CN111998809B - 基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置和测量方法 - Google Patents

基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铁路检测设备技术领域，特别是涉及基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置和测量方法，本测量装置包括测量装置本体和位于测量装置本体内的数据采集处理装置，所述测量装置本体通过吊臂悬挂在钢铝复合接触轨的下方；本测量方法结合位置坐标信息，通过超声波计算不锈钢带的厚度，实现对钢铝复合接触轨磨耗进行检测。通过本测量装置和测量方法，能有效解决测量不准确和效率低的问题。

Description

基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及铁路检测设备技术领域，特别是涉及基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置和测量方法。
背景技术
在接触轨运营中，为了保证机车正常受流，要求每年至少要进行一次接触轨磨耗测量，当接触网接触轨磨耗到一定程度时应当补强或更换。由于集电靴接触力的动态变化引起的电弧而造成的局部磨损，接触轨的磨耗与接触悬挂状态及电力机车受电弓的运行方式、取流状态、滑板硬度等诸多因素有关。局部磨耗严重可能造成供电不足影响机车动力、加剧拉弧放电，形成硬点会打坏受电靴或引起靴轨故障。
目前只有人工利用一个平尺和塞尺进行人为判断，测量不准确和效率极为低下，并且由于接触轨位置较低人工操作极为不便。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置和测量方法，能有效解决测量不准确和效率低的问题。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，包括测量装置本体和位于测量装置本体内的数据采集处理装置，所述钢铝复合接触轨包括铝座和不锈钢带；所述测量装置本体包括底板和至少两根吊臂，其中两根吊臂一端分别与底板的左右两侧通过转轴活动连接，另一端都连接有与铝座滑动连接的滑轮；所述吊臂与底板之间还连接有扭转弹簧，通过扭转弹簧的旋转力将测量装置本体悬挂在钢铝复合接触轨的下方；所述数据采集处理装置包括收发一体式超声探头、超声发射采集接收器、里程采集器和嵌入式处理器；所述超声探头与超声发射采集接收器信号连接，所述处理器分别与所述超声发射采集接收器和所述里程采集器信号连接。
所述接触轨磨耗测量装置还包括水箱、水泵和水管；所述水泵用于将水箱内的储水沿所述水管泵送，所述水管一端与水泵相连，另一端位于钢铝复合接触轨的不锈钢带的下方，所述水管位于超声探头沿检测线路方向的前端。
所述数据采集处理装置还包括与处理器相连的水泵控制器。
所述数据采集处理装置还包括将处理器与外部终端通信相连的无线通信装置。
所述接触轨磨耗测量装置还包括控制箱，所述数据采集处理装置除超声探头外的部件都位于控制箱内，所述控制箱与底板的底部相连，超声探头位于底板上表面，所述水箱位于控制箱底部。
一种基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置的测量方法，包括以下步骤：
a.将所述磨耗测量装置悬挂于钢铝复合接触轨下方并沿钢铝复合接触轨向前运动，里程采集器实时记录检测点位置坐标并传输至处理器；
b.处理器向水泵处理器发出喷水信号，水泵将水箱中的水泵送至水管的出水口，向检测点喷水；
c.处理器向超声发射采集接收器发送超声发射触发信号，超声探头发射超声信号并记录发射时间；超声探头依次接收响应接触轨下表面反射的第一回波信号和响应接触轨上表面反射的第二回波信号并返回至超声发射采集接收器，超声发射采集接收器接收回波信号并记录第一回波返回时间和第二回波返回时间；
d.超声发射采集接收器计算超声时差，将该超声时差传递至处理器，处理器根据超声时差计算磨耗；
e.处理器将检测点的磨耗数据与位置坐标关联后，通过无线通信装置将该信息发送至外部终端。
所述步骤d中的超声时差具体指：发射时间和第二回波返回时间的第一超声时差，处理器根据第一超声时差计算磨耗具体指：
Figure BDA0002606436660000021
其中，T1为第一超声时差，V1为声波在水介质和钢铝介质传播的平均速度，S1为测量装置使用状态钢铝复合接触轨下表面距离超声探头的理论距离。
所述步骤d中的超声时差具体指：第一回波返回时间和第二回波返回时间之间的第二超声时差，处理器根据第二超声时差计算磨耗具体指：
Figure BDA0002606436660000022
其中，T2为第二超声时差V2为声波在钢铝介质传播的速度。
所述步骤c中，第一回波信号和第二回波信号满足预设的振幅阈值。
所述步骤c中，第二回波信号与第一回波信号满足预设的时间间隔区间；所述时间间隔区间的最小值对应超声波在理论磨损最大量后的钢铝复合接触轨中的两次回波时差，最大值对应超声波在初始使用阶段的钢铝复合接触轨中的的两次回波时差。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
1、本测量装置吊臂与底板之间连接有扭转弹簧，使用时，掰开底板左右两侧的吊臂，移动测量装置本体，使得钢铝复合接触轨位于测量装置本体内，松开吊臂，利用扭转弹簧的旋转力，使得测量装置本体的吊臂夹紧钢铝复合接触轨，测量装置本体悬挂在钢铝复合接触轨下方，依靠重力使得滑轮与铝座接触，保证滑轮能在铝座上滑动，进而实现测量装置本体沿钢铝复合接触轨的滑行；测量快速高效，节约大量人力物力。本申请的数据采集装置包括超声探头、超声发射采集接收器、里程采集器和处理器，通过超声旅行时差计算不锈钢带的厚度，进而实现对钢铝复合接触轨磨耗进行检测；该过程能够精准测量出不锈钢带的厚度，并且与里程信息即位置坐标信息相结合，自动化测量程度高，也便于更好的分辨钢铝复合接触轨磨耗大的位置。所述处理器为嵌入式处理器，相比工控机，实时处理性好且更加轻便，便于实时可移动式检测。
2、本测量装置配置水箱、水泵和水管，水管能向钢铝复合接触轨的不锈钢带喷水以利于超声波良好地传导至钢铝复合接触轨的不锈钢带，沿检测线路方向，所述水管位于超声探头前端，在检测过程中，实现水管先经过检测点对检测点喷水，超声探头再经过该检测点进行检测，检测效果更好。
3、本测量装置数据采集处理装置还包括与处理器相连的水泵控制器，便于更好的且自动化控制水管喷水的时间。
4、本测量装置所述数据采集处理装置还包括将处理器与外部终端通信相连的无线通信装置，便于实时上传测量数据。
5、数据采集处理装置除超声探头外的部件都位于控制箱内，控制箱对数据采集处理装置内的电气元件进行保护，不受外部环境的影响，特别是水的影响。控制箱与底板的底部相连，超声探头位于底板上表面，所述水箱位于控制箱底部，合理布置各部件的位置，使得重量集中在钢铝复合接触轨的正下方，可以使滑轮与钢铝复合接触轨的铝座接触更加紧密，使得本测量装置不易发生偏移。
6、通过超声波计算不锈钢带的厚度，进而计算钢铝复合接触轨的磨损，并且将位置坐标信息和钢铝复合接触轨磨损信息相对应，使得钢铝复合接触轨的信息更加具体和准确。
7、处理器根据第一超声时差计算磨耗，可以仅提取一次回波信号时间，使得回波信号时间提取精度受信号频率和振幅的影响小，减小了回波信号提取精度对于接触轨磨耗测量精度的影响。
8、处理器根据第二超声时差计算磨耗，利用两次回波信号计算磨耗，对于磨损较大的区域，计算精度更高。
9、通过预设第一回波信号和第二回波信号的振幅阈值，能达到去噪的目的。由于接触轨下表面和上表面存在介质突变，波阻抗大，超声发射信号振幅大，设置振幅阈值能够滤除非下表面和上表面的超声干扰信号，提高接触轨磨耗测量准确度。
10、通过设置第二回波信号与第一回波信号满足预设的时间间隔区间，能剔除明显不在接触轨厚度范围内的第一、第二回波信号，提高接触轨磨耗测量效率。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程示意图；
图中标记：
1、铝座，2、不锈钢带，3、底板，4、吊臂，5、转轴，6、滑轮，7、扭转弹簧，8、超声探头，9、里程采集器，10、超声发射采集接收器，11、处理器，12、水箱，13、水管，14、无线通信装置，15、控制箱，16、电池模块。
具体实施方式
实施例1
作为本发明基本实施方式，本发明包括一种基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，包括测量装置本体和数据采集处理装置，其中钢铝复合接触轨包括铝座1和不锈钢带2。所述测量装置本体包括底板3和两根吊臂4，两根吊臂4一端分别与底板3的左右两侧通过转轴5活动连接，另一端都连接有与铝座1滑动连接的滑轮6。所述吊臂4与底板3之间还连接有扭转弹簧7，通过扭转弹簧7的旋转力将测量装置本体悬挂在钢铝复合接触轨的下方。所述数据采集处理装置位于底板3上表面，且位于底板3与吊臂4围合的空间内。所述数据采集处理装置包括收发一体式超声探头8、超声发射采集接收器10、里程采集器9和嵌入式处理器11，所述超声探头8与超声发射采集接收器10信号连接，所述嵌入式处理器11分别与所述超声发射采集接收器10和所述里程采集器9信号连接。
实施例2
作为本发明一较佳实施方式，本发明包括基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，包括测量装置本体和位于测量装置本体内的数据采集处理装置。所述钢铝复合接触轨包括铝座1和不锈钢带2。所述测量装置本体包括底板3和四根吊臂4，左右两侧的两根吊臂4一端分别与底板3的左右两侧通过转轴5活动连接，另一端都连接有与铝座1滑动连接的滑轮6；另外两根吊臂4可以与底板3固定连接，也可以为底板3通过转轴5活动连接。所述吊臂4与底板3之间还连接有扭转弹簧7，通过扭转弹簧7的旋转力将测量装置本体悬挂在钢铝复合接触轨的下方。
所述数据采集处理装置位于底板3上表面，且位于底板3与吊臂4形成的围合空间内。该围合空间内还设有水箱12、水泵和水管13，所述水泵位于水箱12内，所述水管13一端与水泵相连，另一端位于钢铝复合接触轨的不锈钢带2的下方，水泵用于将水箱12内的储水沿所述水管13泵送。所述数据采集处理装置包括收发一体式超声探头8、超声发射采集接收器10、水泵控制器、里程采集器9和嵌入式处理器11，所述超声探头8与超声发射采集接收器10信号连接，所述处理器11分别与所述超声发射采集接收器10和所述里程采集器9信号连接。
所述水管13采用硬质管体，位置固定，出水口朝向钢铝复合接触轨下表面。沿检测线路方向，水管13位于超声探头8前方，测量过程中，水管13先经过检测点对检测点喷水，超声探头8再经过给检测点进行检测。本领域人员应当知晓，水箱中的储水可以是清水，或者任何其他传声性能较好的液体介质。
实施例3
作为本发明另一较佳实施方式，本发明包括基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，包括测量装置本体、数据采集处理装置和控制箱15。所述钢铝复合接触轨包括铝座1和不锈钢带2。所述测量装置本体包括底板3和两根吊臂4，两根吊臂4分别位于底板3左右两侧，两根吊臂4一端分别与底板3的左右两侧通过转轴5活动连接，另一端都连接有与铝座1滑动连接的滑轮6。所述吊臂4与底板3之间还连接有扭转弹簧7，使用时，掰开两根吊臂4，将测量装置打开，再依靠扭转弹簧7的旋转力使得测量装置夹紧钢铝复合接触轨，测量装置本体依靠重力使得滑轮6与铝座1接触，测量装置本体悬挂在钢铝复合接触轨的下方。
所述数据采集处理装置包括收发一体式超声探头8、超声发射采集接收器10、水泵控制器、里程采集器9和处理器11，所述超声探头8和处理器11分别与超声发射采集接收器10信号连接，所述里程采集器9和水泵控制器分别与处理器11建立通信连接。其中处理器11为嵌入式处理器，将处理器11通过无线通信装置14与外部终端实现通信连接。
所述控制箱15与底板3的底部相连，数据采集处理装置除超声探头8外的部件都位于控制箱15内，超声探头8位于底板3上表面，所述水箱12位于控制箱15底部。
一种基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量方法，依靠于上述磨耗测量装置，具体包括以下步骤：
a.将磨耗测量装置悬挂于钢铝复合接触轨下方并沿钢铝复合接触轨向前运动，里程采集器9实时记录检测点位置坐标并传输至处理器11；
b.处理器11向超声发射采集接收器10发送超声发射触发信号，超声探头8朝检测点发射超声信号并记录发射时间；超声探头8依次接收响应接触轨下表面反射的第一回波信号和响应接触轨上表面反射的第二回波信号并返回至超声发射采集接收器10，，超声发射采集接收器10接收回波信号并记录第一回波返回时间和第二回波返回时间；
c.超声发射采集接收器10计算超声时差，该超声时差为发射时间和第二回波返回时间的第一超声时差，超声发射采集接收器10将该第一超声时差传递至处理器11，处理器11根据第一超声时差计算磨耗；具体为：
Figure BDA0002606436660000061
其中，T1为第一超声时差，V1为声波在水介质和钢铝介质传播的平均速度，S1为测量装置使用状态钢铝复合接触轨下表面距离超声探头8的理论距离；
d.处理器11将检测点的磨耗数据与里程数据也就是位置坐标信息关联后，通过无线通信装置14将该信息发送至外部终端。
实施例4
作为本发明最佳实施方式，参照说明书附图1和说明书附图2，本发明包括一种基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，包括测量装置本体、数据采集处理装置和控制箱15。所述钢铝复合接触轨包括铝座1和不锈钢带2。所述测量装置本体包括底板3和两根吊臂4，两根吊臂4分别位于底板3左右两侧，两根吊臂4一端分别与底板3的左右两侧通过转轴5活动连接，另一端都连接有与铝座1滑动连接的滑轮6。所述吊臂4与底板3之间还连接有扭转弹簧7，通过扭转弹簧7的旋转力将测量装置本体悬挂在钢铝复合接触轨的下方。
所述数据采集处理装置包括收发一体式超声探头8、超声发射采集接收器10、水泵控制器、里程采集器9、处理器11和电池模块16，所述超声探头8和处理器11分别与超声发射采集接收器10信号连接，所述里程采集器9和水泵控制器分别与处理器11建立通信连接。其中处理器11为嵌入式处理器，将处理器11通过无线通信装置14与外部终端实现通信连接。所述电池模块16可以为可充电电池，为整个装置提供电能，所述无线通信装置14将检测数据实时上传至外部终端。
所述控制箱15没有顶板，四周的侧板分别与底板3的下表面相连，数据采集处理装置除超声探头8外的部件都位于控制箱15内，超声探头8位于底板3上表面，所述水箱12位于控制箱15底部。
所述控制箱15底部还设有水箱12，水箱12内设有水泵和水管13，所述水管13一端与水泵相连，另一端向外伸出且位于钢铝复合接触轨的不锈钢带2的下方，沿线路方向，所述水管13位于超声探头8前端。
一种基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量方法，依靠于上述磨耗测量装置，具体包括以下步骤：
a.将磨耗测量装置悬挂于钢铝复合接触轨下方并沿钢铝复合接触轨向前运动，里程采集器9实时记录检测点位置坐标并传输至处理器11；
b.处理器11向水泵控制器发出喷水信号，水泵将水箱12中的水泵送至水管13出水口，向检测点喷水；
c.处理器11向超声发射采集接收器10发送超声发射触发信号，超声探头8朝刚刚喷过水的检测点发射超声信号并记录发射时间；超声探头8依次接收响应接触轨下表面反射的第一回波信号和响应接触轨上表面反射的第二回波信号并返回至超声发射采集接收器10，，超声发射采集接收器10接收回波信号并记录第一回波返回时间和第二回波返回时间；其中，第一回波信号和第二回波信号满足预设的振幅阈值；第二回波信号与第一回波信号满足预设的时间间隔区间，所述时间间隔区间的最小值对应超声波在理论磨损最大量后的钢铝复合接触轨中的两次回波时差，最大值对应超声波在初始使用阶段的钢铝复合接触轨中的的两次回波时差；；
d.超声发射采集接收器10计算超声时差，具体为第一回波返回时间和第二回波返回时间之间的第二超声时差，超声发射采集接收器10将该第二超声时差传递至处理器11，处理器11根据第二超声时差计算磨耗；具体为：
Figure BDA0002606436660000081
其中，T2为第二超声时差，V2为声波在钢铝介质传播的速度；
e.处理器11将检测点的磨耗数据与位置坐标信息关联后，通过无线通信装置14将该信息发送至外部终端。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，所述钢铝复合接触轨包括铝座(1)和不锈钢带(2)，其特征在于：还包括测量装置本体和位于测量装置本体内的数据采集处理装置，所述测量装置本体包括底板(3)和至少两根吊臂(4)，其中两根吊臂(4)一端分别与底板(3)的左右两侧通过转轴(5)活动连接，另一端都连接有与铝座(1)滑动连接的滑轮(6)；所述吊臂(4)与底板(3)之间还连接有扭转弹簧(7)，通过扭转弹簧(7)的旋转力将测量装置本体悬挂在钢铝复合接触轨的下方；所述数据采集处理装置包括收发一体式超声探头(8)、超声发射采集接收器(10)、里程采集器(9)和嵌入式处理器(11)；所述超声探头(8)与超声发射采集接收器(10)信号连接，所述处理器(11)分别与所述超声发射采集接收器(10)和所述里程采集器(9)信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，其特征在于：还包括水箱(12)、水泵和水管(13)；所述水泵用于将水箱(12)内的储水沿所述水管(13)泵送，所述水管(13)一端与水泵相连，另一端位于钢铝复合接触轨的不锈钢带(2)的下方，所述水管(13)位于超声探头(8)沿检测线路方向的前端。
3.根据权利要求2所述的基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，其特征在于：所述数据采集处理装置还包括与处理器(11)相连的水泵控制器。
4.根据权利要求3所述的基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置，其特征在于：所述数据采集处理装置还包括将处理器(11)与外部终端通信相连的无线通信装置(14)；还包括控制箱(15)，所述数据采集处理装置除超声探头(8)外的部件都位于控制箱(15)内，所述控制箱(15)与底板(3)的底部相连，超声探头(8)位于底板(3)上表面，所述水箱(12)位于控制箱(15)底部。
5.利用权利要求4所述的基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.将所述磨耗测量装置悬挂于钢铝复合接触轨下方并沿钢铝复合接触轨向前运动，里程采集器(9)实时记录检测点位置坐标并传输至处理器(11)；
b.处理器(11)向水泵控制器发出喷水信号，水泵将水箱(12)中的水泵送至水管(13)的出水口，向检测点喷水；
c.处理器(11)向超声发射采集接收器(10)发送超声发射触发信号，超声探头(8)发射超声信号并记录发射时间；超声探头(8)依次接收响应接触轨下表面反射的第一回波信号和响应接触轨上表面反射的第二回波信号并返回至超声发射采集接收器(10)，超声发射采集接收器(10)接收回波信号并记录第一回波返回时间和第二回波返回时间；
d.超声发射采集接收器(10)计算超声时差，将该超声时差传递至处理器(11)，处理器(11)根据超声时差计算磨耗；
e.处理器(11)将检测点的磨耗数据与位置坐标关联后，通过无线通信装置(14)将该信息发送至外部终端。
6.根据权利要求5所述的基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤d中的超声时差具体指：发射时间和第二回波返回时间的第一超声时差，处理器(11)根据第一超声时差计算磨耗具体指：
Figure FDA0003258586970000021
其中，T1为第一超声时差，V1为声波在水介质和钢铝介质传播的平均速度，S1为测量装置使用状态钢铝复合接触轨下表面距离超声探头(8)的理论距离。
7.根据权利要求5所述的基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤d中的超声时差具体指：第一回波返回时间和第二回波返回时间之间的第二超声时差，处理器(11)根据第二超声时差计算磨耗具体指：
Figure FDA0003258586970000022
其中，T2为第二超声时差，V2为声波在钢铝介质传播的速度。
8.根据权利要求6或7所述的基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤c中，第一回波信号和第二回波信号满足预设的振幅阈值。
9.根据权利要求8所述的基于超声测量的钢铝复合接触轨磨耗测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤c中，第二回波信号与第一回波信号满足预设的时间间隔区间；所述时间间隔区间的最小值对应超声波在理论磨损最大量后的钢铝复合接触轨中的两次回波时差，最大值对应超声波在初始使用阶段的钢铝复合接触轨中的两次回波时差。
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