CN113091932A - 一种基于轨温的铁轨安全监控系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于轨温的铁轨安全监控系统及其方法，主要先透过数据的收集，先计算出直线段铁轨温度默认值，及弯曲段铁轨温度默认值，接着再根据日照量及环境温度进行温度的预测，得到一直线段轨温预测值、及一弯曲段轨温预测值，再来当所述中控单元判断所述直线段轨温预测值或所述直线段铁轨温度侦测值高于所述直线段铁轨温度默认值时，又或者所述弯曲段轨温预测值或所述弯曲段铁轨温度侦测值高于所述弯曲段铁轨温度默认值时，则控制所述警报单元工作。

Description

一种基于轨温的铁轨安全监控系统及其方法
技术领域
本发明涉及温控领域，具体而言，涉及一种基于轨温的铁轨安全监控系统及其方法。
背景技术
铁轨挫曲(buckling)是指铁轨受到压力时所产生的弯曲变形的现象，由于温度变化会造成物体的内应力产生变化，也因此，铁轨挫曲现象不仅跟外力有关，更是与温度高低息息相关，然而，目前铁轨相关维护较少关注在温度变化这部分，因此，本发明者认为此部分有需注意、改善的必要。
发明内容
本发明解决的问题是关于较少人注意铁轨受到温度、日照影响，导致发生挫曲(buckling)问题。
为解决上述问题，本发明提供一种基于轨温的铁轨安全监控系统及其方法，本发明主要是透过各种侦测器量测直线段铁轨及弯曲段铁轨的环境温度值、日照量侦测值、温度侦测值，及不整度侦测结果，接着，中控单元再根据所述各种侦测器的量测结果，再配合输入单元所输入的一铁轨中性温度、一铁轨杨氏系数E、一铁轨截面积A、一铁轨热膨胀系数a、一直线段铁轨长度L1、一弯曲段铁轨长度L2、一轨框对垂直轴的二次力矩JT、一轨道横向阻力rs，及一弯曲段铁轨轨道半径R，根据公式：
Figure BDA0002960043180000011
Figure BDA0002960043180000021
Trail＝1.24×Tair+1.71×S进行运算，最后得到一直线段轨温预测值、一直线段铁轨温度侦测值、一直线段铁轨温度默认值、一弯曲段轨温预测值、一弯曲段铁轨温度侦测值，及一弯曲段铁轨温度默认值。
当所述中控单元判断所述直线段轨温预测值或所述直线段铁轨温度侦测值高于所述直线段铁轨温度默认值时，又或者所述弯曲段轨温预测值或所述弯曲段铁轨温度侦测值高于所述弯曲段铁轨温度默认值时，则控制所述警报单元工作，以提醒管理人员进行应变处理，例如立即降低铁轨温度，或者停止火车行驶。
由上述可知，本发明主要优点是利用温度的侦测及预测，来避免铁轨因温度过高而发生挫曲现象，藉此来提升铁轨的安全。
附图说明
图1为本发明工作流程示意图；
图2为本发明各组件链接示意图；
图3为本发明侦测、预测实验数据图；
图4为铁轨示意图。
附图标记说明：
1-温度侦测器组；2-热电偶轨温侦测器组；21-隔热垫体；22-磁铁；23-太阳能板；3-日照量侦测器组；4-洒水单元；5-输入单元；6-中控单元；7-警报单元；8-不整度侦测单元。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请看图1及图2所示，本发明是关于一种基于轨温的铁轨安全监控系统及其监控方法，本发明监控方式如下：
首先，先在铁轨A附近安装多个温度侦测器组1，所述温度侦测器组1主要是用来侦测直线段铁轨及弯曲段铁轨环境温度，而得到一环境温度值Tair。此外，本发明较佳是在每隔一段距离都设置所述温度侦测器组1，以供侦测不同位置的环境温度。
接着请看图4，将一热电偶轨温侦测器组2设置在铁轨A的轨腹A1位置，直线段铁轨及弯曲段铁轨均会装设所述热电偶轨温侦测器组2，所述热电偶轨温侦测器组2与所述铁轨A接触一面界定为内侧，其余为外侧，所述热电偶轨温侦测器组2外侧套设有隔热垫体21，所述热电偶轨温侦测器组2内侧设有一磁铁22，如此一来，所述热电偶轨温侦测器组2可透过所述磁铁22很轻松的吸附在所述轨腹A1位置，欲更换或维修所述热电偶轨温侦测器组2时，也可轻松进行拔除、替换。所述热电偶轨温侦测器组2可供设置多组，以侦测所述直线段铁轨及所述弯曲段铁轨的温度侦测值。而所述热电偶轨温侦测器组2的电力来源主要来自于蓄电池、干电池，或太阳能板，以本发明为例，所述热电偶轨温侦测器组2外侧较佳设有所述太阳能板23，且所述太阳能板23电性连接所述热电偶轨温侦测器组2。值得一提的是，本发明最好每隔一段距离设置一个所述热电偶轨温侦测器组2，以供管理人员可以掌握每段铁轨A的温度。
再来是将多个日照量侦测器组3设于所述铁轨A外侧方，所述日照量侦测器组3用于侦测所述直线段铁轨及所述弯曲段铁轨的日照量侦测值，并且一洒水单元4设置于所述铁轨A外侧方用以供对所述铁轨A洒水，所述日照量侦测器组3及所述洒水单元4同样的也是每隔一段距离设置一个。
然后，将多个不整度侦测单元8设于所述铁轨A附近，用以侦测直线段铁轨及弯曲段铁轨的不整度，得到一直线段不整度侦测结果fr1，及一弯曲段不整度侦测结果fr2。
本发明使用前须透过一输入单元5输入：一铁轨中性温度、一铁轨杨氏系数E、一铁轨截面积A、一铁轨热膨胀系数a、一直线段铁轨长度L1、一弯曲段铁轨长度L2、一轨框对垂直轴的二次力矩JT、一轨道横向阻力rs，及一弯曲段铁轨轨道半径R至一中控单元6。其中，所述铁轨中性温度是指铁轨于0应力时的温度。
接下来，所述中控单元6便会时时接收所述热电偶轨温侦测器组2、所述温度侦测器组1、所述日照量侦测器组3，及所述不整度侦测单元8的侦测结果，并根据这些结果进行下列运算：
首先，所述中控单元6可先计算直线段铁轨温度默认值，其方式为：所述中控单元6接收所述直线段铁轨长度、所述铁轨杨氏系数，及所述轨框对垂直轴的二次力矩，并根据公式：
Figure BDA0002960043180000041
，计算出一直线段铁轨临界轴力P0；所述中控单元6再接收所述轨框对垂直轴的二次力矩、所述轨道横向阻力、所述铁轨热膨胀系数、所述铁轨截面积、所述铁轨杨氏系数，及所述直线段不整度侦测结果，根据公式：
Figure BDA0002960043180000042
运算出一直线段轨温容许上升值，所述中控单元6再将所述直线段轨温容许上升值，及所述铁轨中性温度计算出所述直线段铁轨温度默认值
接着，所述中控单元6再跟着计算弯曲段铁轨温度默认值所述中控单元6接收所述曲线段铁轨长度、所述铁轨杨氏系数，及所述轨框对垂直轴的二次力矩，并根据公式：
Figure BDA0002960043180000043
计算出一弯曲段铁轨临界轴力P1；所述中控单元6再接收所述轨框对垂直轴的二次力矩、所述铁轨截面积、所述铁轨热膨胀系数、所述弯曲段铁轨轨道半径、所述弯曲段不整度侦测结果、所述铁轨杨氏系数、及所述轨道横向阻力，依序根据公式
Figure BDA0002960043180000044
Figure BDA0002960043180000051
运算出一弯曲段轨温容许上升值，所述中控单元再将所述弯曲段轨温容许上升值，及所述铁轨中性温度计算出所述弯曲段铁轨温度默认值。
再来，所述中控单元根据环境温度及日照量进行铁轨温度的预测，其方式为：所述中控单元可供根据所述环境温度值及所述日照量侦测值，根据公式：Trail＝1.24×Tair+1.71×S，运算出一直线段轨温预测值、及一弯曲段轨温预测值。
完成上述各种计算后，接下来当所述中控单元判断所述直线段轨温预测值或所述直线段铁轨温度侦测值高于所述直线段铁轨温度默认值时，又或者所述弯曲段轨温预测值或所述弯曲段铁轨温度侦测值高于所述弯曲段铁轨温度默认值时，则控制所述警报单元工作。
因此，当所述中控单元6判断所述直线段轨温预测值高于所述直线段铁轨温度默认值、或是所述弯曲段轨温预测值高于所述弯曲段铁轨温度默认值时，透过控制所述警报单元7工作，可提供管理人员进行事前预防，在所述铁轨A还没发生挫曲前先赶快进行相关紧急处理措施。当所述中控单元6判断所述直线段铁轨温度侦测值高于所述直线段铁轨温度默认值，又或者所述弯曲段铁轨温度侦测值高于所述弯曲段铁轨温度默认值时，透过控制所述警报单元7工作，可提供管理人员立即进行轨温处理，以避免意外发生。
值得一提的是，当前述状况发生时，管理人员除了可透过人力对所述铁轨A进行降温外，也可透过所述洒水单元4自动对所述铁轨A进行洒水降温，透过此种紧急对所述铁轨A进行降温的方式，可有效避免所述铁轨A发生挫曲问题。此外，所述中控单元6也可以根据所述铁轨温度默认值设定一紧急温度默认值，且所述紧急温度默认值高于所述铁轨温度默认值，如此一来，一但所述轨温预测值或所述铁轨温度侦测值高于一紧急温度默认值时，表示事态危急，须立即进行应变措施，否则会发生意外事件，也因此，在这时候则所述中控单元6立即命令所述火车安全系统控制火车停止工作，藉以避免意外发生。
请看图3，主要是纪录利用本发明所测得的所述直线段轨温预测值或所述直线段铁轨温度侦测值，透过图式可清楚得知，本发明所提供的轨温预测方法具有较高的准确性，也因此可以有效提前预估铁轨温度，进而提前进行相对应预防措施，可有效防止铁轨因温度造成挫曲的问题。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于轨温的铁轨安全监控系统，其特征在于包括：
一输入单元：用以供输入一铁轨中性温度、一铁轨杨氏系数E、一铁轨截面积A、一铁轨热膨胀系数a、一直线段铁轨长度L1、一弯曲段铁轨长度L2、一轨框对垂直轴的二次力矩JT、一轨道横向阻力rs，及一弯曲段铁轨轨道半径R；
一温度侦测器组：用以供量测直线段铁轨及弯曲段铁轨的环境温度值Tair；
一日照量侦测器组：可供设于铁轨外侧方，用以供侦测所述直线段铁轨及所述弯曲段铁轨的日照量侦测值S；
一热电偶轨温侦测器组：可供设于铁轨的轨腹外侧，用以供侦测所述直线段铁轨及所述弯曲段铁轨的温度侦测值；
一不整度侦测单元：用以侦测直线段铁轨及弯曲段铁轨的不整度，得到一直线段不整度侦测结果fr1，及一弯曲段不整度侦测结果fr2；
一中控单元：分别信息连接所述输入单元、所述热电偶轨温侦测器组、所述温度侦测器组、日照量侦测器组、所述不整度侦测单元，及一警报单元；
所述中控单元接收所述直线段铁轨长度、所述铁轨杨氏系数，及所述轨框对垂直轴的二次力矩，并根据公式：
Figure FDA0002960043170000011
计算出一直线段铁轨临界轴力P0；再接收所述轨框对垂直轴的二次力矩、所述轨道横向阻力、所述铁轨热膨胀系数、所述铁轨截面积、所述铁轨杨氏系数，及所述直线段不整度侦测结果，根据公式：
Figure FDA0002960043170000012
运算出一直线段轨温容许上升值Δt，所述中控单元再将所述直线段轨温容许上升值，及所述铁轨中性温度计算出一直线段铁轨温度默认值；
所述中控单元接收所述曲线段铁轨长度、所述铁轨杨氏系数，及所述轨框对垂直轴的二次力矩，并根据公式：
Figure FDA0002960043170000021
计算出一弯曲段铁轨临界轴力P1；所述中控单元再接收所述轨框对垂直轴的二次力矩、所述铁轨截面积、所述铁轨热膨胀系数、所述弯曲段铁轨轨道半径、所述弯曲段不整度侦测结果、所述铁轨杨氏系数、及所述轨道横向阻力，依序根据公式
Figure FDA0002960043170000022
Figure FDA0002960043170000023
运算出一弯曲段轨温容许上升值，所述中控单元再将所述弯曲段轨温容许上升值，及所述铁轨中性温度计算出一弯曲段铁轨温度默认值；
所述中控单元可供根据所述环境温度值及所述日照量侦测值，根据公式：Trail＝1.24×Tair+1.71×S，运算出一直线段轨温预测值、及一弯曲段轨温预测值；
当所述中控单元判断所述直线段轨温预测值或所述直线段铁轨温度侦测值高于所述直线段铁轨温度默认值时，又或者所述弯曲段轨温预测值或所述弯曲段铁轨温度侦测值高于所述弯曲段铁轨温度默认值时，则控制所述警报单元工作。
2.根据权利要求1所述一种基于轨温的铁轨安全监控系统，其特征在于，更设一洒水单元，所述洒水单元设于所述铁轨外侧方用以供对铁轨洒水；所述中控单元信息连接所述洒水单元，当所述警报单元工作时，所述中控单元启动所述洒水单元。
3.根据权利要求2所述一种基于轨温的铁轨安全监控系统，其特征在于，所述热电偶轨温侦测器组与铁轨接触一面界定为内侧，其余为外侧，所述热电偶轨温侦测器组外侧套设有隔热垫体，所述热电偶轨温侦测器组内侧设有一磁铁。
4.根据权利要求3所述一种基于轨温的铁轨安全监控系统，其特征在于，所述中控单元远程信息连接火车安全系统，当所述中控单元判断所述直线段轨温预测值、所述弯曲段轨温预测值、所述直线段铁轨温度侦测值，或所述弯曲段铁轨温度侦测值高于一紧急温度默认值时，则所述中控单元立即命令所述火车安全系统控制火车停止工作，且所述紧急温度默认值远高于所述铁轨温度默认值。
5.一种基于轨温的铁轨安全监控方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-5任一项所述的铁轨安全监控系统，所述铁轨安全监控方法包括：
(A)透过输入单元输入一铁轨中性温度、一铁轨杨氏系数E、一铁轨截面积A、一铁轨热膨胀系数a、一直线段铁轨长度L1、一弯曲段铁轨长度L2、一轨框对垂直轴的二次力矩JT、一轨道横向阻力rs，及一弯曲段铁轨轨道半径R；
(B)利用温度侦测器组量测直线段铁轨及弯曲段铁轨的环境温度值Tair；
(C)利用日照量侦测器组侦测所述直线段铁轨及所述弯曲段铁轨的日照量侦测值S；
(D)利用热电偶轨温侦测器组侦测所述直线段铁轨及所述弯曲段铁轨的温度侦测值；
(E)利用不整度侦测单元侦测直线段铁轨及弯曲段铁轨的不整度，得到一直线段不整度侦测结果fr1，及一弯曲段不整度侦测结果fr2；
(F)所述中控单元接收所述直线段铁轨长度、所述铁轨杨氏系数，及所述轨框对垂直轴的二次力矩，并根据公式：
Figure FDA0002960043170000031
，计算出一直线段铁轨临界轴力P0；再接收所述轨框对垂直轴的二次力矩、所述轨道横向阻力、所述铁轨热膨胀系数、所述铁轨截面积、所述铁轨杨氏系数，及所述直线段不整度侦测结果，根据公式：
Figure FDA0002960043170000041
运算出一直线段轨温容许上升值，所述中控单元再将所述直线段轨温容许上升值，及所述铁轨中性温度计算出一直线段铁轨温度默认值；
(G)所述中控单元接收所述曲线段铁轨长度、所述铁轨杨氏系数，及所述轨框对垂直轴的二次力矩，并根据公式：
Figure FDA0002960043170000042
，计算出一弯曲段铁轨临界轴力P1；所述中控单元再接收所述轨框对垂直轴的二次力矩、所述铁轨截面积、所述铁轨热膨胀系数、所述弯曲段铁轨轨道半径、所述弯曲段不整度侦测结果、所述铁轨杨氏系数、及所述轨道横向阻力，依序根据公式
Figure FDA0002960043170000043
Figure FDA0002960043170000044
运算出一弯曲段轨温容许上升值，所述中控单元再将所述弯曲段轨温容许上升值，及所述铁轨中性温度计算出一弯曲段铁轨温度默认值；
(H)所述中控单元可供根据所述环境温度值及所述日照量侦测值，根据公式：Trail＝1.24×Tair+1.71×S，运算出一直线段轨温预测值、及一弯曲段轨温预测值；
(I)当所述中控单元判断所述直线段轨温预测值或所述直线段铁轨温度侦测值高于所述直线段铁轨温度默认值时，又或者所述弯曲段轨温预测值或所述弯曲段铁轨温度侦测值高于所述弯曲段铁轨温度默认值时，则控制所述警报单元工作。
6.根据权利要求5所述基于轨温的铁轨安全监控方法，其特征在于，步骤(B)中：将一洒水单元设于所述铁轨外侧方用以供对铁轨洒水；步骤(C)中：当所述警报单元工作时，所述中控单元启动所述洒水单元。
7.根据权利要求6所述基于轨温的铁轨安全监控方法，其特征在于，步骤(B)中：所述热电偶轨温侦测器组与铁轨接触一面界定为内侧，其余为外侧，所述热电偶轨温侦测器组设置于铁轨的轨腹外侧前，先利用一隔热垫体套设于所述热电偶温轨侦测器外侧，再于所述热电偶轨温侦测器组内侧设置一磁铁。
8.根据权利要求7所述基于轨温的铁轨安全监控方法，其特征在于，步骤(B)中：将一太阳能板设置于所述热电偶温轨侦测器外侧，并让所述太阳能板电性连接所述热电偶温轨侦测器。
9.根据权利要求8所述基于轨温的铁轨安全监控方法，其特征在于，步骤(C)中：当所述中控单元判断所述轨温预测值或所述铁轨温度侦测值高于一紧急温度默认值时，则所述中控单元立即命令所述火车安全系统控制火车停止工作，且所述紧急温度默认值远高于所述铁轨温度默认值。
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