CN113983993A - 基于向心力的轨道曲率检测装置、方法及应用 - Google Patents

基于向心力的轨道曲率检测装置、方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于向心力的轨道曲率检测装置、方法及应用，检测装置固定在沿轨道行进的车辆上，检测装置包括测试盒，测试盒上安装倾角传感器、GPS模块、单片机和数据传输模块，单片机速度获取模块得到测试盒随车辆运动的速度，测试盒内设有测量块，测量块的左压力面与测试盒的左侧壁之间、右压力面与测试盒的右侧壁之间均设置压力传感器，检测方法包括参数检测、计算、数据传输、数据筛选。本发明的检测装置随车辆行进，能够检测并记录轨道全线的曲率，检测效率高，结构简单、小巧，计算方法精准，既可以通过相同路段的曲率变化来监测轨道变形的变化幅度，也可对列车转弯进行超速预警，为轨道行车的安全性提供保障。

Description

基于向心力的轨道曲率检测装置、方法及应用
技术领域
本发明涉及安全检测技术领域，具体涉及一种基于向心力的轨道曲率检测装置、方法及应用。
背景技术
轨道在交通、娱乐设施、供料运输等领域被普遍应用，在弯道处，轨道曲率大小是影响运行车辆速度的重要参数，所以探究如何测量轨道曲率具有重要的意义。
鉴于轨道的距离长、曲率小，所以测量难度较大。
目前在轨道交通领域，测量轨道曲率的方法主要包括人工检测与图像识别检测方法。前者检测速度慢、精度低，且人工成本高；后者具有检测准确率高的优势，但该方法需要采集大量图像，对数据存储能力和计算效率要求较高，数据筛查效率低，成本较大。
另外，随着列车不断提速，在弯道处列车与铁轨之间的横向作用力会随之增大，导致铁轨的形变也会随之增加，可能引发列车运营的重大安全风险或事故。因此，需要一种客观的、非人为的设备对轨道形变进行实时在线监测，以保障行车安全。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于向心力的轨道曲率检测装置、方法及应用，能够检测并记录轨道全线的曲率，检测效率高，结构简单、小巧，计算方法精准，既可以通过相同路段的曲率变化来监测轨道变形的变化幅度，也可对列车转弯超速进行预警，为轨道行车的安全性提供保障。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于向心力的轨道曲率检测装置，所述检测装置固定安装在沿轨道行进的车辆上，检测装置包括呈长方体形状的测试盒，测试盒上安装倾角传感器、GPS模块、单片机和数据传输模块，单片机通过速度获取模块得到测试盒随车辆运动的速度，测试盒的左侧壁和右侧壁均平行于测量块随车辆行进的方向，测试盒的底板平行于车辆的底板，测试盒内部通过限位机构设置有测量块，测量块的前侧、后侧、左侧和右侧分别为前滑动面、后滑动面、左压力面和右压力面，前滑动面、后滑动面、左压力面和右压力面均为平面，左压力面与测试盒的左侧壁之间、右压力面与测试盒的右侧壁之间均设置压力传感器。
进一步，所述限位机构为悬吊装置，所述测量块安装在悬吊装置的下端。
进一步，所述悬吊装置包括沿车辆行进方向水平设置在测试盒内的横杆和通过轴承安装在横杆上的纵杆，所述测量块安装在纵杆的下端，纵杆自然下垂，纵杆的延长线穿过测量块的重心。
进一步，所述悬吊装置包括沿车辆行进方向水平设置在测试盒内的横杆和固定连接在横杆上的拉线，所述测量块安装在拉线的下端，拉线在测量块的重力作用下自然下垂，拉线的延长线穿过测量块的重心。
进一步，所述限位机构包括安装在测量块下表面、上表面、前滑动面、后滑动面的滚轮，滚轮与邻近的测试盒内壁抵接。
进一步，车辆处于水平状态时，所述压力传感器不受挤压。
进一步，所述压力传感器安装在测试盒的左侧壁和右侧壁上或者测量块的左压力面和右压力面。
进一步，所述测试盒为三个，三个测试盒分别安装在与两根轨道对应的位置以及两根轨道间距的中点位置。
用检测装置检测轨道曲率的方法，步骤一：参数检测，车辆行进时，压力传感器检测到测量块因离心力产生的压力值F，GPS模块获取测量块的地理位置信息，倾角传感器检测到测量块随车辆在垂直于轨道方向倾斜的角度α，速度获取模块检测到车辆运动的速度v，该速度v等于测量块的速度；
步骤二：计算，步骤一中检测的参数传至单片机，单片机通过计算得到轨道的曲率k；
步骤三：数据传输，通过数据传输模块将步骤二计算得到的曲率k及其对应的地理位置信息进行传输至总控制室的存储器；
步骤四：数据筛选，总控制室的存储器中的曲率k及其对应的地理位置信息被调取后，去除其中的突变数据，从而避免车辆在进出隧道过程中、与对向行驶的车辆相遇过程中因气流突变造成的车身横向摆动对检测结果的影响。
进一步，所述步骤二的计算公式为
Figure BDA0003310737180000031
式中：m为测量块质量，g为重力加速度。
轨道曲率的应用：
应用一：通过相同路段的曲率变化来监测轨道变形的变化幅度。具体操作如下：从曲率数值入手，比较本次全程曲率测量值与上次全程曲率测量值的变化，将变化值超过安全阈值的位置标记为可疑点，通过数据传输上报维护部门，为安全检测提供依据；
应用二：列车转弯超速预警。具体操作如下：当列车驶入弯道时，装置测得曲率数值发生变化，则判定为列车转弯，依据列车转弯的限速要求，向驾驶员发出减速信号。
本发明的有益效果是：本发明的检测装置随车辆行进，能够检测并记录轨道全线的曲率，检测效率高，结构简单、小巧，计算方法精准，既可以通过相同路段的曲率变化来监测轨道变形的变化幅度，也可对列车转弯超速进行预警，为轨道的安全性提供保障。本发明考虑了弯道处轨道的倾角因素，进一步提高了检测精度。
附图说明
图1是本发明第一种具体实施方式的剖视图；
图2是本发明第二种具体实施方式的剖视图；
图3是本发明第三种具体实施方式的剖视图；
图4是本发明测量块的受力分析示意图。
图5是本发明电学元件之间的连接关系图。
图中：1、测试盒 2、倾角传感器 3、GPS模块 4、单片机 5、测量块 6、压力传感器7、横杆 8、轴承 9、硬杆 10、拉线 11、滚轮 12、数据传输模块 13、速度获取模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示的第一种具体实施方式，基于向心力的轨道曲率检测装置，所述检测装置固定安装在沿轨道行进的车辆上，检测装置包括三个呈长方体形状的测试盒1，测试盒1上安装倾角传感器2、GPS模块3、单片机4和数据传输模块12，单片机4通过速度获取模块13得到测试盒1随车辆运动的速度，测试盒1的左侧壁和右侧壁均平行于测量块1随车辆行进的方向，测试盒1的底板平行于车辆的底板，测试盒1内部通过限位机构设置有测量块5，测量块5的前侧、后侧、左侧和右侧分别为前滑动面、后滑动面、左压力面和右压力面，前滑动面、后滑动面、左压力面和右压力面均为平面，左压力面与测试盒1的左侧壁之间、右压力面与测试盒1的右侧壁之间均设置压力传感器6。单片机4通过速度获取模块13得到测试盒1随车辆运动的速度，速度获取模块13采用光电式车速传感器或磁电式车速传感器或霍尔式车速传感器。
车辆处于水平状态时，所述压力传感器6不受挤压。
所述压力传感器6安装在测试盒1的左侧壁和右侧壁上或者测量块5的左压力面和右压力面。
所述三个测试盒1分别安装在与两根轨道对应的位置以及两根轨道间距的中点位置。三个测试盒1内的仪器，分别能够测量出外侧轨道、内侧轨道的曲率以及平均曲率。设置三个测试盒1，检测数据更全面，此外，三组数据相互比对，单个数据出现异常时更易发现系统故障。
所述限位机构为悬吊装置，所述测量块5安装在悬吊装置的下端。
所述悬吊装置包括沿车辆行进方向水平设置在测试盒1内的横杆7和通过轴承8安装在横杆7上的纵杆9，所述测量块5安装在纵杆9的下端，纵杆9自然下垂，纵杆9的延长线穿过测量块5的重心。
参看图2所示的第二种具体实施方式，本实施方式的限位机构也采用悬吊装置，所述测量块5安装在悬吊装置的下端。悬吊装置包括沿车辆行进方向水平设置在测试盒1内的横杆7和固定连接在横杆7上的拉线10，所述测量块1安装在拉线10的下端，拉线10在测量块1的重力作用下自然下垂，拉线10的延长线穿过测量块1的重心。拉线10采用钢丝制成，具有良好的抗延展性。
参看图3所示的第三种具体实施方式，所述限位机构包括安装在测量块5下表面、上表面、前滑动面、后滑动面的滚轮11，滚轮11与邻近的测试盒1内壁抵接。上表面的滚轮11起到主要支撑测量块5的作用，其他面的滚轮11能够防止测量块5因行进产生的竖直方向的微小跳动和因加减速在行进方向的摆动，滚轮11也能将测量块5与测量盒1之间的摩擦力降到最低。
参看图4和5，用检测装置检测轨道曲率的方法，步骤一：参数检测，车辆行进时，压力传感器6检测到测量块5因离心力产生的压力值F，GPS模块3获取测量块的地理位置信息，倾角传感器2检测到测量块5随车辆在垂直于轨道方向倾斜的角度α，速度获取模块13检测到车辆运动的速度v，该速度v等于测量块5的速度；
步骤二：计算，步骤一中检测的参数传至单片机4，单片机3通过计算得到轨道的曲率k；
步骤三：数据传输，通过数据传输模块12将步骤二计算得到的曲率k及其对应的地理位置信息进行传输至总控制室的存储器；
步骤四：数据筛选，总控制室的存储器中的曲率k及其对应的地理位置信息被调取，去除其中的突变数据，从而避免车辆在进出隧道过程中、与对向行驶的车辆相遇过程中因气流突变造成的车身横向摆动对检测结果的影响。
所述步骤二的计算公式为
Figure BDA0003310737180000051
式中：m为测量块质量，g为重力加速度。
下面结合图4说明公式(1)的推导过程：图4中，FN是限位机构对测量块的合力，具体来说是第一种具体实施方式中硬杆9对测量块5的拉力，第二种实施方式中拉线10对测量块5的拉力，第三种具体实施方式中滚轮11对测量块5的支撑力；Fc为测量块5向心力，F为压力传感器6的检测值，也就是压力传感器6与测量块5之间的相互作用力。
首先在竖直方向，FN在竖直方向的分力等于测量块5的重力与F在竖直方向的分力之和，故得出公式(2)如下：
FN·cosα＝mg+F·sinα (2)
其次在水平方向，测量块5向心力Fc等于FN在水平方向的分力与F在水平方向的分力之和，故得出公式(3)如下：
Fc＝FN·sinα+F·cosα (3)
又根据向心力定义得出公式(4)如下：
Figure BDA0003310737180000061
式中为轨道的曲率半径r，曲率半径r的倒数即为曲率k；
将公式(2)中的FN和(4)中的Fc代入公式(3)，即可得出公式(1)。
轨道曲率的应用：
应用一：通过相同路段的曲率变化来监测轨道变形的变化幅度。具体操作如下：从曲率数值入手，比较本次全程曲率测量值与上次全程曲率测量值的变化，将变化值超过安全阈值的位置标记为可疑点，通过数据传输模块12上报维护部门，为安全检测提供依据。
应用二：列车转弯超速预警。具体操作如下：当列车驶入弯道时，装置测得曲率数值发生变化，则判定为列车转弯，依据列车转弯的限速要求，向驾驶员发出减速信号。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (11)

1.一种基于向心力的轨道曲率检测装置，其特征在于：所述检测装置固定安装在沿轨道行进的车辆上，检测装置包括呈长方体形状的测试盒，测试盒上安装倾角传感器、GPS模块、单片机和数据传输模块，单片机通过速度获取模块得到测试盒随车辆运动的速度，测试盒的左侧壁和右侧壁均平行于测量块随车辆行进的方向，测试盒的底板平行于车辆的底板，测试盒内部通过限位机构设置有测量块，测量块的前侧、后侧、左侧和右侧分别为前滑动面、后滑动面、左压力面和右压力面，前滑动面、后滑动面、左压力面和右压力面均为平面，左压力面与测试盒的左侧壁之间、右压力面与测试盒的右侧壁之间均设置压力传感器。
2.根据权利要求1所述的基于向心力的轨道曲率检测装置，其特征在于：所述限位机构为悬吊装置，所述测量块安装在悬吊装置的下端。
3.根据权利要求2所述的基于向心力的轨道曲率检测装置，其特征在于：所述悬吊装置包括沿车辆行进方向水平设置在测试盒内的横杆和通过轴承安装在横杆上的纵杆，所述测量块安装在纵杆的下端，纵杆自然下垂，纵杆的延长线穿过测量块的重心。
4.根据权利要求2所述的基于向心力的轨道曲率检测装置，其特征在于：所述悬吊装置包括沿车辆行进方向水平设置在测试盒内的横杆和固定连接在横杆上的拉线，所述测量块安装在拉线的下端，拉线在测量块的重力作用下自然下垂，拉线的延长线穿过测量块的重心。
5.根据权利要求1所述的基于向心力的轨道曲率检测装置，其特征在于：所述限位机构包括安装在测量块下表面、上表面、前滑动面、后滑动面的滚轮，滚轮与邻近的测试盒内壁抵接。
6.根据权利要求1所述的基于向心力的轨道曲率检测装置，其特征在于：车辆处于水平状态时，所述压力传感器不受挤压。
7.根据权利要求1所述的基于向心力的轨道曲率检测装置，其特征在于：所述压力传感器安装在测试盒的左侧壁和右侧壁上或者测量块的左压力面和右压力面。
8.根据权利要求1所述的基于向心力的轨道曲率检测装置，其特征在于：所述测试盒为三个，三个测试盒分别安装在与两根轨道对应的位置以及两根轨道间距的中点位置。
9.用权利要求1-8任一项的检测装置检测轨道曲率的方法，其特征在于：
步骤一：参数检测，车辆行进时，压力传感器检测到测量块因离心力产生的压力值F，GPS模块获取测量块的地理位置信息，倾角传感器检测到测量块随车辆在垂直于轨道方向倾斜的角度α，速度获取模块检测到车辆运动的速度v，该速度v等于测量块的速度；
步骤二：计算，步骤一中检测的参数传至单片机，单片机通过计算得到轨道的曲率k；
步骤三：数据传输，通过数据传输模块将步骤二计算得到的曲率k及其对应的地理位置信息进行传输至总控制室的存储器；
步骤四：数据筛选，总控制室的存储器中的曲率k及其对应的地理位置信息被调取后，去除其中的突变数据，从而避免车辆在进出隧道过程中、与对向行驶的车辆相遇过程中因气流突变造成的车身横向摆动对检测结果的影响。
10.根据权利要求9所述的检测轨道曲率的方法，其特征在于：所述步骤二的计算公式为
Figure FDA0003310737170000021
式中：m为测量块质量，g为重力加速度。
11.轨道曲率的应用：
应用一：通过相同路段的曲率变化来监测轨道变形的变化幅度；
应用二：列车转弯超速预警。
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