CN105818822B - 基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置及方法，包括监测小车和供电组，监测小车包含上车身、下车身、车轮、定位器和温度测量仪，下车身内设有激光超声监测单元和数据分析处理单元，激光超声监测单元包含脉冲激光器、激光探针和信号调理放大电路，数据分析处理单元包含数据存储器、处理器和无线传输模块，脉冲激光器和激光探针置于下车身内的前后侧，信号调理放大电路、数据存储器和无线传输模块通过数据线与处理器连接。脉冲激光器发出脉冲激光作用于钢轨，产生超声波，由激光探针接收超声信号，将测量时间数值传送到处理器，实时准确地监测钢轨温度应力，为钢轨无损检测提供新手段，对保障钢轨安全运行具有重要意义。

Description

基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置及其方法，属于无缝钢轨检测技术领域。
背景技术
高速铁路广泛使用无缝长铁轨，列车速度高，运行平稳可靠，极大地提高了线路设备和机车车辆的服役寿命。无缝钢轨就是将25m长的钢轨焊接成1000m到2000m长的钢轨，铺设到线路上成为一段或争端无缝线路。但随着轨缝的消失，焊接在一起的钢轨在轨温发生变化时便不能自由伸缩，于是钢轨中产生温度应力。由于铁轨受热胀冷缩的影响，当外界气温较高时，钢轨温度会持续升高，钢轨内部会形成压应力，从而极易形成钢轨之间的胀轨现象；当外界气温较低时，钢轨内部形成拉应力导致钢轨断裂。钢轨的断裂和胀轨，严重地威胁了列车运行安全。因此铁路工务部门必须实时了解钢轨的温度应力，预测发生胀轨或断轨的可能性，以便采取措施消除事故隐患，保障高铁系统的运行效率、运行安全性和运行的可靠性。
现有，传统钢轨温度应力检测的方法主要有：有损检测(切条法、切槽法、盲孔法)、标定轨长和无损检测(巴克豪森法、X射线法、磁记忆法、超声波法)。但由于自身的局限性，如对钢轨表面造成破坏、效率低、精度低、表面要求高和需耦合剂等，无法得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置及其方法，能够实时准确地监测钢轨温度应力，为钢轨无损检测提出了新方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，特点是：包括监测小车和供电组，所述监测小车包含上车身、下车身、车轮、定位器和温度测量仪，上车身连接下车身，车轮通过车轴安装于上车身的两侧，定位器和温度测量仪安装于下车身的底部；所述供电组包含太阳能板、太阳能支撑架、转台、太阳能控制器和蓄电池，太阳能板、太阳能支撑架、转台安装于上车身的顶部，太阳能控制器和蓄电池置于下车身内；
所述下车身内还设有激光超声监测单元和数据分析处理单元，激光超声监测单元包含脉冲激光器、激光探针和信号调理放大电路，数据分析处理单元包含数据存储器、处理器和无线传输模块，脉冲激光器和激光探针置于下车身内的前后侧，信号调理放大电路、数据存储器和无线传输模块通过数据线与处理器连接。
进一步地，上述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其中，所述上车身内安装有电机，电机的输出轴与车轮的车轴驱动连接。
更进一步地，上述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其中，所述定位器和温度测量仪均与处理器相连。
更进一步地，上述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其中，所述太阳能板连接太阳能控制器，太阳能控制器连接蓄电池。
更进一步地，上述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其中，所述脉冲激光器和激光探针置于下车身内的前后侧，位于同一高度，且与钢轨轨腰处齐平。
本发明基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的方法，脉冲激光器发出脉冲激光作用于钢轨，产生超声波，由激光探针接收超声信号，将测量的时间数值传送到处理器，根据对传播时间和应力关系的标定，实现对温度应力的监测。
再进一步地，上述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的方法，利用脉冲激光器作用于钢轨面激发出超声波，钢轨在不同应力σ下，波速发生变化，传播时间t发生变化，根据超声波传播距离L的时间来测得钢轨的温度应力，采用如下公式：
式中，t表示在应力状态下，在长度为L的钢轨中，超声波传播时间；
t1表示零应力状态下，在长度为L的钢轨中，超声波传播时间；
B表示声弹性系数；
σ表示钢轨温度应力。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明能够实时准确地监测钢轨温度应力，为钢轨无损检测提供了一种新方法，对保障钢轨安全运行具有重要的意义；
②采用激光超声法，非接触式，对钢轨的表面要求低，检测速度快；无需人工操作，可自动运行，通过远程控制装置完成检测工作，便利可靠；
③采用无线通讯技术，可实时传输数据；运用太阳能供电技术，无需提供外来电源，实现无人值守。
附图说明
图1：本发明装置主视图；
图2：本发明装置俯视图；
图3：本发明下车身内部俯视图；
图4：本发明装置立体示意图；
图5：本发明装置原理示意图。
具体实施方式
如图1～4所示，基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，包括监测小车和供电组，监测小车包含上车身1、下车身2、车轮3、定位器11和温度测量仪12，上车身1连接下车身2，车轮3通过车轴安装于上车身1的两侧，定位器11和温度测量仪12安装于下车身2的底部；供电组包含太阳能板8、太阳能支撑架9、转台10、太阳能控制器13和蓄电池6，太阳能板8、太阳能支撑架9、转台10安装于上车身1的顶部，太阳能控制器13和蓄电池6置于下车身2内，太阳能板8连接太阳能控制器13，太阳能控制器13连接蓄电池6；上车身1内安装有电机7，电机7的输出轴与车轮3的车轴驱动连接。
如图5，下车身2内还设有激光超声监测单元B和数据分析处理单元C，激光超声监测单元B包含脉冲激光器4、激光探针5和信号调理放大电路14，数据分析处理单元C包含数据存储器15、处理器16和无线传输模块17，脉冲激光器4和激光探针5置于下车身2内的前后侧，信号调理放大电路14、数据存储器15和无线传输模块17通过数据线与处理器16连接，无线传输模块17将处理信息实时传送给铁路运行状态监测与维护中心18。
另外，定位器11和温度测量仪12均与处理器16相连。
脉冲激光器4和激光探针5置于下车身2内的前后侧，位于同一高度，且与钢轨A轨腰处齐平。
太阳能板8、太阳能控制器13、蓄电池6依次连接，蓄电池为所有设备提供电能，无需外来电源，实现无人值守。固定太阳能板8的固定包括太阳能支撑架9和转台10，太阳能支撑架9包括第一支撑杆和第二支撑杆，通过螺栓连接固定，第二支撑杆通过螺栓连接转台10。当需要调整太阳能板8的角度时，可松开固定支撑板上的螺母，调整到合适的角度后，拧紧固定太阳能支撑架9。转台10与上车身1连接，转台10可绕上车身360度旋转。
基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的方法，脉冲激光器4发出脉冲激光作用于钢轨，产生超声波，由激光探针5接收超声信号，将测量的时间数值传送到处理器，根据对传播时间和应力关系的标定，实现对温度应力的监测。
激光超声法测钢轨温度应力原理：激光超声法是基于声弹性原理，即传播在弹性体中的超声波的波速，在传播路径不同应力状态下发生变化。利用脉冲激光器作用于钢轨面激发出超声波，钢轨在不同应力σ下，波速发生变化，传播时间t发生变化，根据超声波传播距离L的时间来测得钢轨的温度应力，采用如下计算公式：
式中，t表示在应力状态下，在长度为L的钢轨中，超声波传播时间；
t1表示零应力状态下，在长度为L的钢轨中，超声波传播时间；
B表示声弹性系数；
σ表示钢轨温度应力。
综上所述，本发明提供基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置及其方法，能够实时准确地监测钢轨温度应力，为钢轨无损检测提供了一种新方法，对保障钢轨安全运行具有重要的意义。
采用激光超声法，非接触式，对钢轨的表面要求低，检测速度快；无需人工操作，可自动运行，通过远程控制装置完成检测工作，便利可靠；采用无线通讯技术，可实时传输数据；运用太阳能供电技术，无需提供外来电源，实现无人值守。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其特征在于：包括监测小车和供电组，所述监测小车包含上车身、下车身、车轮、定位器和温度测量仪，上车身连接下车身，车轮通过车轴安装于上车身的两侧，定位器和温度测量仪安装于下车身的底部；所述供电组包含太阳能板、太阳能支撑架、转台、太阳能控制器和蓄电池，太阳能板、太阳能支撑架、转台安装于上车身的顶部，太阳能控制器和蓄电池置于下车身内；
所述下车身内还设有激光超声监测单元和数据分析处理单元，激光超声监测单元包含脉冲激光器、激光探针和信号调理放大电路，数据分析处理单元包含数据存储器、处理器和无线传输模块，脉冲激光器和激光探针置于下车身内的前后侧，信号调理放大电路、数据存储器和无线传输模块通过数据线与处理器连接。
2.根据权利要求1所述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其特征在于：所述上车身内安装有电机，电机的输出轴与车轮的车轴驱动连接。
3.根据权利要求1所述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其特征在于：所述定位器和温度测量仪均与处理器相连。
4.根据权利要求1所述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其特征在于：所述太阳能板连接太阳能控制器，太阳能控制器连接蓄电池。
5.根据权利要求1所述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的装置，其特征在于：所述脉冲激光器和激光探针置于下车身内的前后侧，位于同一高度，且与钢轨轨腰处齐平。
6.权利要求1所述装置实现基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的方法，其特征在于：脉冲激光器发出脉冲激光作用于钢轨，产生超声波，由激光探针接收超声信号，将测量的时间数值传送到处理器，根据对传播时间和应力关系的标定，实现对温度应力的监测。
7.根据权利要求6所述的基于激光超声法实时监测钢轨温度应力的方法，其特征在于：利用脉冲激光器作用于钢轨面激发出超声波，钢轨在不同应力σ下，波速发生变化，传播时间t发生变化，根据超声波传播距离L的时间来测得钢轨的温度应力，采用如下公式：
<mrow> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>B</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> </mrow>
式中，t表示在应力状态下，在长度为L的钢轨中，超声波传播时间；
t1表示零应力状态下，在长度为L的钢轨中，超声波传播时间；
B表示声弹性系数；
σ表示钢轨温度应力。
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Application publication date: 20160803

Assignee: INSTITUTE OF LASER AND OPTOELECTRONICS INTELLIGENT MANUFACTURING, WENZHOU University

Assignor: Wenzhou University

Contract record no.: X2020330000103

Denomination of invention: Device and method of real time monitoring rail temperature stress based on laser ultrasonic method

Granted publication date: 20171219

License type: Common License

Record date: 20201125