CN104608795B - 一种铁路轨道螺栓松动的监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路轨道螺栓松动的监测系统，包括激光发射模块、轨道光纤、割断装置、激光接收模块、处理电路模块，所述处理电路模块包括一个电磁继电器、报警电路模块和用于控制铁轨系统的控制电路模块；割断装置，在螺栓松动的时候割断光纤。当铁轨螺栓发生松动时，割断装置割断光纤，激光接收模块接收不到光信号，实现报警，同时切断铁轨继电器电路。本发明还公开了一种铁路轨道螺栓松动的监测方法，本发明可实现铁轨中螺栓的松动情况的实时和系统地监测，而且设计制作过程简单、价格低廉，便于大规模地制作和投入使用。

Description

一种铁路轨道螺栓松动的监测系统及方法

技术领域

本发明涉及基于光纤的传感监测技术领域，特别是一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统及方法。

背景技术

从1997年我国第一次列车提速以来，我国相继修建、开通了京津城际客运专列、京沪城际客运专列、京广城际客运专列，设计时速也从200公里逐步提升到350公里。中国已经建成世界上建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路网。到2020年，通过新建的高速铁路、客运专列以及对已有铁路实施全面的提升改造，初步形成总规模约1.6万千米的“四横四纵”的快速铁路客运网络，列车最高速度将达到350Km/h。形成连接川渝地区、江汉平原和长三角的沿江大能力快速通道。长三角、珠三角、环渤海京津冀，以及其他城镇密集地区，城际轨道交通骨干架基本形成。

随着列车运营速度、轴重、路网密度和行车密度的提高,加剧了国家和群众对铁路运输安全性的关注要求，尤其是铁轨沿线密布的螺栓，其松动可导致铁轨变形，造成车毁人亡的悲剧。而目前，对于铁轨螺栓松动与否仍依赖工人检查的方式，工作量大，检测维修的及时性和可靠性较低，缺乏系统性的管理和监测。国内外螺栓松动导致列车脱轨的事件时有报道，甚至有不法分子盗窃铁路螺栓、通过蓄意破坏螺栓制造事故。而目前检测铁轨螺栓松动的方法主要等待火车停止运营或者在火车运营的间隙，依靠人工检查，这不仅需要大量的人力投入，而且效率低下、可靠性得不到保障，对作业的工人安全性也有一定威胁。近年来，春晚等节目对于节假日仍坚守铁路一线，检修作业的铁路维护工作现状也时有播报。现有的主要依赖人工检测铁路轨道螺栓松动的方法，需要消耗大量人力，并且效率低下，及时性、可靠性较低等诸多不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统及方法，根据铁路安全标准，设置割断装置中刀片与光纤的相对位置，当松动超出安全范围时割断光纤，通过判断光纤的通断状况实时监测铁路轨道螺栓的松动与否，可实现自动报警且成本低廉，并大大减少铁路运营过程中维护和检修的工作量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统，包括激光发射模块、轨道光纤、割断装置、激光接收模块、处理电路模块，所述处理电路模块包括一个电磁继电器、报警电路模块和用于控制铁轨系统的控制电路模块；其中，

激光发射模块，用于输出光信号至轨道光纤；

割断装置，用于当螺栓松动时，割断轨道光纤；

轨道光纤，用于当轨道光纤未被割断时，传输光信号至激光接收模块；

激光接收模块，用于当接收到光信号时，将光信号转换为电信号输出至电磁继电器；

电磁继电器，当接收到电信号时，输出高电平至控制电路模块；当未接收到电信号时，输出高电平至报警电路模块；

控制电路模块，连接轨道继电器，当接收到高电平时，控制铁轨系统正常运行；当未接到高电平时，控制铁轨系统停止运行；

报警电路模块，用于当接收到高电平时，则判断螺栓发生松动，发出报警。

作为本发明所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统进一步优化的方案，所述割断装置包括刀片、U形弹性片，刀片设置在U形弹性片的中心，U形弹性片上对称开有一对使得弹性片可以相对螺栓滑动的孔，螺栓中的螺杆穿过该一对孔且位于两孔之间的螺杆上设有弹簧。

作为本发明所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统进一步优化的方案，所述弹性片为金属弹性片。

作为本发明所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统进一步优化的方案，所述激光发射模块为发光二极管。

作为本发明所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统进一步优化的方案，所述发光二极管的供电电压在6-24V之间。

作为本发明所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统进一步优化的方案，所述激光接收模块为光电二极管，光电二极管为点接触型二极管。

作为本发明所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统进一步优化的方案，所述轨道光纤为多模光纤。

一种监测铁路轨道螺栓松动的监测方法，包括以下步骤：

步骤一、在螺栓上安装割断装置；

步骤二、将光纤穿过割断装置铺设在铁轨上；

步骤三、采用激光发射模块发出光信号，该光信号注入光纤的一端；

步骤四、光信号从光纤的另一端输出至激光接收模块：当螺栓未发生松动时，激光接收模块将光信号转换为电信号输出至电磁继电器；当螺栓发生松动时，光纤被割断装置割断，电磁继电器接收不到电信号；

步骤五、当电磁继电器接收到电信号时，输出高电平至控制电路：当控制电路接收到高电平时，控制铁轨系统正常运行；当未接到高电平时，控制铁轨系统停止运行；

步骤六、当电磁继电器未接收到电信号时，输出高电平至报警电路，进行报警。

作为本发明所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测方法进一步优化的方案，所述割断装置是通过以下步骤制作而成的：

A、提供U形弹性片；

B、在U形弹性片的中心设置刀片，U形弹性片上对称开有一对使得弹性片可以相对螺栓滑动的孔；

C、螺栓中的螺杆穿过该一对孔固定在轨道上且位于两孔之间的螺杆上设有弹簧。

作为本发明所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测方法进一步优化的方案，所述一对孔是相同尺寸的椭圆形孔，所述刀片为矩形刀片。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明利用光电二极管（PD）是否接收到激光信号来判断光纤的通断，从而判断轨道螺栓是否松动，为铁轨提供安全保障，大大降低了人工作业量，并且系统设计成本低廉，适合大规模使用；因而该系统可在铁路长期运营时，实时监测铁轨螺栓部分的安全；

（2）本发明当铁路轨道螺栓发生松动时，割断装置中的弹性片和弹簧因需要恢复自身弹性形变而带动刀片割断光纤，通过光电二极管能否接收到光信号达到监测螺栓是否松动的目的；

（3）本发明通过这种实时监测，缩小铁路工人的工作范围，减轻工作量，便于系统、及时地对轨道螺栓状况进行监测和修理，且该系统及其中的装置设计制作过程简单、价格低廉，便于大规模地制作和投入使用，是为现代高度发达的铁路运输业提供安全性保障的重要手段。

附图说明

图1是本发明装置的原理图。

图2是系统示意图。

图3是割断装置结构图。

图4是割断装置安装图。

图5是螺栓松动后效果图。

图6a是割断装置的正视图。

图6b是割断装置的俯视图。

图6c是割断装置的俯视图。

图7是弹性片示意图。

图8是系统的处理电路图。

图中的附图标记解释为：1-螺栓，2-弹性片，3-弹簧，4-刀片，5-光纤，6-使得弹性片可以相对螺栓滑动的孔，7-蜂鸣器，8-电磁继电器，9-光电二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本发明装置的原理图，一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统，包括激光发射模块、轨道光纤、割断装置、激光接收模块、处理电路模块，图8是系统的处理电路图，所述处理电路模块包括一个电磁继电器、报警电路模块和用于控制铁轨系统的控制电路模块；其中，

激光发射模块，用于输出光信号至轨道光纤；激光发射模块可选择一个普通的LED发光二极管（带光纤尾纤），将LED激光器的尾纤与轨道光纤相接，提供系统的输入信号，以用于判断光纤的通断；

割断装置，用于当螺栓松动时，割断轨道光纤；

轨道光纤，用于当轨道光纤未被割断时，传输光信号至激光接收模块；轨道光纤铺设在轨道上，如图2所示是系统示意图。

激光接收模块，用于当接收到光信号时，将光信号转换为电信号输出至电磁继电器；

电磁继电器，当接收到电信号时，输出高电平至控制电路模块；当未接收到电信号时，输出高电平至报警电路模块；

控制电路模块，连接轨道继电器，当接收到高电平时，控制铁轨系统正常运行；当未接到高电平时，控制铁轨系统停止运行；

报警电路模块，用于当接收到高电平时，则判断螺栓发生松动，发出报警。

如图3所示是割断装置结构图，所述割断装置包括刀片、U形弹性片，刀片设置在U形弹性片的中心，U形弹性片上对称开有一对使得弹性片可以相对螺栓滑动的孔，螺栓中的螺杆穿过该一对孔且位于两孔之间的螺杆上设有弹簧。在螺栓未发生松动时，割断装置安装的效果图如图4所示。

割断装置用于感知螺栓是否松动，并做出相应的处理，本系统中设计的以弹性片、弹簧构成的弹性装置，在螺栓发生松动的时候，割断装置由于受应力改变而发生位移，牵动刀片割断光纤；

所述弹性片为金属弹性片。

所述激光发射模块为LED发光二极管，

所述发光二极管LED的供电电压一般在6-24V之间，可根据具体的电路设计及监测距离选择发光二极管的功率，降低系统功耗，并使得LED的寿命较长。

所述激光接收模块为光电二极管（又称光敏二极管），光电二极管是在反向电压作用时工作的，没有光照时，反向电流极其微弱；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，产生光电流。且光强越大，反向电流越大。因而在接收到光信号时，光电二极管将光信号转换为电信号；光电二极管可选用使用范围最广、价格低廉的点接触型二极管。在该电路中，注意光电二极管是在反向电压作用时工作的。

系统的电源模块用于为整个监测系统供电，该电源可以从铁路系统中直接接入，并根据不同的具体电路设计需求接入变压器，提供所需电压；

所述处理电路模块包括报警电路模块和控制电路模块；其中，

处理电路模块包含一个电磁继电器，根据处理电路中是否有电流实现在铁路正常工作状态和报警状态之间相互切换；

报警电路包含保护电阻和蜂鸣器，并且连接系统总机，在铁轨螺栓松动时可显示螺栓所在的具体路段；

控制电路模块连接轨道继电器，在无螺栓松动时，该电路闭合，铁轨系统正常运行；在螺栓松动导致轨道光纤被割断后，该电路开路，铁轨系统也停止运行；

所述轨道光纤因每隔数十或数百米即为一监测单元，传输距离较短，可选择多模光纤，价格便宜，便于大规模铺设。

所述割断装置中可选弹性系数较大的合金弹性片和劲度系数较大的弹簧。

一种监测铁路轨道螺栓松动的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、沿铁轨螺栓部分逐一安装简易割断装置；

步骤二、将光纤穿过割断装置铺设在铁轨上；

步骤三、采用激光发射模块发出光信号，该光信号注入光纤的一端；

步骤四、光信号从光纤的另一端输出至激光接收模块：当螺栓未发生松动时，激光接收模块将光信号转换为电信号输出至电磁继电器；当螺栓发生松动时，光纤被割断装置割断，电磁继电器接收不到电信号；

步骤五、当电磁继电器接收到电信号时，输出高电平至控制电路：当控制电路接收到高电平时，控制铁轨系统正常运行；当未接到高电平时，控制铁轨系统停止运行；

步骤六、当电磁继电器未接收到电信号时，输出高电平至报警电路，进行报警。

所述割断装置是通过以下步骤制作而成的：

A、提供U形弹性片；

B、在U形弹性片的中心设置刀片，U形弹性片上对称开有一对使得弹性片可以相对螺栓滑动的孔；在弹性片的中心位置焊接一个矩形刀片（刀片可以较宽，以便在光纤发生轻微错位的时候，仍能够及时、有效地割断光纤）；

C、螺栓中的螺杆穿过该一对孔固定在轨道上且位于两孔之间的螺杆上设有弹簧。

割断装置是通过如下方法设计和计算得到的：

A、弹性片中间对称地挖出弹性片可以相对螺栓滑动的槽，槽的直径恰好等于螺栓直径，槽的长度为L，当弹性片的槽的末端滑到螺栓时，弹性片一侧与水平位置的倾角为a，则D=L*cosa即为刀片移动的最大位移；

B、设刀片到螺栓的距离为d，光纤直径为2R，则需满足条件D>d+2R；

C、设螺栓螺纹长度为s，则可根据铁路方对于铁路安全的要求，设置在螺丝松动距离达到t，一般至少设定t<s/3时的某一值t0，可实现光纤的割断。

所述一对孔是相同尺寸的椭圆形孔，所述刀片为矩形刀片。

如图5所示是螺栓松动后效果图，根据铁路安全性要求，设光纤到刀片的距离为d，螺栓松动的距离达到可能造成危险的最低值h时，割断装置横向位移为d’,应满足条件d’>d,确保此时光纤能被割断。

为了保持弹性元件的恢复力度，在对折压向弹性片时，在其中间添加一轻质且劲度系数较大的弹簧，当螺栓松动时，弹簧的恢复力能将螺栓松动程度进一步扩大，既利于割断装置的工作，又提高了监测的灵敏度和及时性；

控制电路是通过以下步骤设计和计算获得：

A、电路所需电压可以从轨道供电系统中接入，注意光电二极管工作在反向偏压状态下；

B、将光电二极管与一个电磁继电器串联，电磁继电器一端是报警电路，另一端是控制轨道电路是否闭合的电路；

C、在PD接收到光时，PD中有较大的光电流I，电磁继电器向下闭合，轨道电路通畅，报警电路为开路；当PD上没有光时，控制电路中电流几乎为零，电磁继电器断开，轨道电路开路，报警电路闭合；

D、上述的光电二极管的选择和保护电阻的阻值挑选均可结合接入的电源电压大小和电磁继电器的消耗功率等计算得到。

控制电路链接轨道继电器，在无螺栓松动时，该电路闭合，铁轨系统正常运行；在螺栓松动导致轨道光纤被割断后，该电路开路，铁轨系统也停止运行；

本发明的一种铁路轨道螺栓松动的监测方法，具体如下：

步骤一、选择材料，制作并安装割断装置；

步骤二、将光纤沿轨道穿过割断装置铺设在铁路轨道上；

步骤三、根据本次铁路方要求，以每50米为一监测单元。因而在光纤每50米的始端接一个发光二极管（LED），末端接一个光电二极管（PD），由于收发距离较短，中间不需要添加信号放大器；且由于普通LED的功率在0.05W，大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦；普通PD的接受光功率不超过0.15W，因而可以选择普通的LED发光二极管和PD结合实用，二者价格低廉，使用寿命均较长。

步骤四、将PD连入系统处理电路，其中包含报警器电路和控制铁轨正常运行的铁轨继电器电路，并将报警电路接入系统总台监测主机，以具体判断轨道出状况的路段；

步骤五、本系统中的电源可以从铁路系统中接入，由于LED工作电压在几伏到十几伏不等，需要经变压器将铁轨系统中的电压变压，并在电路中加入合适的保护电阻；

步骤六、检查，LED发出稳定激光，当光纤完好时，系统处于导通状态，PD能接收稳定的激光光信号，电路中电流较大，电磁继电器向下吸合，报警电路开路，铁轨电路闭合；

步骤七、当铁轨螺栓发生松动，割断装置割断光纤，此时光纤中无光通过，电路中电流几乎为零，电磁继电器断开，报警电路闭合，发生报警，轨道电路开路；

图6a是割断装置的正视图，图6b是割断装置的俯视图，图6c是割断装置的俯视图。图7是弹性片的示意图，左右对称的两个供螺栓滑动的圆孔，中间为刀片。

图8是系统的处理电路图，处理电路是通过如下方法设计和计算得到的：

A、接入的系统电源为U，在正常接收到光的条件下，设PD产生的光电流为I0，此电流切好能使电磁继电器稳定闭合；

B、当PD接收不到光，PD中的暗电流Id很小,几乎为零，电磁继电器断开。

本发明提出的目的是利用光纤的传输特性，当铁路轨道螺栓发生松动时，割断装置中的弹性片和弹簧因需要恢复自身弹性形变而带动刀片割断光纤，通过光电二极管PD能否接收到光信号达到监测螺栓是否松动的目的。通过这种实时监测，缩小铁路工人的工作范围，减轻工作量，便于系统、及时地对轨道螺栓状况进行监测和修理，且该系统及其中的装置设计制作过程简单、价格低廉，便于大规模地制作和投入使用，是为现代高度发达的铁路运输业提供安全性保障的重要手段。

Claims (8)

1.一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统，其特征在于，包括激光发射模块、轨道光纤、割断装置、激光接收模块、处理电路模块，所述处理电路模块包括一个电磁继电器、报警电路模块和用于控制铁轨系统的控制电路模块；其中，

激光发射模块，用于输出光信号至轨道光纤；

割断装置，用于当螺栓松动时，割断轨道光纤；

轨道光纤，用于当轨道光纤未被割断时，传输光信号至激光接收模块；

激光接收模块，用于当接收到光信号时，将光信号转换为电信号输出至电磁继电器；

电磁继电器，当接收到电信号时，输出高电平至控制电路模块；当未接收到电信号时，输出高电平至报警电路模块；

控制电路模块，连接电磁继电器，当接收到高电平时，控制铁轨系统正常运行；当未接到高电平时，控制铁轨系统停止运行；

报警电路模块，用于当接收到高电平时，则判断螺栓发生松动，发出报警；

所述割断装置包括刀片、U形弹性片，刀片设置在U形弹性片的中心，U形弹性片上对称开有一对使得弹性片可以相对螺栓滑动的孔，螺栓中的螺杆穿过该一对孔且位于两孔之间的螺杆上设有弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统，其特征在于，所述弹性片为金属弹性片。

3.根据权利要求1所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统，其特征在于，所述激光发射模块为发光二极管。

4.根据权利要求3所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统，其特征在于，所述发光二极管的供电电压在6-24V之间。

5.根据权利要求1所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统，其特征在于，所述激光接收模块为光电二极管，光电二极管为点接触型二极管。

6.根据权利要求1所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测系统，其特征在于，所述轨道光纤为多模光纤。

7.一种监测铁路轨道螺栓松动的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在螺栓上安装割断装置；

步骤二、将光纤穿过割断装置铺设在铁轨上；

步骤三、采用激光发射模块发出光信号，该光信号注入光纤的一端；

步骤四、光信号从光纤的另一端输出至激光接收模块：当螺栓未发生松动时，激光接收模块将光信号转换为电信号输出至电磁继电器；当螺栓发生松动时，光纤被割断装置割断，电磁继电器接收不到电信号；

步骤五、当电磁继电器接收到电信号时，输出高电平至控制电路：当控制电路接收到高电平时，控制铁轨系统正常运行；当未接到高电平时，控制铁轨系统停止运行；

步骤六、当电磁继电器未接收到电信号时，输出高电平至报警电路，进行报警；

所述割断装置是通过以下步骤制作而成的：

A、提供U形弹性片；

B、在U形弹性片的中心设置刀片，U形弹性片上对称开有一对使得弹性片可以相对螺栓滑动的孔；

C、螺栓中的螺杆穿过该一对孔固定在轨道上且位于两孔之间的螺杆上设有弹簧。

8.根据权利要求7所述的一种监测铁路轨道螺栓松动的监测方法，其特征在于，所述一对孔是相同尺寸的椭圆形孔，所述刀片为矩形刀片。