CN1693125A - 高速列车运行状态在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速列车运行状态在线监测方法，在每根铁轨的两侧对称设置两个激光位移探测器，各激光探测器位于同一轴线上；激光探测器发出的激光从铁轨的底侧斜向上投射到列车车轮，激光探测器扫描检测得出列车车轮端面到激光探测器距离及其偏移量，经高速数据采集处理电路后传输到检测站中的工控机记录、分析、显示；以相邻轮轴之间距离为间隔，再在每根铁轨的两侧对称设置两个探测器，检测同一转向架的四个车轮的同步位移信息，实现列车转向架转动力矩在线检测。本发明以车辆的轮轨动力学参数作为监测对象，真正实现运行状态在高速运动的实时检测，为铁路运输安全提供有效的技术保障，具有十分重要的社会效益。

Description

高速列车运行状态在线监测方法
技术领域
本发明涉及一种高速列车运行状态在线监测方法。
背景技术
近年来为适应铁路高速、重载的发展需要，许多成熟的高新技术在铁路内得到广泛应用，诸如卫星定位技术，二、三代红外线轴温探测技术，各种探伤技术，轴承故障无损检测技术、现场噪音分析等等，都在确保行车安全方面发挥了重要作用。目前，国内的铁路车辆在线检测系统检测功能主要有：
●车号自动识别系统；
●轮对踏面平轮检测-自动判别通过车辆的踏面平轮故障；
●红外轴温检测-自动判别轴承温度异常；
●车辆轮重及超偏载检测；
这类技术装备在路内已经基本成形，并逐步得到运用。国外车辆安全设备的配置和对车辆安全在线检测都出于乘客人身安全第一这样的考虑。国外在铁路安全在线检测这方面研究起步较早，主要功能设备如：
●轨道与设备的连续自动监测诊断系统；
●车载及道旁的机车车辆安全性能参数监测系统；
●实时车轮诊断系统，包括：车轮擦伤、失圆、附着物、及载荷的动态检测；轮对尺寸检测；轮对的动态探伤检测；
●列车闸瓦磨损在线检测；
●车辆识别检测系统。
●红外轴温探测系统，为防止燃轴、切轴等恶性事故的发生。
但综合国内外车辆在线检测技术装备，都存在以下不足：
●受现场条件及测量技术的限制，大部分测量技术采取的是间接测量而非直接测量技术，如轴承故障采用轴温或声强检测技术、平轮探测采用冲击测量技术等，虽然测量的物理量与车辆故障有较强的相关性，但由于不是原始特征的直接测量，受传感器响应系统及被测环境的影响较大，难以真正具备定量能力，故障预报的兑现率偏低；
●现有测量技术受被测条件的制约较大，特别是车辆运行速度，红外轴温测量车速的上限为120km/h，而平轮探测装置应在70km/h以下应用，这些设备都难以应用到高速列车的检测，而结构动力学证明中低速激励条件下的响应是不能反映高频、高强度激励条件下的系统结构响应的，也就是说，现有的技术装备不能检测高速列车的真正运行状态；
●现有的技术装备的技术原理、产品功能、设备往往是一一对应的，一项检测技术要通过一台设备实现，造成设备规模庞大，给应用及日常维护带来不便，系统集成是设备层面的，而非原理层面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以车辆的轮轨动力学参数作为监测对象的高速列车运行状态在线监测方法，真正实现列车高速运行过程中的状态监测。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：在每根铁轨的两侧对称设置两个激光位移探测器，各激光探测器位于同一轴线上；激光探测器发出的激光从铁轨的底侧斜向上投射到列车车轮，激光探测器扫描检测得出列车车轮端面到激光探测器距离及其偏移量，经高速数据采集处理电路后传输到检测站中的工控机记录、分析、显示。
激光探测器扫描检测得出列车车轮端面到激光探测器距离，一次得到的位置信息与车轮外形及其运动姿态直接相关，而位移信号的一阶和二阶导数是车轮运动的速度和加速度，当列车车轮出现故障(如踏面平轮或轴承故障)时，位移信号将出现突变，即其速度或加速度信号将呈现明显变化。也就是说在激光探测器检测到位移信息的基础上，通过车轮运动的动力学参数分析就可以实现车轮故障的诊断，同时由于信息直接在车轮上获得，缺省了中间的传递环节，因此这种故障诊断技术可以实现定量预报。
所述每个激光探测器由激光光源、光电位敏传感器和成像透镜组成；光电位敏传感器和成像透镜按其成像关系位于该透镜的光轴上，激光光源从铁轨的底侧斜向上25°～40°角投射到列车车轮，激光光源经列车车轮反射成像到的光电位敏传感器，通过后续电路得到高精度、高频响的位移信息。
所述高速数据采集处理电路采取三级并行处理的方式，大规模可编程门阵列(CPLD)控制高速数据采集的时序，高速数字处理器(DSP)对原始信号进行预处理，中央处理器(CPU)完成数据通讯及模块工作状态管理。
本发明通过在铁轨上间隔设置两个车轮传感器，运用电磁感应原理，当车轮通过车轮传感器时，将产生一个脉冲信号，连续通过两个车轮传感器产生的两个脉冲时间差可以预知车辆运行速度，从而实现对激光探测器及数据采集系统的控制。
本发明以相邻轮轴之间距离为间隔，再在每根铁轨的两侧对称设置两个探测器，增设的探测器也位于同一轴线上；探测器各自检测到相邻轮轴同一转向架的四个车轮的同步位移信息，实现列车转向架转动力矩在线检测。
正常匀速运动过程中，作用于同一转向架四个车轮的合力为0，合成转动力矩也为0，但在转向架结构异常(变形或不均匀磨损等)、轮对尺寸参数配合超差、轴承或踏面故障的情况下，同一组转向架瞬时合成力矩就不为0。
转动力矩检测模型如图1所示，在假设同一转向架轮重相等的前提下，通过对四个车轮位移矢量和速度矢量的合成分析，就可以得到同一转向架合成力矩的方向和大小。
为实现车辆的连续检测及准确预报，建立轮对数据库，在车辆轮对生命周期内其重要的技术参数都在数据库之中，利用射频识别(RFID)技术，建立车辆轮对身份标识。将存储轮对编号及其重要的维修和运行状态信息的电子标签固定在列车底部，射频天线安装在两条铁轨的中间，距离激光探测器15～20米安装，读卡机通过检测站现场的车号识别主机于系统数据库连接。这样对于某一区间的轮对异常预警信息，可以通知下一区间重点跟踪监测，在主要区间，可以直接将故障信息写入电子标签，并通知调度系统安排故障处置及维修计划。
由于采用高频响、高分辨率激光位移检测，高速信号采集和数据处理，实现高速列车踏面平轮、轴承异常、转动力矩的在线监测，实现轮对主要故障形态的定量测量及准确预报警；实现了踏面平轮及轴承故障的定量预报，实现了高速列车实时转动力矩的在线监测。真正实现运行状态在高速运动的实时检测，为铁路运输安全提供有效的技术保障，具有十分重要的社会效益。
与目前铁路行业现有的车号识别系统不同，车号识别系统仅仅标识到车辆，应用于车辆调度，而轮对标识更为细化，关注轮对的运行状态；车号识别系统的信息是单向的，仅仅读入，而本发明的状态识别信息是双向的(可以实时读出和写入)，真正实现实时电子信息化管理。
附图说明
图1为转动力矩检测模型；
图2为激光探测器在铁轨上的安装图；
图3为激光探测器的成像光路图；
图4为高速数据采集处理电路原理框图；
图5为实现本发明方法的装置的连接框图。
具体实施方式
如图2、图3所示，在每根铁轨的两侧对称设置两个激光位移探测器，各激光探测器位于同一轴线上；所述每个激光探测器由激光光源、光电位敏传感器和成像透镜组成；光电位敏传感器和成像透镜按其成像关系位于该透镜的光轴上，激光光源从铁轨的底侧斜向上36°角投射到列车车轮，激光光源经列车车轮反射成像到的光电位敏传感器。激光探测器安装在一个盒子中，激光探测器发出的激光从铁轨的底侧斜向上投射到列车车轮，激光探测器扫描检测得出列车车轮端面到激光探测器距离及其偏移量。
首先将传感器安装夹具在钢轨底部通过紧固螺栓与钢轨连接，然后将过度块安装夹具平台上，激光探测器安装于过度块上。完成激光探测器安装后就可以通过标定装置对安装结构参数进行调整和标定。
以相邻轮轴之间距离为间隔，再在每根铁轨的两侧对称设置两个探测器，各探测器位于同一轴线上；探测器各自检测到相邻轮轴四个车轮的(同一转向架)的同步位移信息，实现列车转向架转动力矩在线检测。
通过在铁轨上间隔设置两个车轮传感器，运用电磁感应原理，当车轮通过车轮传感器时，将产生一个脉冲信号，连续通过两个车轮传感器产生的两个脉冲时间差可以预知车辆运行速度，从而实现对激光探测器及数据采集系统的控制。
车轮传感器产生的脉冲时间分别为t1、t2，距离为d，则车辆运行速度为v＝d/(t2-t1)，就可以技术采样延时时间t3，采样时间长度t4。
高速数据采集处理电路采取三级并行处理的方式，如图4所示，数据采集处理电路主要包括用于控制高速数据采集时序的大规模可编程门阵列(CPLD)，用于对原始信号进行预处理的高速数字处理器(DSP)，完成数据通讯及模块工作状态管理的中央处理器(CPU)。模块具有4路高速数据采集的能力，具体技术参数如下：
●通道频响：600kHz(-3dB)
●通道增益误差≤0.001
●通道相移差≤0.1°
●通道信噪比≤10mv(peak-peak)
●单通道AD采集速率：10M/s
●单通道数据缓存：1M(16bit)
●AD：14bit，±2.5v，10MHz
●SP：TMS320VC5402，主频200MHz
●信号动态范围：30dB
●通讯接口：RS485
经高速数据采集处理电路后传输到检测站中的工控机记录、分析、显示。
为实现车辆的连续检测及准确预报，建立轮对数据库，在车辆轮对生命周期内其重要的技术参数都在数据库之中，利用射频识别(RFID)技术，建立车辆轮对身份标识。将存储轮对编号及其重要的维修和运行状态信息的电子标签固定在列车底部，射频天线安装在两条铁轨的中间，距离激光探测器15～20米安装，读卡机通过检测站现场的车号识别主机于系统数据库连接。这样对于某一区间的轮对异常预警信息，可以通知下一区间重点跟踪监测，在主要区间，可以直接将故障信息写入电子标签，并通知调度系统安排故障处置及维修计划。
如图5所示，用本方法使高速列车状态监测装置系统化，实现了踏面平轮及轴承故障的定量预报，实现了高速列车实时转动力矩的在线监测。系统结构图中W1、W2为车轮传感器，M1～M8为激光探测器，RF为车号识别天线，这些轨边传感器构成探测区域，当列车通过时系统进入实时数据采集状态，由W1、W2控制系统的工作时序，探测站由前置机及工控机构成，完成信号采集及数据分析，分析结果经网络连接进入控制中心数据库，完成故障分析、预报及处理。

Claims (6)

1、一种高速列车运行状态在线监测方法，其特征在于在每根铁轨的两侧对称设置两个激光位移探测器，各激光探测器位于同一轴线上；激光探测器发出的激光从铁轨的底侧斜向上投射到列车车轮，激光探测器扫描检测得出列车车轮端面到激光探测器距离及其偏移量，经高速数据采集处理电路后传输到检测站中的工控机记录、分析、显示。
2、根据权利要求1所述的一种高速列车运行状态在线监测方法，其特征在于所述每个激光探测器由激光光源、光电位敏传感器和成像透镜组成；光电位敏传感器和成像透镜按其成像关系位于该透镜的光轴上，激光光源从铁轨的底侧斜向上25°～40°角投射到列车车轮，激光光源经列车车轮反射成像到的光电位敏传感器，通过后续电路得到高精度、高频响的位移信息。
3、根据权利要求1所述的一种高速列车运行状态在线监测方法，其特征在于所述高速数据采集处理电路采取三级并行处理的方式，大规模可编程门阵列(CPLD)控制高速数据采集的时序，高速数字处理器(DSP)对原始信号进行预处理，中央处理器(CPU)完成数据通讯及模块工作状态管理。
4、根据权利要求1所述的一种高速列车运行状态在线监测方法，其特征在于通过在铁轨上间隔设置两个车轮传感器，当车轮通过车轮传感器时，将产生一个脉冲信号，连续通过两个车轮传感器产生的两个脉冲时间差可以预知车辆运行速度，从而实现对激光探测器及数据采集系统的控制。
5、根据权利要求1所述的一种高速列车运行状态在线监测方法，其特征在于以相邻轮轴之间距离为间隔，再在每根铁轨的两侧对称设置两个探测器，增设的探测器也位于同一轴线上；探测器各自检测到相邻轮轴同一转向架的四个车轮的同步位移信息，实现列车转向架转动力矩在线检测。
6、根据权利要求1所述的一种高速列车运行状态在线监测方法，其特征在于建立轮对数据库，在车辆轮对生命周期内其重要的技术参数都在数据库之中，利用射频识别(RFID)技术建立车辆轮对身份标识；将存储轮对编号及其重要的维修和运行状态信息的电子标签固定在列车底部，射频天线安装在两条铁轨的中间，距离激光探测器15～20米安装，读卡机通过现场检测站中的工控主机于系统数据库连接。
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