CN107664662B - 长距离钢轨损伤检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种长距离钢轨损伤检测仪，属于铁路安全检测技术领域，包括同步声波产生模块、声波接收模块和超声波分析模块，同步声波产生模块包括超声波换能器、超声波产生器、第一单片机同步控制器、回波检测分析仪和第一无线数据传输机，同步控制模块包括声发射传感器、放大器、第二单片机同步控制器和第二无线数据传输机，超声波分析模块包括声发射采集卡、超声波轨道状态监测模块、声发射轨道状态监测模块、高速轨道应力监测及应力变化分析模块、轨道断裂/损伤综合分析预警模块和显示器。该检测仪利用超声在固体表面传播特性，将超声能量直接馈入钢轨，可分析出路段的运行情况，及时报告钢轨断裂、裂纹情况。
Description
技术领域
本发明属于铁路安全检测技术领域，具体涉及一种长距离钢轨损伤检测仪。
背景技术
目前用于铁路钢轨检测的方法主要有利用钢轨传递电信号和超声探伤的方法，这些方法对铁路道叉区域的钢轨检测无能为力，不能及时发现道叉区域的钢轨断裂或损伤，存在如下不便：
利用钢轨传送电信号，在道叉区域形成断路，无法检测该区域的钢轨状态；
超声探伤虽可发现钢轨的断裂情况，但不能长时间在轨监测，不能及时发现钢轨的断裂和损伤情况；
在铁路道叉区域另加电信号检测，可对原在轨传输的信号造成干扰。
近年来随着科学技术的发展，国际国内研制了很多公知超声产生器和高灵敏度的声发射检测器，公知的“小波分析”，“幅频分析”等分析方法，这些器件和分析方法给创造本发明“长距离钢轨损伤检测仪”提供了确实保障。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种长距离钢轨损伤检测仪。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
长距离钢轨损伤检测仪，包括同步声波产生模块、声波接收模块和超声波分析模块；
所述同步声波产生模块包括超声波换能器、超声波产生器、第一单片机同步控制器、回波检测分析仪和第一无线数据传输机，所述超声波换能器的信号输入端与所述超声波产生器的信号输出端连接，所述超声波产生器的信号信号输入端与所述第一单片机同步控制器的第一信号输出端连接，所述第一单片机同步控制电路的第二信号输出端与所述回波检测分析仪的信号输入端连接，所述回波检测分析仪的信号输出端与所述第一无线数据传输机连接，所述第一无线数据传输机与所述第一单片机同步控制器双向连接；
所述同步控制模块包括声发射传感器、放大器、第二单片机同步控制器和第二无线数据传输机，所述放大器的信号输入端与所述声发射传感器的信号输出端连接，所述声发射传感器与所述第二单片机同步控制器双向连接，所述第二单片机同步控制器与所述第二无线数据传输机双向连接，第二无线数据传输机和所述第一无线数据传输机无线连接；
所述超声波分析模块包括声发射采集卡、超声波轨道状态监测模块、声发射轨道状态监测模块、高速轨道应力监测及应力变化分析模块、轨道断裂/损伤综合分析预警模块和显示器，所述声发射采集卡与所述放大器双向连接，所述声发射采集卡的信号输出端分别与所述超声波轨道状态监测分析模块、声发射轨道状态监测分析模块和高速轨道应力监测及应力变化分析模块的信号输入端连接，所述超声波轨道状态监测分析模块、声发射轨道状态监测分析模块和高速轨道应力监测及应力变化分析模块的信号输出端均与所述轨道断裂/损伤综合分析预警模块的信号输入端连接，所述轨道断裂/损伤综合分析预警模块的输出端与所述显示器的信号输入端连接。
优选地，所述超声波换能器和超声波发生器均为20-40KHZ超声波装置。
本发明提供的长距离钢轨损伤检测仪具有以下有益效果：
1.利用超声在固体表面传播特性，将超声能量直接馈入钢轨，摆脱了公知的超声探伤中超声波直接定向传播的问题；
2.利用声发射传感器收集超声能量，并恢复成超声电信号；
3.可进行长距离(1KM-5KM)检测，摆脱了公知的超声波适合近距离检测的问题；
4.可分析出路段的运行情况，及时报告钢轨断裂、裂纹情况；
5利用声发射传感器监测静态轨道状态，监听静态轨道声音，判断轨道故障；
6.利用声发射传感器，收集列车在轨运行的声音数据，根据声信号幅度变化，频谱变化，判断钢轨的各种损伤；
7.利用超声波在轨传输测量轨道应力，给出适时应力数据，并根据应力变化分析轨道的损伤情况；
8.也适用于各种固体构件的监测。
附图说明
图1为轨道上超声波的传播速度与应压力的关系；
图2为轨道上应压力随时间的变化曲线；
图3为本发明实施例1的长距离钢轨损伤检测仪的整体框图；
图4为本发明实施例1的超声波换能器和声发射传感器与列车轨道安装图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
实施例1
本发明提供了一种长距离钢轨损伤检测仪，具体如图3所示，包括同步声波产生模块、声波接收模块和超声波分析模块；
同步声波产生模块包括超声波换能器1、超声波产生器2、第一单片机同步控制器3、回波检测分析仪4和第一无线数据传输机5，超声波换能器1的信号输入端与超声波产生器2的信号输出端连接，超声波产生器2的信号信号输入端与第一单片机同步控制器3的第一信号输出端连接，第一单片机同步控制电路3的第二信号输出端与回波检测分析仪4的信号输入端连接，回波检测分析仪4的信号输出端与第一无线数据传输机5连接，第一无线数据传输机5与第一单片机同步控制器3双向连接；本实施例中，超声波换能器1和超声波发生器2均为20-40KHZ超声波装置。
同步控制模块包括声发射传感器6、放大器7、第二单片机同步控制器8和第二无线数据传输机9，放大器7的信号输入端与声发射传感器6的信号输出端连接，声发射传感器6与第二单片机同步控制器8双向连接，第二单片机同步控制器8与第二无线数据传输机9双向连接，第二无线数据传输机9和第一无线数据传输机5无线连接；本实施例中第一单片机同步控制器3和第二单片机同步控制器8完成同步控制，第一无线数据传输机5和第二无线数据传输机9完成超声波收发两端控制信息传输。
超声波分析模块包括声发射采集卡10、超声波轨道状态监测模块11、声发射轨道状态监测模块12、高速轨道应力监测及应力变化分析模块13、轨道断裂/损伤综合分析预警模块14和显示器15，声发射采集卡10与放大器7双向连接，声发射采集卡10的信号输出端分别与超声波轨道状态监测分析模块11、声发射轨道状态监测分析模块12和高速轨道应力监测及应力变化分析模块13的信号输入端连接，超声波轨道状态监测分析模块11、声发射轨道状态监测分析模块12和高速轨道应力监测及应力变化分析模块13的信号输出端均与轨道断裂/损伤综合分析预警模块14的信号输入端连接，轨道断裂/损伤综合分析预警模块14的输出端与显示器15的信号输入端连接。
本实施例提供的长距离钢轨损伤检测仪尤其适用于高速铁路道岔区域的钢轨断裂检测，它是利用超声波在钢轨表面上的传播特性，利用超声波产生和换能器将超声能量从钢轨的侧面传入钢轨，在钢轨上距超声能量馈入点1KM-5KM的范围内，利用声发射传感器6接收超声能量，并以电信号形式输出超声电信号。利用对信号的幅度分析，如小波分析等技术判断钢轨断裂和损伤，输出报警和预警信号，也对直轨、尖轨可动心进行检测。
本实施例中，第一单片机同步控制器3和第二单片机同步控制器8完成同步控制，第一无线数据传输机5和第二无线数据传输机9完成超声波收发两端控制信息传输。由公知的声发射传感器6收集超声信号，经放大器7放大、第二由单片机同步控制器8完成同步控制，第二无线数据传输机9完成信息传输。
放大后的声音信号经声发射采集卡10采集各种情况下的声音数据，按指令分发生成不同的分析单元。高速轨道应力监测及应力变化分析模块13记录和分析轨道应力及其变化，分析出应力变化的原因，得到轨道状态结论。
声发射轨道状态监测模块12包括列车在轨声音检测和静态轨道声发射检测，从而对钢轨断裂、疲劳、各种损伤进行判别。超声波轨道状态监测分析模块11给轨道馈入超声波，在钢轨远端1KM～5KM利用声发射探测器接收超声波信号，利用幅频分析，小波分析等方法，对收到的超声信号进行分析，得到轨道断轨、疲劳、损伤等结论。
在具体使用时，超声波换能器1和声发射传感器6与列车轨道安装在一起，具体安装图如图4所示，图中包括轨面16、四个楔状耦合器17、耦合器18、柔性电缆19，楔状耦合器17每两个为一组，两组楔状耦合器17对称设置在轨面16上，每组中的两个楔状耦合器17对称焊接在轨腰两侧，其中一组楔状耦合器17的顶面上通过螺栓固定有超声波换能器1，且两者中之间设置有耦合器18，另一组楔状耦合器17的顶面上通过螺栓固定有声发射传感器6，超声波换能器1和声发射传感器6均与楔状耦合器17顶面之间用耦合剂粘接，接触良好。超声波换能器1和声发射传感器6均通过柔性电缆19与超声波产生及控制电路连接。采用双对称形成馈入超声波，即在轨腰两侧曹勇同样方式对称馈入，使超声波纵向能量增加。
利用本实施例提供的长距离钢轨损伤检测仪进行声发射轨道状态监测分析：
在无超声波发射的前提下，声发射传感器6是探测材料在受外力作用下，发生结构变化而发生的声响。对声进行综合分析，得出材料状态变化情况。对于轨道，可分两种情况获得原始数据，其一是对静态轨道进行监测，对由于应力等产生的轨道内部结构变化发出的声响进行分析判断。其二是对列车在轨运行发出的声音进行检测分析，判断轨道状态。
静态轨道监测
轨道在静态情况下，如因应力等因素产生形变，甚至断裂都发出各种形成的声波，对声波进行收集、整理、分析，与历史数据对比，可对轨道状态进行初步判断。
声发射信号的采集：采用PXDAQ18373E高精度(18bit)、高速率(30M)8通道PCIE声发射采集卡10进行数据采集可提取信号的幅度、能量、持续时间、绝对频率、局部功率谱等22种声发射特征参数。
列车在轨运行时的声信号鉴别
声发射传感器6接收到列车在轨运行的声音信号，由列车在轨声检测分析确认，首先停止超声波发生器工作，进入列车在轨声检测分析程序。钢轨的损伤中有33种，轨头部的损伤占总损伤的58％，轨腰部和轨底部的损伤各占15％，可见轨头部的损伤占得比例最高。如由于制造方面的缺点，钢轨表面金属碎裂或剥离被列为01号损伤，还如轨头裂纹、轨头波浪变形、轨底缺陷或破损等损伤。
(1)、建立列车在轨运行正常声音模型
列车由远而近，声音越来越强，运行在均匀光滑的轨道上，列车的各个车轮在轨道上激起的“噪声”是基本一致的，声音的由弱到强是连续的，声信号的主要频率成分——频谱主值反映列车的运行速度。声强度反映列车离监测点的距离，利用“列车定位算法”经多次核算的比较准确的定位列车位置。利用多次列车在轨运行的声音信号收集，建立列车在轨正常声音模型。
(2)、典型轨道故障分类模型
①轨头表面破损
据列车速度和距离数据，噪声幅值会突然增加，列车运行噪声的频谱会发生明显变化，可能出窄尖峰，车轮经过受损点会产生周期噪声，经频谱分析及幅频对比分析可诊断出该类故障，且可初步判断故障位置。
②钢轨疲劳
建立轨道疲劳模型，取得钢轨疲劳的基本特征数据(需实际疲劳钢轨在线数据)，对比正常轨道列车运行数据，钢轨出现疲劳区段与正常钢轨临界面可能不是明显变化的，当车轮经过疲劳轨段时的声音会发生变化。在疲劳区段内，声波幅度会减小，频谱中的高频成分会降低。而车轮经过疲劳区与正常轨道交接处时噪声幅值会增加，频谱中的高频线逐渐恢复正常。利用幅频分析检测出变化规律，做出轨道故障判别。
③轨道的纵向裂纹
对比正常轨道模型数据，为车轮经过有纵向裂纹钢轨路段时。噪声的幅度变化不明显，但噪声的频谱成分会发生变化，会发生频谱变宽、频谱发散。
(有“破锣声”频谱出现)。
高速轨道应力监测及应力变化分析
由于高速轨道是无缝连接，炎热的夏天会有较大的压应力，而在寒冷的冬天则会产生拉应力。全国各地的中和温度Tn不同，南方高，北方低，中和温度对应的轨道应力为0，温度每升高1度，轨道应力增加约为2.5MPa。高铁每千米有1840根混凝土枕，钢轨可承受的应力变化为270MPa，相应的温差约为108℃，我国南方地面的温度-4℃～70℃，北方在-40℃～40℃，温差在80℃左右，可见正常情况下钢轨是安全的。但钢轨是有制造缺陷的，或长时间大应力下出现疲劳，可能会造成钢轨的损伤。
本实施例还包括：怎样测量钢轨的应力，并通过应力的变化来判断钢轨的状态：
1.钢轨应力的测量
测量设备的框图如图3，安装方式如图4，不同地区的中和温度Tn确定对应的中和超声波速度Vn，定义应力变化率，根据图1得出。C的精确值要根据各地的具体条件，系统经反复测试后自动定出并记忆轨道应力。
超声波纵波在钢轨中的传播速度是5200m/s～5990m/s，当钢轨收到热胀的压力时，钢轨上传播的超声波速度就会增加，并呈现线性变化，变化规律如图2所示；
2.轨道应力的变化规律
(1)正常条件下，轨道应力变化应为变形正弦曲线，如图2所示；
由于各地日出时间不同，对应的应力曲线也不同，但曲线的形状是类似的。曲线的上升弧时间短(本例中6时至14时8小时)，下降弧长(14时至次日6时16小时)。从曲线可见，应力变化较快的是曲线的上升弧，应力变化越快越容易引起钢轨发生“形变”。
曲线的变化率为0时，即应力最大值点(14时)和最小值点(6时)是重要的观测点，它是一天中的应力最大值点和应力最小值点。应力最大值点时出现胀轨现象，应力最小点轨道受拉力最大。当温度T＝Tn时，钢轨承受的应力为Pn＝0，温差最大的地区钢轨应力变化也最大。应力变化最大的地区是钢轨易受损地区，应重点监测。
(2)阴雨天气的影响
阴雨天气会引起气温下降，阵雨的影响可使应力曲线变化较快。如图2所示，在15时至16时降阵雨，应力曲线将发生较快变化。
(3)热潮和寒流的影响
持续时间较长的热潮和寒流变化较缓慢，近似将曲线上下平移，影响钢轨应力最大值和最小值变化。这种带来的危害相对较小。
激烈变化的热潮且发生在14时左右，可造成钢轨压应力出现极大值，出现严重胀轨现象，是重点监测时期；激烈变化的寒流且发生在凌晨，出现严重缩轨现象，是形成断轨最大可能时期，应重点监测。
3.轨道应力的监测与分析
(1)轨道应力的监测
确定测量地区的中和温度Tn，确定超声波的频率f＝20KHz，确定超声波的功率为P＝300W，超声波的接收采用声发射传感器6，频率响应为20KHz～30KHz，激励方式如图2所示：
由第二单片机同步控制器8发出同步脉冲和工作模式指令，经第二无线数据传输机9发射出去，第一无线数据传输机5接收到指令后，第一单片机同步控制器3控制超声波产生器2产生超声波信号，由超声波换能器1变换成超声波。由楔状耦合器20馈入钢轨，在接收端采用楔状耦合器17，声发射传感器6采集超声波信号后送入声发射采集卡10，第二单片机同步控制器8发出工作模式指令和同步指令，第一单片机同步控制器3收到同步指令后启动超声波产生器2开始发射超声波。第二单片机同步控制器8记录同步信号发出时间T1和超声波信号接收时间T2，忽略电信号传输时间，则超声波在轨道上传输时间为T2-T1，图4中A、B两点间的距离SAB为已知，则超声波在轨道上的传输速度为高速轨道应力监测及应力变化分析13中存储有图1所示的当地P-V图表，根据V的值换算成轨道应力P(MPa)值，对应测量的时间将P值保存，就会得到图2的钢轨应力曲线图，结合当地的气温变化，可分析出钢轨的工作状态。
(2)轨道应力分析
在高速轨道应力监测及应力变化分析模块13中预存当地P-V图表和钢轨的应力曲线。当地当日的平均温度T0高于中和温度Tn，与T0相对应的轨道应力为P0＝2.5(T0-Tn)MPa，则图2的钢轨应力曲线将上移P0MPa，曲线的形状不变。
应力曲线对比分析：对比数据库的坐标曲线，对比历史记录曲线，找出曲线变化点，分析应力变化原因。
重点关注时段：盛夏13-15时，是压应力最大时段，易胀轨；寒冬5-7时，是拉应力最大时段，易断轨。
轨道应力异变分析：参考当地气候、气温、列车运行次数，周边环境影响，利用分析软件，对轨道状态做出判断。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种长距离钢轨损伤检测仪，其特征在于，包括同步声波产生模块、声波接收模块和超声波分析模块；
所述同步声波产生模块包括超声波换能器(1)、超声波产生器(2)、第一单片机同步控制器(3)、回波检测分析仪(4)和第一无线数据传输机(5)，所述超声波换能器(1)的信号输入端与所述超声波产生器(2)的信号输出端连接，所述超声波产生器(2)的信号信号输入端与所述第一单片机同步控制器(3)的第一信号输出端连接，所述第一单片机同步控制电路(3)的第二信号输出端与所述回波检测分析仪(4)的信号输入端连接，所述回波检测分析仪(4)的信号输出端与所述第一无线数据传输机(5)连接，所述第一无线数据传输机(5)与所述第一单片机同步控制器(3)双向连接；
所述同步控制模块包括声发射传感器(6)、放大器(7)、第二单片机同步控制器(8)和第二无线数据传输机(9)，所述放大器(7)的信号输入端与所述声发射传感器(6)的信号输出端连接，所述声发射传感器(6)与所述第二单片机同步控制器(8)双向连接，所述第二单片机同步控制器(8)与所述第二无线数据传输机(9)双向连接，第二无线数据传输机(9)和所述第一无线数据传输机(5)无线连接；
所述超声波分析模块包括声发射采集卡(10)、超声波轨道状态监测模块(11)、声发射轨道状态监测模块(12)、高速轨道应力监测及应力变化分析模块(13)、轨道断裂/损伤综合分析预警模块(14)和显示器(15)，所述声发射采集卡(10)与所述放大器(7)双向连接，所述声发射采集卡(10)的信号输出端分别与所述超声波轨道状态监测分析模块(11)、声发射轨道状态监测分析模块(12)和高速轨道应力监测及应力变化分析模块(13)的信号输入端连接，所述超声波轨道状态监测分析模块(11)、声发射轨道状态监测分析模块(12)和高速轨道应力监测及应力变化分析模块(13)的信号输出端均与所述轨道断裂/损伤综合分析预警模块(14)的信号输入端连接，所述轨道断裂/损伤综合分析预警模块(14)的输出端与所述显示器(15)的信号输入端连接；
所述超声波轨道状态监测模块(11)利用声发射传感器收集超声能量，并将超声能量恢复成超声电信号，实现超声检测；
所述声发射轨道状态监测模块(12)包括列车在轨声音检测和静态轨道声发射检测，在无超声波发射的前提下，实现轨道状态监测分析；
所述高速轨道应力监测及应力变化分析模块(13)中预存当地P-V图表和钢轨的应力曲线，结合当地的气温变化，分析出钢轨的工作状态，其中P为轨道应力值，V为超声波在轨道上的传输速度。
2.根据权利要求1所述的长距离钢轨损伤检测仪，其特征在于，所述超声波换能器(1)和超声波发生器(2)均为20-40KHz超声波装置。
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