CN102211595B

CN102211595B - 轨道线路动态信息采集器装置

Info

Publication number: CN102211595B
Application number: CN 201110110139
Authority: CN
Inventors: 陈国英; 潘云华; 何文锁; 陈勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-04-29
Also published as: CN102211595A

Abstract

本发明公开了轨道线路动态信息采集器装置。该装置由平衡装置、数字传感器、线路动态检测组成。平衡装置底座上连接平衡柱、平衡柱上穿入平衡组件、质量模板，质量模板上安装数字传感器，数字传感器分别连接三路结构相同电路，其中一路依次分别与信号源、信号放大电路、高通、低通、基准电路、CPU、485通信接口连接；动态检测系统由采集模块、存储器、状态电路、报警模块、GPRS模块、短信、服务器、路局网站、自动生成报告模块、站段网站、移动电脑组成。装置检测到轨道线路动态下左轨向、左高低、右轨向、右高低、三角坑、水平、钢轨断裂等数据及车体水平和垂向晃动加速度值。广泛用于铁路，地铁、煤矿，冶金、矿山轨道线路的质量检测。

Description

轨道线路动态信息采集器装置

技术领域

本发明涉及轨道交通线路动态检测装置，具体涉及轨道线路动态信息采集器装置。

背景技术

目前国内在轨道动态检测方面，无论是车载晃车仪还是添乘仪及轨道检查车的轨道信号采集部分，基本上都未与钢轨刚性接触，信号的真实性必然受到影响。以车体加速度评判线路方式的理论依据十分不足，并受速度、车型等因素影响较大。要准确检测轨道线路，信号采集部分必须与钢轨刚性接触。

国内铁路使用的车载晃车仪、添乘仪只可以检测到车体晃动的垂向和纵向加速度值，与线路形变没有直接的对应关系，线路引起的车体晃动通过两级簧系后会发生变化。晃动的大小与速度高低有很大的关系，当速度达到机车谐振点后，车体趋于平稳，速度低到一定时，车体晃动反而大，当车体晃动严重或翻车前车体是位移大加速度小…。所以用车体晃动加速度评判线路存在不够科学全面，铁路线路维规中没有用g和波长的指标的缺陷。

国内使用的轨道检查车主要存在检测数据的信息采集部分与钢轨没有实现刚性接触，检测数据需要复杂的数据修正系统来修正，高昂的价格及庞大复杂的数据处理系统，是数量有限，根本无法实现轨道线路全天候监控的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构筒单，安装方便，体积小，重量轻，价格低，装置直接与机车（车辆）的车轴连接，可检测到线路动态下左轨向、左高低、右轨向、右高低、三角坑、水平、钢轨断裂及车轮晃动数据，不受速度的影响，具有真实性和全面性，可实现轨道线路全天候检测的轨道线路动态信息采集器装置。

为了克服现有技术的缺陷，本发明的技术方案是这样解决的：一种轨道线路动态信息采集器装置由一个平衡装置、一个轨道数字传感器、应用于轨道线路动态检测系统组成，本发明的特殊之处在于所述平衡装置的底座与平衡连接柱一端连接，所述平衡连接柱另一端穿入自动平衡组件和质量模板与固定螺母连接，所述质量模板通过平衡组件平衡，所述质量模板上安装轨道数字传感器，所述底座上分别设置外壳固定孔和固定孔；

所述轨道线路动态检测系统包括一个信号采集模块采集的信号输入给数据处理模块，所述数据处理模块的信号分别送入到数据存储器模块和超限数据设备状态电路模块，所述超限数据设备状态电路模块的信号分别送入报警电路模块和GPRS模块，所述GPRS模块信号与短信平台连接，所述数据存储器模块与数据转储模块连接，所述数据转储模块的信号送入到服务器模块中，所述服务器模块信号分别发送入到路局有线网站、自动生成报告数据模块、互联网固定IP信号、监控人员电脑；所述路局有线网站信号与站段有线网站模块连接；所述互联网固定IP信号通过无线数据互联网与移动电脑连接；所述现场复核信息处理模块信号送入到监控人员电脑，所述现场复核信息处理模块、监控人员电脑的信号送入到自动生成报告数据模块。

所述轨道数字传感器的第一信号源与第一信号放大电路连接，第一信号放大电路与第一二阶高通电路连接，第一二阶高通电路与第一二阶低通电路连接，第一二阶低通电路与第一基准放大电路连接，第一基准放大电路与CPU芯片连接，CPU芯片与485通信接口连接；所述轨道数字传感器的第二信号源与第二信号放大电路连接，第二信号放大电路与第二二阶高通电路连接，第二二阶高通电路与第二二阶低通电路连接，第二二阶低通电路与第二基准放大电路连接，第二基准放大电路与CPU芯片连接，CPU芯片与485通信接口连接；所述轨道数字传感器的第三信号源与第三信号放大电路连接，第三信号放大电路与第三二阶高通电路连接，第三二阶高通电路与第三二阶低通电路连接，第三二阶低通电路与第三基准放大电路连接，第三基准放大电路与CPU芯片连接，CPU芯片与485通信接口连接；

所述的自动平衡组件为弹簧组件或弹性材料组件。

所述的底座上连接至少两个平衡连接柱。

本发明与现有技术相比，结构筒单，安装方便，体积小，重量轻，价格低，装置直接与机车（车辆）的车轴连接，可检测到线路动态下左轨向、左高低、右轨向、右高低、三角坑、水平、钢轨断裂及车轮晃动数据，不受速度的影响，具有真实性和全面性，可实现轨道线路全天候检测，具备轨道检查车多项检测功能，对轨道线路的行车安全十分重要该发明的轨道线路动态信息采集器具备很好的通用性，适应各类型机车车辆及各种线路安装使用，安装时不需要作任何调试。全新数据处理系统，可实现轨道线路数字化管理，广泛用于铁路系统各种线路，地铁、煤矿，冶金、矿山轨道线路的质量检测。

附图说明

图1为本发明的采集器结构示意图；

图2为图1的左视结构示意图；

图3为图1的俯视结构示意图；

图4为图1的应用轨道线路动态检测系统框图；

图5为图1的轨道数字传感器原理框图；

图6为图5的传感器程序流程图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对发明的内容作进一步说明：

参照图1、图2、图3所示，一种轨道线路动态信息采集器装置由一个平衡装置、一个轨道数字传感器、应用于轨道线路动态检测系统组成，所述平衡装置的底座1与平衡连接柱5一端连接，所述平衡连接柱5另一端穿入自动平衡组件4和质量模板2与固定螺母3连接，所述质量模板2通过平衡组件4平衡，所述质量模板2上安装轨道数字传感器6，所述底座1上分别设置外壳固定孔1.2和固定孔1.1；

所述质量模板2将平衡组件分为上下两组，来确保质量模板2的平衡，所述轨道数字传感器6在安装时应保持其平衡及刚性连接，采集器底座1固定在车轴上可测量出真实轨道信息。

图4所示为图1的应用轨道线路动态检测系统框图；所述轨道线路动态检测系统包括一个信号采集模块23采集的信号输入给数据处理模块38，所述数据处理模块38的信号分别送入到数据存储器模块37和超限数据设备状态电路模块33，所述超限数据设备状态电路模块33的信号分别送入报警电路模块24和GPRS模块32，所述GPRS模块32信号与短信平台25连接，所述数据存储器模块37与数据转储模块36连接，所述数据转储模块36的信号送入到服务器模块30中，所述服务器模块30信号分别发送入到路局有线网站29、自动生成报告数据模块31、互联网固定IP信号27、监控人员电脑34；所述路局有线网站信号29与站段有线网站模块28连接；所述互联网固定IP信号27通过无线数据互联网与移动电脑26连接；所述现场复核信息处理模块35信号送入到监控人员电脑34，所述现场复核信息处理模块35、监控人员电脑34的信号送入到自动生成报告数据模块31。

所述的自动平衡组件为弹簧组件或弹性塑料组件。

所述的底座上连接至少两个平衡连接柱。

图5所示为轨道数字传感器电路原理框图，第一信号源6与第一信号放大电路7连接，第一信号放大电路7与第一二阶高通电路8连接，第一二阶高通电路8与第一二阶低通电路9连接，第一二阶低通电路9与第一基准放大电路10连接，第一基准放大电路10与CPU芯片11连接，CPU芯片11与485通信接口12连接；所述轨道数字传感器4的第二信号源13与第二信号放大电路14连接，第二信号放大电路14与第二二阶高通电路15连接，第二二阶高通电路15与第二二阶低通电路16连接，第二二阶低通电路16与第二基准放大电路17连接，第二基准放大电路17与CPU芯片11连接，CPU芯片11与485通信接口12连接；所述轨道数字传感器4的第三信号源18与第三信号放大电路19连接，第三信号放大电路19与第三二阶高通电路20连接，第三二阶高通电路20与第三二阶低通电路21连接，第三二阶低通电路21与第三基准放大电路22连接，第三基准放大电路22与CPU芯片11连接，CPU芯片11与485通信接口12连接。

以下对轨道信息采集原理进行描述：

首先要解决传感器的安装，需要检测的是，轨道形变引起震动的小幅值低频率信号，小量程传感器无法安装在具有高频率大震动的车轴上，也就是目前国内外在线路动态检测无法解决的问题。本发明解决了传感器与车轴刚性接触的安装难题：

按照线路正常情况下，轮轨关系的数学模型研制出传感器安装方案，也就是在列车运行中钢轨未形变时设为上下受力平衡，当轨道有形变时，钢轨上下失去平衡，产生位移。

根据以上原理，将小量程传感器安装在一块相当于钢轨的水平质量模板上，上下受力平衡，将其安装在车轴上，采集来自轨道的各种信息。

所述轨道信息采集数字传感器原理如下：

轨道信号采集系统主要是从时域和频域两个方面来研究分析轨道不平顺与车轨动力响应之间的关系。首先，利用轨道不平顺和轮轨动力学模型来计算轮轨间（车轮、钢轨、道床）的动力响应；其次，利用傅立叶变换分别得到了一定载荷下轨道的不平顺数值，根据实验及现场对照，分析不同频率下的数值与不平顺道床沉降之间的相关性。将轮轨数据，包括轨道不平顺、轮载和车体振动，分别从时域和频域两个方面对三者之间的相关性进行分析，获得轨道不平顺状态对车轨动态响应的影响程度；找出道床沉降是轨道不平顺的主要根源,检测到的高频信号对轨道不平顺则影响不大，而且从时域和频域分析来看，采集器检测到的轨道动态低频信息，是影响车体振动和车辆运行平稳性的主要因素。轨道是铁路行车的基础设备，它直接承受机车车辆传来的压力、冲击和震动、并将其传递给轨枕。轨道的主要作用在于支持并引导车轮沿着运行方向前进。因此、轨道状态的好坏对车辆的安全运行、乘客的旅行舒适、设备的使用寿命起着决定性的作用。

根据以上原理将轨道信号采集系统安装在列车车轴箱上实现与钢轨的刚性接触，确保检测信号的真实性。系统采用高速CPU及先进的传感技术，在信号处理上包括有时域分析、频域分析、滤波器等。对测得的轮轨数据，一方面在频域中进行频谱分析，用来发现高频及干扰数据，另一方面用滤波器进行消除非轨道形变信号。通过数字滤波、傅立叶变换、频谱分析等数据处理达到C(t)=Ct(t)+CS(t)时域分析效果，实现轨道缺陷的识别和定位。并以轨道几何形变数值，经485通讯接口送数据处理系统进行再分析处理，所获得的数据完全是轨道数据。从以下系统主要计算方式可以看出，该采集器不受线路、列车、速度变化的影响，具有良好通用性，适应各种轨道线路的使用。

振动速度的计算：

由公式v=a×t 可知，任一时刻i的振动速度可由下式计算得出：

V _i =∫a _i dt (1)

式中，a _i 是I时刻的振动值。需要说明的是a _i 为一矢量。

如果确定一个单位时间为t，则可近似求出该时刻的振动速度为：

V _i =(a ₁ +a ₂ +…+a _i )×t (2)

振动位移的计算：

由s=v×t可知，任一时刻I振动所产生的位移可由下式计算：

S _i =∫v _i dt (3)

将(1)式代入，得：

S _i =∫(∫a _i dt )dt= ∫(∫a _i )dt ² (4)

同样，假如确定一个单位时间为t，则该时刻的振动位移近似为：

S _i =[a1+(a1+a2)+…(a1+a2+…+ai)]×t ² (5)

由(5)式可以看出，某一时刻所发生的位移只与单位时间t及振荡信号大小有关。通常，列车运行速度越高，ai峰值越大，但同时持续时间也越短。可以这样理解：在单位时间t内，对于同一处缺陷，当车速较高时，采集器所采得的ai峰值大，但采样次数较少；反之，当车速较低时，采集器所采得的ai峰值小，但采样次数增加，两者相互补偿，得出的Si一致。

表1

序号	名称	数量	备注
				1	底座	1
2	质量模板	1
				3	螺丝帽	4	锁扣
4	平衡件	8	可以用不同材料
				5	平衡柱	4
6	轨道数字传感器	1	固定在质量模板上
				1.1	固定孔	2
1.2	外壳固定孔	4	与车轴刚性连接

上述

表1为图1－图3采集器零部件数量、材料及连接关系的说明。

实施例1

准确量化的多项检测数据表2

数字化线路质量评定表3

表2为数据记录说明

检测记录以车次和日期为文件名，当车次或日期有变化时，都会出现新的文件头来记录列车有关信息，日期是自动更新，过零点时会自动记录一次列车有关信息。

1、序号：按当天检测记录顺序编号记录；

2、公里标：机车当前坐标；

3、超限等级：轨道线路形变大小，按有关规程确定；

4、左轨向：为当前线路左钢轨横向，向内或向外的形变值，以毫米单位记录；

5、左高低：为当前线路左钢轨纵向，向上或向下的形变值，以毫米单位记录；

6、右轨向：为当前线路右钢轨横向，向内或向外的形变值，以毫米单位记录；

7、右高低：为当前线路右钢轨纵向，向上或向下的形变值，以毫米单位记录；

8、水加、垂加：记录车体动态下横向和纵向加速度值；

9、断轨：当钢轨失去强大的刚性连接时，在上百吨外力作用下，断裂处将发生很大的纵向形变，由于车轮踏面锥形原因横向受力也非常大，检测到单边钢轨轨向和高低同时发生较大形变而另外一条钢轨很小时，确定为断轨；

10、水平、三角坑、轨距：轨道线路形变名称由检测的左右高低、左右轨向及基长（速度×时间）确定；

11、速度：为当前机车速度；

12、线形：机车所处位置火车站内外区分。

上述表3为数字化线路质量评定：

根据检测数据的大小扣分，一级超限扣1分，二级超限扣5分，,三级以上超限扣100分，按每公里的扣分来评判轨道线路质量,30分以下为优、30～60分为良、60～100分为差、100分以上为失格。

图6所示，本系统软件主要由两部分组成，即控制部分与信号采集部分。前者采用51系列汇编语言编写；后者采用PIC汇编语言编写。

前部分主要实现与TAX箱通讯单元（机车上的信息平台）、GPRS系统及后部分信号采集系统的通讯。当信号采集系统有信号时，该部分将有用信号同TAX信息一块送GPRS系统进行短信发送和互联网的通讯。

上电→硬件检测→确定基准→接收TAX信息→接收采集器信息→有超限数据→送GPRS处理；

后部分主要进行轨道信息多功能处理采集分析，将轨道多种信息以数字化方式送前部分处理。

上电→延时通讯→硬件检测→AD数模转换→位移计算→数据发送

该系统上电后首先对本系统各部分硬软件进行自检，有问题通过GPRS系统发送地面处理系统。该系统发送互联网固定IP的信息有，当前公里标、速度、线形、类型、左高低、左轨向、右高低、右轨向、水平加速度、垂直加速度、断轨、时间、车次、线路设备等。

Claims

1.一种轨道线路动态信息采集器装置，该动态信息采集器装置由一个平衡装置、一个轨道数字传感器、轨道线路动态检测系统组成，其特征在于所述平衡装置的底座（1）与平衡连接柱（5）一端连接，所述平衡连接柱（5）另一端穿入自动平衡组件（4）和质量模板（2）与固定螺母（3）连接，所述质量模板（2）通过自动平衡组件（4）平衡，所述质量模板（2）上安装轨道数字传感器（6），所述底座（1）上分别设置外壳固定孔（1.2）和固定孔（1.1）；

所述轨道线路动态检测系统包括一个信号采集模块（23），所述信号采集模块（23）采集的信号输入给数据处理模块（38），所述数据处理模块（38）的信号分别送入到数据存储器模块（37）和超限数据设备状态电路模块（33），所述超限数据设备状态电路模块（33）的信号分别送入报警电路模块（24）和GPRS模块（32），所述GPRS模块（32）信号与短信平台（25）连接，所述数据存储器模块（37）与数据转储模块（36）连接，所述数据转储模块（36）的信号送入到服务器模块（30）中，所述服务器模块（30）信号分别发送入到路局有线网站（29）、自动生成报告数据模块（31）、互联网固定IP信号（27）、监控人员电脑（34）；所述路局有线网站信号（29）与站段有线网站模块（28）连接；所述互联网固定IP信号（27）通过无线数据互联网与移动电脑（26）连接；现场复核信息处理模块（35）信号送入到监控人员电脑（34），所述现场复核信息处理模块（35）、监控人员电脑（34）的信号送入到自动生成报告数据模块（31）；

所述轨道数字传感器的第一信号源（6）与第一信号放大电路（7）连接，第一信号放大电路（7）与第一二阶高通电路（8）连接，第一二阶高通电路（8）与第一二阶低通电路（9）连接，第一二阶低通电路（9）与第一基准放大电路（10）连接，第一基准放大电路（10）与CPU芯片（11）连接，CPU芯片（11）与485通信接口（12）连接；所述轨道数字传感器的第二信号源（13）与第二信号放大电路（14）连接，第二信号放大电路（14）与第二二阶高通电路（15）连接，第二二阶高通电路（15）与第二二阶低通电路（16）连接，第二二阶低通电路（16）与第二基准放大电路（17）连接，第二基准放大电路（17）与CPU芯片（11）连接，CPU芯片（11）与485通信接口（12）连接；所述轨道数字传感器的第三信号源（18）与第三信号放大电路（19）连接，第三信号放大电路（19）与第三二阶高通电路（20）连接，第三二阶高通电路（20）与第三二阶低通电路（21）连接，第三二阶低通电路（21）与第三基准放大电路（22）连接，第三基准放大电路（22）与CPU芯片（11）连接，CPU芯片（11）与485通信接口（12）连接；所述的自动平衡组件为弹簧组件或弹性塑料组件；所述的底座上连接至少两个平衡连接柱。