CN107014528B - 一种轮轨力在线监测系统、监测方法及静态标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁道工程的技术领域，公开了一种轮轨力在线监测系统，包括设置在钢轨的多个不同监测位置上的双轴应变片，每个监测位置设置有多个双轴应变片，多个双轴应变片通过排线进行组桥，桥路的输出端与NI数据采集板卡模块配套的桥盒相连，每个桥盒的输出端通过RJ‑50的插口分别连接至NI数据采集板卡模块的四个通道，NI数据采集板卡的输出端和工控机相连，工控机通过DTU无线透传模块和服务器相连，实现对钢轨的轮轨力的在线监测和预警。还公开了一种轮轨力的监测方法及静态标定方法。本发明对轮轨力进行在线监测，可实现精确度高、抗干扰能力强、工业适用性好、高效率、维护成本低的效果，具有明显的科研应用价值。

Description

一种轮轨力在线监测系统、监测方法及静态标定方法

技术领域

本发明涉及铁道工程的技术领域，具体涉及一种轮轨力在线监测系统、监测方法及静态标定方法。

背景技术

轮轨力的确定是研究轮轨关系的基础，车轮与轨道间的相互作用直接影响着铁路行车安全、轮轨的磨损以及维修。

目前,国内对于轮轨力的地面测试也有了一定的研究，但仍然存在着不足之处：现有的轮轨力测试方法大多通过现场焊接应变片并进行组桥的方式，所选用的应变片耐热性以及防水性较差，采集结果受到自然条件影响较大；同时，若胶水与应变片不够匹配，贴片过程中还会出现粘贴不牢的“假粘”现象，这样会使桥路的输出灵敏度降低，达不到预期的效果。

而且，通常轮轨力标定采用液压千斤顶，计算压力的方式是用液压表的兆帕读数乘以液压千斤顶的顶头的面积，这样收到油压表误差和顶头的尺寸误差，计算出的压力差值大，并且需要人工读取液压泵表盘读数，导致标定过程繁琐且标定精度不高；另外，现有的测试与采集装置多为已集成好系统，不能根据实际情况对采集系统进行编译与调整，采集的数据受到了较大局限；传统轮轨力分析时只能进行现场实测，不能实现远程监测的目的，从而不能满足相关监测需求。

发明内容

本发明提供了一种轮轨力在线监测系统、监测方法及静态标定方法，解决了现有轮轨力分析时只能进行现场实测，不能实现远程监测及现有静态标定等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种轮轨力在线监测系统，包括设置在钢轨的多个不同监测位置上的双轴应变片，每个监测位置设置有多个双轴应变片，多个所述双轴应变片通过排线进行组桥，桥路的输出端与NI数据采集板卡模块配套的桥盒相连，每个桥盒的输出端通过RJ-50的插口分别连接至所述NI数据采集板卡模块的四个通道，其特征在于：所述NI数据采集板卡的输出端和工控机相连，所述工控机通过DTU无线透传模块和服务器相连，实时对脱轨系数和轮重减载率计算判断，实现对钢轨的轮轨力的在线监测和预警。

进一步，所述NI数据采集板卡的输出端通过USB接口和工控机相连。

进一步，还包括反力架，所述反力架用于对每个监测位置的多个双轴应变片进行水平力和垂直力的静态标定。

进一步，所述反力架包括工字钢体、垂直设置在所述工字钢体的一翼缘的同一侧的两个拉杆和一个限位环，所述限位环设置在翼缘的中心，用于固定静态标定的千斤顶；所述拉杆设置在翼缘的端部，用于连接钢轨。

进一步，所述拉杆呈钩型，包括钩型部和杆状部，所述钩型部用于连接钢轨，所述杆状部采用焊接方式设置在所述工字钢体的翼缘上。

进一步，所述限位环采用焊接方式设置在所述工字钢体的翼缘上，且内径和千斤顶的底部外径采用过盈配合。

一种基于上述在线监测系统的监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、通过各个监测位置设置的多个双轴应变片对钢轨进行水平力和垂直力的数据采集，并将数据实时传送到服务器，并存储下来；

步骤二、根据各个监测位置的钢轨的水平力和垂直力，实时计算对应的脱轨系数和轮重减载率；

步骤三、判断所述脱轨系数是否超过系数阈值，若是，则发出预警信号，否则，返回步骤一；判断所述轮重减载率是否超过率阈值，若是，则发出预警信号，否则，返回步骤一。

一种基于上述在线监测系统的静态标定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将设置双轴应变片的钢轨处依次进行粗打磨、多次精打磨，然后在打磨处擦拭工业酒精并使其快速挥发，最后在打磨处黏贴双轴应变片，完成钢轨的一个监测位置的多个双轴应变片的黏贴；

步骤二、将压力传感器设置在多个双轴应变片的中心，检测端垂直设置在钢轨的侧面，所述压力传感器的底部与千斤顶的顶部接触，所述千斤顶的底部设置在反力架的限位环内，通过反力架的两个拉杆，将压力传感器、千斤顶固定在钢轨上；

步骤三、将多个双轴应变片和压力传感器连接到NI数据采集卡，NI数据采集卡模块连接到工控机上，进行钢轨的所述监测位置的水平力的静态标定；

步骤四、重复步骤一至三，将压力传感器垂直设置在钢轨的顶部，进行完成钢轨的所述监测位置的垂直力的静态标定；

步骤五、重复步骤一至四，完成钢轨各个监测位置的水平力和垂直力的静态标定。

本发明有益的技术效果在于：

1、通过对钢轨打磨，提高了双轴应变片和钢轨的粘合度，保证轮轨力测量值的精确性。

2、通过反力架固定压力传感器和千斤顶进行轮轨力标定，避免了人工计算过程中油压表误差和顶头的尺寸误差，有效提高了标定的效率和精度。

3、采用数据采集设备NI以太网箱与NI数据采集板卡，基于labview程序实现数据的采集与分析，具有较好的灵活性；使用工控机，提高了系统的稳定性，增强了系统的抗干扰性；采用DTU无线透传模块增加无线传输功能，可实现远程实时监测轮轨力，并对轮轨力超限值进行预警，较以往定期去现场采集数据的传统方式而言，节省大量的人力、物力。

总之，采用本发明对轮轨力进行在线监测，可实现精确度高、抗干扰能力强、工业适用性好、高效率、维护成本低的效果，具有明显的科研应用价值。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的测试水平力的双轴应变片的粘贴位置示意图；

图3为本发明的测试水平力的双轴应变片的组桥方式示意图；

图4为本发明的测试垂直力的双轴应变片的粘贴位置示意图；

图5为本发明的测试垂直力的双轴应变片的组桥方式示意图；

图6为本发明的反力架的左视图；

图7为本发明的反力架的主视图；

图8为本发明的反力架的图7中A部分的仰视放大图；

图9为本发明的利用反力架进行轮轨力静态标定的结构示意图；

其中，1-钢轨，2-双轴应变片，3-NI数据采集板卡模块，4-控制电路，5-DTU无线透传模块，6-远程服务器，7-反力架，71-工字钢体，72-拉杆，73-限位环，8-千斤顶，9-压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种轮轨力在线监测系统，包括设置在钢轨1的多个不同监测位置上的双轴应变片2，每个监测位置设置有多个双轴应变片2，多个双轴应变片2通过排线进行组桥，桥路的输出端与NI数据采集板卡模块3配套的桥盒相连，每个桥盒的输出端通过RJ-50的插口分别连接至NI数据采集板卡模块3的四个通道，该NI数据采集板卡的输出端通过USB接口和工控机4相连，工控机4通过DTU无线透传模块5和远程服务器6相连，经过GPRS网络实时传送到远程服务器6中，实现对钢轨1的轮轨力的在线监测和预警。

该双轴应变片2具有自补偿功能，不需要补偿片，自身就能抑制应变温度漂移同时，粘贴位置自带防水片，可满足防水的要求。

粘贴前，先用手持打磨机对钢轨1进行粗打磨，然后用不同规格砂纸对钢轨1进行多次精细打磨，最后在打磨处擦拭工业酒精并用吹风筒使其快速挥发，以便为双轴应变片2粘贴提供光滑、清洁的平面。再然后采用专用工业胶水对其进行固定，该胶水可缩短硬化时间，并确保良好地粘结作业性，通常涂抹胶水40分钟后，便可进行测量。

测试水平力的双轴应变片2的粘贴位置与组桥方式如图2、3所示，分别贴在离轨枕中心线110mm的两个断面离轨底边缘20mm处轨底上表面，双轴应变片2的方向与钢轨纵向成45°角；测试垂直力的双轴应变片2的粘贴位置与组桥方式如图4、5所示，分别贴在离轨枕中心线110mm的两个断面上，双轴应变片2的位置是在轨腰两侧的中和轴上，方向与钢轨纵向成45°角。

该系统采用直流稳压电源对其进行保护，其中NI数据采集卡模块3的工作温度范围较高，抗冲击与振动性能良好。NI数据采集板卡是一种基于电桥采集应变的模块，该模块能够通过电桥采集到应变片的电阻变化，从而采集到钢轨的应变，同时该模块采以通过负载端电压采样或分流校准消除导线电阻可引起桥电路误差。

现场测试使用工控机4进行数据采集，工控机4采用标准的全钢化工业机箱，并配备优越的热设计以保证系统的高可靠性抗，抗振动与冲击性能良好，更适合工业现场需求。

本发明提供了一种基于上述在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤一、通过各个监测位置设置的多个双轴应变片2对钢轨1的进行水平力和垂直力的数据采集，并将数据实时传送到远程服务器6，并存储下来；

步骤二、根据各个监测位置的钢轨1的水平力和垂直力，实时计算对应的脱轨系数和轮重减载率；

步骤三、判断脱轨系数是否超过系数阈值，该系数阈值为0.8，若是，则发出预警信号，否则，返回步骤一；判断轮重减载率是否超过率阈值，该率阈值为0.65，若是，则发出预警信号，否则，返回步骤一。

该系统还包括反力架7，如图6、7和8所示，用于对每个监测位置的多个双轴应变片2进行水平力和垂直力的静态标定。该反力架7包括工字钢体71、垂直设置在工字钢体的一翼缘的同一侧的两个拉杆72和一个限位环73，该限位环73设置在翼缘的中心，用于固定静态标定的千斤顶8，采用焊接方式设置在工字钢体71的翼缘上，且其内径和千斤顶8的底部外径采用过盈配合；该拉杆72设置在翼缘的端部，呈钩型，包括钩型部和杆状部，钩型部用于连接钢轨1，杆状部采用焊接方式设置在工字钢体71的翼缘上。利用该反力架7对钢轨1的轮轨力进行静态标定时，如图9所示，限位环73能将钢轨1、压力传感器9与千斤顶8固定牢靠，能同时采集压力荷载值与应变值，进而拟合出轮轨力标定系数，能有效提高轮轨力标定的精度与效率。

本发明提了一种基于上述在线监测系统的静态标定方法，包括以下步骤：

步骤一、将设置双轴应变片2的钢轨1处依次进行粗打磨、多次精打磨，然后在打磨处擦拭工业酒精并使其快速挥发，最后在打磨处粘贴双轴应变片，完成钢轨1的一个监测位置的多个双轴应变片2的粘贴；

步骤二、将压力传感器9设置在多个双轴应变片2的中心，检测端垂直设置在钢轨1的侧面，压力传感器9的底部与千斤顶8的顶部接触，千斤顶8的底部设置在反力架7的限位环73内，通过反力架7的两个拉杆72，将压力传感器9、千斤顶8固定在钢轨1上；

步骤三、将多个双轴应变片2和压力传感器9连接到NI数据采集卡模块3，NI数据采集卡模块3连接到工控机4上，进行钢轨1的上述监测位置的水平力的静态标定；

步骤四、重复步骤一至三，将压力传感器9垂直设置在钢轨1的顶部，进行完成钢轨1的上述监测位置的垂直力的静态标定；

步骤五、重复步骤一至四，完成钢轨1各个监测位置的水平力和垂直力的静态标定。

1、通过对钢轨打磨，提高了双轴应变片和钢轨的粘合度，保证轮轨力测量值的精确性。

2、通过反力架固定压力传感器和千斤顶进行轮轨力标定，避免了人工计算过程中油压表误差和顶头的尺寸误差，有效提高了标定的效率和精度。

3、采用数据采集设备NI以太网箱与NI数据采集板卡，基于labview程序实现数据的采集与分析，具有较好的灵活性；使用工控机，提高了系统的稳定性，增强了系统的抗干扰性；采用DTU无线透传模块增加无线传输功能，可实现远程实时监测轮轨力，并对轮轨力超限值进行预警，较以往定期去现场采集数据的传统方式而言，节省大量的人力、物力。

总之，采用本发明对轮轨力进行在线监测，可实现精确度高、抗干扰能力强、工业适用性好、高效率、维护成本低的效果，具有明显的科研应用价值。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种轮轨力在线监测系统的静态标定方法，包括设置在钢轨的多个不同监测位置上的双轴应变片，每个监测位置设置有多个双轴应变片，多个所述双轴应变片通过排线进行组桥，桥路的输出端与NI数据采集板卡模块配套的桥盒相连，每个桥盒的输出端通过RJ-50的插口分别连接至所述NI数据采集板卡模块的四个通道，其特征在于：所述NI数据采集板卡的输出端和工控机相连，所述工控机通过DTU无线透传模块和服务器相连，实时对脱轨系数和轮重减载率计算判断，从而实现对钢轨的轮轨力的在线监测和预警；

还包括反力架，所述反力架用于对每个监测位置的多个双轴应变片进行水平力和垂直力的静态标定；

所述反力架包括工字钢体、垂直设置在所述工字钢体的一翼缘的同一侧的两个拉杆和一个限位环，所述限位环设置在翼缘的中心，用于固定静态标定的千斤顶；所述拉杆设置在翼缘的端部，用于连接钢轨；

包括以下步骤：

步骤一、将设置双轴应变片的钢轨处依次进行粗打磨、多次精打磨，然后在打磨处擦拭工业酒精并使其快速挥发，最后在打磨处黏贴双轴应变片，完成钢轨的一个监测位置的多个双轴应变片的黏贴；

步骤二、将压力传感器设置在多个双轴应变片的中心，检测端垂直设置在钢轨的侧面，所述压力传感器的底部与千斤顶的顶部接触，所述千斤顶的底部设置在反力架的限位环内，通过反力架的两个拉杆，将压力传感器、千斤顶固定在钢轨上；

步骤三、将多个双轴应变片和压力传感器连接到NI数据采集卡，NI数据采集卡模块连接到工控机上，进行钢轨的所述监测位置的水平力的静态标定；

步骤四、重复步骤一至三，将压力传感器垂直设置在钢轨的顶部，进行完成钢轨的所述监测位置的垂直力的静态标定；

步骤五、重复步骤一至四，完成钢轨各个监测位置的水平力和垂直力的静态标定。

2.根据权利要求1所述的轮轨力在线监测系统的静态标定方法，其特征在于：所述NI数据采集板卡的输出端通过USB接口和工控机相连。

3.根据权利要求1所述的轮轨力在线监测系统的静态标定方法，其特征在于：所述拉杆呈钩型，包括钩型部和杆状部，所述钩型部用于连接钢轨，所述杆状部采用焊接方式设置在所述工字钢体的翼缘上。

4.根据权利要求1所述的轮轨力在线监测系统的静态标定方法，其特征在于：所述限位环采用焊接方式设置在所述工字钢体的翼缘上，且内径和千斤顶的底部外径采用过盈配合。

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