CN110641513B - 轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法，包括：电路连接的触发单元、n个测量单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数、并且为大于2的偶数；触发单元在列车经过时产生触发信号并发送至系统控制与数据处理单元；n个测量单元接收到系统控制与数据处理单元的信号后，发射激光，并进行准直处理、透射和反射后得到光斑位置电信号，并将光斑位置电信号返回至系统控制与数据处理单元；系统控制与数据处理单元接收触发单元的触发信号触发测量单元以及接收测量单元的光斑位置电信号，得到轮轨作用力和踏面故障的检测结果。本系统可以定量检测多种踏面故障，实现对轮对与钢轨作用力以及踏面故障的同时快速检测。

Description

轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通安全检测领域，尤其涉及一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法。

背景技术

列车车轮踏面擦伤、剥离及多棱等踏面异常是造成列车事故的主要原因。近年来随着经济的发展，列车速度和载重量大幅度提升，这对列车车轮故障的检测提出了更高的要求。

针对列车车轮踏面擦伤、磨损及不圆度的检测，专利“CN96216065.2《列车车轮踏面擦伤及磨损动态测量装置》”、“CN00243380.X《列车车轮踏面擦伤及磨损动态测量装置》”及“CN200620034699《车轮踏面擦伤及不圆度在线动态检测装置》”等采用了接触式检测方法，通过平行四边形机构实现了在列车运行中对车轮踏面磨损、擦伤的定量测量，在列车低速运行的情况下(30km/h以下)取得了准确的测量结果，但列车高速运行时的车轮会对测量机构造成冲击，从而对准确测量带来了一定的困难。

专利“CN201810964279.3《一种机车车轮踏面缺陷图像检测系统》”、“CN201710305046.8《火车车轮踏面缺陷在线图像检测系统及方法》”及“CN201210475411.7《一种基于图像拍照形式的车轮踏面缺陷识别装置》”等采用图像采集器采集车轮踏面图像，以拍照的形式对车轮踏面缺陷进行检测，但要采集完整车轮的踏面图像需要多个图像采集器，成本较高，不适合大规模推广。

专利“CN201410524447.9《高速列车车轮动态检测系统》”提出了一种光学式车轮踏面检测法，具有非接触式测量、测量速度快、精度高、安装简单、成本低等特点，是一种简单可靠的车轮踏面异常检测方法，但该专利提出的检测方法需要至少10个激光器及一一对应的PSD传感器，经济性较差，且对于小的擦伤，检测灵敏度有待进一步提高。

因此，亟需一种可以实现对轮对与钢轨作用力以及踏面故障的同时快速检测的方法和系统。

发明内容

本发明提供了一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法，以实现对轮对与钢轨作用力以及踏面故障的同时快速检测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明的一方面提供了一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统，包括：电路连接的触发单元、n个测量单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数、并且为大于2的偶数；

所述的触发单元安装于靠近列车来向的方向，用于在列车经过时产生触发信号并将触发信号发送至所述的系统控制与数据处理单元；

所述的n个测量单元以钢轨中心线镜像对称地固定于两根并行钢轨的内侧或外侧，n个测量单元构成的测量区域覆盖范围为所在路段通过的所有型号的列车轮对滚动一周所经过的区域，用于接收到所述系统控制与数据处理单元的信号后，发射激光，并进行准直处理、透射和反射后得到光斑位置电信号，并将光斑位置电信号返回至所述的系统控制与数据处理单元；

所述的系统控制与数据处理单元安装于钢轨旁，用于接收所述触发单元的触发信号触发所述测量单元以及接收所述测量单元的光斑位置电信号，并根据所述光斑位置电信号得到轮轨作用力和踏面故障的检测结果。

优选地，测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的激光发射与探测单元和激光反射单元；

所述的激光发射与探测单元包括：顺序光路连接的带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、第一窗口玻璃和四象限探测器，以及与带尾纤的半导体激光器电路连接的半导体激光器驱动器；

所述激光反射单元包括：光路连接的第二窗口玻璃和角锥棱镜；

所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过第一窗口玻璃透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃透射、角锥棱镜后向反射、第二窗口玻璃透射后形成反射光；所述反射光经过第一窗口玻璃透射、入射到四象限探测器上，四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。

优选地，激光发射与探测单元还包括：偏光分光器4和λ/4波片，带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、偏光分光器4、λ/4波片、第一窗口玻璃顺序光路连接；

所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直；准直后的激光经过偏光分光器透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°、经过第一窗口玻璃6透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃透射、角锥棱镜后向反射、第二窗口玻璃透射后形成反射光；反射光经过第一窗口玻璃透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°后，被偏光分光器反射到四象限探测器上，四象限探测器探测到反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。

优选地，激光反射单元为光路连接的第二窗口玻璃和反射镜。

优选地，n为4或6。

优选地，n为4时，钢轨两侧分别包含两个测量单元，所述的两个测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的二合一测量单元和二合一测量单元左右两侧的俩个激光反射单元；

所述的二合一测量单元包括：带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、半导体激光器驱动器、分光镜、反射镜、左侧第一窗口玻璃、右侧第一窗口玻璃、第一四象限探测器探和第二四象限探测器；

所述的半导体激光器驱动器与带尾纤的半导体激光器电路连接，带尾纤的半导体激光器、光纤准直器和分光镜顺序光路连接，分光镜、反射镜、左侧第一窗口玻璃和第二四象限探测器顺序光路连接，分光镜、右侧第一窗口玻璃和第一四象限探测器顺序光路连接；

所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过分光镜分为第一透射光和第一反射光，第一透射光经过右侧第一窗口玻璃透射，形成第一出射光；第一出射光经过右侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射、右侧激光反射单元的角锥棱镜后向反射、右侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射后形成第二反射光；所述第二反射光经过第一窗口玻璃透射、入射到第一四象限探测器上，第一四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为第一光斑位置电信号；

第一反射光经过反射镜反射、左侧第一窗口玻璃透射，形成第二出射光；第二出射光经过左侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射、左侧激光反射单元的角锥棱镜后向反射、左侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射后形成第三反射光；所述第三反射光经过左侧第一窗口玻璃透射、入射到第二四象限探测器上，第二四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为第二光斑位置电信号。

优选地，系统控制与数据处理单元包括电源、控制开关和处理器。

优选地，触发单元为涡流电感器或光电开关。

本发明的另一方面提供了一种应用上述的轮轨作用力和踏面故障的检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)安装检测系统：沿列车前进方向依次在钢轨上安装触发单元、测量单元，系统控制与数据处理单元安装于轨旁，调整各测量单元的激光发射与探测单元和激光反射单元的安装位置，使得反射光光斑中心处于四象限探测器的中心位置；

步骤(2)标定检测系统：将一个标准轮对通过所述检测系统，通过所述系统测试标准轮对提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，标定所有测量单元的反射光回到其四象限探测器时，光点在两个方向的位置变化d_i-H(t)、d_i-V(t)与左右两侧轮轨横向作用力f_i-H(t)及垂向作用力f_i-V(t)之间的关系f_i-H(d_i-H)、f_i-V(d_i-V)，其中i为所有测量单元四象限探测器编号，t为一系列测量时刻；

步骤(3)轮轨作用力测量：测试列车经过时，所有激光发射与探测单元的四象限探测器分别记录下光点在两个方向的位置变化d_i-H(t)、d_i-V(t)，根据所述步骤(2)标定的光点两个方向位置变化量与轮轨横向作用力与垂向作用力之间的关系f_i-H(d_i-H)、f_i-V(d_i-V)，计算出测试列车的轮轨横向作用力f_ic-H(t)与垂向作用力f_ic-V(t)；

(4)轮对踏面故障确定：通过检测踏面擦伤和剥离测量进行踏面故障确定，根据步骤(3)的轮轨作用力测量，将所有同一钢轨上的测量单元测得的轮轨横向作用力与垂向作用力合成该钢轨上车轮在测量区域滚动一周的轮轨横向作用力与垂向作用力曲线，当存在擦伤或剥离时，通过系统控制与数据处理单元对曲线进行处理，提取畸变信号，根据畸变信号的不同波形和幅值计算踏面异常的类型和程度。

由上述本发明的轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法提供的技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

通过本发明可以定量检测擦伤、剥离、多棱等多种踏面故障，实现对轮对与钢轨作用力以及踏面故障的同时快速检测；

本发明采用带尾纤的半导体激光器作为光源，可减小激光光线飘移，提高了测量准确性和稳定性；

本发明通过激光反射单元对激光进行反射，提高了系统的灵敏度，且激光反射单元无电学元器件，电路集中在激光发射与探测单元，简化了系统布线，结构简单、安装方便。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为实施例一的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图；

图2为实施例一的系统的具体的部件图；

图3为实施例一的两个健康车轮通过一个测量单元时实际测的垂向位移曲线图；

图4实施例一的一个健康车轮加一个有擦伤存在的车轮通过一个测量单元时实际测的垂向位移曲线图；

图5为实施例二的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图；

图6为实施例三的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图；

图7为实施例四的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图；

图8为测量单元位于钢轨内侧的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图；

图9为测量单元位于钢轨外侧、测量单元向后反向的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图；

图10为测量单元位于钢轨内侧、测量单元向后反向的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图。

附图标记说明：

1半导体激光器驱动器 2带尾纤的半导体激光器 3光纤准直器 4偏光分光器 5λ/4波片 6第一窗口玻璃 7第二窗口玻璃 8反射镜 9四象限探测器 10电源 11控制开关 12中央处理器 13涡流电感器或光电开关 14角锥棱镜 15分光镜 16反光镜 17左侧第一窗口玻璃 18右侧第一窗口玻璃 19第一四象限探测器 20第二四象限探测器 a激光发射与探测单元 b激光反射单元 b1左侧激光反射单元 b2右侧激光反射单元 c系统控制与数据处理单元 d装触发单元 e二合一测量单元

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。本发明实施例所述轮轨作用力包括轮轨接触横向作用力与垂向作用力，本发明实施例所述车轮踏面故障包括车轮踏面擦伤与剥离。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

图1为本实施例的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图，参照图1，该系统包括：电路连接的触发单元d、4个测量单元(1L、1R、2L、2R)和系统控制与数据处理单元c。

触发单元d安装于靠近列车来向的方向，用于在列车经过时产生触发信号并将触发信号发送至所述的系统控制与数据处理单元；

4个测量单元以钢轨中心线镜像对称地固定于两根并行钢轨的外侧，其中测量单元1L、2L安置于左侧钢轨外侧，测量单元1R、2R镜像安置于右侧钢轨外侧，4个测量单元构成的测量区域覆盖范围为所在路段通过的所有型号的列车轮对滚动一周所经过的区域，用于接收到系统控制与数据处理单元的信号后，发射激光，并进行准直处理、透射和反射后得到光斑位置电信号，并将光斑位置电信号返回至系统控制与数据处理单元。

系统控制与数据处理单元c安装于钢轨旁，用于接收触发单元的触发信号触发测量单元(1L、1R、2L、2R)以及接收测量单元(1L、1R、2L、2R)的光斑位置电信号，并根据光斑位置电信号得到轮轨作用力和踏面故障的检测结果。

图2为本实施例系统的具体的部件图，参照图2，测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的激光发射与探测单元a和激光反射单元b，激光发射与探测单元a用于产生出射光、接收反射光并生成光斑位置信号，激光反射单元b，用于接收出射光并产生反射光。

激光发射与探测单元a包括：顺序光路连接的带尾纤的半导体激光器2、光纤准直器3、第一窗口玻璃6和四象限探测器9和与半导体激光器电路连接的半导体激光器驱动器1；激光反射单元b的包括：光路连接的第二窗口玻璃7和角锥棱镜14。

光纤准直器3对带尾纤的半导体激光器2发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过第一窗口玻璃6透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃7透射、角锥棱镜14后向反射、第二窗口玻璃7再透射后形成反射光；反射光经过第一窗口玻璃6透射、入射到四象限探测器9上，四象限探测器9探测到反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。

系统控制与数据处理单元c包括电源10、控制开关11和中央处理器12。其中，电源10为常开电源，控制开关11根据触发单元的触发信号给测量单元供电，中央处理器12用于测量数据处理与存储，具体用于接收光斑位置电信号并计算轮轨作用力和踏面故障的检测结果。

具体地，激光发射与探测单元a的半导体激光器驱动器1、四象限探测器9与系统控制与数据处理单元c的控制开关11电路连接，控制开关11给半导体激光器驱动器1与四象限探测器9提供工作所需电流时，半导体激光器驱动器1与四象限探测器9进入工作状态；半导体激光器驱动器1与带尾纤的半导体激光器2电路连接，用于驱动带尾纤的半导体激光器1，使其发光；四象限探测器9与系统控制与数据处理单元c的处理器12电路连接，用于将其上的光斑位置信息转换为光斑位置电信号，并传输至中央处理器12。

系统控制与数据处理单元c的常开电源10与中央处理器12、触发单元d电路连接，用于提供中央处理器12、触发单元d工作所需电流；中央处理器12与触发单元d电路连接，用于接收触发单元d发送的触发信号；中央处理器12与控制开关11电路连接，用于接收到触发信号后开启控制开关11；中央处理器12与四象限探测器9电路连接，用于接收并存储四象限探测器9的光斑位置电信号；控制开关11与激光发射与探测单元a的半导体激光器驱动器1、四象限探测器9电路连接，用于被中央处理器12开启后、给半导体激光器驱动器1、四象限探测器9提供工作所需电流。

触发单元d为涡流电感器或光电开关。

针对上述系统的轮轨作用力和踏面故障的检测方法，包括如下步骤：

(1)安装检测系统：沿列车前进方向依次在钢轨上安装触发单元d、测量单元(1L、1R、2L、2R)，系统控制与数据处理单元c安装于轨旁，调整各测量单元的激光发射与探测单元a和激光反射单元b的安装位置，使得反射光光斑中心处于四象限探测器9的中心位置；

(2)标定检测系统：将一个标准轮对通过上述检测系统，(由于轮轨作用力导致钢轨变形，使得出射光、反射光的空间位置随着轮轨横向作用力与垂向作用力发生改变，)通过上述系统测试标准轮对提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，标定所有测量单元的反射光回到其四象限探测器时，光点在两个方向的位置变化d_i-H(t)、d_i-V(t)与左右两侧轮轨横向作用力f_i-H(t)及垂向作用力f_i-V(t)之间的关系f_i-H(d_i-H)、f_i-V(d_i-V)，其中i为为所有测量单元四象限探测器编号，本实施例中i∈(1L、1R、2L、2R)，t为一系列测量时刻。此处可以有两种方式提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，①在标准轮对上贴上应变片，持续测量标准轮对通过所述检测系统时，轮对受到的横向作用力与垂向作用力；②在钢轨上贴一系列的应变片，持续测量标准轮对通过所述检测系统时，钢轨受到的横向作用力与垂向作用力。

(3)轮轨作用力测量：测试列车经过时，所有激光发射与探测单元的四象限探测器分别记录下光点在两个方向的位置变化d_i-H(t)、d_i-V(t)，根据所述步骤(2)标定的光点两个方向位置变化量与轮轨横向作用力与垂向作用力之间的关系f_i-H(d_i-H)、f_i-V(d_i-V)，计算出测试列车的轮轨横向作用力f_ic-H(t)与垂向作用力f_ic-V(t)；

(4)轮对踏面故障确定：通过检测踏面擦伤和剥离测量进行踏面故障确定，根据步骤(3)的轮轨作用力测量，将所有同一钢轨上的测量单元测得的轮轨横向作用力与垂向作用力合成该钢轨上车轮在测量区域滚动一周的轮轨横向作用力与垂向作用力曲线，当存在擦伤或剥离时(会对钢轨造成一定冲击，进而导致与踏面异常区域接触的测量单元的四象限探测器输出的垂向位移随时间变化曲线产生畸变)，通过系统控制与数据处理单元对曲线进行处理，提取畸变信号，根据畸变信号的不同波形和幅值计算踏面异常的类型和程度。

图3和图4分别为两个健康车轮(一个转向架上有两个轮对，实际测量时连在一起的)通过一个测量单元时实际测的垂向位移曲线图和一个健康车轮加一个有擦伤存在的车轮通过一个测量单元时实际测的垂向位移曲线图，从图中可以看出，健康轮对的垂向位移曲线很平滑，而有擦伤的轮对通过时会对钢轨造成附加冲击力，导致平滑曲线上产生一个凸起的尖峰。

用本发明实施例的检测系统进行轮轨作用力和踏面故障的检测的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

实施例二

图5为本实施例的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图，参照图5，该系统包括：电路连接的触发单元d、多个测量单元和一个系统控制与数据处理单元c。其中，优选地，测量单元为4或6个。

测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的激光发射与探测单元a和激光反射单元b，激光发射与探测单元a用于产生出射光、接收反射光并生成光斑位置信号，激光反射单元b，用于接收出射光并产生反射光。

激光发射与探测单元a包括：顺序光路连接的带尾纤的半导体激光器2、光纤准直器3、偏光分光器4、λ/4波片5、第一窗口玻璃6和四象限探测器9和与半导体激光器电路连接的半导体激光器驱动器1；激光反射单元b的包括：光路连接的第二窗口玻璃7和角锥棱镜14。

光纤准直器3对带尾纤的半导体激光器2发射的激光进行准直；准直后的激光经过偏光分光器4透射、经过λ/4波片5将偏振方向旋转45°、经过第一窗口玻璃6透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃7透射、角锥棱镜14后向反射、第二窗口玻璃7透射后形成反射光；反射光经过第一窗口玻璃6透射、经过λ/4波片5将偏振方向旋转45°后，被偏光分光器反射到四象限探测器9上，四象限探测器9探测到反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。

本实施例的轮轨作用力与车轮踏面故障检测方法与实施例一相同。

实施例三

图6为本实施例的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图，参照图6，该系统包括：电路连接的触发单元d、多个测量单元和系统控制与一个数据处理单元c。

测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的激光发射与探测单元a和激光反射单元b，激光发射与探测单元a用于产生出射光、接收反射光并生成光斑位置信号，激光反射单元b，用于接收出射光并产生反射光。

激光发射与探测单元a包括：顺序光路连接的带尾纤的半导体激光器2、光纤准直器3、偏光分光器4、λ/4波片5、第一窗口玻璃6和四象限探测器9和与半导体激光器电路连接的半导体激光器驱动器1；激光反射单元b的包括：光路连接的第二窗口玻璃7和反射镜8。

光纤准直器3对带尾纤的半导体激光器2发射的激光进行准直；准直后的激光经过偏光分光器透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°、经过第一窗口玻璃6透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃7透射、反射镜8反射、第二窗口玻璃7透射后形成反射光；反射光经过第一窗口玻璃6透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°后，被偏光分光器反射到四象限探测器9上，四象限探测器9探测到反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。

本实施例的轮轨作用力与车轮踏面故障检测方法与实施例一相同。

实施例四

图7为本实施例的轮轨作用力和踏面故障的检测系统示意图，参照图7，测量单元为4个时，该系统包括：电路连接的触发单元d、系统控制与数据处理单元c以及4个测量单元。

同侧的两个测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的二合一测量单元e和二合一测量单元两侧的两个激光反射单元(b1、b2)，二合一测量单元e用于产生两束出射光、接收两束反射光并生成两个光斑位置信号，激光反射单元(b1、b2)，用于接收出射光并产生反射光。

二合一测量单元包括：带尾纤的半导体激光器2、光纤准直器3、半导体激光器驱动器1、分光镜15、反射镜16、左侧第一窗口玻璃17、右侧第一窗口玻璃18、第一四象限探测器探19和第二四象限探测器20。

激光反射单元(b1、b2)分别包括：光路连接的第二窗口玻璃7和角锥棱镜14。

半导体激光器驱动器1与带尾纤的半导体激光器2电路连接，带尾纤的半导体激光器2、光纤准直器3和分光镜15顺序光路连接，分光镜、反射镜16、左侧第一窗口玻璃17和第二四象限探测器20顺序光路连接，分光镜、右侧第一窗口玻璃18和第一四象限探测器19顺序光路连接。

光纤准直器3对带尾纤的半导体激光器2发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过分光镜15分为第一透射光和第一反射光，第一透射光经过右侧第一窗口玻璃18透射，形成第一出射光；第一出射光经过右侧激光反射单元b2的第二窗口玻璃7透射、右侧激光反射单元的角锥棱镜14后向反射、右侧激光反射单元b2的第二窗口玻璃透射后形成第二反射光；第二反射光经过右侧第一窗口玻璃18透射、入射到第一四象限探测器19上，第一四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为第一光斑位置电信号；

第一反射光经过反射镜反射、左侧第一窗口玻璃17透射，形成第二出射光；第二出射光经过左侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射、左侧激光反射单元的角锥棱镜后向反射、左侧激光反射单元b1的第二窗口玻璃透射后形成第三反射光；所述第三反射光经过左侧第一窗口玻璃17透射、入射到第二四象限探测器20上，第二四象限探测器20探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为第二光斑位置电信号。

激光反射单元b与实施例一的激光反射单元b一致。

本实施例的轮轨作用力与车轮踏面故障检测方法与实施例一相同。

本领域技术人员应能理解上述应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

在实际应用中，上述测量单元中的激光发射与探测单元和激光反射单元也可以设置在电子式互感器的内部的其它位置，示意性地，如图8、9和10所示。本发明实施例并不局限上述信号处理装置的具体放置位置，上述信号处理装置在钢轨上中的任何放置方式都在本发明实施例的保护范围中。

本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的测量单元的数量可能小于一个实际检测系统中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统，其特征在于，包括：电路连接的触发单元、n个测量单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数、并且为大于2的偶数，n为4或6；

所述的触发单元安装于靠近列车来向的方向，用于在列车经过时产生触发信号并将触发信号发送至所述的系统控制与数据处理单元；

所述的n个测量单元以钢轨中心线镜像对称地固定于两根并行钢轨的内侧或外侧，n个测量单元构成的测量区域覆盖范围为所在路段通过的所有型号的列车轮对滚动一周所经过的区域，用于接收到所述系统控制与数据处理单元的信号后，发射激光，并进行准直处理、透射和反射后得到光斑位置电信号，并将光斑位置电信号返回至所述的系统控制与数据处理单元；

所述的系统控制与数据处理单元安装于钢轨旁，用于接收所述触发单元的触发信号触发所述测量单元以及接收所述测量单元的光斑位置电信号，并根据所述光斑位置电信号得到轮轨作用力和踏面故障的检测结果；

所述的测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的激光发射与探测单元和激光反射单元；

所述的激光发射与探测单元包括：顺序光路连接的带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、第一窗口玻璃和四象限探测器，以及与带尾纤的半导体激光器电路连接的半导体激光器驱动器；

所述激光反射单元包括：光路连接的第二窗口玻璃和角锥棱镜或光路连接的第二窗口玻璃和反射镜；

所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过第一窗口玻璃透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃透射、角锥棱镜后向反射或反射镜反射、第二窗口玻璃透射后形成反射光；所述反射光经过第一窗口玻璃透射、入射到四象限探测器上，四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述的激光发射与探测单元还包括：偏光分光器4和λ/4波片，带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、偏光分光器4、λ/4波片、第一窗口玻璃顺序光路连接；

所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直；准直后的激光经过偏光分光器透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°、经过第一窗口玻璃6透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃透射、角锥棱镜后向反射、第二窗口玻璃透射后形成反射光；反射光经过第一窗口玻璃透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°后，被偏光分光器反射到四象限探测器上，四象限探测器探测到反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。

3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述的n为4时，钢轨两侧分别包含两个测量单元，所述的两个测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的二合一测量单元和二合一测量单元左右两侧的俩个激光反射单元；

所述的二合一测量单元包括：带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、半导体激光器驱动器、分光镜、反射镜、左侧第一窗口玻璃、右侧第一窗口玻璃、第一四象限探测器探和第二四象限探测器；

所述的半导体激光器驱动器与带尾纤的半导体激光器电路连接，带尾纤的半导体激光器、光纤准直器和分光镜顺序光路连接，分光镜、反射镜、左侧第一窗口玻璃和第二四象限探测器顺序光路连接，分光镜、右侧第一窗口玻璃和第一四象限探测器顺序光路连接；

所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过分光镜分为第一透射光和第一反射光，第一透射光经过右侧第一窗口玻璃透射，形成第一出射光；第一出射光经过右侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射、右侧激光反射单元的角锥棱镜后向反射、右侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射后形成第二反射光；所述第二反射光经过第一窗口玻璃透射、入射到第一四象限探测器上，第一四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为第一光斑位置电信号；

第一反射光经过反射镜反射、左侧第一窗口玻璃透射，形成第二出射光；第二出射光经过左侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射、左侧激光反射单元的角锥棱镜后向反射、左侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射后形成第三反射光；所述第三反射光经过左侧第一窗口玻璃透射、入射到第二四象限探测器上，第二四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为第二光斑位置电信号。

4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述的系统控制与数据处理单元包括电源、控制开关和处理器。

5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述的触发单元为涡流电感器或光电开关。

6.一种应用权利要求1-5任一项所述的轮轨作用力和踏面故障的检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)安装检测系统：沿列车前进方向依次在钢轨上安装触发单元、测量单元，系统控制与数据处理单元安装于轨旁，调整各测量单元的激光发射与探测单元和激光反射单元的安装位置，使得反射光光斑中心处于四象限探测器的中心位置；

步骤(2)标定检测系统：将一个标准轮对通过所述检测系统，通过所述系统测试标准轮对提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，标定所有测量单元的反射光回到其四象限探测器时，光点在两个方向的位置变化d_i-H(t)、d_i-V(t)与左右两侧轮轨横向作用力f_i-H(t)及垂向作用力f_i-V(t)之间的关系f_i-H(d_i-H)、f_i-V(d_i-V)，其中i为所有测量单元四象限探测器编号，t为一系列测量时刻；

步骤(3)轮轨作用力测量：测试列车经过时，所有激光发射与探测单元的四象限探测器分别记录下光点在两个方向的位置变化d_i-H(t)、d_i-V(t)，根据所述步骤(2)标定的光点两个方向位置变化量与轮轨横向作用力与垂向作用力之间的关系f_i-H(d_i-H)、f_i-V(d_i-V)，计算出测试列车的轮轨横向作用力f_ic-H(t)与垂向作用力f_ic-V(t)；

(4)轮对踏面故障确定：通过检测踏面擦伤和剥离测量进行踏面故障确定，根据步骤(3)的轮轨作用力测量，将所有同一钢轨上的测量单元测得的轮轨横向作用力与垂向作用力合成该钢轨上车轮在测量区域滚动一周的轮轨横向作用力与垂向作用力曲线，当存在擦伤或剥离时，通过系统控制与数据处理单元对曲线进行处理，提取畸变信号，根据畸变信号的不同波形和幅值计算踏面异常的类型和程度。

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