CN111551642A - 一种钢轨裂纹监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢轨裂纹监测系统，包括固定在轨道旁的数据处理装置，与数据处理装置电气连接的天线，一端与数据处理装置电气连接的电缆，与电缆的另一端电气连接、且挂扣在铁路轨道上、用于采集铁路轨道的健康信息的数个数据采集装置；任一所述数据采集装置包括夹扣在铁路轨道下的夹持固定组件，设置在夹持固定组件上安装底座，扣合在安装底座上的防护外壳，固定在防护外壳内的PCB绝缘板，置于防护外壳内的轨道加速度传感器、超声波位置传感器和轨温传感器；所述数据处理装置包括防护机箱底座、防护机箱上盖，设置在防护机箱底座上的传感器接插件和天线接插件，设置在防护机箱底座上、置于防护机箱上盖内的信号处理电路板、无线传输模块和电池。
Description
技术领域
本发明涉及设备健康诊断、轨道裂纹检测技术领域，尤其是一种钢轨裂纹监测系统。
背景技术
火车在轨道行驶时，会对轨道产生较大的机械激励，如果轨道有微观的缺陷，就可能产生裂纹的扩展，到后期深知断轨。火车作为大型的交通运输工具，交通安全尤为重要，而火车的运行必须配合铁轨，所以对于铁轨的维护检测就尤其重要，而现有的检测、预警方式主要还是依据人工定期进行测试，这种方式明显存在弊端，不仅耗费大量的人工，带来巨大的人力成本，还会因为检测误差较大，往往不能精确的预判，对于铁路安全来讲已经构成了威胁。其次，人工的检测不能实时监控这也对安全运营带来巨大风险。
因此，急需要一种便于信号采集、实时传送、且采集数据精准多样的轨道健康诊断检测系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种钢轨裂纹监测系统，本发明采用的技术方案如下：
一种钢轨裂纹监测系统，包括固定在轨道旁的数据处理装置，与数据处理装置电气连接的天线，一端与数据处理装置电气连接的电缆，与电缆的另一端电气连接、且挂扣在铁路轨道上、用于采集铁路轨道的健康信息的数个数据采集装置；
任一所述数据采集装置包括夹扣在铁路轨道下的夹持固定组件，设置在夹持固定组件上安装底座，扣合在安装底座上的防护外壳，固定在安装底座上、且置于防护外壳内的PCB绝缘板，固定在PCB绝缘板上、置于防护外壳内、且与电缆连接的轨道加速度传感器，固定在防护外壳顶部、置于防护外壳内、且与电缆连接的超声波位置传感器和轨温传感器；
所述数据处理装置包括防护机箱底座，扣合在防护机箱底座上的防护机箱上盖，均设置在防护机箱底座上、且与电缆连接的传感器接插件和天线接插件，以及均设置在防护机箱底座上、且置于防护机箱上盖内的信号处理电路板、无线传输模块和电池。
进一步的，所述夹持固定组件包括开口相对扣合在铁路轨道上的轨道主夹扣和轨道副夹扣，以及连接在轨道主夹扣与轨道副夹扣之间、用于将轨道主夹扣和轨道副夹扣扣合抱紧在铁路轨道上的夹扣螺栓。
进一步的，所述超声波位置传感器顶部设置有一超声波位置传感器封盖。
进一步的，所述轨道主夹扣与安装底座之间设置有一橡胶绝缘垫。
进一步的，还包括固定在轨道旁、供数据处理装置和天线安装的数据处理装置底座，设置在防护机箱底座内、用于安装信号处理电路板和电池的金属支架。
优选的，所述防护机箱上盖与防护机箱底座采用ABS绝缘塑料；所述安装底座与铁路轨道制造材料一致；所述电池选用耐高低温的锂电池。
一种轨道健康诊断传感器，用于采集铁路轨道的健康信息，包括夹扣在铁路轨道下的夹持固定组件，设置在夹持固定组件上安装底座，扣合在安装底座上的防护外壳，固定在安装底座上、且置于防护外壳内的PCB绝缘板，固定在PCB绝缘板上、置于防护外壳内、且与电缆连接的轨道加速度传感器，固定在防护外壳顶部、置于防护外壳内、且与电缆连接的超声波位置传感器和轨温传感器。
进一步的，所述夹持固定组件包括开口相对扣合在铁路轨道上的轨道主夹扣和轨道副夹扣，以及连接在轨道主夹扣与轨道副夹扣之间、用于将轨道主夹扣和轨道副夹扣扣合抱紧在铁路轨道上的夹扣螺栓。
进一步的，所述超声波位置传感器顶部设置有一超声波位置传感器封盖。
进一步的，所述轨道主夹扣与安装底座之间设置有一橡胶绝缘垫。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明巧妙的设置了防护机箱上盖与防护机箱底座，在其间添加了橡胶密封垫圈并选用ABS绝缘塑料，使其与防护机箱底座之间密封，对整个数据处理系统起到防护的作用，具有防水、防尘、绝缘的作用，同时适用温度跨度大，力学性能良好；
(2)本发明巧妙的设置了金属支架，便于电池、信号处理电路板的安装，同时对于金属支架内部安装的电路板有电磁屏蔽外界干扰、方便于信号线的走线；
(3)本发明巧妙的设置了两个电池安装仓位，保证了设备电力使用充足；
(4)本发明巧妙的选择了锂电池，使得电池储能高，对于温度的适应范围广；
(5)本发明巧妙的使用了信号处理电路板，用于对多个传感器系统传来的数据进行处理并发送，采用集成电路有利于减小设备大小；
(6)本发明巧妙的设置了无线传输模块，强化了数据的传输和实时观测，可根据数据量的不同、现场通讯条件的不同，选用2G/3G/4H/433模块等，模块需具有低功耗模式，在没有信号时，进行睡眠，降低功耗，既满足了对数据的通讯传播，也大大的减少了人为实地检测次数；
(7)本发明巧妙的设置了传感器接插件和天线接插件，使得数据传输稳定，且连接牢靠、防水、防尘以及便于拆卸；
(8)本发明巧妙的设置了防护外壳，，对整个传感器系统起到防护的作用，具有防水防尘的作用；
(9)本发明巧妙的设置了橡胶绝缘垫，在PCB绝缘板与轨道主夹扣之间起到缓冲作用；
(10)本发明巧妙的设置了PCB绝缘板，保证在检测过程中防止传感器受到干扰；
(11)本发明巧妙的设置了天线，有利数据得传输；
(12)本发明巧妙的将安装底座与铁轨设计为同一材料，有利于减小轨道加速度传感器采集的误差；
(13)本发明巧妙的将超声波位置传感器和轨温传感器安装在防护外壳上，有利于提高它们采集信号的精度；
(14)本发明巧妙的设计了轨道主夹扣、轨道副夹扣和夹扣螺栓，便于数据采集装置的安装拆卸，同时通过螺栓收紧，使得轨道主夹扣和轨道副夹扣适用多种规格的铁轨；
(15)本发明巧妙的设计了集成采集、计算为一体的系统，即将数据采集和分析集成，其输出的有效数据量较小，大幅降低了数据传输成本，算法简单易于操作，易于实现；
(16)本发明巧妙的设计了只有加速度达到预设值时，才启动系统全面工作，其他时间只有少量器件工作，降低系统功耗。
本发明结构简单、安全可靠、效率好，在设备健康诊断及轨道裂纹检测技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，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相关的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的数据处理装置整体示意图。
图3为本发明的数据处理装置内部结构示意图。
图4为本发明的数据采集装置整体示意图。
图5为本发明的轨道夹扣结构示意图。
图6为本发明的数据采集装置内部结构示意图(一)。
图7为本发明的数据采集装置内部结构示意图(二)。
图8为本发明的数据采集装置内部结构示意图(三)。
图9为本发明的工作流程图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-数据处理装置底座，2-数据处理装置，3-天线，4-电缆，5-铁轨，6-数据采集装置，21-防护机箱上盖，22-防护机箱底座，23-传感器接插件，24-天线接插件，25-金属支架，26-信号处理电路板，27-无线传输模块，28-电池，611-轨道主夹扣，612-轨道副夹扣，613-夹扣螺栓，62-安装底座，63-防护外壳，64-超声波位置传感器封盖，65-超声波位置传感器，66-轨道加速度传感器，67-轨温传感器，68-PCB绝缘板，69-橡胶绝缘垫。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1～9所示，本实施例提供了一种钢轨裂纹监测系统，需要说明的是，本实施例中所述的“第一”、“第二”等序号用语仅用于区分同类部件，不能理解成对保护范围的特定限定。另外，本实施例中所述“底部”、“顶部”、“四周边缘”、“中央”等方位性用语是基于附图来说明的。
其中，如图1所示，一种钢轨裂纹监测系统，包括固定在轨道旁的数据处理装置2，与数据处理装置2电气连接的天线3，一端与数据处理装置2电气连接的电缆4，与电缆4的另一端电气连接、且挂扣在铁路轨道上、用于采集铁路轨道的健康信息的数个数据采集装置6；
如图4～8所示，任一所述数据采集装置6包括夹扣在铁路轨道下的夹持固定组件，设置在夹持固定组件上安装底座62，扣合在安装底座62上的防护外壳63，固定在安装底座62上、且置于防护外壳63内的PCB绝缘板68，固定在PCB绝缘板68上、置于防护外壳63内、且与电缆4连接的轨道加速度传感器66，固定在防护外壳63顶部、置于防护外壳63内、且与电缆4连接的超声波位置传感器65和轨温传感器67；
如图2～3所示，所述数据处理装置2包括防护机箱底座22，扣合在防护机箱底座22上的防护机箱上盖21，均设置在防护机箱底座22上、且与电缆4连接的传感器接插件23和天线接插件24，以及均设置在防护机箱底座22上、且置于防护机箱上盖21内的信号处理电路板26、无线传输模块27和电池28。
如图4～5所示，所述夹持固定组件包括开口相对扣合在铁路轨道上的轨道主夹扣611和轨道副夹扣612，以及连接在轨道主夹扣611与轨道副夹扣612之间、用于将轨道主夹扣611和轨道副夹扣612扣合抱紧在铁路轨道上的夹扣螺栓613。
如图6所述超声波位置传感器65顶部设置有一超声波位置传感器封盖64。
如图7所示，所述轨道主夹扣611与安装底座62之间设置有一橡胶绝缘垫69。
如图1～3所示，还包括固定在轨道旁、供数据处理装置2和天线3安装的数据处理装置底座1，设置在防护机箱底座22内、用于安装信号处理电路板26和电池28的金属支架25。
具体的，所述防护机箱上盖21与防护机箱底座22采用ABS绝缘塑料；所述安装底座62与铁路轨道制造材料一致；所述电池28选用耐高低温的锂电池。
如图4～8所示，一种轨道健康诊断传感器，用于采集铁路轨道的健康信息，其特征在于，包括夹扣在铁路轨道下的夹持固定组件，设置在夹持固定组件上安装底座62，扣合在安装底座62上的防护外壳63，固定在安装底座62上、且置于防护外壳63内的PCB绝缘板68，固定在PCB绝缘板68上、置于防护外壳63内、且与电缆4连接的轨道加速度传感器66，固定在防护外壳63顶部、置于防护外壳63内、且与电缆4连接的超声波位置传感器65和轨温传感器67。
如图4～5所示，所述夹持固定组件包括开口相对扣合在铁路轨道上的轨道主夹扣611和轨道副夹扣612，以及连接在轨道主夹扣611与轨道副夹扣612之间、用于将轨道主夹扣611和轨道副夹扣612扣合抱紧在铁路轨道上的夹扣螺栓613。
如图6所示，所述超声波位置传感器65顶部设置有一超声波位置传感器封盖64。
如图7所示，所述轨道主夹扣611与安装底座62之间设置有一橡胶绝缘垫69。
工作时，按以下流程进行安装：
第一步：固定数据采集装置6，将轨道主夹扣611卡套在铁轨5底部内侧，在铁轨底部外侧与轨道主夹扣611对应处卡套轨道副夹扣612，使用两根夹扣螺613栓贯穿轨道主夹扣611与轨道副夹扣612后拧紧固定，通过螺栓在依次将橡胶绝缘垫69、PCB绝缘板68、安装底座62固定在轨道主夹扣611顶部，此时使用螺栓将轨道加速度传感器66固定在安装底座62上方，取出防护外壳63，将轨温传感器67和超声波位置传感器65安装在防护外壳63顶部，在安装固定时添加对应的橡胶垫圈保证密封，在超声波位置传感器65顶部安装超声波位置传感器封盖64，再在防护外壳63侧面安装传感器接插件23，安装时放置对应的橡胶密封圈，做到密封，将超声波位置传感器65、轨道加速度传感器66、轨温传感器67以及传感器接插件23电气接通，最后将安装好的防护外壳63通过螺栓个固定在安装底座62上方，至此，便将一个数据采集装置6便完成安装，以同样的方式，在同一条铁轨5上，间隔一定距离后，再安装一个数据采集装置6；
第二步：固定数据处理装置2，通过螺栓将防护机箱底座22四角固定在数据处理装置底座1上，在防护机箱底座22底部安装数个传感器接插件23和天线接插件24，在防护机箱底座22内部安装金属支架25，将以安装无线传输模块27的信号处理电路板26安装在金属支架25内部，再将电池28安装固定在金属支架25外部两侧，将电池28、无线传输模块27、信号处理电路板26、传感器接插件23和天线接插件24电气接通，数据处理装置1安装完成；
第三步：将天线3通过电缆4与数据处理装置2的天线接插件24电气接通，并且垂直固定在数据处理装置底座1顶部；数据处理装置2上的传感器接插件23分别与两个数据采集装置6上的传感器接插件23之间通过电缆4电气接通，完成数据处理装置2与两数据采集装置6之间的连接，至此，整个装置接通；
在本实施例中，所使用的信号处理电路板26、无线传输模块27、电池28、超声波位置传感器65、轨道加速度传感器66、轨温传感器67等为购买所得，其所使用的软件程序为常规程序片段的组合，在此就不予赘述其具体内容，下面简要说明工作时检测流程：
第一步：判断列车是否在行驶过程中，确保采集的信息是在列车行驶中。在实时检测中，系统会一直处于低功耗运转，仅有少数器件(如轨道加速度传感器66、超声波位置传感器65、轨温传感器67和信号处理电路板26等)在持续工作，降低系统功耗，当检测到加速度峰值大于0.2g(g为重力加速度)后，判定为有来车，此时启动系统全面工作状态，功耗也将瞬时达到最大。
第二步：系统启动后，对轨道加速度传感器66采集的加速度信号进行滤波采集、FFT分析、幅值分析判别异常数据和剔除异常数据。
采用Grubbs检验法检验分析的数据，当样本距离平均值大于3δ(3倍标准差)，则判定该样本为异常数据并剔除异常数据。
第三步：对轨道加速度传感器66采集的加速度信号进行滤波采集、FFT分析、幅值分析结果剔除异常数据后提取加速度特征值，以及对超声位置传感器65采集的超声位置信号进行滤波采集后提取加速度特征值，所述特征值包括加速度信号的峰值和主频信息以及超声位置信号的事件数、振铃数、事件持续时间和超声位置发射率；
第四步：若所述峰值、主频信息、事件数、振铃数、事件持续时间和超声位置发射率满足预设条件：
加速度信号的峰值范围大于0.2、主频范围200Hz～10000Hz、超声位置事件数大于2、振铃数大于50、事件持续时间大于10ms以及超声位置发射率大于5000(所述事件持续时间和事件数的确定方法是对声发射信号进行包络检测后，波形超过预设阈值电压(范围为10mV-10V)并维持预设时间，则形成一个矩形脉冲，称为一个事件，一个事件持续的时间为事件持续时间，一次列车行驶过程中产生多少次事件，称为事件数，一个事件会产生一个振铃数)；
则判定为裂纹产生，存储并发送特征值，以供后续分析和研究，并删除轨道加速度传感器66、超声位置传感器65在本次列车行进中产生的原始数据。以上数据不作为对本发明的预设条件的具体限定，而是在实践中多次试验得出的最佳数值或数值范围。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钢轨裂纹监测系统，其特征在于，包括固定在轨道旁的数据处理装置(2)，与数据处理装置(2)电气连接的天线(3)，一端与数据处理装置(2)电气连接的电缆(4)，与电缆(4)的另一端电气连接、且挂扣在铁路轨道上、用于采集铁路轨道的健康信息的数个数据采集装置(6)；
任一所述数据采集装置(6)包括夹扣在铁路轨道下的夹持固定组件，设置在夹持固定组件上安装底座(62)，扣合在安装底座(62)上的防护外壳(63)，固定在安装底座(62)上、且置于防护外壳(63)内的PCB绝缘板(68)，固定在PCB绝缘板(68)上、置于防护外壳(63)内、且与电缆(4)连接的轨道加速度传感器(66)，固定在防护外壳(63)顶部、置于防护外壳(63)内、且与电缆(4)连接的超声波位置传感器(65)和轨温传感器(67)；
所述数据处理装置(2)包括防护机箱底座(22)，扣合在防护机箱底座(22)上的防护机箱上盖(21)，均设置在防护机箱底座(22)上、且与电缆(4)连接的传感器接插件(23)和天线接插件(24)，以及均设置在防护机箱底座(22)上、且置于防护机箱上盖(21)内的信号处理电路板(26)、无线传输模块(27)和电池(28)。
2.根据权利要求1所述的一种钢轨裂纹监测系统，其特征在于，所述夹持固定组件包括开口相对扣合在铁路轨道上的轨道主夹扣(611)和轨道副夹扣(612)，以及连接在轨道主夹扣(611)与轨道副夹扣(612)之间、用于将轨道主夹扣(611)和轨道副夹扣(612)扣合抱紧在铁路轨道上的夹扣螺栓(613)。
3.根据权利要求1所述的一种钢轨裂纹监测系统，其特征在于，所述超声波位置传感器(65)顶部设置有一超声波位置传感器封盖(64)。
4.根据权利要求2所述的一种钢轨裂纹监测系统，其特征在于，所述轨道主夹扣(611)与安装底座(62)之间设置有一橡胶绝缘垫(69)。
5.根据权利要求1所述的一种钢轨裂纹监测系统，其特征在于，还包括固定在轨道旁、供数据处理装置(2)和天线(3)安装的数据处理装置底座(1)，设置在防护机箱底座(22)内、用于安装信号处理电路板(26)和电池(28)的金属支架(25)。
6.根据权利要求1所述的一种钢轨裂纹监测系统，其特征在于，所述防护机箱上盖(21)与防护机箱底座(22)采用ABS绝缘塑料；所述安装底座(62)与铁路轨道制造材料一致；所述电池(28)选用耐高低温的锂电池。
7.一种轨道健康诊断传感器，用于采集铁路轨道的健康信息，其特征在于，包括夹扣在铁路轨道下的夹持固定组件，设置在夹持固定组件上安装底座(62)，扣合在安装底座(62)上的防护外壳(63)，固定在安装底座(62)上、且置于防护外壳(63)内的PCB绝缘板(68)，固定在PCB绝缘板(68)上、置于防护外壳(63)内、且与电缆(4)连接的轨道加速度传感器(66)，固定在防护外壳(63)顶部、置于防护外壳(63)内、且与电缆(4)连接的超声波位置传感器(65)和轨温传感器(67)。
8.根据权利要求7所述的一种轨道健康诊断传感器，其特征在于，所述夹持固定组件包括开口相对扣合在铁路轨道上的轨道主夹扣(611)和轨道副夹扣(612)，以及连接在轨道主夹扣(611)与轨道副夹扣(612)之间、用于将轨道主夹扣(611)和轨道副夹扣(612)扣合抱紧在铁路轨道上的夹扣螺栓(613)。
9.根据权利要求7所述的一种轨道健康诊断传感器，其特征在于，所述超声波位置传感器(65)顶部设置有一超声波位置传感器封盖(64)。
10.根据权利要求8所述的一种轨道健康诊断传感器，其特征在于，所述轨道主夹扣(611)与安装底座(62)之间设置有一橡胶绝缘垫(69)。
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