光栅传感器用两对夹块9固定在钢轨3上，安装时只要拧紧两个螺母8就可以实现光纤光栅传感器的紧固。该结构没有对钢轨结构产生破坏，不会影响钢轨的使用，而且安装方便，便于维修。

在图3所示实施例中曲线对应的是某一车轮经过传感器阵列时，各光纤光栅传感器输出的变化量示意图。在正常列车车轮经过安装有传感器的钢轨时，光纤光栅传感器的输出随着钢轨应变的变化先平稳增大然后减小，是一个渐变的过程，连接采样数据点得到的是平滑的曲线。在车轮还未行走完前一光纤光栅传感器所在的钢轨时，后一光纤光栅传感器就已经能检测到轮轨接触时钢轨的应变变化了，因此当传感器阵列所能检测到的有效距离大于车轮踏面圆周长时，传感器阵列就能完整的检测到车轮轮踏面与钢轨耦合情况。车轮的踏面故障主要有不圆度改变、多边形化、破损等，这些故障会使行驶在钢轨上车轮的质心与钢轨的相对高度发生变化，依据动力学的知识，这将对钢轨产生冲击激励，使得光纤光栅传感器采集到的信号受到相应影响。如果车轮存有不圆度改变的故障，则传感器阵列中各光纤光栅传感器的检测曲线幅度与正常相比会有较大的起伏，通过分析实测数据就可以在线地检测出来。

在图4和图5的实施例中，分别对应的是车轮踏面出现两类不同故障时光纤光栅传感器的实测曲线。两实施例中都是传感器阵列中一个光纤光栅传感器检测到的多个车轮曲线，从图中可以看出经过同一段钢轨的不同车轮，不是所有的曲线都有冲击激励的特征，因此可以排除是钢轨存在缺陷。图4中故障车轮检测曲线中只有一处冲击效应，可以断定在该光纤光栅传感器有效的检测区域内只存有一处破损；图5中故障车轮检测曲线中有连续冲击激励的影响，由此可以断定该光纤光栅传感器有效的检测区域内有多处破损，使踏面圆多边形化。这是一个光纤光栅传感器检测的实施例，当多个光纤光栅传感器组成阵列的有效检测区域覆盖整个踏面时，将不会漏检车轮踏面任何位置的故障。

Claims (3)

1.一种光纤光栅列车车轮踏面在线监测系统，其特征在于，它包括传感器阵列，光纤光栅解调仪表(1)和计算机(7)；所述的传感器阵列由在长度大于列车车轮在钢轨上走行一周距离的监测区域，每两根枕木之间的钢轨上都安装的光纤光栅传感器(5)组成；传感器阵列的光纤光栅传感器(5)的光纤引出端两两熔接在一起连接通信光纤(2)，光纤光栅解调仪表(1)的输入端与传感器阵列通过上述通信光纤(2)连接在一起，输出端和计算机(7)的输入端连接。

2.如权利要求1所述的一种光纤光栅列车车轮踏面在线监测系统，其特征在于，所述的传感器阵列中每个光纤光栅传感器(5)由光纤光栅敏感元件和弹性元件(10)组成，其弹性元件(10)是一块置于钢轨底部的不锈钢板，它被两对夹块(9)卡在钢轨上，每对夹块通过一根螺栓(11)连接并利用螺栓(11)的预紧力使弹性元件(10)和钢轨(3)密贴，光纤光栅敏感元件被粘结剂固化于不锈钢板表面，两端光纤从保护管中引出。

3.如权利要求1所述的一种光纤光栅列车车轮踏面在线监测系统的应用，其特征在于，当列车车轮经过布有光纤光栅传感器的检测区域时，由于轮轨之间形成耦合作用，传感器阵列连续地检测到每个车轮踏面的状况，光纤光栅解调仪表(1)通过通信光纤(2)接受到传感器阵列的光纤光栅传感器(5)的信号，并将相应的解调数据实时传送到计算机(7)，计算机(7)接收数据后，制定应用程序绘制实时曲线并对数据进行处理，从实时曲线中直观的观测到踏面的故障，对数据进行分析和处理后进一步了解故障的类型和病害程度。

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