CN103217475A - 一种无缝线路钢轨的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无缝线路钢轨的检测装置，该装置包括：超声导波发射探头、超声导波接收探头、数据分析模块；所述超声导波发射探头的前后两侧分别设有一组超声导波接收探头；其中每一组超声导波接收探头包括两个沿钢轨方向设置的超声导波接收探头，根据所述两个沿钢轨方向设置的超声导波接收探头接收信号的先后顺序确定所检测的线路；所述每一组超声导波接收探头的输出端与数据分析模块连接；所述数据分析模块，用于根据超声导波接收探头接收的超声导波信号进行应力及断轨点检测。通过采用本发明公开的装置，提高了检测精度及效率，保障了行车安全。

Description

一种无缝线路钢轨的检测装置

技术领域

本发明涉及钢轨检测领域，尤其涉及一种无缝线路钢轨的检测装置。

背景技术

随着高速铁路的飞速发展，无缝线路在全世界范围内得到了广泛推广和应用。无缝线路在一定程度上消除了钢轨接缝，减少了列车振动，降低了噪声，使列车运行平稳、线路设备和机车车辆的使用年限延长。但随着轨缝的消失，由于钢轨接头阻力和道床纵向阻力的作用，被焊接在一起的数十根甚至更多钢轨在轨温变化时便不能自由伸缩，于是钢轨中将产生纵向温度应力。长钢轨的温度相对于锁定轨温变化1℃，钢轨固定区内纵向应力变化2.43MPa（兆帕斯卡），若轨温变化50℃，则钢轨内应力变化为121.5MPa。可见无缝线路长钢轨所承受的温度应力要比普通钢轨大得多，当温度应力超过钢轨的承受限度时，就会在扣件阻力小或路基条件差的区域释放能量，当应力过大时，会发生胀轨、跑道；当应力超过临界值后，会发生断轨。历史上由于胀轨、断轨导致的事故时有发生。从1968年至2003年，我国铁路无缝线路因胀轨跑道造成列车脱线的重大事故共计发生22起，造成了巨大生命财产损失。断轨事件也偶尔出现，除了焊接质量等人为因素外，钢轨纵向温度应力有着直接影响。因此，能够实时在线监测无缝线路的钢轨状态，随时准确掌握钢轨的实际纵向温度应力，对已经发生断轨的路段在列车到达前提前预警，对确保无缝线路的安全运营显得尤为重要。

断轨检测与应力检测是目前钢轨检测中比较重要的两个检测项目。

1）国内外的断轨检测技术从检测原理上可分为：基于轨道电路原理和基于非轨道电路原理。

基于轨道电路原理的检测方法有牵引回流实时断轨检测方法、准轨道电路实时断轨检测方法；目前断轨在线监测技术，主要都是依靠轨道电路，但采用轨道电路原理实现断轨检测时受道床、电气条件限制，有一定的局限性。

基于非轨道电路的断轨实时检测技术主要有：光纤实时断轨检测方法、应力实时断轨检测方法。光纤实时断轨检测方法是使用由环氧树脂胶带贴于轨道上的标准单模光纤进行检测；光纤的一端接光源，另一端为接收器，如果钢轨发生折断，光纤将随之发生破裂，光线将不能到达接收器，由此判断发生断轨；但该方法只适用于短轨道检测，局限性较大。应力实时断轨检测方法使用一些应力测量传感器，每隔一定距离安装在轨腰上，通过使用相应的分析技术，对传感器检测到的应力和温度变化进行计算和比较，某些压力和温度的组合可以表明断轨、轨道变形或两者兼而有之；但该方法性能指标较差，研究开发价值不高。

2）现有的钢轨应力检测技术通常采用的临界角折射法测量材料应力，测量结果反映的是材料表面以下超声传播时经过路径内的应力变化情况，无法反映整个材料内部的平均应力。

并且，现有的技术没有对钢轨的断轨与应力同时进行在线检测的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种无缝线路钢轨的检测装置，提高了检测精度及效率，保障了行车安全。

一种无缝线路钢轨的检测装置，该装置包括：超声导波发射探头、超声导波接收探头、数据分析模块；

所述超声导波发射探头的前后两侧分别设有一组超声导波接收探头；其中每一组超声导波接收探头均包括两个沿钢轨方向设置的超声导波接收探头，根据所述两个沿钢轨方向设置的超声导波接收探头接收信号的先后顺序确定所检测的线路；

所述每一组超声导波接收探头的输出端与数据分析模块连接；所述数据分析模块，用于根据超声导波接收探头接收的超声导波信号进行应力及断轨点检测。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在无缝线路钢轨中激发出超声导波信号，通过远端接收装置，采集超声导波信号，通过对信号的处理与分析，实现无缝线路钢轨的断轨与应力检测。可随时准确掌握钢轨的实际纵向温度应力，对已经发生断轨的路段在列车到达前提前预警，对保障高速铁路的安全运行具有重要的实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例一提供的一种无缝线路钢轨的检测装置的示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种无缝线路钢轨的检测装置中各模块的布置示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种信号驱动模块的示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种信号采集模块的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

超声波检测技术检测对象范围广、深度大、缺陷定位准确、灵敏度高、成本低、使用方便、速度快，对人体及环境无害。超声导波是超声波在杆、管、板等结构的波导介质传播时，不断与介质的上下边界发生折射、反射及纵波－横波之间的波形转换作用而产生的波，与超声体波相比，超声导波可以在波导介质中传播很长的距离，并可以覆盖整个被检测物体的横截面，检测效率更高。因此超声导波特别适用于长距离非接触检测领域，如管道检测、钢轨检测等。

实施例一

图1为本发明实施例提供的一种无缝线路钢轨的检测装置，该装置主要包括：

超声导波发射探头、超声导波接收探头、数据分析模块；

所述超声导波发射探头的前后两侧分别设有一组超声导波接收探头；其中每一组超声导波接收探头均包括两个沿钢轨方向设置的超声导波接收探头，根据所述两个沿钢轨方向设置的超声导波接收探头接收信号的先后顺序确定所检测的线路；

所述每一组超声导波接收探头的输出端与数据分析模块连接；所述数据分析模块，用于根据超声导波接收探头接收的超声导波信号进行应力及断轨点检测。

该装置还包括：信号驱动模块，该模块与超声导波发射探头相连。

所述信号驱动模块包括：高压发生器、信号隔离模块与脉宽调制模块；其中，所述高压发生器与所述脉宽调制模块的输入端相连；所述信号隔离模块与所述脉宽调制模块的控制端相连。

该装置还包括：信号采集模块，该模块一端与超声导波接收探头相连，另一端与数据分析模块相连。

所述信号采集模块包括：依次连接的信号差分模块、模数AD转换模块与现场可编程门阵列模块。

以上为本实施例检测装置的主要组成及连接关系，为了更具体的介绍本发明，下面对其工作原理做进一步介绍。

本实施例以该检测装置安装在单钢轨为例进行说明，如图2所示，一个检测区间的范围大约为1千米；其中，包括一个信号驱动模块，一个超声导波发射探头与四个超声导波接收探头；超声导波接收探头两个为一组，超声导波发射探头的前后两侧分别设有一组超声导波接收探头；每一组超声导波接收探头上还连有信号采集模块与数据分析模块。以上述方式循环设置，则每一组超声导波接收探头均可接收来自前后两侧超声导波发射探头发射的超声导波信号。

工作时，首先由信号驱动模块产生高压脉冲信号，激发超声导波发射探头产生超声导波信号。信号驱动模块的结构如图3所示，包括高压发生器、信号隔离模块与脉宽调制模块；信号驱动模块由定时器进行控制，控制接口为TTL（逻辑门电路）电平信号，经信号隔离模块后发送至脉宽调制模块；系统采用12V/24V低电压电源供电，经高压发生器产生高电压，为脉冲调制电路提供高压电源，脉冲调制电路在接收到信号隔离模块隔离后的触发信号后，产生调制后的高压，激发超声导波发射探头产生导波信号。

超声导波信号以超声导波发射探头为中心，向钢轨前后方向传播，被设于该超声导波发射探头两侧的超声导波接收探头所接收。由前述可知，超声导波接收探头两个为一组至钢轨上，因此，可根据两个探头接收的顺序得知当前所接收到的信号来自前方还是后方，进而确定所检测的线路。

当超声导波接收探头接收到超声导波信号后转换为电信号，并发送至信号采集模块。信号采集模块的结构如图4所示，包括依次连接的信号差分模块、模数AD转换模块与现场可编程门阵列FPGA模块。超声导波信号经信号差分模块进行差分隔离后，进入AD转换芯片转换为数字信号；且由FPGA按照FIFO（先入先出队列）的方式同步采集两路接收信号，并传输至数据分析模块进行检测。

数据分析模块接收信号采集模块发送的数据信号，通过傅立叶变换、小波变换、信号相关性分析等信号处理技术，对接收到的两路超声导波信号进行分析处理；通过模态提取技术，提取特定模态，计算求得群速度值，根据导波信号的群速度分析当前线路的应力状态；并通过对导波信号的频率鉴别，分析是否存在断轨点。

本实施例的检测装置接收探头距离发射探头距离较远（大于500米），超声导波在此距离传输后，在接收探头接收到的导波信号中，各个模态已经基本分开，可以很容易实现模态分离，提取出对应力敏感的模态，使应力检测的精度大大提高。另外，超声导波在钢轨中传播时，同时存在多种模态，每种模态的速度、振型都不相同，有的超声导波模态轨头振动幅度大，有的轨腰振动幅度大，有的则靠轨底的振动进行传播，本实施例的检测装置可以根据检测到的超声导波信号，将导波模态进行分离，根据不同模态信号的衰减结果，分辨出断轨出现点的具体位置。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种无缝线路钢轨的检测装置，其特征在于，该装置包括：超声导波发射探头、超声导波接收探头、数据分析模块；

所述超声导波发射探头的前后两侧分别设有一组超声导波接收探头；其中每一组超声导波接收探头包括两个沿钢轨方向设置的超声导波接收探头，根据所述两个沿钢轨方向设置的超声导波接收探头接收信号的先后顺序确定所检测的线路；

所述每一组超声导波接收探头的输出端与数据分析模块连接；所述数据分析模块，用于根据超声导波接收探头接收的超声导波信号进行应力及断轨点检测。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

信号驱动模块，用于激发超声导波发射探头产生超声导波信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号驱动模块包括：

高压发生器，用于将输入的低压电转换为脉宽调制模块所需的高电压；

信号隔离模块，用于对输入的电信号进行隔离处理，并将隔离后的信号作为触发信号发送至所述脉宽调制模块；

脉宽调制模块，用于当接收触发信号后对输入的高电压进行调制，并输出调制后的高电压至所述超声导波发射探头。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该装置还包括：

信号采集模块，用于采集所述超声导波接收探头接收到的信号，并发送至所述数据分析模块。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号采集模块包括：

信号差分模块，用于对所述超声导波接收探头接收到的信号做差分处理；

AD转换模块，用于将差分处理后的模拟信号转换为数字信号；

FPGA模块，用于采集数字信号并发送至所述数据分析模块。

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