CN106442647A - 一种铁路道岔尖轨伤损监测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种铁路道岔尖轨伤损监测系统，由尖轨、外部链接线路、供电系统组成，其特征在于：它还包括信息采集器、信息处理器、信息发射装置；所述信息处理器设置在所述信息采集器内，配置有分析尖轨伤损的软件和存储器；所述信息采集器由电流源、电压测量单元组成，通过电信号采集尖轨裂纹状态，将采集的电信号通过所述信息处理器处理通过所述信息发射装置输出。本发明采集尖轨损伤电信号，经系统软件比对不同环境下尖轨的伤损程度，按照现行《铁路线路维护规则》规定的指标，判别尖轨是否超出伤损指标。具有监测精度高，无需在尖轨上钻孔或焊接电极，保持尖轨的原有机械结构，不需另设供电线路，易于工程实施，造价低等技术优势。

Description

一种铁路道岔尖轨伤损监测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种使用电学测试原理完成铁路道岔用尖轨伤损监测的系统和方法。

背景技术

铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一，在经济社会发展中的地位和作用至关重要。截至2015年底，全国铁路营业里程达到12.1万公里，其中高速铁路1.9万公里。根据国家《中长期铁路网规划》，到2020年，铁路网规模达到15万公里，其中高速铁路3万公里，覆盖80％以上的大城市。到2025年，铁路网规模达到17.5万公里左右，其中高速铁路3.8万公里左右。道岔是铁路线路设备的重要组成部分，随着铁路列车提速、重载列车开行以及高速线路道岔大量投入使用，对道岔尖轨运用中的质量要求越来越高。

道岔由转辙器、连接部分、辙叉三个主要单元组成。转辙器包括基本轨、尖轨。道岔尖轨经刨切后断面削弱，在其全长范围内没有扣件将其固定在轨枕上，从尖轨尖端到导曲线终点为止，轨距、方向、高度等变化迅速，轨距、水平递减率大，列车通过时对道岔的横向和纵向冲击力大于线路；再加上道岔尖轨在电动转辙机的作用下，由一个位置向另外一个位置转换，直至与基本轨密贴的过程中，受力复杂。以上几个原因导致道岔尖轨成为道岔中最薄弱的机械件，已成为当前铁路线路维修工作的重点。

目前对于钢轨检测大多是利用漏磁法、渗透法、涡流法等检测手段进行伤损检测。同时，人们还在使用射线法和超声波法对轨道伤损程度进行监测。现在广为应用的为轨道检测车技术，该检测系统主要是在后置轨道检测车平台上集合了超声波和电磁感应检测技术及光学传感器。此外，还有基于压电传感器的纵向超声导波钢轨损伤检测设备以及基于激光技术的弯曲模态超声导波铁轨损伤检测设备。然而，基于超声波的探测方法是利用超声波遇到裂纹时发生衍射的原理，只能对出现裂缝的钢轨进行准确探测，对于钢轨表面、内部的损伤效果不是很理想；基于人工的损伤探测，对人工的经验要求非常高，而且工作量大，效率低，人工成本高。并且对于钢轨无损检测技术并不适用于尖轨检测。迄今为止，还没有对尖轨监测的设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁路道岔尖轨伤损监测系统及其方法，不具有现有技术缺点的解决方案，本发明不受各种外在环境影响，在不影响铁路正常运行的情况下对尖轨伤损状态进行监测，具有监测精度高，无需在尖轨上钻孔或焊接电极，保持尖轨的原有机械结构，不需另设供电线路，易于工程实施，造价低的技术优势。

一种铁路道岔尖轨伤损监测系统，由尖轨、外部链接线路、供电系统组成，其特征在于：它还包括信息采集器、信息处理器、信息发射装置；所述信息处理器设置在所述信息采集器内，配置有分析尖轨伤损的软件和存储器；所述信息采集器由电流源、电压测量单元组成，通过电信号采集尖轨裂纹状态，将采集的电信号通过所述信息处理器处理通过所述信息发射装置输出。

所述电流源由恒定交流源、稳态直流源跨接具有电极的多个区域组成，该电流源包括：DC电流源、AC电流源、静态电流源，所述电压测量单元配置用以检测流过尖轨电极间的电压。

所述信息处理器包括：微处理器、可编程逻辑控制器、逻辑模块、数据库。

它还包括室内监测装置，该室内监测装置提供数字显示或声光报警指示信号，该信号提供简单的状态输出，或被用于基于电极区段部分的多个区域中的检测到的电阻，激活或设置如告警标志。

所述信息发射装置为数据无线传输装置，传输尖轨损伤数据，采用近场通用技术标准频率及编码将经所述信息处理器处理过的尖轨伤损信息加传送至所述室内监测装置，该信息发射装置有处理器经由外部链接线路，如红外协议、蓝牙协议、IEEE 802.11无线局域网发送指示信号。

所述外部链接线路通过电极在所述尖轨上的孔位进行安装并通过导线与所述信息采集器连接。

铁路道岔尖轨伤损监测方法，采用电信号测量收集尖轨损伤信息，具体为在尖轨上间隔一定距离安装电极点，在尖轨两个端点加载直流与交变电流，通过测量任意两电极点的电压值来确定尖轨任意两个电极端点间尖轨电阻电容值的变化，进而判断尖轨是否有断裂裂纹。

其特征在于：包括以下步骤：

1)在尖轨上确定电极点，将电极固定在尖轨上；

2)用导线将电极与测试装置的接线柱连接；

3)接通测试装置电源，产生数据；

4)通过预设软件将获得的数据与预设参数对比获得尖轨状态值；

5)通过无线发射装置将尖轨实时状态值传输到室内接收装置上；

6)室内接收装置收到尖轨数据值后，根据数据值传送到报警装置进行报警处理。

本发明与现有技术相比具有如下优点：通过采集尖轨损伤电信号，经系统软件比对不同环境下尖轨电特性参数并实施逻辑判断，按照现行《铁路线路维护规则》规定的指标，判别尖轨是否伤损并输出相关信息。系统具有监测精度高，无需在尖轨上钻孔或焊接电极，保持尖轨的原有结构，不需另设供电线路，易于工程实施，造价低的技术优势。

附图说明

图1为本发明无伤损尖轨等效电路图；

图2为本发明有伤损尖轨等效电路图；

图3为本发明尖轨四线法测试电阻值原理图；

图4为本发明用于监测尖轨伤损系统图；

图5为本发明尖轨伤损监测方法图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

本发明主要是基于尖轨在产生伤损后，伤损部分形成电容，改变尖轨的总电阻，具体的原理如下：

当测量无伤损尖轨的电阻时，等效电路如图1所示，101为钢轨的正电极端，102为钢轨的负电极端，103为钢轨等效电阻。

当测量有伤损尖轨的电阻时，等效电路如图2所示，201为钢轨的正电极端，202为钢轨的负电极端，203为正电极与伤损间的等效电阻，204为伤损间处并联等效电阻，205伤损处的等效电容，206为负电极与伤损间的等效电阻。

在R-C并联电路中，有

R＝Z-jX

电路的等效阻抗为：

Y—复导纳；G—电导(导纳的实部)；B—电纳(导纳的虚部)；|Y|—复导纳的模；

同时，电容和频率的关系为：

Z＝ESR+jwL-j/wC

也就是说，随着频率的提高，电容的容抗值将越来越接近0，而寄生电感的感抗值却逐渐增大，最后超过电容的容抗而使整个器件表现为电感性。容量越大的电容，其高频容抗值越接近0，就越容易被本身的寄生电感所超越。

通过合适频率找到电路等效电阻对伤损产生电容的敏感变化。通过对比伤损前后电阻的变化来定性判断伤损，并能够定量报告伤损程度。本发明方法能对尖轨内外部损伤进行精确检测，检测效率高。

尖轨电阻测量属于精确测量极小电阻，采用四线法测量，是由供给额定电流的电流源端口，和检测电压降的电压检测端口所构成的。连接于被测电阻的电压检测端口的测试线，因为电压计的输入电阻很大，基本上没有电流流经，所以不受测试线电阻以及接触电阻等的影响，可达到精确测量，其工作原理如图3所示。电流I为全部流经被测电阻R₀的电流，所以，R₃、R₄的电压降为0。测量电压U和被测电阻R₀两端的电压降U₀基本相同，即可不受R₁～R4的影响。

按照本发明之一实施例，道岔尖轨伤损监测系统，如图4所示，本发明的尖轨伤损监测系统图示，包括外部链接线路、信息采集器、信息处理器、信息发射装置、室内监测装置与供电系统组成。通过外部链接线路将尖轨与测量监测装置进行连接，通过电信号采集尖轨裂纹状态，将采集的电信号通过信息处理器处理，信息发射装置传输尖轨损伤数据，测量信息通过尖轨伤损信息数据处理软件进行处理，通过室内实时监测显示系统发送报警信号。

信息采集器经由一个频率可变的恒定交流源和一个稳态直流源跨接具有电极的多个区域，每相邻两个电极点之间设有电压测量单元。通入直流电流源测量指示电压的一组值。每个值对应多个区域之一。切换到交流电流源，接着测量指示电压值。通过将电压电流数据转换为电阻值，监测在交流源电阻值和直流源电阻值之间的变化以检测在该区段中的尖轨伤损的存在。相邻电极部分的每个区域的长度根据实际需要划分。然而，本领域技术人员将意识到具体长度不是本发明的实质性特征。类似的区域、电阻和电压源的数量也不是本发明的实质性特征。电流源包括DC电流源、AC电流源、静态(static)电流源及电压测量表。在实施例中，信息采集器还包括多个电压传感器，电压传感器被配置以检测流过尖轨电极间的电压。信息采集器包括多个电流传感器，每个电流传感器跨接相对应的尖轨。如本领域技术人员所知尖轨的电阻可以基于检测的电压和电流确定。

信息处理器通信地耦合到信息采集器，信息处理器包括：微处理器、可编程逻辑控制器、逻辑模块，或者包括数据库和算法，该算法实现为由控制单元计算机或处理器执行的计算机程序。数据库可以被配置为存储关于尖轨伤损的预定信息。数据库包括指令集、映射、查询表、变量。这样的映射、查询表和指令集可操作与流过多个区域的电压的特性相关，以检测尖轨伤损的存在。该数据库还可以被配置来存储实际感测的或检测的信息。该算法可以便利处理感测的与电流、电压和尖轨伤损有关。信息发射装置有处理器经由外部链接线路，如红外协议、蓝牙协议、IEEE 802.11无线局域网发送指示信号给室内接收元单元。室内监测装置接收到信号，该指示信号提供简单的状态输出，或被用于基于电极区段部分的多个区域中的检测到的电阻，激活或设置如告警的标志。

图示5是按照本发明的示范性尖轨伤损监测方法。该方法对一段尖轨包括经由电流源接尖轨施加电流，与相对应的电压表并联耦合的每两个电极间的尖轨电阻从由电压表接收电压信号。在使用直流电流源测试初始设置的尖轨时，流过的电流恒定。电压传感器检测流过每两个电极间的尖轨电阻的电流。最初，电压传感器测量指示流过每个区域的电压的初始阻值，数据采集单元开始监测流过每两个电极间的尖轨电阻的电压的变化来判断电阻的变化，以检测在尖轨上A-B、B-C、C-D、D-E、E-F、F-G和G-H区段存在环境变化，根据尖轨长短确定设置电极的数量，然后通过测量控制单元切换多个电流源为交流源，通过电压传感器测量指示流过每个区域的电压的阻值，数据采集单元开始监测流过每两个电极间的尖轨电阻变化，以检测在尖轨上A-B、B-C、C-D、D-E、E-F、F-G和G-H区段伤损。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种铁路道岔尖轨伤损监测装置，由尖轨、外部链接线路、供电系统组成，其特征在于：它还包括信息采集器、信息处理器、信息发射装置；所述信息处理器设置在所述信息采集器内，配置有分析尖轨伤损的软件和存储器；所述信息采集器由电流源、电压测量单元组成，通过电信号采集尖轨裂纹状态，将采集的电信号通过所述信息处理器处理通过所述信息发射装置输出。

2.如权利要求1所述的一种铁路道岔尖轨伤损监测装置，其特征在于：所述电流源由恒定交流源、稳态直流源跨接具有电极的多个区域组成，该电流源包括：DC电流源、AC电流源、静态电流源，所述电压测量单元配置用以检测流过尖轨电极间的电压。

3.如权利要求1所述的一种铁路道岔尖轨伤损监测装置，其特征在于：所述信息处理器包括：微处理器、可编程逻辑控制器、逻辑模块、数据库。

4.如权利要求1所述的一种铁路道岔尖轨伤损监测装置，其特征在于：它还包括室内监测装置，该室内监测装置提供数字显示或声光报警指示信号，该信号提供简单的状态输出，或被用于基于电极区段部分的多个区域中的检测到的电阻，激活或设置如告警标志。

5.如权利要求1或4所述的一种铁路道岔尖轨伤损监测装置，其特征在于：所述信息发射装置为数据无线传输装置，传输尖轨损伤数据，采用近场通用技术标准频率及编码将经所述信息处理器处理过的尖轨伤损信息加传送至所述室内监测装置，该信息发射装置有处理器经由外部链接线路，如红外协议、蓝牙协议、IEEE802.11无线局域网发送指示信号。

6.如权利要求1所述的一种铁路道岔尖轨伤损监测装置，其特征在于：所述外部链接线路通过电极在所述尖轨上的孔位进行安装并通过导线与所述信息采集器连接。

7.一种铁路道岔尖轨伤损监测方法，其特征在于：采用电信号测量收集尖轨损伤信息，具体为在尖轨上间隔一定距离安装电极点，在尖轨两个端点加载直流与交变电流，通过测量任意两电极点的电压值来确定尖轨任意两个电极端点间尖轨电阻电容值的变化，进而判断尖轨是否有断裂裂纹。

其特征在于：包括以下步骤：

1)在尖轨上确定电极点，将电极固定在尖轨上；

2)用导线将电极与测试装置的接线柱连接；

3)接通测试装置电源，产生数据；

4)通过预设软件将获得的数据与预设参数对比获得尖轨状态值；

5)通过无线发射装置将尖轨实时状态值传输到室内接收装置上；

6)室内接收装置收到尖轨数据值后，根据数据值传送到报警装置进行报警处理。