CN107089244A - 一种铁路道岔损伤检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路道岔损伤检测系统。包括检测装置、数据采集及处理装置、数据接收及报警装置和移动手持终端，数据采集及处理装置包括采集装置壳体、电源模块、数据采集模块、数据处理模块和数据发射模块，数据接收及报警装置包括数据接收模块、存储器、分析模块、信号发射模块和报警模块；检测装置包括保护膜、磁探头、应变片和信号输出连接口，两片保护膜分别上下层叠对中布置，两片保护膜表面之间固定设有磁探头，小片保护膜外表面固定设有应变片，磁探头和应变片分别经导线与信号输出连接口连接。本发明体积小、连续工作时间长、检测全面、能实现自动检测，尤其适用于检测轨内核伤、疲劳损伤，以及铁路中结构复杂、可供检测空间狭小的部分。

Description

一种铁路道岔损伤检测系统

技术领域

本发明涉及一种检测技术领域的装置，具体是一种铁路道岔损伤检测系统，能够对铁路道岔损伤进行实时检测和预警。

背景技术

道岔是铁路轨道结构的一个重要组成部分。铁路运输业务中的列车到发、会让、越行、机车摘挂、车辆调车、编解、机车车辆整备修理、货物装卸业务等等，列车依靠尖轨的开通方向不同而进入道岔直股或侧股线路无不借助于道岔尖轨方能实现。在铁路道岔上，存在着一些普通轨道上没有的复杂条件。例如尖轨的冲击角远远大于曲线轨道，道岔轨道的竖向和横向刚度变化远远高于普通轨道等。机车车辆在通过道岔时，轮轨间的作用力也就比普通线路高很多。所以道岔部分的养护工作量要比同等长度的一般轨道多，而道岔尖轨部件的使用寿命也要比普通轨道短。由于这些原因，道岔始终被认为是轨道的一个薄弱环节，并且往往是影响行车安全和限制行车速度的一个主要因素。此外道岔病害产生的原因很多，综合起来大体有以下几点：(1)道岔本身结构的缺陷，我国使用的都是直线型尖轨，它与基本轨工作边所成的交角称为转折角，由于转折角较大当列车逆向进入侧线时，轮缘对尖轨的冲击力大，列车摇晃，造成尖轨部分方向不良，尖轨也易磨勋和尖轨尖端轨距加宽过大，影响列车沿着正线运行的平稳，使尖轨部分方向不良情况更加严重；(2)铺设时位置和各部分尺寸不符合规定要求；(3)道岔在列车车辆的动力作用下发生的几何尺寸和结构变形；(4)养护维修不当与自然侵害等。

而且道岔各部分零件较复杂、薄弱。在经过多年运营后，道岔钢轨会出现许多病害，但道岔由于形状复杂加之遮挡部位较多检测难度较大，这为道岔部分的损伤检测带来了极大的困难。

传统的检测方法多用超声波技术通过手动改变超声波探头探测角度的方法对道岔部分进行检测，其检测过程复杂需要做打磨、加耦合机油等多种准备工作，对检测人员技术和经验要求较高。对于部分位置的检测，如长心轨移动拉杆的翼轨固定扣板，由于结构复杂，只能由人工手动操作。同时我国铁路运行使用繁忙，可供检测的空闲时间短，这为铁路道岔的检测带来新的问题。

经与有关文献发现，现有技术在铁路道岔上尚未有成熟的能够检测道岔损伤的装置或者方式。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种铁路道岔损伤检测系统，采集与存储铁轨道岔的损伤数据，采用压磁方式实现铁路道岔的自动、实时、全方位检测，将采集到的铁轨道岔数据通过数据存储装置存储记录。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明包括检测装置、数据采集及处理装置、数据接收及报警装置和移动手持终端。

所述检测装置固定安装在铁路道岔上，检测装置检测铁路道岔震动下的磁信号数据和应变数据。

所述数据采集及处理装置包括采集装置壳体和安装在采集装置壳体内的电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据发射模块，数据采集模块、数据处理模块和数据发射模块依次连接，电源模块分别与数据采集模块、数据处理模块、数据发射模块连接进行供电，数据采集模块连接检测装置，数据发射模块连接到数据接收及报警装置。

所述采集装置壳体用于保护电路模块不受外力破坏。

所述数据采集模块连接检测装置，用于采集检测装置检测到的磁信号数据和应变数据。

所述数据处理模块用于将磁信号数据和应变数据进行匹配、放大、AD转换和滤波处理。

所述的数据处理模块内设有依次连接的计时器、信号放大器、AD转换器和滤波器，计时器用于将应变数据与磁信号数据进行时域匹配，信号放大器用于将检测到的磁信号数据进行放大处理，AD转换器用于将接收到的应变数据与磁信号数据转化为数字信号，滤波器用于对数字信号进行消噪处理并根据时域信号将与损伤检测无关的磁信号过滤去除。

所述数据发射模块用于将从数据处理模块得到的数据发射到数据接收及报警装置。

所述电源模块用于给数据采集模块、数据处理模块、数据发射模块提供必要的电力。

所述的数据接收及报警装置包括数据接收模块、存储器、分析模块、信号发射模块和报警模块，数据接收模块、分析模块、信号发射模块依次连接，存储器、报警模块均和分析模块连接。

数据接收模块用来接收由数据发射模块传输来的数据，并将数据存储到存储器内；分析模块用于将接收到的数据进行并与历史数据进行对比分析，进而检测判断获得铁轨道岔的损伤状态和损伤位置作为结果数据，并发送到信号发射模块和报警模块；信号发射模块用于将分析模块处理得到的结果数据传送到移动手持终端；报警模块用于接收分析模块处理得到的结果数据并进行蜂鸣报警。当系统判断铁轨道岔某部分存在安全隐患时，报警模块发出蜂鸣并将此信息提示传递到移动手持终端。

所述的移动手持终端包括依次连接的信号接收模块、单片机和显示屏。

信号接收模块与所述数据接收及报警装置中的信号发射模块无线连接通信，用于信号发射模块传来的数字信号，单片机用于铁路工作人员对显示屏显示的内容进行简单的选择，显示屏用于将传来的数字信号图像化。

所述采集装置壳体，要求能够容纳数据采集装置的其他模块，并具有良好的防水性能，能够在野外工作环境下对数据采集及处理装置进行良好的保护。壳体要求为承压装置，为特种塑料材料或者镀膜金属制成。

所述电源模块，采用可充电电池要求能够提供稳定的电流源；考虑到铁道巡查方便，为更换电池方便，要求能够在数据采集与发射装置正常工作的状态下维持至少一天以上时间。

所述电源模块，更优选为直接接入铁路专用电网。

所述检测装置、数据采集及处理装置，均要求能够适应-10～60℃的温度范围，以广泛的适用铁道运行的工作条件。装置可以在雨雪天气、高温天气下正常运行，并适用于全国各个地区。

所述采集模块，要求能够同时与多个磁探头、应变片相连并同时对其进行控制，从而能实时监测铁轨道岔不同部位的工作状态。

所述数据处理模块，要求能够对数据进行实时的处理，采用必要的算法，将检测到的数据进行消噪处理，并能即时向数据接收及报警装置传输数据。

所述计时器，其计时周期应为0.01秒，从而能使系统可以对一个循环内铁轨的应变、磁场变化情况做出细致的判断。与计时器相应的，磁信号检测装置与应变检测装置也要求能够以0.01秒为一个周期，对铁道数据进行收集。

所述信号发射模块与信号接收模块之间的有效工作距离不应小于10公里，从而能够保证各个设备之间的正常通讯。

所述分析模块，要求能够对传来数据进行实时计算并判断，要求能够给出状态异常部位的具体位置并判断导致状态异常的可能原因。其工作可以由一台配置不高的电脑完成。

所述存储器，要求内存不应小于500M，以便对历史数据进行必要的存储，从而能够将铁轨运行不同周期内的压磁信号数据进行比对，判断铁轨道岔的剩余寿命。

所述报警模块，要求当系统检测到道岔存在危险时能够发出声音足够大的蜂鸣，从而提醒工作人员。

所述手持装置，其大小与外形应能满足便于手持的条件。其显示屏应满足可以显示一般的函数曲线，并在比较强的光照下能够有足够的辨识度。

所述的检测装置包括两片保护膜、磁探头、应变片和连接口，两片大小不同的保护膜分别上下层叠对中布置，两片保护膜表面之间固定设置有磁探头，小片保护膜外表面固定设置有应变片，应变片紧贴铁轨道岔的外壁和外表面，磁探头和应变片分别经各自的导线与各自的信号输出连接口连接，磁探头和应变片的导线与信号输出连接口均布置在两片保护膜表面之间，大片保护膜相比小片保护膜多出的边缘部分设有用于将大片保护膜边缘粘贴在铁轨上的胶水。

包含有多个所述检测装置，在铁轨侧方的铁路道岔上待检测损伤位置附近根据具体检测区域布置多个所述检测装置。

所述的保护膜的形状以及保护膜上的磁探头和应变片的排布位置和排布形状依据铁轨道岔的待检测损伤区域、位置及区域外形设定。

所述磁探头与应变片之间间隔距离要求保持至少0.5cm距离。

所述检测装置沿铁轨方向间隔均布排列或者阵列布置在铁轨道岔心轨和铁轨道岔尖轨上。

所述检测装置以火车对铁轨道岔的作用力作为铁轨道岔的震动源，从而实现自动检测在火车经过时产生震动下的磁信号数据和应变数据。

所述保护膜要求为高性能橡胶材料，并有一定弹性和柔度以适应铁轨道岔不同部位形状的需要，其大小依据应变片与磁探头的大小而定，要求能够对二者进行全方位的包裹，以保证二者在野外环境下正常工作。

所述胶水，要求有足够的黏合力与耐久性以保证保护膜、应变片、磁探头与铁轨的粘贴。

所述磁探头，要求厚度足够小，固定在铁道上时不影响到列车正常通行。其精度要求达到1mG，其测量范围要求达到1000mG，以能够较准确的检测到铁轨道岔在列车通过时的激励下磁场的波动情况。

所述应变片，要求厚度足够小，不影响到列车正常通行。其精度要求达到1E-6，其测量范围要求达到0～1％，从而保证能够准确的检测到铁轨的应变情况。并且所述应变片要求其测量的应变方向根据测量位置受力特点进行设计，使应变片测量应变的最大应变方向。

本发明系统的工作原理是：

当铁轨受到力的作用，其周围的磁场会发生相应的变化，随着铁轨的使用时间不断增加，损伤不断积累，其压磁性质会发生相应的变化。本发明利用应变片测量铁轨的应变，由于铁轨是磁性材料，利用磁探头测量相应的磁场变化，根据应变—场强图像的变化特点，判断铁轨道岔的损伤状态，从而预判其剩余寿命。

此外，根据应变的大小能够用于判断尖轨与普通轨是否密贴，根据应变、磁场的震动特点能够用于判断轨道轨头表面的磨损情况。具体的判断方法为：当铁轨即将出现疲劳破坏或产生裂缝时，其应变-场强图像会发生明显变化；当铁轨不密贴时，应变将会增大；当铁轨出现侧磨，应变、场强的震动会发生显著变化。

本发明有益效果：

1、本装置探测部分所需空间小，可以灵活运用在铁轨的各个位置以及道岔缝隙之中，有效解决了传统检测装置在对轨底、道岔铁轨交汇处难检、检测不到的问题。

2、本装置采用压磁效应，实时检测铁路道岔运行状态，免去了要在铁轨空闲时段进行检修的限制。

3、本装置通过实时数据与历史数据的对比具有对轨道疲劳破坏预判的能力。

4、本装置利用列车通过时对铁轨的扰动作为动力，避免了对铁轨的额外破坏，同时具有工作耗能少，持续性时间长的优点。

5、本装置能够全天候进行工作，适用于全国各个地区。

6、本装置能够精确检测出铁轨道岔损伤的具体部位，避免了人工二次寻找的麻烦。

综合来说，与现有技术相比，本发明体积小、连续工作时间长、检测全面、能实现自动检测，尤其适用于检测轨内核伤、疲劳损伤。对于以及铁路中结构复杂、检测可供利用的空间狭小的部位，具有显著优点。

附图说明

图1为本发明系统的框架结构图；

图2为本发明数据采集及处理装置的结构示意图；

图3为本发明检测装置的平面图；

图4为本发明检测装置的侧视图；

图5为本发明实施中检测装置安装在铁轨道岔上的螺孔位置示意图；

图6为本发明实施中安装在铁轨道岔上的螺孔处的检测装置布置意图；

图7为本发明检测装置在铁轨道岔上的安装位置示意图；

图8为本发明检测装置在铁轨道岔上的安装位置示意图；

图9为本发明工作逻辑示意图。

其中：1为检测装置，2为数据采集及处理装置，3为数据接收及报警装置4为移动手持终端，5为边缘部分，6为保护膜，7为磁探头，8为应变片，9为信号输出连接口，10为导线，11为采集装置壳体，12为电源模块，13为数据发射模块，14为数据采集模块，15为数据处理模块，16为铁轨道岔上的螺孔，17为铁轨道岔心轨，18为铁轨道岔尖轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明具体实施包括检测装置1、数据采集及处理装置2、数据接收及报警装置3和移动手持终端4。

如图2所示，数据采集及处理装置2包括采集装置壳体11和安装在采集装置壳体11内的电源模块12、数据采集模块14、数据处理模块15、数据发射模块13，数据采集模块14、数据处理模块15和数据发射模块13依次连接，电源模块12分别与数据采集模块14、数据处理模块15、数据发射模块13连接进行供电，数据采集模块连接检测装置1，数据发射模块13连接到数据接收及报警装置。

数据接收及报警装置3包括数据接收模块、存储器、分析模块、信号发射模块和报警模块，数据接收模块、分析模块、信号发射模块依次连接，存储器、报警模块均和分析模块连接。

移动手持终端4包括依次连接的信号接收模块、单片机和显示屏。

数据处理模块内设有依次连接的计时器、信号放大器、AD转换器和滤波器，计时器用于将应变数据与磁信号数据进行时域匹配，信号放大器用于将检测到的磁信号数据进行放大处理，AD转换器用于将接收到的应变数据与磁信号数据转化为数字信号，滤波器用于对数字信号进行消噪处理并根据时域信号将与损伤检测无关的磁信号过滤去除。过滤器将信号经过滤波筛选之后发往数据接收及报警装置。

如图7和图8所示，检测装置1固定安装在铁路道岔上，检测装置检测铁路道岔震动下的磁信号数据和应变数据。在铁轨侧方的铁路道岔上待检测损伤位置附近根据具体检测区域布置多个检测装置。每个检测装置仅对其自身附近的铁轨道岔表面进行检测，每个检测装置都具有有限的检测范围，因此在实际使用中，如果待检测损伤区域较大，需要多个检测装置，那么检测装置就需要根据待检测损伤位置、区域形状来均匀布置。例如图7和图8所示，检测装置沿铁轨方向间隔均布排列或者阵列布置在铁轨道岔心轨17和铁轨道岔尖轨18上。

检测装置，其在铁轨道岔上的位置要求尽量安放在道岔最易出现损坏的位置，并且要求相邻两个检测装置之间的距离保持合适大小，不大于20cm亦不小于10cm，以保证合理利用资源，并能检测到整个道岔区段。

如图3和图4所示，检测装置1包括两片保护膜6、磁探头7、应变片8和连接口9，两片大小不同的保护膜6分别上下层叠对中布置，两片保护膜6表面之间固定设置有磁探头7，小片保护膜6外表面固定设置有应变片8，应变片8紧贴铁轨道岔的外壁和外表面，磁探头7和应变片8分别经各自的导线与各自的信号输出连接口9连接，多个磁探头7经同一根导线与磁探头的信号输出连接口连接，多个应变片8经同一根导线与应变片的信号输出连接口连接，磁探头7和应变片8分别经各自的导线与信号输出连接口9均布置在两片保护膜6表面之间，信号输出连接口9与数据采集及处理装置的数据采集模块14连接，大片保护膜6相比小片保护膜6多出的边缘部分5设有用于将大片保护膜6边缘粘贴在铁轨上的胶水，

本发明的检测装置中，应变片8紧贴接触铁轨道岔的外壁和外表面，磁探头7不直接接触铁轨道岔的外壁和外表面，并且磁探头7和应变片8的导线也不直接接触铁轨道岔的外壁和外表面。

保护膜6的形状以及保护膜6上的磁探头7和应变片8的排布位置和排布形状依据铁轨道岔的待检测损伤区域、位置及区域外形设定。例如图5所示的铁轨道岔上的螺孔16可能存在损伤，因此在螺孔16附近布置检测装置时，如图6所示，将多个应变片8沿螺孔16端面内圈的圆周间隔均布，将多个磁探头7沿螺孔16端面外圈的圆周间隔均布，磁探头7、应变片8分别经导线引出连接到连接口9。

磁探头与应变片之间间隔距离要求保持至少0.5cm距离，既能保证应变片不对磁探头产生过大影响，又能保证二者数据得以综合分析。二者安装部位建议安装在尖轨外侧轨腰部位、轨底等现有探测手段难以探测到的部位以及变截面区、有害间隙区等损坏多发部位。

本发明的工作过程是：

制作检测装置，并粘贴于铁路道岔待检测损伤部位：先将保护膜采用橡胶材料制作，便于无缝粘贴。接着，磁探头、应变片预先固定在保护膜上，磁探头和应变片在保护膜上的相对位置确定。然后，磁探头和应变片的导线汇集在固定于保护膜的连接口上，便于与数据收集与处理装置现场连接。

本实例针对“卜”字形单开铁轨道岔进行实施，道岔尖轨类型为高型尖轨。

使用时，首先将应变片贴在铁轨上，然后将保护膜边缘用胶水粘贴在铁轨上，将保护膜贴在铁轨不同部位从而使磁探头与应变片分布在铁轨特定的部位，检测装置可以根据道岔设计特点进行安放，用于测量铁轨道岔的磁信号以及应变信号，磁探头与应变片的连接口通过数据线与数据采集及处理装置的数据采集模块连接。数据采集模块通过导线与磁探头、应变片连接，两者共同协作测量轨道发出的磁信号以及应变信息。

本发明在工作时，如图9所示，当火车进入铁轨道岔，道岔受到火车的压力发生形变，同时其磁场亦发生变化，这些数据由粘贴在铁轨上待检测部位的应变片8与磁探头7进行采集并经过数据采集及处理装置2中AD转换器等处理转化为数字信息，经进行消噪处理后穿传输到数据接收及报警装置3。

具体实施中将发射来的应变与磁信号依据时间顺序以及位置信息进行一一对应。由于火车经过时的激励大致类似于一系列循环力，故可以将一个循环内的应变-压磁信号进行分析处理，得到循环图内的面积、交点信息，并于以往得到的信息进行比较，从而判断出道岔的工作情况(损伤状态和损伤位置)，并发向移动手持终端4。

当检测到某一位置在某一时间的压磁信号异常时，装置自动发出警报。并将异常信号对应位置发送到手持移动终端4，便于检测人员现场检查。

Claims (10)

1.一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：包括检测装置(1)、数据采集及处理装置(2)、数据接收及报警装置和移动手持终端(3)，其中：

所述检测装置(1)固定安装在铁路道岔上，检测装置检测铁路道岔震动下的磁信号数据和应变数据；

所述数据采集及处理装置(2)包括采集装置壳体(11)和安装在采集装置壳体(11)的电源模块(12)、数据采集模块(14)、数据处理模块(15)、数据发射模块(13)，数据采集模块(14)、数据处理模块(15)和数据发射模块(13)依次连接，电源模块(12)分别与数据采集模块(14)、数据处理模块(15)、数据发射模块(13)连接进行供电，数据采集模块(14)连接检测装置(1)，数据发射模块(13)连接到数据接收及报警装置(3)；

所述的数据接收及报警装置(3)包括数据接收模块、存储器、分析模块、信号发射模块和报警模块，数据接收模块、分析模块、信号发射模块依次连接，存储器、报警模块均和分析模块连接；

所述的移动手持终端(4)包括依次连接的信号接收模块、单片机和显示屏。

2.根据权利要求1所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：所述数据采集及处理装置(2)中，所述采集装置壳体用于保护电路模块不受外力破坏；所述数据采集模块连接检测装置，用于采集检测装置检测到的磁信号数据和应变数据；所述数据处理模块用于将磁信号数据和应变数据进行匹配、放大、AD转换和滤波处理；所述数据发射模块用于将从数据处理模块得到的数据发射到数据接收及报警装置；所述电源模块用于给数据采集模块、数据处理模块、数据发射模块提供必要的电力。

3.根据权利要求1所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：所述的数据接收及报警装置(3)中，数据接收模块用来接收由数据发射模块传输来的数据，并将数据存储到存储器内；分析模块用于将接收到的数据进行并与历史数据进行对比分析，进而检测判断获得铁轨道岔的损伤状态和损伤位置作为结果数据，并发送到信号发射模块和报警模块；信号发射模块用于将分析模块处理得到的结果数据传送到移动手持终端；报警模块用于接收分析模块处理得到的结果数据并进行蜂鸣报警。

4.根据权利要求1所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：所述的数据处理模块内设有依次连接的计时器、信号放大器、AD转换器和滤波器，计时器用于将应变数据与磁信号数据进行时域匹配，信号放大器用于将检测到的磁信号数据进行放大处理，AD转换器用于将接收到的应变数据与磁信号数据转化为数字信号，滤波器用于对数字信号进行消噪处理并根据时域信号将与损伤检测无关的磁信号过滤去除。

5.根据权利要求1所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：所述的检测装置(1)包括两片保护膜(6)、磁探头(7)、应变片(8)和连接口(9)，两片大小不同的保护膜(6)分别上下层叠对中布置，两片保护膜(6)表面之间固定设置有磁探头(7)，小片保护膜(6)外表面固定设置有应变片(8)，应变片(8)紧贴铁轨道岔的外壁和外表面，磁探头(7)和应变片(8)分别经各自的导线与各自的信号输出连接口(9)连接，磁探头(7)和应变片(8)的导线与信号输出连接口(9)均布置在两片保护膜(6)表面之间，大片保护膜(6)相比小片保护膜(6)多出的边缘部分(5)设有胶水。

6.根据权利要求5所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：包含有多个所述检测装置，在铁轨侧方的铁路道岔上待检测损伤位置附近根据具体检测区域布置多个所述检测装置。

7.根据权利要求5所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：所述的保护膜(6)的形状以及保护膜(6)上的磁探头(7)和应变片(8)的排布位置和排布形状依据铁轨道岔的待检测损伤区域、位置及区域外形设定。

8.根据权利要求5所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：所述磁探头与应变片之间间隔距离要求保持至少0.5cm距离。

9.根据权利要求1所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：所述检测装置沿铁轨方向间隔均布排列或者阵列布置在铁轨道岔心轨(17)和铁轨道岔尖轨(18)上。

10.根据权利要求1所述的一种铁路道岔损伤检测系统，其特征在于：所述检测装置以火车对铁轨道岔的作用力作为铁轨道岔的震动源，从而实现自动检测在火车经过时产生震动下的磁信号数据和应变数据。