CN111562317A - 一种铁路钢轨裂纹监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路钢轨裂纹监测方法，对待监测钢轨的一端通过声发射技术发射脉冲信号，脉冲信号在钢轨上激励出超声波信号，在另一端接收超声波信号，并记录下从发射脉冲信号到接收到超声波信号的初始传播时长，如此完成一次检测；重复以上检测过程，若在后检测到的传播时长大于初始传播时长，则判定为钢轨产生了裂纹。超声波信号以固定的声速传播到被监测段钢轨的远端，如果被监测段钢轨的两端之间没有裂纹，那么超声波将沿着直线传播，如果被监测钢轨的两端之间出现了裂纹，那么该裂纹就会改变了原来超声波传播的路径，使得传播时间变长，若在后检测到的传播时长大于初始传播时长，则判定为钢轨产生了裂纹，如此实现对钢轨的裂纹监测。

Description

一种铁路钢轨裂纹监测方法
技术领域
本发明属于铁路钢轨故障监测方法，具体涉及一种铁路钢轨裂纹监测方法。
背景技术
目前检测钢轨的方法有超声波方法，但是不能进行监测。应用声发射技术对铁路钢轨断裂检测、监测的方法，基本是在列车驶过时采集在钢轨上产生的声发射信号，通过对这些声发射信号的分析，提取出裂纹产生或扩展的特征信号，以判断钢轨是否出现裂纹或裂纹扩展。由于列车驶过时噪音非常大，会有大量的噪音信号伴随者钢轨的裂纹或扩展产生的信号出现，检测者需要花费大量的时间对所有采集到的信号进行分析，找到裂纹断裂或扩展的信号，这样检测的效率也非常低，而且目前还处于研究阶段。
发明内容
本发明提供了一种铁路钢轨裂纹监测方法，实现对钢轨的裂纹监测。
本发明所采用的技术方案为：
一种铁路钢轨裂纹监测方法，包括以下检测过程：
通过被监测钢轨的一端的声发射探头发射脉冲信号，所述脉冲信号在钢轨上激励出超声波信号，被监测钢轨的另一端的声发射探头接收所述超声波信号，通过声发射数据采集卡采集到脉冲信号的发出时间和声波信号的传播到达时间，由软件计算出声波传播初始时长，如此完成一次检测；
重复以上检测过程，若在后检测到的传播时长大于初始传播时长，则判定为钢轨产生了裂纹。
通过在待监测钢轨上发射脉冲信号，脉冲信号在钢轨上激励出超声波信号，这个超声波信号以固定的声速传播到被监测钢轨的远端，如果被监测钢轨的两端之间没有裂纹，那么超声波将沿着直线传播，其传播的时间则最短，在检测最开始，可以定义钢轨没有裂纹时超声波将传播的时间为初始传播时间；如果被监测钢轨的两端之间出现了裂纹，那么该裂纹就会改变了原来超声波传播的路径，它将会绕过裂纹的端部继续传播，如此传播路径变长，使得传播时间变长，因此，若在后检测到的传播时长大于初始传播时长，则判定为钢轨产生了裂纹，如此实现对钢轨的裂纹监测。
进一步的，设初始传播时长为第一时长T0，传播时长发生改变后变为第二时长T1,在监测过程中，若传播时长再次改变，改变后大于第二时长T1，则判定为钢轨产生了新的裂纹或裂纹加剧。通过在连续监测中，随着钢轨的使用，裂纹增多或裂纹变长，检测过程中超声波传播的时间就会越长，如此，实现钢轨裂纹严重程度的检测。
进一步的，所述脉冲信号的发射与超声波信号的接收采用多通道的声发射系统，所述声发射系统包括多个声发射探头、声发射数据采集卡及处理器，所述声发射探头用于发射脉冲信号以及接收超声波信号，所述声发射数据采集卡用于记录每次声发射探头发射脉冲信号以及另一声发射探头接收到超声波信号的时间，由软件计算出每次声波的传播时长。声发射检测仪主要包括探头、前置放大器、电缆线、数据采集卡、分析软件及显示系统6个部分组成，现有市面上有成品声发射检测仪系统，方便投入使用。
进一步的，所述声发射系统还包括报警模块，当处理器判定钢轨产生了裂纹或裂纹加剧时发出报警信息给报警模块；所述报警模块接收处理器传来的报警信号进行报警。
进一步的，所述待监测钢轨上设置多个接收点位，设脉冲发射位为D0，接收点位距离脉冲发射位由近到远依次为点位D1，点位D2，...，点位Dk，k为正整数；记录下从发射脉冲信号到各个点位接收到超声波信号的各点位的初始传播时长；在监测过程中，若检测到有点位的传播时长发生变化，设第一个发生变化的接收点位为Dn，n＝1，2，3，...，k；则判定接收点位D(n-1)与接收点位Dn之间的钢轨出现裂纹。通过设置多个超声波接收点位，利用超声波在裂纹处绕行的原理，在经过有裂纹的地方传播时间变长，如此可知，如某一接收点位的传播时间发生变化，则在该点位之后的传播时间都会发生变化，在该点之前的接收点位传播时间都不会发生变化，因此，裂纹的位置处于第一发生变化的接收点位与该点位之前的接收点位之间，实现裂纹的精准定位，提高实用性。
进一步的，通过一套多通道的声发射系统，布置多组声发射探头对多个道岔的钢轨进行同时监测，监测到的任何一个道岔的钢轨出现裂纹，即发出警报，从而实现多个道岔监测。
进一步的，对初始传播时长T0增加误差补偿时间t1，判定钢轨出现裂纹的条件为当前传播时长TN＞(T0+t1)。考虑到声速随环境温度微小的变化，超声波传播时间会有一定的误差，因此设置误差补偿时间t1，补偿环境温度带来的误差变化。
进一步的，对初始传播时长T0增加补偿时间t2，所述t2为可接受的裂纹造成超声波传播延长的时间；判定钢轨出现裂纹的条件为当前传播时长TN＞(T0+t2)。另外，考虑到被测钢轨实际上可存在一定大小的可接受的裂纹，这个可接受的裂纹造成的时间延长为t2，因此设置补偿时间t2，过滤可接受的裂纹，使得判定结果更具实用性。
进一步的，所述待监测钢轨的长度小于等于4米。
进一步的，在监测过程中，在无列车通过的情况下进行检测。在无列车通过的情况下，监测环境安静，没有其他噪音的干扰；采用测量声波传播时间的方法，能够简单、快速检测出钢轨是否出现了裂纹或断裂，进而实现对钢轨的薄弱部位的长期监测，保证列出安全运行，避免重大事故的发生。
进一步的，在监测过程中，根据预定周期对监测钢轨进行检测。由于钢轨的断裂不会是在很短的时间内发生的，需要很长时间的裂纹发展逐步断裂，监测过程中就不需要实时进行，可以根据系统定期进行，节省检测成本。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1.本发明通过在待监测钢轨上的声发射探头发射脉冲信号，脉冲信号在钢轨上激励出超声波信号，这个超声波信号以固定的声速传播到被监测钢轨的远端，如果被监测钢轨的两端之间没有裂纹，那么超声波将沿着直线传播，其传播的时间则最短，在检测最开始，可以定义钢轨没有裂纹时超声波将传播的时间为初始传播时间；如果被监测钢轨的两端之间出现了裂纹，那么该裂纹就会改变了原来超声波传播的路径，它将会绕过裂纹的端部继续传播，如此传播路径变长，使得传播时间变长，因此，若在后检测到的传播时长大于初始传播时长，则判定为钢轨产生了裂纹，如此实现对钢轨的裂纹监测；
2.本发明通过在连续监测中，随着钢轨的使用，裂纹增多或裂纹变长，检测过程中超声波传播的时间就会越长，如此，实现钢轨裂纹严重程度的检测；
3.本发明还可通过设置多个超声波接收点位，利用超声波在裂纹处绕行的原理，在经过有裂纹的地方传播时间变长，如此可知，如某一接收点位的传播时间发生变化，则在该点位之后的传播时间都会发生变化，在该点之前的接收点位传播时间都不会发生变化，因此，裂纹的位置处于第一发生变化的接收点位与该点位之前的接收点位之间，实现裂纹的精准定位，提高实用性。
4、本发明可应用于在道岔集中的车站，由于道岔是钢轨最薄弱的部位，通过一套多通道声发射系统，可以同时监测车站的多个道岔，其中任何一个道岔出现裂纹，声发射系统将发出报警，实现多个道岔的监测。
5.本发明考虑到声速随环境温度微小的变化，超声波传播时间会有一定的误差，因此设置误差补偿时间t1，补偿环境温度带来的误差变化；另外，考虑到被测钢轨实际上可存在一定大小的可接受的裂纹，这个可接受的裂纹造成的时间延长为t2，因此设置补偿时间t2，过滤可接受的裂纹，使得判定结果更具实用性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明钢轨无裂纹缺陷的超声波传播示意图。
图2是本发明钢轨有裂纹缺陷的超声波传播示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直接连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
实施例1：
本实施例提供了一种铁路钢轨裂纹监测方法，对待监测钢轨的一端的通过声发射设备发射脉冲信号，所述脉冲信号在钢轨上激励出超声波信号，在待监测钢轨的另一端接收所述超声波信号，并记录下从发射脉冲信号到接收到超声波信号的初始传播时长，如此完成一次检测；
具体实施时，如图1、图2所示，在指定长度的被监测的钢轨的两端，一般长度不超过4米，分别安装声发射探头1和安装声发射探头2，通过声发射仪系统，对其中一端的一个探头发射脉冲信号，该脉冲信号会在钢轨上激励出超声波信号，这个超声波信号以固定的声速传播到被监测钢轨的远端，如果被监测钢轨的两端之间没有裂纹，那么超声波的传播路径3将沿着直线传播，其传播的时间则最短，在检测最开始，可以定义钢轨没有裂纹时超声波将传播的时间为初始传播时间；如果被监测钢轨的两端之间出现了裂纹5，那么该裂纹就会改变了原来超声波传播路径3，它将会绕过裂纹5的端部继续传播，如此传播路径变长，使得传播时间变长，因此，若在后检测到的传播时长大于初始传播时长，则判定为钢轨产生了裂纹，如此实现对钢轨的裂纹监测；
声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几KHz～几MHz；其灵敏度可以检测到原子的位错运动。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。
重复以上检测过程，若在后检测到的传播时长大于初始传播时长，则判定为钢轨产生了裂纹。
设初始传播时长为第一时长T0，传播时长发生改变后变为第二时长T1,在监测过程中，若传播时长再次改变，改变后大于第二时长T1，则判定为钢轨产生了新的裂纹或裂纹加剧。
具体实施时，待监测钢轨上可设置多个接收点位，设脉冲发射位为D0，接收点位距离脉冲发射位由近到远依次为点位D1，点位D2，...，点位Dk，k为正整数；记录下从发射脉冲信号到各个点位接收到超声波信号的各点位的初始传播时长；在监测过程中，若检测到有点位的传播时长发生变化，设第一个发生变化的接收点位为Dn，n＝1，2，3，...，k；则判定接收点位D(n-1)与接收点位Dn之间的钢轨出现裂纹。具体实施时，通过设置多个超声波接收点位，利用超声波在裂纹处绕行的原理，在经过有裂纹的地方传播时间变长，如此可知，如某一接收点位的传播时间发生变化，则在该点位之后的传播时间都会发生变化，在该点之前的接收点位传播时间都不会发生变化，因此，裂纹的位置处于第一发生变化的接收点位与该点位之前的接收点位之间，实现裂纹的精准定位，提高实用性。
具体实施时，如图1、图2所示，脉冲信号的发射与超声波信号的接收采用多通道声发射系统，所述声发射系统包括多个声发射探头和处理器，所述声发射探头用于发射脉冲信号以及接收超声波信号，所述处理器用于记录每次声发射探头发射脉冲信号以及另一声发射探头接收到超声波信号的时间，得到每次检测的传播时长。
多通道声发射系统，及声发射检测仪主要包括探头传感器、前置放大器、电缆线、数据采集卡、处理系统和记录分析软件及显示系统组成，现有市面上有成品声发射检测仪系统，方便投入使用。声发射仪器中传感器接收采集来自声发射源的声波信号即声发射信号，经前置放大器放大后，并由数据信号采集处理系统对声发射信号做处理后，由记录显示系统进行记录分析显示达到检测声发射源的目的。所有的声发射仪器都有这几部分，只是有些会合并某几部分在一起，例如内置放大器的声发射传感器，集放大器、数据采集处理和记录分析显示于一体的手持声发射仪等。
具体实施时，声发射系统还包括报警模块，当处理器判定钢轨产生了裂纹或裂纹加剧时发出报警信息给报警模块；所述报警模块接收处理器传来的报警信号进行报警。
具体实施时，对初始传播时长T0增加误差补偿时间t1，判定钢轨出现裂纹的条件为当前传播时长TN＞(T0+t1)。具体实施时，对初始传播时长T0增加补偿时间t2，所述t2为可接受的裂纹造成的超声波传播延长时间；判定钢轨出现裂纹的条件为当前传播时长TN＞(T0+t2)。考虑到声速随环境温度微小的变化，超声波传播时间会有一定的误差，因此设置误差补偿时间t1，补偿环境温度带来的误差变化；另外，考虑到被测钢轨实际上可存在一定大小的可接受的裂纹，这个可接受的裂纹造成的时间延长为t2，因此设置补偿时间t2，过滤可接受的裂纹，使得判定结果更具实用性。具体实施时，也可同时考虑两种误差，对时间变化量进行预设，超过传播时间变化量才发出报警，或判定为有裂纹。
具体实施时，待监测钢轨的长度小于等于4米。
具体实施时，在监测过程中，在无列车通过的情况下进行检测。在无列车通过的情况下，监测环境安静，没有其他噪音的干扰。采用测量声波传播时间的方法，能够简单、快速检测出钢轨是否出现了裂纹或断裂，进而实现对钢轨的薄弱部位的长期监测，保证列出安全运行，避免重大事故的发生。
具体实施时，在监测过程中，根据预定周期对监测钢轨进行检测。
通过对钢轨薄弱部位的监测，及早发现钢轨裂纹缺陷，避免造成列车的重大事故和人员伤亡，保证列车安全运行。
目前还没有研发出特别适应的手段和方法对钢轨进行监测，采用本发明的方法可以同时监测多条钢轨，尤其是钢轨的薄弱部位---道岔。可以将系统设置成自动监测，也可以进行人工检测，检测一次的时间只需要一二十秒就可以完成，通过软件或人工判断出是否存在裂纹或裂纹是否已经出现扩展。在列车运行的间隔，或在列车通过数量少的情况下，有足够的时间对车站所有的道岔，确保列车安全通过。
由于钢轨的断裂不会是在很短的时间内发生的，需要很长时间的裂纹发展逐步断裂，监测过程中就不需要实时进行，可以定时进行，这样就不需要安排专人守护，从而也节省人力物力。
具体实施时，该技术的关键点是声发射系统的时钟的精度和长期稳定性以及系统的可靠性，因为对比的超声波传播的时间差特别小，一旦各个通道之间的时钟出现误差，将有可能会出现误报警或漏检。另外，室外部分的接头需要做好防水防护。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：
对待监测段钢轨的一端通过声发射设备发射脉冲信号，所述脉冲信号在钢轨上激励出超声波信号，在待监测钢轨的另一端接收所述超声波信号，并记录下从发射脉冲信号到接收到超声波信号的传播时长，如此完成一次检测过程；
重复以上检测过程，将首次检测到的传播时长作为初始传播时长；若在后检测到的传播时长大于初始传播时长，则判定为钢轨产生了裂纹。
2.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：设初始传播时长为第一时长T0，传播时长发生改变后变为第二时长T1,在监测过程中，若传播时长再次改变，改变后大于第二时长T1，则判定为钢轨产生了新的裂纹或裂纹加剧。
3.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：所述脉冲信号的发射与超声波信号的接收采用多通道的声发射系统，所述声发射系统包括多个声发射探头和多个声发射数据采集卡；所述声发射探头用于发射脉冲信号以及接收超声波信号；所述声发射数据采集卡用于采集每次声发射探头发射脉冲信号的时间以及其他声发射探头接收到超声波信号的到达时间，得到每次检测的传播时长。
4.根据权利要求3所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：所述声发射系统还包括报警模块和处理器，所述处理器用于接收多个声发射数据采集卡的检测数据并根据检测数据进行判断；当处理器判定钢轨产生了裂纹或裂纹加剧时发出报警信息给报警模块；所述报警模块接收处理器传来的报警信号进行报警；一套多通道的声发射系统布置多组声发射探头对多个道岔的钢轨进行同时监测，监测到的任何一个道岔的钢轨出现裂纹，即发出警报。
5.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：所述待监测钢轨上设置多个接收点位，设脉冲发射位为点位D0，接收点位距离脉冲发射位由近到远依次为点位D1，点位D2，...，点位Dk，k为正整数；记录下从发射脉冲信号到各个点位接收到超声波信号的各点位的初始传播时长；在监测过程中，若检测到有点位的传播时长发生变化，设第一个发生变化的接收点位为Dn，n＝1，2，3，...，k；则判定点位D(n-1)与点位Dn之间的钢轨出现裂纹。
6.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：对初始传播时长T0增加误差补偿时间t1，判定钢轨出现裂纹的条件为当前传播时长TN＞(T0+t1)。
7.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：对初始传播时长T0增加补偿时间t2，所述t2为可接受的裂纹造成的超声波传播延长时间；判定钢轨出现裂纹的条件为当前传播时长TN＞(T0+t2)。
8.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：所述待监测钢轨的长度小于等于4米。
9.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：在监测过程中，在无列车通过的情况下进行检测。
10.根据权利要求1所述的一种铁路钢轨裂纹监测方法，其特征在于：在监测过程中，根据预定周期对监测钢轨进行检测。
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