CN104777230A - 一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统与检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统与检测方法，属于铁路钢轨安全监测技术领域。所述检测系统由单轮交替检测子系统、多轮同步检测子系统、车载信号采集与处理平台组成，所述单轮交替检测子系统由若干个均匀分布在车轮圆周上的传感器组成，每一个传感器对应一个扇形区域，扇形区域的圆心角为θ，所有传感器的扇形区域覆盖整个圆周；所述多轮同步检测子系统由若干个单轮交替检测子系统组成；所述车载信号采集与处理平台安装于列车上，各传感器通过同轴屏蔽电缆与车轮轴端的导电滑环相连接，导电滑环的输出端与车载信号采集与处理平台相连接。本发明能够实现高速铁路钢轨伤损的高效监测，并降低检测成本。

Description

一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统与检测方法

技术领域

本发明属于铁路钢轨安全监测技术领域，涉及一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统与检测方法。

背景技术

近年来我国铁路的发展，特别是高速铁路的快速发展，为国家的经济发展和社会进步起到了巨大的推动作用。我国铁路运输的大力建设，列车速度、载重和密度的不断增加，对铁路系统的安全性提出了更高的要求，如何保障高速铁路安全、稳定、可靠的运行将会成为我国铁路运输面临的重大问题。其中，由钢轨伤损而引发的铁路安全问题越来越受到人们的重视，而裂纹是引起钢轨伤损的一个主要原因。

声发射技术作为一种新兴的现代无损检测技术，能够评估裂纹的动态特征，非常适合于检测材料和结构的动态行为。它能够检测对象的动态裂纹、裂纹萌生及裂纹生长等，即它检测到的信息是缺陷本身发出的信息，无需外部输入信号对缺陷进行扫描。裂纹的扩展是一个重要的声发射源，由它们产生的声发射信号反应了裂纹的本质特征，通过对钢轨裂纹声发射源的检测可以实现钢轨伤损状态的实时监测，同时对伤损的严重等级进行评估并采取相应的维护措施。

目前，声发射技术在钢轨检测上的研究都是将传感器安装于钢轨上进行检测，由于声发射信号传播距离的限制，这种情况下的应用需要在钢轨上布置大量的传感器和数据传输节点，对于一条长达上百公里的高速铁路来说，需要耗费大量的人力、物力和财力，目前难以实现。

发明内容

为了实现高速铁路钢轨伤损的高效监测并降低检测成本，本发明提供了一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统与检测方法，结合所提出的检测方法和检测系统，能够实现高速铁路钢轨伤损的高效监测，并降低检测成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统，由单轮交替检测子系统、多轮同步检测子系统、车载信号采集与处理平台组成，其中：

所述单轮交替检测子系统由若干个均匀分布在车轮圆周上的传感器组成，每一个传感器对应一个扇形区域，扇形区域的圆心角为θ，所有传感器的扇形区域覆盖整个圆周；

所述多轮同步检测子系统由若干个单轮交替检测子系统组成；

所述车载信号采集与处理平台安装于列车上，各传感器通过同轴屏蔽电缆与车轮轴端的导电滑环相连接，导电滑环的输出端与车载信号采集与处理平台相连接。

一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测方法，包括如下步骤：

步骤一：当列车经过存在活动裂纹的钢轨时，在列车载重的激励作用下，裂纹伤损产生声发射信号，通过安装在列车车轮上的单轮交替检测子系统的连续检测，能够采集到裂纹所发出的声发射信号。

在单轮交替检测子系统中，传感器对应扇形区域的圆心角为θ，所需要传感器数目N按下式计算：

其中θ应尽量小，保证每个传感器对应扇形区域的弧长较短，与钢轨具有较好的接触。

步骤二：在步骤一给出的单轮交替检测系统基础上，通过角度差算法来获得各轮上对应传感器的初始角度差，组建多车轮上的同步检测系统，实现各车轮上的传感器对钢轨同一位置的同步检测。

角度差算法为：选取多轮中的一个车轮上的传感器为参照，作为基准传感器，设另一车轮与基准车轮轴心之间的距离为L，车轮半径都为r，则另一车轮上与该基准传感器对应的同步传感器，与基准传感器之间的初始角度差α为：

其中为向下取整运算。

通过角度差算法，能够调节不同车轮上传感器的位置，获得不同车轮上对钢轨同一位置进行同步检测的传感器安装角度，并将这些传感器分为一组，那么多车轮上同步传感器组的数目等于步骤一中单车轮上传感器数目N。

步骤三：通过车载信号采集与处理平台对多车轮上传感器的钢轨裂纹伤损声发射信号的检测情况来判断钢轨伤损。多车轮上不同组同步传感器实现对整个钢轨的连续检测，根据钢轨伤损的判别结果来判断目前钢轨的安全状态。

设多车轮中车轮的数目为M(M≥2)，多车轮对钢轨伤损的判别方法为：

1)当列车经过某一段钢轨时，M个车轮中检测到声发射信号的车轮数目M_o＞M_th，则判定该段钢轨上存在活动裂纹；

2)当列车经过某一段钢轨时，M个车轮中检测到声发射信号的车轮数目M_o≤M_th，则判定该声发射信号来自于其他干扰，如偶尔出现在钢轨上的细小石子崩裂所产生；

3)当某个车轮上的传感器在列车运行的整个过程中始终检测到声发射信号，则判定该火车车轮的轴承系统或者车轮出现伤损。

对于判别方法中的1)，由于钢轨中的活动裂纹在列车载重的激励下能够持续产生声发射信号，因此在列车经过的过程中基本上每个车轮上的传感器都能检测到声发射信号，考虑到有可能存在漏检测的情况，设定一个阈值M_th，当检测到声发射信号的车轮数目M_o＞M_th时，判定钢轨存在活动裂纹。

对于判别方法中的2)，由于在钢轨上也存在其他干扰因素，如钢轨上细小的石子在车轮的碾压下也能够产生声发射信号，但该种情况产生的声发射信号不具有持续性，且只有一定范围的车轮能够检测到声发射信号，因此，检测到声发射信号的车轮数目M_o≤M_th，则判定该声发射信号来自于其他干扰。

对于判别方法中的3)，当车轮的轴承系统或者车轮出现故障时，该车轮上的传感器能够始终检测到声发射信号，其他车轮的传感器则检测不到，而且只要在列车运行的过程中这种信号就始终存在。

本发明具有如下优点：

1)通过单轮交替检测子系统实现了钢轨的连续检测，且传感器在车轮上的分布可以调节，以达到不同的检测精度。

2)提出了角度差算法来同步协调多车轮上的传感器同步工作，实现对钢轨同一位置的多传感器协同检测。

3)多车轮上传感器的协同工作结合单轮上的交替检测系统，形成了多车轮上传感器组的交替检测，实现了多车轮传感器的钢轨连续检测。

4)结合多车轮传感器检测，给出了钢轨裂纹伤损的判别方法。

5)通过车载式的信号采集与处理平台，实现了基于声发射技术的钢轨伤损移动式检测，克服了钢轨上固定的传感器只能对有限范围内伤损检测的情况，能够实现高速铁路钢轨伤损的高效监测，并降低检测成本。

附图说明

图1为本发明车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统的结构示意图；

图2为本发明的单轮交替检测子系统结构示意图；

图3为本发明的多轮同步检测子系统结构示意图；

图4为车载信号采集与处理平台与各车轮传感器连接示意图；

图5为钢轨上存在活动裂纹时4个车轮的检测情况；

图6为钢轨上存在干扰时4个车轮的检测情况；

图7为车轮的轴承系统或者车轮出现伤损的检测情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供的基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统由单轮交替检测子系统、多轮同步检测子系统、车载信号采集与处理平台组成，结构框图如图1所示。单轮交替检测子系统中的声发射传感器均匀分布在车轮圆周，各传感器交替的对钢轨上的裂纹伤损信号进行检测，这样能够保证每个传感器与钢轨接触最近时进行检测，避免信号的漏检。在单轮交替检测子系统的基础上，通过角度差算法来布置各轮中同一组传感器，实现同一组传感器对伤损的同步检测。各传感器通过同轴屏蔽电缆与车轮轴端的导电滑环相连接，导电滑环的输出端与车载信号采集设备相连接。通过多车轮上传感器的钢轨伤损检测方法对钢轨伤损信号进行判别。

本发明的各系统功能如下：

所述单轮交替检测子系统如图2所示，传感器均匀分布在车轮圆周，每一个传感器对应一个扇形区域，扇形区域的圆心角为θ，所有传感器的扇形区域覆盖整个圆周。当某个扇形区域的圆弧与钢轨接触时，该区域中的传感器对信号进行采集，保证每个传感器对较小接触区域范围内的信号进行采集。通过轮上多个传感器的交替检测，实现钢轨的连续检测，防止单一传感器在车轮转动时无法连续通过接触区域对钢轨进行检测的情况。每个传感器所处的位置，通过轮轴的角度传感器进行测量，进而根据各个传感器的位置，来使扇形区域圆弧与钢轨接触的传感器工作。

所述多轮同步检测子系统如图3所示，在单轮交替检测子系统的基础上，通过角度差算法来获得各轮上对应传感器的初始角度差，以实现各轮上同一组传感器对同一位置的同步检测。

所述车载信号采集与处理平台安装于列车上，传感器通过信号电缆与车轮轴端导电滑环连接，导电滑环再通过电缆与车载信号采集与处理平台连接，如图4所示。其作用是通过各车轮上的传感器对信号进行采集，然后通过多车轮上传感器对信号的检测情况进行伤损判别。

本发明提供的基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测方法，具体实施步骤如下：

执行步骤一：选取声发射传感器对应扇形区域的圆心角θ为18°，则所需要的声发射传感器数目N按下式计算：

可得N为20，将20个传感器均匀安装到车轮圆周，传感器与车轮表面之间通过耦合剂连接，安装示意图如图2所示。同时在车轮轴端安装角度位置传感器，记录目前1号传感器中轴线与钢轨接触时的角度为0°，在-9°到9°范围内1号传感器采集信号，车轮按照顺时针方向转动，在9°到27°范围内2号传感器开始进行信号采集，以此类推。通过传感器的交替信号采集，形成单轮交替检测子系统，实现钢轨的连续检测。

当列车经过存在活动裂纹的钢轨时，在列车载重的激励作用下，裂纹伤损产生声发射信号，通过安装在列车车轮上的单轮交替检测子系统的连续检测，能够采集到裂纹所发出的声发射信号。

执行步骤二：在执行步骤一给出的单轮交替检测子系统基础上，通过角度差算法来获得各轮上对应传感器的初始角度差，组建多车轮上的同步检测系统。

如图3所示，选取1号车轮作为基准车轮，1号车轮中与钢轨接触的传感器设为1号传感器，根据执行步骤一安装剩下的2-20号传感器。按照角度差算法，2号车轮与1号车轮轴轴心之间的距离为L，2号车轮中与1号车轮中对应的传感器为同步传感器，即2号车轮中的1号传感器在2号车轮移动距离L后会正好与钢轨接触，且与1号车轮中1号传感器和钢轨接触的位置为同一位置，那么2个车轮中的1号传感器都能够实现对钢轨同一位置的同步检测，2个车轮中的2-20号传感器以此类推形成同步传感器。根据角度差算法获得2号车轮中各个传感的安装位置。

设2号车轮与1号车轮轴心之间的距离L为2276.5mm，半径r为450mm，则2号车轮中与1号车轮中对应同步传感器的初始角度差按照下式计算：

α的结果为290°，如图3所示的初始角度差。以此类推，安装其他车轮上以1号车轮为基准的传感器，构建多轮同步检测子系统。如图4所示为构建的4车轮同步检测子系统，信号采集与处理平台安装于列车上，传感器通过信号电缆与车轮轴端导电滑环连接，导电滑环通过电缆与车载信号采集与处理平台连接，通过各个车轮上的传感器对信号进行采集。4个车轮上的4个1号传感器、4个2号传感器、4个3号传感器等交替完成对钢轨的检测，实现钢轨的多传感器连续检测。

执行步骤三：通过车载信号采集与处理平台，对多车轮上传感器的钢轨裂纹伤损声发射信号的检测情况来判断钢轨伤损。车轮的数目M为4，阈值M_th为2，多车轮对钢轨伤损的判别方法为：

1)当列车经过某一段钢轨时，4个车轮中检测到声发射信号的车轮数目M_o＞2，则判定该段钢轨上存在活动裂纹；

2)当列车经过某一段钢轨时，4个车轮中检测到声发射信号的车轮数目M_o≤2，则判定该声发射信号来自于其他干扰，如偶尔出现在钢轨上的细小石子崩裂所产生；

3)当某个车轮上的传感器在列车运行的整个过程中始终检测到声发射信号，则判定该火车车轮的轴承系统或者车轮出现伤损。

例如，在列车经过某一段钢轨时，4车轮对钢轨的检测结果信号图如图5所示，M_o＝4，则判定该段钢轨上存在活动裂纹；

在列车经过某一段钢轨时，4车轮对钢轨的检测结果信号图如图6所示，M_o＝1，则判定该声发射信号来自于其他干扰；

在列车运行的整个过程中始终检测到声发射信号，则判定该车轮的轴承系统或者车轮出现伤损，如图7所示声发射信号持续在整个列车运行过程中。

Claims (5)

1.一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测系统，其特征在于所述检测系统由单轮交替检测子系统、多轮同步检测子系统、车载信号采集与处理平台组成，其中：

所述单轮交替检测子系统由若干个均匀分布在车轮圆周上的传感器组成，每一个传感器对应一个扇形区域，所有传感器的扇形区域覆盖整个圆周；

所述多轮同步检测子系统由若干个单轮交替检测子系统组成；

所述车载信号采集与处理平台安装于列车上，各传感器通过同轴屏蔽电缆与车轮轴端的导电滑环相连接，导电滑环的输出端与车载信号采集与处理平台相连接。

2.一种基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测方法，其特征在于所述检测方法步骤如下：

步骤一：当列车经过存在活动裂纹的钢轨时，在列车载重的激励作用下，裂纹伤损产生声发射信号，通过安装在列车车轮上的单轮交替检测子系统的各传感器连续检测，采集到裂纹所发出的声发射信号；

步骤二：在步骤一给出的单轮交替检测系统基础上，通过角度差算法获得各轮上对应传感器的初始角度差，组建多车轮上的同步检测系统，实现各车轮上的传感器对钢轨同一位置的同步检测；

步骤三：通过车载信号采集与处理平台对多车轮上传感器的钢轨裂纹伤损声发射信号的检测情况来判断钢轨伤损，根据钢轨伤损的判别结果来判断目前钢轨的安全状态。

3.根据权利要求2所述的基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测方法，其特征在于所述单轮交替检测子系统中，传感器对应扇形区域的圆心角为θ，所需要传感器数目N按下式计算：

4.根据权利要求2所述的基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测方法，其特征在于所述角度差算法为：选取多轮中的一个车轮上的传感器为参照，作为基准传感器，设另一车轮与基准车轮轴心之间的距离为L，车轮半径都为r，则另一车轮上与该基准传感器对应的同步传感器，与基准传感器之间的初始角度差α为：

其中为向下取整运算。

5.根据权利要求2所述的基于声发射技术的车载移动式高速铁路钢轨伤损检测方法，其特征在于设多车轮中车轮的数目为M，M≥2，设定一个阈值M_th，多车轮对钢轨伤损的判别方法为：

1)当列车经过某一段钢轨时，M个车轮中检测到声发射信号的车轮数目M_o>M_th，则判定该段钢轨上存在活动裂纹；

2)当列车经过某一段钢轨时，M个车轮中检测到声发射信号的车轮数目M_o≤M_th，阈值则判定该声发射信号来自于其他干扰，如偶尔出现在钢轨上的细小石子崩裂所产生；

3)当某个车轮上的传感器在列车运行的整个过程中始终检测到声发射信号，则判定该火车车轮的轴承系统或者车轮出现伤损。