CN107244335A - 一种波浪磨耗检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种波浪磨耗检测装置及方法，该波浪磨耗检测装置包括：编码器，设置于列车的轮轴上；至少一加速度计，设置于列车的车体构架上，用于根据所述编码器测量的列车行走距离测量加速度信号；至少一光电位移计，设置于所述车体构架上，用于根据所述编码器测量的列车行走距离测量光电位移信号；前置预处理装置，连接所述加速度计及光电位移计，用于对所述加速度信号及光电位移信号进行放大及滤波处理；QNX系统，连接所述前置预处理装置，用于对预处理后的所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值，并对所述轨道不平顺值进行超限判断。利用本发明，可以实时进行数据处理，解决了大量缓存数据丢失的问题。
Description
技术领域
本发明涉及钢轨波浪磨耗检测技术，特别涉及一种波浪磨耗检测装置及方法。
背景技术
钢轨波浪磨耗是钢轨顶面沿纵向分布的周期性类似波浪形状的不平顺现象，钢轨波浪磨耗的波长一般在100mm～3m之间，从现场调查来看，波磨的波长大多数在200mm至700mm。
钢轨波浪磨耗是钢轨使用过程中普遍存在的病害之一，各国都非常重视检测设备的开发，波磨的检测方法概括起来有两种：短弦弦测法和惯性基准法；信号的获得有加速度的办法、光学的办法，也有采用电涡流传感器的办法；数据的处理也分时间域、空间域、频率域等多种不同的处理方法。如澳大利亚Pacific Realtime公司采用惯性法原理，对轴箱加速度进行两次积分，按三种波长段输出波浪磨耗的RMS值；意大利MerMec公司采用短弦弦测法原理，通过激光摄像技术获得位移，按三种波长段输出波浪磨耗的RMS值；荷兰利用轴箱振动加速度信号作为原始传感器信号，从轮轨相互作用的角度出发，采用特定的测量轮对，以不同的运行速度作了大量的重复性试验，根据能量不变原理，用最小二乘法选择最佳参数，模拟出轨道不平顺与轴箱加速度之间的传递函数，根据能量在不同速度时保持不变的原理消除速度影响，得出钢轨顶面短波不平顺值。美国Ensco公司采用短弦支距的弦测法测量钢轨顶面波浪磨耗，所用传感器是高频反射式电涡流位移传感器，具体做法是将4个电涡流传感器以50mm的等间距纵向排列安装在钢轨顶面以上10mm的位置，采用伺服控制其测量位置在轨顶面中心线上，以该4点的垂直位移测值推算出第5点的测值，分别求出弦长100mm的等弦正失值、弦长150mm的不等弦正失值和弦长200mm的等弦正失值。
中国铁道科学研究院基础设施检测研究所经过多年研究开发，研制了BM-1、BM-2型波浪磨耗检测设备，代表了我国不同时期的轨道检测技术发展水平，截至目前全路共安装配备波浪磨耗检测设备十辆车。BM-1型波浪磨耗检测设备采用安装在车辆轴箱上的加速度计二次积分方法获得位移，指导现场钢轨打磨。
在列车运行过程中，钢轨波浪磨耗是产生噪音和引起轮轨相互作用力变化的主要原因之一，尤其国内目前发展迅速的城市轨道交通网络中，波浪磨耗现象出现更为普遍，严重影响了列车运行舒适度。目前工务段没有检测钢轨波磨的专门仪器，只能靠技术人员观察识别，当典型的波磨波形出来后，用平直尺或塞尺进行测量复核。现场对波磨的处理方式主要是打磨，但由于波磨被发现时已经较严重，需要多次打磨，打磨成本很高，有时打磨不到位，并没有把波磨完全消除，在以后的运行中，波磨会很快发展，最终只能换轨。因此研究钢轨波浪磨耗动态检测系统是非常必要的，能够提高检测效率，给维修部门在经济合理地制定钢轨打磨计划方面提供科学依据。
现有的波浪磨耗检测系统结一般主要由左右轴箱加速度计、光电编码器、模拟信号预处理装置、信号采集计算机、交换机、波形显示编辑计算机、交换机、打印机等组成。基本工作原理为：使用安装在轴箱位置处的加速度计测量车轮相对钢轨的位移变化量；使用编码器测量列车行走的距离，系统按照等距离进行数据采集。模拟信号预处理系统将信号放大和模拟滤波处理后再经过信号转接及监视单元输入到信号采集处理计算机。该计算机对输入模拟信号进行A/D模数转换、采集、存储、数字滤波、修正以及补偿处理，然后经过综合运算，合成得到所需钢轨波浪磨耗不平顺，并在其波形显示器上实时显示不平顺波形图。
采集处理计算机还能够通过网络传输给其它应用计算机，由该采集处理计算机将轨道几何参数及超限数据存放到数据库中，显示轨道几何波形，或显示超限数据并可对超限数据进行编辑。最后，可由网络打印机打印出轨道几何参数的超限数据报表或波形图。
现有的波浪磨耗检测系统一般采用加速度计二次积分原理获得位移值，传感器安装在轴箱上，轴箱直接与车辆轮对相连，轨道不平顺的振动通过轮对直接传递到轴箱上，所以轴箱在列车运行时振动极为剧烈，无缓冲，传感器极易损坏。并且现有的波浪磨耗检测系统结构复杂，主要表现在：
1.传感器安装位置为列车轴箱处，振动频率高，传感器易损坏，不利于持续检测。
2.只采用加速度计测量低速时加速度计信号比较微弱，信噪比低，并且要做积分运算，低频信号容易引起饱和。
3.合成数据结果运算在windows操作系统上进行，运算需等待系统分配内核资源，数据无法实时处理显示，在列车高速运行时造成数据丢失。
4.加速度计精度低，测量精度较大，无法有效检测幅值较小的不平顺值。
5.系统车上设备较多，三台工控机及打印机，设备体积大，占用空间大。
发明内容
本发明实施例提供了一种波浪磨耗检测装置及方法，以实时进行数据处理，解决了大量缓存数据丢失的问题。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种波浪磨耗检测装置，包括：
编码器，设置于列车的轮轴上；
至少一加速度计，设置于列车的车体构架上，用于根据所述编码器测量的列车行走距离测量加速度信号；
至少一光电位移计，设置于所述车体构架上，用于根据所述编码器测量的列车行走距离测量光电位移信号；
前置预处理装置，连接所述加速度计及光电位移计，用于对所述加速度信号及光电位移信号进行放大及滤波处理；
QNX实时数据采集系统，连接所述前置预处理装置，用于对预处理后的所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值，并对所述轨道不平顺值进行超限判断。
一实施例中，所述加速度计的个数为2，分别设置于所述车体构架的左右两侧，位于轮轴上方。
一实施例中，所述光电位移计的个数为2，分别设置于所述车体构架的左右两侧，位于轮轴上方。
一实施例中，所述QNX系统中设置有：
AD采集卡，用于从所述前置预处理装置采集预处理后的所述加速度信号及光电位移信号；
存储模块，用于存储轨道不平顺值及超限判断结果；
显示模块，用于显示所述轨道不平顺值及超限判断结果。
一实施例中，所述轮轴的轴箱上设置有反光板，用于反射激光。
一实施例中，所述QNX系统具体用于对所述加速度信号及光电位移信号进行数模转换及滤波后，对数模转换及滤波后的加速度信号进行积分及解偏处理，然后将数模转换及滤波后的光电位移信号与积分处理之后的加速度信号合成，得到所述轨道不平顺值。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种波浪磨耗检测方法，包括：
采集列车的加速度信号及光电位移信号；
对所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值；
根据所述轨道不平顺值进行超限判断。
一实施例中，对所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值，包括：
对所述加速度信号及光电位移信号进行数模转换及滤波；
对数模转换及滤波后的加速度信号进行积分及解偏处理；
将数模转换及滤波后的光电位移信号与积分处理之后的加速度信号合成，得到所述轨道不平顺值。
一实施例中，所述轨道不平顺值包括波磨值及波磨值的均方根，根据所述轨道不平顺值进行超限判断包括：
根据轨道损失等级的映射关系对所述轨道不平顺值进行超限判断，判断轨道的损伤等级。
一实施例中，还包括：如果所述轨道不平顺值超过损失等级的限值，输出该轨道不平顺值对应的不平顺类型、波磨值及对应的钢轨位置信息。
利用本发明，可以实时进行数据处理，解决了大量缓存数据丢失的问题。本发明的波浪磨耗检测装置可以简化设备，减小体积和占用空间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中加速度计、光电位移计及编码器的安装位置示意图；
图2及图6为本发明的QNX系统数据处理示意图；
图3为本发明实施的波浪磨耗检测方法流程图；
图4为本发明实施的信号合成方法流程图；
图5为本发明实施的波浪磨耗检测方法的具体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种波浪磨耗检测装置，该波浪磨耗检测装置包括：编码器，至少一加速度计，至少一光电位移计，前置预处理装置及QNX系统。
编码器设置于列车车轮的轮轴上。
加速度计设置于列车的车体构架上，用于根据所述编码器测量的列车行走距离测量加速度信号(转向架相对于地面的运动位移量)。
光电位移计设置于车体构架上，用于根据所述编码器测量的列车行走距离测量光电位移信号(转向架相对于轴箱的运动位移量)。
前置预处理装置，连接所述加速度计及光电位移计，用于对所述加速度信号及光电位移信号进行放大及滤波处理；
QNX系统，连接所述前置预处理装置，用于对预处理后的所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值，并对所述轨道不平顺值进行超限判断。
本发明使用实时操作系统(QNX系统)进行数据处理，解决数据大量缓存丢失问题。另外，检测数据实时存储在处理计算机中，简化了设备，减小了体积和占用空间。
图1为本发明一实施例中编码器、加速度计及光电位移计的安装位置示意图，如图1所示，编码器101设置于列车车轮104的轮轴上，将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，按固定的距离采集加速度计及光电位移计当前时刻的数据。
本实施例中，加速度计102的个数为2，分别设置于车体构架的左右两侧，位于轮轴上方，本发明不以此为限。列车运行过程中，车体构架处的振动可以经过一级缓冲大大减缓，本发明将加速度计设计安装在车体构架上，可以在测量出加速度信号值的同时避免传感器因长期剧烈振动损坏。
本实施例中，光电位移计103的个数为2，分别设置于车体构架的左右两侧，位于轮轴上方，本发明不以此为限。由于仅采用加速度计测量加速度信号，加速度信号比较微弱，信噪比地，使得低频信号容易引起饱和的问题。
本发明利用QNX系统，采用惯性基准法原理，对所述加速度信号及光电位移信号进行数模转换及滤波后，对数模转换及滤波后的加速度信号进行积分及解偏处理，然后将数模转换及滤波后的光电位移信号与积分处理之后的加速度信号合成，得到所述轨道不平顺值。并根据轨道损失等级的映射关系对所述轨道不平顺值进行超限判断，判断轨道的损伤等级。如果所述轨道不平顺值超过损失等级的限值，还可以输出该轨道不平顺值对应的不平顺类型、波磨值及对应的钢轨位置信息。
图2为本发明的QNX系统数据处理示意图，如图2所示，QNX系统中设置有：时计数器，连接至编码器，用于计数脉冲，以控制加速度计及光电位移计按照固定的距离采集数据。
AD采集卡，用于从所述前置预处理装置采集预处理后的所述加速度信号及光电位移信号；
存储模块，用于存储轨道不平顺值及超限判断结果；
显示模块，用于显示所述轨道不平顺值及超限判断结果。
如图2所示，QNX系统需要对前置预处理装置采集的原始信号(加速度信号及光电位移信号)进行数模转换、滤波、积分、解偏及滤波处理，详见图6所示。
对加速度信号a的积分可以得到积分后的值Z＝∫∫adtdt，设W为光电位移信号，Y为轨道不平顺值，那么轨道不平顺值Y＝Z-W＝∫∫adtdt-W。
对积分后的加速度信号Z，可以通过解偏函数进行解偏处理，解偏函数如下：
其中，解偏系数
解偏函数经过傅里叶变化解偏滤波器幅频特性表示为：
其中，Δx表示加速度变化量；
二阶数字补偿滤波器G(z)(图6中的模拟滤波器)为：
Tn及Tn-1表示时间间隔，f表示频率，
将G(z)经过傅立叶变换，得到幅值响应函数|G(jΩ)|为：
式中：
T＝Tn＝Tn-1
其中，T为时间间隔。
QNX系统中存储了轨道损失等级的映射关系表，根据轨道损失等级的映射关系，可以对轨道不平顺值进行超限判断，判断轨道的损伤等级。如果轨道不平顺值超过损失等级的限值，还可以输出该轨道不平顺值对应的不平顺类型(轨道为直线或曲线)、波磨值(波形数据)及对应的钢轨位置(里程)信息。所有的波形数据和超限判断数据都可以进行网络传输、存储、数据统计和报表打印等。QNX系统中安装的软件主要包括钢轨波磨实时检测软件、数据接收软件、超限编辑和报表生产软件及波形察看分析软件。
利用上述方法计算轨道不平顺值，可以有效消除现有技术中低频信号饱和，信噪比问题，测量精度也大大提高。
一实施例中，所述轮轴的轴箱上设置有反光板，用于反射激光位移计的激光。
利用本发明，可以实时进行数据处理，解决了大量缓存数据丢失的问题。本发明的波浪磨耗检测装置可以简化设备，减小体积和占用空间。
基于与上述波浪磨耗检测装置相同的发明构思，本发明实施例提供了波浪磨耗检测方法，由于该波浪磨耗检测方法是基于波浪磨耗检测装置，因此该波浪磨耗检测方法的实施可以参见波浪磨耗检测装置的实施，重复之处不再赘述。
图3为本发明实施的波浪磨耗检测方法流程图，如图3所示，该波浪磨耗检测方法包括：
S301：采集列车的加速度信号及光电位移信号；
S302：对所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值；
S303：根据所述轨道不平顺值进行超限判断。
一实施例中，如图4所示，对所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值，包括：
S401：对所述加速度信号及光电位移信号进行数模转换及滤波；
S402：对数模转换及滤波后的加速度信号进行积分及解偏处理；
S403：将数模转换及滤波后的光电位移信号与积分处理之后的加速度信号合成，得到所述轨道不平顺值。
本发明实施中，轨道不平顺值包括波磨值及波磨值的均方根，根据所述轨道不平顺值进行超限判断，可以为根据轨道损失等级的映射关系对所述轨道不平顺值进行超限判断，判断轨道的损伤等级。
本实施例具体实施时，如果所述轨道不平顺值超过损失等级的限值，可以输出该轨道不平顺值对应的不平顺类型、波磨值及对应的钢轨位置信息。
一实施中在S301之前，还可以利用编码器进行脉冲计数，当达到设置脉冲数之后，定时计数器重置，加速度计及光电位移计测量相应信号，然后执行S301。具体参见图5所示，采集加速度信号及光电位移信号后，对所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值(即波磨几何参数合成)，然后进行波形显示及超限判断，并存盘及近网络输出。
本发明提出的波浪磨耗检测装置及方法，有效消除了传感器长期振动造成的损坏，且使用高精度光电位移计和加速度计测量，提高测量精度到0.05mm，可以检测高铁线路上幅值很小的钢轨不平顺；采用实时处理计算机进行数据运算，有效避免了数据丢失；通过对数据处理的集成化、模块化，降低了车辆上设备数量，减少了空间使用。
随着我国城市轨道建设的飞速发展，钢轨动态质量检测越来越重要，创新实用的轨道检测系统必将得到更加广泛的应用，并且产生重要的社会效益和经济效益。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种波浪磨耗检测装置，其特征在于，包括：
编码器，设置于列车的轮轴上；
至少一加速度计，设置于列车的车体构架上，用于根据所述编码器测量的列车行走距离测量加速度信号；
至少一光电位移计，设置于所述车体构架上，用于根据所述编码器测量的列车行走距离测量光电位移信号；
前置预处理装置，连接所述加速度计及光电位移计，用于对所述加速度信号及光电位移信号进行放大及滤波处理；
QNX系统，连接所述前置预处理装置，用于对预处理后的所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值，并对所述轨道不平顺值进行超限判断。
2.根据权利要求1所述的波浪磨耗检测装置，其特征在于，所述加速度计的个数为2，分别设置于所述车体构架的左右两侧，位于轮轴上方。
3.根据权利要求1所述的波浪磨耗检测装置，其特征在于，所述光电位移计的个数为2，分别设置于所述车体构架的左右两侧，位于轮轴上方。
4.根据权利要求1所述的波浪磨耗检测装置，其特征在于，所述QNX系统中设置有：
AD采集卡，用于从所述前置预处理装置采集预处理后的所述加速度信号及光电位移信号；
存储模块，用于存储轨道不平顺值及超限判断结果；
显示模块，用于显示所述轨道不平顺值及超限判断结果。
5.根据权利要求1所述的波浪磨耗检测装置，其特征在于，所述轮轴的轴箱上设置有反光板，用于反射激光。
6.根据权利要求1所述的波浪磨耗检测装置，其特征在于，所述QNX系统具体用于对所述加速度信号及光电位移信号进行数模转换及滤波后，对数模转换及滤波后的加速度信号进行积分及解偏处理，然后将数模转换及滤波后的光电位移信号与积分处理之后的加速度信号合成，得到所述轨道不平顺值。
7.一种波浪磨耗检测方法，其特征在于，包括：
采集列车的加速度信号及光电位移信号；
对所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值；
根据所述轨道不平顺值进行超限判断。
8.根据权利要求7所述的波浪磨耗检测方法，其特征在于，对所述加速度信号及光电位移信号进行合成处理，得到轨道不平顺值，包括：
对所述加速度信号及光电位移信号进行数模转换及滤波；
对数模转换及滤波后的加速度信号进行积分及解偏处理；
将数模转换及滤波后的光电位移信号与积分处理之后的加速度信号合成，得到所述轨道不平顺值。
9.根据权利要求7所述的波浪磨耗检测方法，其特征在于，所述轨道不平顺值包括波磨值及波磨值的均方根，根据所述轨道不平顺值进行超限判断包括：
根据轨道损失等级的映射关系对所述轨道不平顺值进行超限判断，判断轨道的损伤等级。
10.根据权利要求7所述的波浪磨耗检测方法，其特征在于，还包括：如果所述轨道不平顺值超过损失等级的限值，输出该轨道不平顺值对应的不平顺类型、波磨值及对应的钢轨位置信息。
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