CN104908775A - 非接触式钢轨磨耗检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非接触式钢轨磨耗检测装置，该钢轨磨耗检测装置包括走行部分、检测部分、数据采集部分以及显示设备四个部分。本发明的优点在于：走行部分由在传统的只有两个纵向走行轮的基础上增加了八个小走行轮组成，可以保证装置在推行的过程中不会发生掉道的情况，测量装置采用非接触式测量方式，能够在装置的推行过程中完成磨耗测量，具有较高的效率，同时测量点位具有连续性，该方式具有较高的精度和可靠性，装置具有好的适用性。

Description

非接触式钢轨磨耗检测装置
技术领域
本发明涉及一种检测装置，尤其是一种非接触式钢轨磨耗检测装置。
背景技术
当前，随着我国铁路事业的快速发展，我国铁路的总运营里程已达十万公里，其中，山区小半径曲线也占有很大一部分比重。这些小半径曲线的存在，一方面限制了列车的运营速度，同时，也加剧了轮轨之间的相互磨耗。因此，加强对钢轨磨耗的监测，对提高铁路运输的安全性和舒适性具有十分重要的意义。
当前，铁路工务日常养护维修作业中，对钢轨磨耗的检查周期为每季度一次。测量项目为钢轨侧面磨耗，钢轨顶面磨耗以及钢轨总磨耗。其主要测量工具包括钢轨侧垂磨仪以及刚对断面测量测量系统两种。
钢轨侧垂磨仪是磨耗测量中使用最为广泛的一种测量方式，其主要由两个游标卡尺和一个轨头卡扣组成的。测量时，根据待测量钢轨的类型选用特定的轨头卡扣，通过卡扣使侧垂磨仪与钢轨轨头密贴，然后移动侧向和垂向游标卡尺，使其顶住钢轨工作边和钢轨顶面。然后采用人工度数或自显度数的方式读取侧垂磨值。是用这种方式对钢轨磨耗进行测量时，操作简单，容易上手，但测量点位有限，即每条曲线只能对直缓(ZH)点、缓圆(HY)点，曲中(QZ)点，圆缓(YH)点，缓直(HZ)点以及YH点和QZ点、QZ点和YH点之间各取一点，共七个点位进行测量，所得结果孤立，不能反映整条曲线的真实磨耗情况并有可能将磨耗最大值点略过。并且在实际换轨作业中，往往受限于轨源以及成本的考量，并不能将整个曲线长度内的钢轨进行更换，因此准确的把握整条曲线内的钢轨磨耗情况具有十分重要且现实的意义。同时采用人工度数时，容易出现偏差，所得结果精确度不高。此外，是用侧垂磨仪进行磨耗检查时，工作人员对每个测点都需要进行弯腰测量，若要完成一条曲线的测量则需要弯腰14次，而且对于山区铁路，小半径曲线较多，每日测量的曲线数可能达到20-30条，如此频繁的弯腰测量，会对测量人员的身体造成不小的伤害。
钢轨断面测量系统则是采用激光成像技术，得到钢轨的实际断面尺寸，然后将其与标准的钢轨断面尺寸进行对比，从而得到钢轨的实际磨耗情况。该测量方法所得到的磨耗值较为精确，能够很好的反映整个轨头截面的磨耗发展情况。但目前所使用的断面测量装置主要为接触式测量，其测量效率较低，。
发明内容
本发明的目的在于考虑到上述测量方式中存在的不足，本发明提出了一种非接触式钢轨磨耗检测装置。该装置的走行部分采用新型的走行结构，以避免在装置推行的过程中出现掉道的情况从而影响里程信息的准确定位。此外,仪器采用非接触式测量方式，使用激光轮廓测量仪对钢轨轨头部分的外轮廓进行测量，从而得到钢轨的外轮廓的几何形状及其尺寸值。通过数据传输接口将其回传至检测机箱内的数据处理模块内，并且经过处理后得到的钢轨实际外轮廓图，经数据传输接口传输至监视器上，调用分析处理软件将实际轮廓尺寸与标准轮廓尺寸对比得到实际磨耗情况。
本发明的技术方案为：一种非接触式钢轨磨耗检测装置，该钢轨磨耗检测装置包括走行部分、检测部分、数据采集部分以及显示设备四个部分；检测主机箱是整个检测设备的核心部分，位于装置的中部，包括检测控制模块，数据采集模块以及数据处理模块三个部分；装置的检测部分采用轮廓激光测量仪采集相关数据，钢轨轮廓激光测量仪固定于检测主机箱下表面的中部，并通过数据传输线连接至检测主机箱数据传输接口；装置的走行部分其包括安装在机箱两端正下方的纵向走行轮和两套辅助走行设备，纵向走行轮通过框形连杆固定在检测机箱底部，在纵向走行轮的滚动轴中安装有角位移计，角位移计通过数据线连接至检测主机箱的数据传输接口；辅助走行设备包括两个沿钢轨方向滚动的水平滚动轮和两个竖向滚轮，对称布置在钢轨两侧，辅助走行设备每一侧的水平滚动轮和竖向滚动轮分别通过横向弹簧连接至竖向连杆，竖向连杆通过顶端固定于检测主机箱的底部的竖向弹簧与检测主机箱连接，辅助走行设备安装于钢轨轮廓检测仪和纵向走行轮之间；检测主机箱的上方为监视器放置平台，监视器通过视频传输接口与检测主机箱相连；检测主机箱右侧设有带电池的电池仓，其中两块为工作电池，另外两块为备用电池，其中一块工作电池通过电源线与检测主机箱连接，为检测装置及检测主机箱供电，另一块工作电池与显示设备连接，为显示设备供电。同时，为使装置在检测时易于推行，在装置的左侧即靠线路中线一侧布置有一个水平推杆，其通过直角弯头与检测主机箱的左侧面连接，在检测主机箱上安装有一个固定卡口以在推杆被放下时，能够固定推杆。
推行杆布置在靠线路中心线一侧，其与装置外壳连接，二者连接部位采用弯头结构便于将推行杆收起或放下，检测机箱靠线路中心线一侧安装有固定卡扣。
走行部分由两套子部分构成；其中一个是固定于检测机箱正下方，在钢轨顶面滚动的纵向走行轮，走行轮的外径设计值为：D＝s+2T+δ
其中，s--钢轨顶面宽度，T--一侧轮缘的厚度，δ---钢轨肥边值；
纵向走行轮的滚动面由三段圆弧组成，纵向走行轮的高度，外侧面圆的直径按下式确定：H＝h1+2h2
其中：h1--滚轮水平中轴线至钢轨地面距离，h2--轮缘的高度；
另一个走行设备是由安装于钢轨两侧的辅助走行设备组成的，每一侧的辅助走行设备均由一个垂直钢轨侧面以及一个垂直钢轨轨头下颚的小滚轮组成，小滚轮与钢轨接触部分设计为圆弧连接，小滚轮由圆柱形磁铁制成，并在其外部包裹有一定厚度的耐磨陶瓷，两个小滚轮分别通过横向弹簧连接至垂直连杆上，横向弹簧的作用在于使两个小滚轮能够沿垂直于钢轨侧边方向，伸长或缩短，横向弹簧一端连接小滚轮固定杆使其能在横向移动，另一端固定在垂直连杆上；装置中横向弹簧的外侧套有一横向弹簧套管；横向弹簧套管采用变截面空心套管形式，将整个横向弹簧以及小滚轮连杆的一部分套住；套住横向弹簧部分的内径值为横向弹簧的外径值，长度为自由状态下的弹簧长度；套住小滚轮连杆部分的横向弹簧套管的内径为小滚轮固定杆的外直径，长度为小滚轮连杆长度的一半。
装置中与检测机箱主体连接的垂直连杆有两段构成，从上之下依次为竖向弹簧及竖向连杆。竖向弹簧一端与检测装置的底部相连，另一端与竖向连杆相连；竖向弹簧的动程需大于等于70mm；竖向弹簧的外侧套有竖向弹簧套管，竖向弹簧套管一端固定在检测装置的底部；竖向弹簧套管采用变截面空心套管的结构形式，将竖向弹簧及1/2竖向连杆长度的竖向连杆套住；其套住竖向弹簧部分的竖向弹簧套管的内径值等于竖向弹簧的外径值，长度为竖向弹簧在自由状态下的长度加上1/2竖向弹簧的最大动程；其套住竖向连杆部分的套管内径为竖向连杆的外径，长度为竖向连杆长度的一半。
磨耗测量装置的激光轮廓测量仪安装于检测主机箱的正下方距离钢轨顶面200-250mm，并垂直于钢轨中线。激光轮廓测量仪发射激光照射整个轨头截面，并通过激光接收器接受经钢轨表面反射回来的激光，从而得到激光器与轨顶面各点的高度变化情况，并将测量结果经数据传输接口将所测数据导入至测量机箱中。
装置的测量定位通过测量走行轮在一个周期内所转过的角度进行测量，根据滚动半径得到相应的弧长值作为装置所推行的里程值，前后两个纵向走行轮的滚轴内均安装有角位移计，并以两个走行轮所转过的弧长的最大值为基准；通过数据线与检测主机箱的数据传输接口相连，实现检测主机箱对于检测过程的控制以及数据采集。
数据处理装置包括测量控制机箱以及监视器；测量机箱设有激光测量数据传输接口、里程数据传输接口、视频传输接口、电源开关、电池仓、电路主板、中央处理器、存储硬盘；该部分为每个一定的时间周期给激光发射器和角位移计发送一个测量信号；激光接收器接收到反射信号后将测量结果经激光测量数据传输接口传输至中央处理器中，同时角位移计将上次测量结束时起至本次测量开始时纵向走行轮所转过的弧度数经里程数据传输接口传输至中央处理器。中央处理器将测量结果经过处理后传输至存储硬盘进行存储。视频传输接口负责将检测结果传输至监视器。
本发明的优点在于：本工程采用的新型钢轨磨耗测量系统，对走行部分和测量装置做了系列创新改进，具有如下显著优点：走行部分由在传统的只有两个纵向走行轮的基础上增加了八个小走行轮组成，可以保证装置在推行的过程中不会发生掉道的情况，同时辅助走形轮的连杆与装置的纵向连杆之间采用弹簧进行连接，便于装置上下道。连接辅助走行轮与装置的纵向连杆采用弹簧连接，可使装置在通过道岔地段时将走行轮收起，能够对线路整体的磨耗情况进行连续测量。测量装置的推行杆布置在靠线路中心线一侧，避免了布置在钢轨正上方推行不变的问题，同时推行杆距轨枕顶面的高度约为1m左右，避免了工作人员弯腰推行。测量装置采用非接触式测量方式，能够在装置的推行过程中完成磨耗测量，具有较高的效率，同时测量点位具有连续性，能很好地测量整条曲线范围内的钢轨磨耗情况。测量装置设的磨耗测量部分采用激光测量器测量整个轨头截面的外轮廓值，并通过将其与钢轨的标准外轮廓值进行对比分析从而得到钢轨的磨耗值。该方式具有较高的精度和可靠性，除测量常规的磨耗(侧面磨耗和垂直磨耗)之外，还能检测钢轨波磨以及钢轨表面的一些伤损，如轨顶面擦伤，钢轨表面黑斑的范围等。测量装置采用每隔一定时间周期统一发送检测信号的方式进行测量，以避免激光测量仪与角速度计异步工作，从而导致断面测量的实际里程与测量里程对不上的情况。装置具有好的适用性，装置纵向总行轮的尺寸较一般的纵向走行轮的尺寸偏大，主要是考虑到轨头出现肥边情况时，走行轮会与轨头侧边卡住，从而需要将装置以倾斜通过该地段的情况。装置预留有视频传输接口，可以在检测机箱底部加装微型摄影机，对检测地段的钢轨情况进行摄录，以便能将测量得到的伤损情况与视频录像进行对比符合，以保证结果分析的准确性。
附图说明
图1为本发明非接触式钢轨磨耗检测装置结构示意图；
图2为本发明非接触式钢轨磨耗检测装置侧视图；
图3为本发明非接触式钢轨磨耗检测装置弹簧连接部分结构示意图；
图4为本发明非接触式钢轨磨耗检测装置纵向走行轮示意图。
图中：
1-推杆；2-监视器；3-检测主机箱；4-电池仓；5-竖向弹簧；6-竖向弹簧套管；7-钢轨轮廓激光测量仪；8-纵向走行轮；9-水平辅助走行轮；10-纵向辅助走行；11-钢轨轮；12-推杆固定器；13-横向弹簧套管；14-小滚轮固定杆。
具体实施方式
一种非接触式钢轨磨耗检测装置，该钢轨磨耗检测装置包括走行部分、检测部分、数据采集部分以及显示设备四个部分；检测主机箱是整个检测设备的核心部分，位于装置的中部，包括检测控制模块，数据采集模块以及数据处理模块三个部分；装置的检测部分采用轮廓激光测量仪采集相关数据，钢轨轮廓激光测量仪固定于检测主机箱下表面的中部，并通过数据传输线连接至检测主机箱数据传输接口；装置的走行部分其包括安装在机箱两端正下方的纵向走行轮和两套辅助走行设备，纵向走行轮通过框形连杆固定在检测机箱底部，在纵向走行轮的滚动轴中安装有角位移计，角位移计通过数据线连接至检测主机箱的数据传输接口；辅助走行设备包括两个沿钢轨方向滚动的水平滚动轮和两个竖向滚轮，对称布置在钢轨两侧，辅助走行设备每一侧的水平滚动轮和竖向滚动轮分别通过横向弹簧连接至竖向连杆，竖向连杆通过顶端固定于检测主机箱的底部的竖向弹簧与检测主机箱连接，辅助走行设备安装于钢轨轮廓检测仪和纵向走行轮之间；检测主机箱的上方为监视器放置平台，监视器通过视频传输接口与检测主机箱相连；检测主机箱右侧设有带电池的电池仓，其中两块为工作电池，另外两块为备用电池，其中一块工作电池通过电源线与检测主机箱连接，为检测装置及检测主机箱供电，另一块工作电池与显示设备连接，为显示设备供电。同时，为使装置在检测时易于推行，在装置的左侧即靠线路中线一侧布置有一个水平推杆，其通过直角弯头与检测主机箱的左侧面连接，在检测主机箱上安装有一个固定卡口以在推杆被放下时，能够固定推杆。
推行杆布置在靠线路中心线一侧，其与装置外壳连接，二者连接部位采用弯头结构便于将推行杆收起或放下，检测机箱靠线路中心线一侧安装有固定卡扣。
走行部分由两套子部分构成；其中一个是固定于检测机箱正下方，在钢轨顶面滚动的纵向走行轮，走行轮的外径设计值为：D＝s+2T+δ。其中，s--钢轨顶面宽度，T--一侧轮缘的厚度，δ---钢轨肥边值；
纵向走行轮的滚动面由三段圆弧组成，纵向走行轮的高度，外侧面圆的直径按下式确定：H＝h1+2h2
其中：h1--滚轮水平中轴线至钢轨地面距离，h2--轮缘的高度；
另一个走行设备是由安装于钢轨两侧的辅助走行设备组成的，每一侧的辅助走行设备均由一个垂直钢轨侧面以及一个垂直钢轨轨头下颚的小滚轮组成，小滚轮与钢轨接触部分设计为圆弧连接，小滚轮由圆柱形磁铁制成，并在其外部包裹有一定厚度的耐磨陶瓷，两个小滚轮分别通过横向弹簧连接至垂直连杆上，横向弹簧的作用在于使两个小滚轮能够沿垂直于钢轨侧边方向，伸长或缩短，横向弹簧一端连接小滚轮固定杆使其能在横向移动，另一端固定在垂直连杆上；装置中横向弹簧的外侧套有一横向弹簧套管；横向弹簧套管采用变截面空心套管形式，将整个横向弹簧以及小滚轮连杆的一部分套住；套住横向弹簧部分的内径值为横向弹簧的外径值，长度为自由状态下的弹簧长度；套住小滚轮连杆部分的横向弹簧套管的内径为小滚轮固定杆的外直径，长度为小滚轮连杆长度的一半。
装置中与检测机箱主体连接的垂直连杆有两段构成，从上之下依次为竖向弹簧及竖向连杆。竖向弹簧一端与检测装置的底部相连，另一端与竖向连杆相连；竖向弹簧的动程需大于等于70mm；竖向弹簧的外侧套有竖向弹簧套管，竖向弹簧套管一端固定在检测装置的底部；竖向弹簧套管采用变截面空心套管的结构形式，将竖向弹簧及1/2竖向连杆长度的竖向连杆套住；其套住竖向弹簧部分的竖向弹簧套管的内径值等于竖向弹簧的外径值，长度为竖向弹簧在自由状态下的长度加上1/2竖向弹簧的最大动程；其套住竖向连杆部分的套管内径为竖向连杆的外径，长度为竖向连杆长度的一半。
磨耗测量装置的激光轮廓测量仪安装于检测主机箱的正下方距离钢轨顶面200-250mm，并垂直于钢轨中线。激光轮廓测量仪发射激光照射整个轨头截面，并通过激光接收器接受经钢轨表面反射回来的激光，从而得到激光器与轨顶面各点的高度变化情况，并将测量结果经数据传输接口将所测数据导入至测量机箱中。
装置的测量定位通过测量走行轮在一个周期内所转过的角度进行测量，根据滚动半径得到相应的弧长值作为装置所推行的里程值，前后两个纵向走行轮的滚轴内均安装有角位移计，并以两个走行轮所转过的弧长的最大值为基准；通过数据线与检测主机箱的数据传输接口相连，实现检测主机箱对于检测过程的控制以及数据采集。
数据处理装置包括测量控制机箱以及监视器；测量机箱设有激光测量数据传输接口、里程数据传输接口、视频传输接口、电源开关、电池仓、电路主板、中央处理器、存储硬盘；该部分为每个一定的时间周期给激光发射器和角位移计发送一个测量信号；激光接收器接收到反射信号后将测量结果经激光测量数据传输接口传输至中央处理器中，同时角位移计将上次测量结束时起至本次测量开始时纵向走行轮所转过的弧度数经里程数据传输接口传输至中央处理器。中央处理器将测量结果经过处理后传输至存储硬盘进行存储。视频传输接口负责将检测结果传输至监视器。

Claims (6)

1.一种非接触式钢轨磨耗检测装置，其特征在于：该钢轨磨耗检测装置包括走行部分、检测部分、数据采集部分以及显示设备四个部分；检测主机箱是整个检测设备的核心部分，位于装置的中部，包括检测控制模块，数据采集模块以及数据处理模块三个部分；装置的检测部分采用轮廓激光测量仪采集相关数据，钢轨轮廓激光测量仪固定于检测主机箱下表面的中部，并通过数据传输线连接至检测主机箱数据传输接口；装置的走行部分其包括安装在机箱两端正下方的纵向走行轮和两套辅助走行设备，纵向走行轮通过框形连杆固定在检测机箱底部，在纵向走行轮的滚动轴中安装有角位移计，角位移计通过数据线连接至检测主机箱的数据传输接口；辅助走行设备包括两个沿钢轨方向滚动的水平滚动轮和两个竖向滚轮，对称布置在钢轨两侧，辅助走行设备每一侧的水平滚动轮和竖向滚动轮分别通过横向弹簧连接至竖向连杆，竖向连杆通过顶端固定于检测主机箱的底部的竖向弹簧与检测主机箱连接，辅助走行设备安装于钢轨轮廓检测仪和纵向走行轮之间；检测主机箱的上方为监视器放置平台，监视器通过视频传输接口与检测主机箱相连；检测主机箱右侧设有带电池的电池仓，其中两块为工作电池，另外两块为备用电池，其中一块工作电池通过电源线与检测主机箱连接，为检测装置及检测主机箱供电，另一块工作电池与显示设备连接，为显示设备供电；在装置的左侧设有一个水平推杆，其通过直角弯头与检测主机箱的左侧面连接，在检测主机箱上安装有一个固定卡口。
2.根据权利要求1所述钢轨磨耗检测装置，其特征在于：推行杆布置在靠线路中心线一侧，其与装置外壳连接，二者连接部位采用弯头结构便于将推行杆收起或放下，检测机箱靠线路中心线一侧安装有固定卡扣。
3.根据权利要求1所述钢轨磨耗检测装置，其特征在于：走行部分由两套子部分构成；其中一个是固定于检测机箱正下方，在钢轨顶面滚动的纵向走行轮，走行轮的外径设计值为：
D＝s+2T+δ
其中，s--钢轨顶面宽度，T--一侧轮缘的厚度，δ---钢轨肥边值；
纵向走行轮的滚动面由三段圆弧组成，纵向走行轮的高度，外侧面圆的直径按下式确定：
H＝h1+2h2
其中：h1--滚轮水平中轴线至钢轨地面距离，h2--轮缘的高度；
另一个走行设备是由安装于钢轨两侧的辅助走行设备组成的，每一侧的辅助走行设备均由一个垂直钢轨侧面以及一个垂直钢轨轨头下颚的小滚轮组成，小滚轮与钢轨接触部分设计为圆弧连接，小滚轮由圆柱形磁铁制成，并在其外部包裹有一定厚度的耐磨陶瓷，两个小滚轮分别通过横向弹簧连接至垂直连杆上，横向弹簧的作用在于使两个小滚轮能够沿垂直于钢轨侧边方向，伸长或缩 短，横向弹簧一端连接小滚轮固定杆使其能在横向移动，另一端固定在垂直连杆上；装置中横向弹簧的外侧套有一横向弹簧套管；横向弹簧套管采用变截面空心套管形式，将整个横向弹簧以及小滚轮连杆的一部分套住；套住横向弹簧部分的内径值为横向弹簧的外径值，长度为自由状态下的弹簧长度；套住小滚轮连杆部分的横向弹簧套管的内径为小滚轮固定杆的外直径，长度为小滚轮连杆长度的一半；
装置中与检测机箱主体连接的垂直连杆有两段构成，从上之下依次为竖向弹簧及竖向连杆；竖向弹簧一端与检测装置的底部相连，另一端与竖向连杆相连；竖向弹簧的动程需大于等于70mm；竖向弹簧的外侧套有竖向弹簧套管，竖向弹簧套管一端固定在检测装置的底部；竖向弹簧套管采用变截面空心套管的结构形式，将竖向弹簧及1/2竖向连杆长度的竖向连杆套住；其套住竖向弹簧部分的竖向弹簧套管的内径值等于竖向弹簧的外径值，长度为竖向弹簧在自由状态下的长度加上1/2竖向弹簧的最大动程；其套住竖向连杆部分的套管内径为竖向连杆的外径，长度为竖向连杆长度的一半。
4.根据权利要求1所述钢轨磨耗检测装置，其特征在于：磨耗测量装置的激光轮廓测量仪安装于检测主机箱的正下方距离钢轨顶面200-250mm，并垂直于钢轨中线；激光轮廓测量仪发射激光照射整个轨头截面，并通过激光接收器接受经钢轨表面反射回来的激光，从而得到激光器与轨顶面各点的高度变化情况，并将测量结果经数据传输接口将所测数据导入至测量机箱中。
5.根据权利要求1所述钢轨磨耗检测装置，其特征在于：装置的测量定位通过测量走行轮在一个周期内所转过的角度进行测量，根据滚动半径得到相应的弧长值作为装置所推行的里程值，前后两个纵向走行轮的滚轴内均安装有角位移计，并以两个走行轮所转过的弧长的最大值为基准；通过数据线与检测主机箱的数据传输接口相连，实现检测主机箱对于检测过程的控制以及数据采集。
6.根据权利要求1所述钢轨磨耗检测装置，其特征在于：数据处理装置包括测量控制机箱以及监视器；测量机箱设有激光测量数据传输接口、里程数据传输接口、视频传输接口、电源开关、电池仓、电路主板、中央处理器、存储硬盘；该部分为每个一定的时间周期给激光发射器和角位移计发送一个测量信号；激光接收器接收到反射信号后将测量结果经激光测量数据传输接口传输至中央处理器中，同时角位移计将上次测量结束时起至本次测量开始时纵向走行轮所转过的弧度数经里程数据传输接口传输至中央处理器；中央处理器将测量结果经过处理后传输至存储硬盘进行存储；视频传输接口负责将检测结果传输至监视器。
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