CN103332208B - 一种钢轨纵向位移在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢轨纵向位移在线监测装置，所述在线监测装置包括：钢轨位移测量单元，用于对钢轨的纵向位移进行实时监测；轨边信号采集单元，用于对所述钢轨位移测量单元监测的数据进行信号处理及传输；监控中心管理系统，用于对轨边信号采集单元发送来的数据进行计算、显示、存储、报警等，得到钢轨在某一时间段内的纵向位移值。本装置可以方便、稳定、有效地安装在铁路沿线，长期监测钢轨纵向位移量，进行钢轨纵向应力分析，避免胀轨断轨的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢轨纵向位移在线监测装置。
背景技术
钢轨纵向位移影响钢轨的强度、稳定性和行车的安全性，是线路状态监测与维修的一个重要参数。现有的检测钢轨纵向位移主要有以下几种。
采用原始的手工拉线的方法测量钢轨纵向位移。道碴上埋设观测桩，在钢轨轨头或轨底作位移观测标记，以观测桩为基点，拉弦线测量位移量。这种方法存在以下缺点：①碴肩上埋设观测桩易动；②每年因涂刷位移标记造成测值误差；③拉弦造成人为误差。具体参见《铁路曲线及其养护(第2版)》（吴耀庭，中国铁道出版社）。
采用经纬仪观测钢轨纵向位移。在路肩上埋设固定观测桩，以固定桩为基点，道碴上埋设临时观测桩，钢轨轨头或轨底作位移观测标记，工务段每年春季组织专人用经纬仪置镜于固定桩上，用吊垂球对点的方法，来校正临时观测桩，而日常位移观测仍以前一方法进行。清筛道床施工前拔掉临时观测桩，施工后用固定桩来恢复临时观测桩。根据现场经验得知，线路清筛后3日内恢复临时观测桩，10日后以固定桩校正临时观测桩。这种方法较前者可靠，也是目前普遍使用的一种方法。但这种方法存在以下缺点：①清筛道床增加拔桩和恢复桩的工作量；②用经纬仪校正观测桩，现场携带不便，并且价格昂贵，吊垂球对点误差大，刮风天无法测量。具体参见《钢轨位移测量准直仪的研制和使用》（崔竹民，吕续臣，铁道建筑1995年第1期）。
通过建立钢轨力学非线性方程组求解钢轨纵向力的分布及位移。首先构建计算区域的轨条、扣件、垫板、轨枕的力学模型，分析轨枕处的道床阻力、通过轨枕传递的力、扣件阻力、接头阻力等；然后分别列写平衡方程，在道岔区域还需长轨条力的平衡方程，基本轨力的变形协调方程，导轨力的平衡方程等；最后根据计算条件及参数，列写含有以纵向力和位移为未知数的非线性方程组，通过编制计算机程序，便可求解纵向力分布及其位移，得出其变化规律及其影响因素，主要用于理论研究和分析，更多的进行指导钢轨的养护和维修。具体参见《无缝道岔钢轨纵向力与位移的研究》（蔡成标，翟婉明，王其昌，铁道学报19卷第1期）
通过激光等光学仪器进行钢轨纵向位移的测量。这种测量方法通过使用激光发射探头，光电位置探测器测量轨腰上标记的移动。如专利号为ZL9921444.2的中国使用新型专利《钢轨位移观测仪》，其测量精度只能达到±1mm，这种方法在电气化区段的正线上使用较多，但在岔道和隧道等没有合理测量基座的地方无法实施测量，且不能长期在线监测。其后又有ZL02262271.3的中国使用新型专利《钢轨位移观测装置》，但仍需人中操作，测量精度有限。
发明内容
为解决以上现有技术的不足，本发明提供一种钢轨纵向位移在线监测装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种钢轨纵向位移在线监测装置,该监测装置包括：
钢轨位移测量单元，用于对钢轨的纵向位移进行实时测量；
轨边信号采集单元，包括电流-电压转换模块，A/D转换模块，数据存储模块和数据发送模块，所述轨边信号采集单元用于对所述钢轨位移测量单元输出的信号进行信号处理，将电流信号转换为电压信号并进行A/D转换，同时记录存储在数据存储卡上，并通过无线通信方式将数据发送给监控中心；
监控中心管理系统，由数据接收模块、位移计算及显示模块、记录存储模块以及超限报警模块组成，所述数据接收模块通过以太网或无线接收模块接收轨边信号采集单元发送的数据；位移计算及显示模块对接收的数据进行处理，计算出钢轨纵向位移值，并以数字及图形方式显示出来；记录存储模块将钢轨位移数据按照时间、位置信息记录在数据库中；超限报警模块完成钢轨纵向位移超限判断，对于超限信息报警显示。
所述钢轨位移测量单元包括：钢轨夹、位置磁铁、测量单元主体和保护垫板，所述钢轨夹夹持在钢轨上，所述保护垫板设置于钢轨夹下方，所述位置磁铁位于钢轨夹前端，所述测量单元主体位于位置磁铁下方。
所述测量单元主体由磁致波导钢丝(1)、波检测器(3)、电子信号处理系统(5)、波反射器(6)、减波元件(7)、回线(8)、保护壳体(9)组成并封装在一起，将位置磁铁的位置信号转换为电信号输出。
所述测量单元主体与所述钢轨平行；所述测量单元主体通过电子信号和处理系统周期性地向磁致波导钢丝发送激励脉冲电流，该脉冲电流产生一个围绕磁致波导钢丝的旋转磁场，在这个磁场和位置磁铁产生的固定磁场的共同作用下，波导钢丝产生固定波速的磁致旋转波。
一种钢轨纵向位移在线监测方法,该监测方法包括：
1）将钢轨位移测量单元安装在待测钢轨和轨道板上，通过非接触式测量对钢轨纵向位移进行实时监测；
2）轨边信号采集单元安装在钢轨旁，一方面采集并处理钢轨位移测量单元输出的信号，另一方面将采集到的实时监测数据记录在数据存储卡上并通过无线通信技术传输至监测中心管理系统；
3）监测中心管理系统，位于远程监控中心，完成数据接收，钢轨纵向位移计算，超限判断以及记录存储。
所述钢轨位移测量单元包括：钢轨夹、位置磁铁、测量单元主体和保护垫板，所述钢轨夹夹持在钢轨上，所述保护垫板设置于钢轨夹下方，所述位置磁铁位于钢轨夹前端，所述测量单元主体位于位置磁铁下方。
所述测量单元主体由磁致波导钢丝(1)、波检测器(3)、电子信号处理系统(5)、波反射器(6)、减波元件(7)、回线(8)、保护壳体(9)组成并封装在一起，将位置磁铁的位置信号转换为电流信号输出。
所述测量单元主体与所述钢轨平行；所述测量单元主体的监测过程为：通过电子信号和处理系统周期性地向磁致波导钢丝发送激励脉冲电流，该脉冲电流产生一个围绕磁致波导钢丝的旋转磁场，在这个磁场和位置磁铁产生的固定磁场的共同作用下，波导钢丝产生固定波速的磁致旋转波，该磁致旋转波被波检测器转化为电信号；在波导钢丝的另一端，磁致旋转波将通过减波元件被大大削弱，以避免反射的波形对测量精度造成影响，经过波反射器改善后的电信号回到电子信号和处理系统，该系统经过进一步的信号处理，计算出激励脉冲电流和改善后的电信号的时间差，然后将时间差乘以波速，计算出当前位置磁铁的位置，最后将位置信号转换为电流输出。
本发明的优点在于：
采用非接触式测量技术，该装置的测量单元主体利用磁致扭转波作为信号传输媒质，且波检测器只对旋转波特别灵敏，抗干扰性强，能在铁路现场长期工作。具有测量大位移(200mm)、高精度(0.1mm)的特点。位置磁铁与传感器非接触，不会对传感器造成任何磨损，整个装置能承受灰尘、高温、高压和高振动的环境。钢轨位移测量单元为绝对值测量系统，测量单元主体接通电源后，位置磁铁的位置即可确定，工务部门维修铁路、断电对测量精度不造成任何影响。因此，本装置可以方便、稳定、有效地安装在在铁路沿线，长期监测钢轨纵向位移量，进行钢轨纵向应力分析，避免胀轨断轨的发生。
附图说明
图1：本发明钢轨纵向位移在线监测装置结构示意图；
图2：钢轨位移测量单元俯视图；
图3：钢轨位移测量单元剖面图；
图4：测量单元主体原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明。如图1所示为本发明钢轨纵向位移在线监测装置结构示意图，所述在线监测装置包括：钢轨位移测量单元，用于对钢轨的纵向位移进行实时监测；轨边信号采集单元，用于对所述钢轨位移测量单元监测的数据进行信号处理；监控中心管理系统，用于对轨边信号采集单元发送来的数据进行计算、显示、存储、报警等，得到钢轨在某一时间段内的纵向位移值。
如图2、图3所示为钢轨位移测量单元结构示意图。其中，钢轨位移系统测量单元由待测钢轨(Ⅰ)、钢轨夹(Ⅱ)、位置磁铁(Ⅲ)、测量单元主体(Ⅳ)和保护垫板(Ⅴ)组成。保护垫板(Ⅴ)位于钢轨夹(Ⅱ)正下方，其作用是当列车经过的时候防止位置磁铁(Ⅲ)与测量单元主体(Ⅳ)接触影响测量。
位置磁铁(Ⅲ)通过螺钉安装在钢轨夹(Ⅱ)前端，钢轨夹(Ⅱ)夹持在钢轨(Ⅰ)上，而测量单元主体(Ⅳ)则固定于轨道板(Ⅵ)上。钢轨(Ⅰ)相对于轨道板(Ⅵ)为运动刚体。
如图4为测量单元主体原理示意图。所述测量单元主体(Ⅳ)主要由磁致波导钢丝(1)、波检测器(3)、位置磁铁(4)、电子信号处理系统(5)、波反射器(6)、减波元件(7)、回线(8)、传感器壳体(9)组成。
测量单元主体工作时，电子信号和处理系统(5)发给磁致波导钢丝(1)间隔为T的激励脉冲电流ip。该脉冲电流将产生一个围绕磁致波导钢丝(1)的旋转磁场。位置磁铁(Ⅲ)也产生一个固定的磁场。在这两个磁场的共同作用下，波导钢丝产生磁致弹性伸缩，即形成一个磁致旋转波(2)。该旋转波沿着波导钢丝以2800m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器(3)时被转化为电信号Ue。通过测量磁致旋转波从位置磁铁(Ⅲ)传到波检测器(3)的时间tL就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。
这样，当待测钢轨(Ⅰ)和轨道板(Ⅵ)产生相对运动时，位置磁铁会跟随钢轨发生位移，则磁致旋转波从位置磁铁到波检测器的时间就会发生改变，通过监测位置磁铁(Ⅲ)的位移量，进而测量出钢轨纵向位移。
在波导钢丝的另一端，磁致旋转波将通过减波元件(7)被大大削弱，以避免反射的波形对测量精度造成影响。波反射器(6)是用于加强激励脉冲电流ip和改善电信号Ue的波形。
位置磁铁和波检测器之间的距离可如下确定
L=vwtL/2
式中：tL为发射脉冲与反射脉冲的时间差
vw为旋转波的波速
L为磁铁和波检测器间距
轨边信号处理单元通过I/V转换模块，将4～20mA电流转换为0～5V电压，经过隔离之后进入AD转换模块，将模拟信号数字化，同时将转换后的数字信号写入SD卡进行数据备份，之后控制数据发送单元将实时数据上传至监控中心。
一种钢轨纵向位移在线监测方法，包括下列步骤：
步骤1：选择待测钢轨(Ⅰ)，安装传感器主体(Ⅳ)于轨道板(Ⅵ)上。要求钢轨(Ⅰ)和传感器主体(Ⅳ)平行。
步骤2：将位置磁块(Ⅲ)通过螺钉安装在钢轨夹(Ⅱ)端部，将钢轨夹(Ⅱ)夹持在钢轨(Ⅰ)上，调节位置磁块(Ⅲ)相对于传感器主体(Ⅳ)的高度，确定好之后拧紧螺钉。要求安装最大间隙不超过20mm。
步骤3：将保护垫板(Ⅴ)置于钢轨夹(Ⅱ)正下方，要求两个零件的长边与长边平行，短边与短边平行，且几何中心重合，对正之后拧紧螺钉。要求其与钢轨夹(Ⅱ)底部间距不大于6mm。
步骤4：纵向位移实时监测，测量单元主体通过电子信号和处理系统周期性地发给磁致波导钢丝激励脉冲电流，该脉冲电流将产生一个围绕磁致波导钢丝的旋转磁场。在这个磁场和位置磁铁产生的固定磁场的共同作用下，波导钢丝产生固定波速的磁致旋转波。该磁致旋转波被波检测器转化为电信号。经过波反射器改善后的电信号回到电子信号和处理系统，该系统经过进一步的信号处理，计算出激励脉冲电流和改善后的电信号的时间差，然后将时间差代入公式L=vwtL/2，计算出当前位移值，最后将位置信号转换为4～20mA电流输出。
步骤5：4～20mA电流信号进入轨边信号处理单元，轨边信号处理单元的I/V转换模块，将4～20mA电流转换为0～5V电压，经过隔离之后进入AD转换模块，将模拟信号数字化，同时将数字信号写入SD存储卡进行数据备份，之后控制数据发送模块将实时数据上传至监控中心管理系统。
步骤6：监控中心管理系统通过数据接收模块进行数据接收，通过记录存储模块对数据进行存储，并在位移计算及显示模块对接收到的数据进行显示，假设钢轨(Ⅰ)在ta时刻的初始位置为A，钢轨(Ⅰ)在tb时刻的位置移动到B，则钢轨在tba的时间段内的纵向位移为ΔL=B-A。最后，将此时间段内的纵向位移值送入超限报警模块，对超限信息报警显示。
该发明符合铁路测量规范，抗干扰能力强，精度为0.1mm，且不受到应力放散、清筛作业影响，每隔设定的时间将测量数值通过无线通信网络传送到监控中心管理系统，从而实现对观察点位移和温度应力的远程长期在线监测，从而达到监测钢轨状态，指导线路保养，预防钢轨胀轨断轨的目的。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种钢轨纵向位移在线监测装置,其特征在于，该监测装置包括：
钢轨位移测量单元，用于对钢轨的纵向位移进行实时测量；所述钢轨位移测量单元包括：钢轨夹、位置磁铁、测量单元主体和保护垫板，所述钢轨夹夹持在钢轨上，所述保护垫板设置于钢轨夹下方，所述位置磁铁位于钢轨夹前端，所述测量单元主体位于位置磁铁下方；
所述测量单元主体与所述钢轨平行；所述测量单元主体通过电子信号和处理系统周期性地向磁致波导钢丝发送激励脉冲电流，该脉冲电流产生一个围绕磁致波导钢丝的旋转磁场，在这个磁场和位置磁铁产生的固定磁场的共同作用下，波导钢丝产生固定波速的磁致旋转波；
轨边信号采集单元，包括电流-电压转换模块，A/D转换模块，数据存储模块和数据发送模块，所述轨边信号采集单元用于对所述钢轨位移测量单元输出的信号进行信号处理，将电流信号转换为电压信号并进行A/D转换，同时记录存储在数据存储卡上，并通过无线通信方式将数据发送给监控中心管理系统；
监控中心管理系统，由数据接收模块、位移计算及显示模块、记录存储模块以及超限报警模块组成，所述数据接收模块通过以太网或无线接收模块接收轨边信号采集单元发送的数据；位移计算及显示模块对接收的数据进行处理，计算出钢轨纵向位移值，并以数字及图形方式显示出来；记录存储模块将钢轨位移数据按照时间、位置信息记录在数据库中；超限报警模块完成钢轨纵向位移超限判断，对于超限信息报警显示。
2.根据权利要求1所述的一种钢轨纵向位移在线监测装置,其特征在于，所述测量单元主体由磁致波导钢丝(1)、波检测器(3)、电子信号处理系统(5)、波反射器(6)、减波元件(7)、回线(8)、保护壳体(9)组成并封装在一起，将位置磁铁的位置信号转换为电信号输出。
3.一种钢轨纵向位移在线监测方法,其特征在于，该监测方法包括：
1)将钢轨位移测量单元安装在待测钢轨和轨道板上，通过非接触式测量对钢轨纵向位移进行实时监测；
2)轨边信号采集单元安装在钢轨旁，一方面采集并处理钢轨位移测量单元输出的信号，另一方面将采集到的实时监测数据记录在数据存储卡上并通过无线通信技术传输至监测中心管理系统；
3)监控中心管理系统，位于远程监控中心，完成数据接收，钢轨纵向位移计算，超限判断以及记录存储。
4.根据权利要求3所述的一种钢轨纵向位移在线监测方法,其特征在于，所述钢轨位移测量单元包括：钢轨夹、位置磁铁、测量单元主体和保护垫板，所述钢轨夹夹持在钢轨上，所述保护垫板设置于钢轨夹下方，所述位置磁铁位于钢轨夹前端，所述测量单元主体位于位置磁铁下方。
5.根据权利要求4所述的一种钢轨纵向位移在线监测方法,其特征在于，所述测量单元主体由磁致波导钢丝(1)、波检测器(3)、电子信号处理系统(5)、波反射器(6)、减波元件(7)、回线(8)、保护壳体(9)组成并封装在一起，将位置磁铁的位置信号转换为电流信号输出。
6.根据权利要求5所述的一种钢轨纵向位移在线监测方法，其特征在于，所述测量单元主体与所述钢轨平行；所述测量单元主体的监测过程为：通过电子信号和处理系统周期性地向磁致波导钢丝发送激励脉冲电流，该脉冲电流产生一个围绕磁致波导钢丝的旋转磁场，在这个磁场和位置磁铁产生的固定磁场的共同作用下，波导钢丝产生固定波速的磁致旋转波，该磁致旋转波被波检测器转化为电信号；在波导钢丝的另一端，磁致旋转波将通过减波元件被大大削弱，以避免反射的波形对测量精度造成影响，经过波反射器改善后的电信号回到电子信号和处理系统，该系统经过进一步的信号处理，计算出激励脉冲电流和改善后的电信号的时间差，然后将时间差乘以波速，计算出当前位置磁铁的位置，最后将位置信号转换为电流输出。
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