CN209706773U - 钢铝复合接触轨磨损检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种钢铝复合接触轨磨损检测系统,包括:检测控制器,与数据采集器连接,用于向数据采集器发送检测开始信号和/或检测停止信号;数据采集器,安装在列车底部,与磨损检测仪连接,用于在列车运行过程中,根据接收的检测开始信号和/或检测停止信号后,开始或停止采集钢铝复合接触轨的状态数据;将钢铝复合接触轨的状态数据发送至磨损检测仪;磨损检测仪,用于接收并转发钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的磨损数据。本实用新型可以检测钢铝复合接触轨磨损,结构简单、检测速度快,测量精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及接触轨磨损检测领域,尤其涉及一种钢铝复合接触轨磨损检测系统。
背景技术
接触轨是将电能传输到地铁及城市轨道交通系统电力牵引车辆(电动车组)的特殊供电装置。接触轨沿着走行轨布置,电动车组由伸出的集电靴与之接触而接受电能,为轨道交通列车上面所有设备提供电力支持,如图1所示,给出了接触轨5、集电靴6和电动车组的7的位置关系。
钢铝复合接触轨是城市轨道交通供电系统的主体,具有导电性能好、载流量大、重量轻,安装方便、耐腐蚀、使用寿命长等优点,在城市轨道交通项目广泛采用。钢铝复合接触轨采用铝轨本体与不锈钢钢带复合而成,主要有机械模压铆合和焊接复合两种形式,不锈钢钢带即为接触轨接触表面。例如专利号为201230224323.0的钢铝复合接触轨,采用机械模压铆接复合,其不锈钢带两侧制多个圆孔(几何结构特征),复合时将复合模豆对正圆孔进行钢铝铆合。专利号为201120055378.3的钢铝复合接触轨采用焊接复合,将两个J形钢带分别钩在铝轨本体的两侧(几何结构特征),将两个J形钢带的接缝焊合。专利号为201721368495.9一种钢铝复合接触轨,通过机械复合使长槽外部的铝轨本体8包覆在不锈钢带8上的同时凸棱嵌入凹槽中,最终在铝轨本体的轨头两侧形成条形凹坑(几何结构特征9),如图2所示。
参照走行轨检查接触轨的接触面,接触轨的中心与最近的走行轨的内侧的水平距离应为726.5±5mm,垂直距离为200±5mm,如果接触轨和集电靴的角度不同,将会导致有效接触面减小,局部发生过热现象,并可能产生严重的电磨损(触点的电磨损是因为触点之间存有电阻,在大电流通电时会发热引起触点接触层熔化,而在瞬间接触或断开时甚至会引起空气气隙击穿),进而出现接触轨不锈钢带的不均匀磨损。
接触轨一般电压为DC1500V,采用人工静态测量接触轨接触面磨损状态,效率低、工作量大,并且只能在有限的断电时间内进行检测,检测点少,密度低,又脱离列车运行时的动态状况,这些都不利于接触轨的科学评价管理和计划维修。如果带电作业可能会造成高压端接地引起供电中断,甚至是人员触电伤亡的惨剧。
实用新型内容
本实用新型实施例提出一种钢铝复合接触轨磨损检测系统,用以检测钢铝复合接触轨磨损,结构简单、检测速度快,测量精度高,该系统包括:
检测控制器,与数据采集器连接,用于向数据采集器发送检测开始信号和/或检测停止信号;
数据采集器,安装在列车底部,与磨损检测仪连接,用于:在列车运行过程中,根据接收的检测开始信号和/或检测停止信号后,开始或停止采集钢铝复合接触轨的状态数据;将钢铝复合接触轨的状态数据发送至磨损检测仪。
磨损检测仪,用于接收并转发钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的磨损数据。
在本实用新型实施例中,检测控制器,与数据采集器连接,用于向数据采集器发送检测开始信号和/或检测停止信号;数据采集器,安装在列车底部,与磨损检测仪连接,用于:在列车运行过程中,根据接收的检测开始信号和/或检测停止信号后,开始或停止采集钢铝复合接触轨的状态数据;将钢铝复合接触轨的状态数据发送至磨损检测仪;磨损检测仪,用于接收并转发钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的磨损数据。本系统可以直接获得钢铝复合接触轨的磨损数据,无需人工巡检,因此检测速度快,测量精度高,且系统结构简单。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
图1为城市轨道交通电动车组供电结构示意图;
图2为接触轨结构的示意图;
图3为本实用新型实施例中钢铝复合接触轨磨损检测系统的示意图;
图4为本实用新型实施例中钢铝复合接触轨磨损检测系统的部分组成单元的安装示意图;
图5为本实用新型实施例中相机和反射镜的安装示意图;
图6为其他计算设备获得钢铝复合接触轨的磨损数据的流程图;
图7为标定的原理;
图8为确定结构光平面三维模型的流程图;
图9为光源发出的激光与对标基准线的夹角示意图;
图10为其他计算设备获得钢铝复合接触轨的磨损数据的过程;
图11为曲率坐标计算原理图;
图12为根据三个坐标点确定测量基准坐标系的原理图;
图13为实际接触轨图像坐标系与标准接触轨图像坐标系变换关系;
图14为采用本系统进行钢铝复合接触轨磨损检测的具体过程。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此,本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型,但并不作为对本实用新型的限定。
为了实现列车在运行时的钢铝复合接触轨磨损的动态检测,本实用新型实施例提出了一种钢铝复合接触轨磨损检测系统。
图3为本实用新型实施例中钢铝复合接触轨磨损检测系统的示意图,如图3所示,该系统包括:
检测控制器,与数据采集器连接,用于向数据采集器发送检测开始信号和/或检测停止信号;
数据采集器,安装在列车底部,与磨损检测仪连接,用于:在列车运行过程中,根据接收的检测开始信号和/或检测停止信号后,开始或停止采集钢铝复合接触轨的状态数据;将钢铝复合接触轨的状态数据发送至磨损检测仪;
磨损检测仪,用于接收并转发钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的的磨损数据。
在本实用新型实施例中,检测控制器,与数据采集器连接,用于向数据采集器发送检测开始信号和/或检测停止信号;数据采集器,安装在列车底部,与磨损检测仪连接,用于:在列车运行过程中,根据接收的检测开始信号和/或检测停止信号后,开始或停止采集钢铝复合接触轨的状态数据;将钢铝复合接触轨的状态数据发送至磨损检测仪;磨损检测仪,用于接收并转发钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的的磨损数据。本系统可以直接获得钢铝复合接触轨的磨损数据,无需人工巡检,因此检测速度快,测量精度高,且系统结构简单。
图4为本实用新型实施例中钢铝复合接触轨磨损检测系统的部分组成单元的安装示意图,如图4所示,数据采集器1安装在列车底部,可用于采集接触轨5的状态数据;检测控制器2可以安装在列车上,也可以位于地面固定设备上采用无线通信的方式,但检测控制器2安装在列车上时,与数据采集器1的通信效果最好;磨损检测仪3可以安装在列车上,也可以位于地面固定设备上采用无线通信的方式,但磨损检测仪3安装在列车上时,与数据采集器1的通信效果最好。检测控制器2和磨损检测仪3在与数据采集器1进行通信时,可以采用有线通信的方式,也可以采用无线通信的方式。
在一实施例中,钢铝复合接触轨磨损检测系统还包括与磨损检测仪连接的预警装置,用于根据接收的钢铝复合接触轨的磨损数据,发出预警信息;
磨损检测仪还用于:向预警装置发送钢铝复合接触轨的磨损数据。
在图4中,预警装置4与磨损检测仪3连接,可以安装在列车上,也可以位于地面固定设备上采用无线通信的方式,但预警装置4安装在列车上时,与磨损检测仪3的通信效果最好。
另外,数据采集器高度集成化、小型化,设备体积小、重量轻,检测控制器、磨损检测仪和预警装置均可以集成,使得钢铝复合接触轨磨损检测系统的整体使用方便灵活,遇到故障,直接整体更换,即装即用。
在一实施例中,接触轨的状态数据包括图像数据、压力数据和温度数据中的其中一种或任意组合。
在上述实施例中,图像数据可以通过光学成像元件采集到,压力数据可以由压力传感器采集到,温度数据可以由温度传感器采集到,这些都可以用来分析接触轨的状态信息。下面给出的实施例主要是以图像数据为例的。
在一实施例中,数据采集器包括:
相机,用于拍摄钢铝复合接触轨,获得钢铝复合接触轨的图像数据。
具体实施时,数据采集器为保障相机充分采集图像,可以包括光源,下面为其中一个实施例。
在一实施例中,数据采集单元还包括光源,用于发出激光,照亮钢铝复合接触轨;
相机具体用于:在光源发出激光时,拍摄钢铝复合接触轨,获得钢铝复合接触轨的图像数据。
在上述实施例中,激光与相机之间的夹角在设定范围内。
在一实施例中,数据采集器还包括反射镜,用于:将光源发出的激光汇聚于接触轨上形成接触轨轮廓激光线。
在一实施例中,光源发出的激光为近红外光808nm、蓝光450nm和红光650nm中的其中一种。
上述类型的激光可以获得更宽的亮度范围,使得相机具有更好的图像效果。反射镜可以自动调节焦距,保持光源发出的激光汇聚于接触轨上,同时使相机清晰拍摄接触轨的外观图像。图5为本实用新型实施例中相机和反射镜的安装示意图,可以看到相机11和反射镜12的位置。
在一实施例中,数据采集器安装在列车底部的车体上,或数据采集器安装在列车底部的转向架上。
在一实施例中,钢铝复合接触轨磨损检测系统,还包括存储器,用于存储钢铝复合接触轨的状态数据、钢铝复合接触轨的磨损数据和预警信息。
在数据采集器安装在列车底部的车体上时,相机与光源夹角为30°时成像效果最好,在数据采集器安装在列车底部的转向架上时,相机与光源夹角为45°时成像效果最好;在反射镜与相机的距离为50mm时且相机与光源的距离为50mm时成像效果最好。数据采集器距离走行轨距离大于350mm时成像效果最好。
在具体实施时,磨损检测仪用于接收并转发钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的磨损数据,具体实施时,根据钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的磨损数据的过程是由其他计算设备完成的,其他计算设备在计算过程中是与磨损检测仪多次交互的磨损检测仪只提供接口用于接收钢铝复合接触轨的状态数据,并向其他计算设备转发,而不会根据钢铝复合接触轨获得钢铝复合接触轨的磨损数据。举一例,其他计算设备获得钢铝复合接触轨的磨损数据之后,然后通过磨损检测仪的接口发送至磨损检测仪。
图6为其他计算设备获得钢铝复合接触轨的磨损数据的流程图,如图6所示,包括:
步骤601,获取标定板上的多组控制点对和激光线;
步骤602,根据标定板上的多组控制点对和激光线,确定结构光平面三维模型;
步骤603,将钢铝复合接触轨的图像数据,输入至结构光平面三维模型,获得钢铝复合接触轨的图像数据对应的钢铝复合接触轨的空间位置;
步骤604,根据钢铝复合接触轨的图像数据和对应的钢铝复合接触轨的空间位置,获得钢铝复合接触轨的磨损数据。
在上述实施例中,获取标定板上的多组控制点对和激光线,且根据标定板上的多组控制点对和激光线,确定结构光平面三维模型的过程为磨损检测仪进行标定的过程,图7为标定的原理,如图7所示,步骤601中,首先获取一个标定板,标定板为平面板,标定板上有多组控制点,固定光源13与相机11,保证标定过程中两者位置的固定。在标定范围内自由放置标定板,由相机采集多幅激光线,在采集激光线时,每次移动标定板,在不开启光源的情况下,拍摄一张不带激光线的图像,然后打开激光光源,拍摄一张带激光线的图像,再次移动位置,重复上述步骤,直至采集完多幅激光线的图像,即得到多组激光线。
图8为确定结构光平面三维模型的流程图,如图8所示,其他计算设备根据标定板上的多组控制点对和激光线,确定结构光平面三维模型的具体过程包括:
步骤801,根据标定板上的多组控制点对和激光线,确定多个特征点;
步骤802,根据相机内定向参数和多组控制点对获得相机相对标定板的外定向参数;
步骤803,计算多个特征点在标定板上的坐标;
步骤804,根据相机的内定向参数、相对标定板的外定向参数和控制点,获得特征点在相机坐标系中的坐标;
步骤805,根据特征点在相机坐标系中的坐标,确定结构光平面三维模型。
在上述实施例中,步骤801中,多组控制点的连线与激光线的交点为多个特征点。
相机相对标定板的外定向参数包括标定板在相机坐标系下的位姿参数,因此,步骤802中,根据相机内定向参数和多组控制点对获得相机相对标定板的外定向参数的过程包括:首先根据相机内定向参数和多组控制点对,获得标定板在相机坐标系下的位置姿态,然后根据标定板在相机坐标系下的位置姿态,获得标定板在相机坐标下的位姿参数。
步骤803中,计算多个特征点在标定板上的坐标的过程包括:首先,根据特征点在图像坐标系的坐标(u,v),获得特征点在标定板上的坐标(Xt,Yt,0)。
步骤804中,根据相机的内定向参数、相对标定板的外定向参数和控制点,获得特征点在相机坐标系中的坐标,其中,特征点在相机坐标系中的坐标(Xc,Yc,Zc)与特征点在标定板上的坐标(Xt,Yt,0)的换算关系如下:
其中,Rt,tt分别代表相机坐标系到标定板坐标系的平移向量和旋转矩阵。
步骤805中,根据特征点在标定板上的坐标,和特征点在相机坐标系中的坐标,确定结构光平面三维模型。
由于所有的特征点都是位于激光结构光平面上的,相应的(Xc,Yc,Zc)满足一定的线性关系,去掉这种线性关系后,可以看作只有(Xc,Yc)。
结构光平面三维模型可以采用如下公式表示:
公式(2)和公式(3)表示的结构光平面三维模型包括8个参数,因此,只要确定这8个参数的值,即可得到完整的结构光平面三维模型。
根据特征点在相机坐标系中的坐标,确定结构光平面三维模型的过程包括:获得多个特征点在图像坐标系下的坐标(u,v),通过上述过程获得多个特征点在相机坐标系中的坐标(Xc,Yc,Zc),然后,带入公式(2)和公式(3)中,即可获得l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8八个参数的值,在八个参数的值已知后,即可得到完整的结构光平面三维模型。以上获得结构光平面三维模型的过程提高了标定的速度,降低了成本,保证了精度,具有较高的现场实用性。
光源发出的激光垂直切割接触轨,在调试阶段,在接触轨上粘贴对标基准线,调节光源,通过图像算法计算激光线与对标基准线的夹角,夹角小于1°即完成,此时相机成像效果最好,图9为光源发出的激光与对标基准线的夹角示意图,图像算法如下:
其中,θ为激光线与对标基准线的夹角;
(x1,y1,z1)为激光线上第一点坐标,(x2,y2,z2)为对标基准线上第二点坐标,(x3,y3,z3)为第一点坐标和第二点坐标组成的直线上的一点。
图10为其他计算设备获得钢铝复合接触轨的磨损数据的过程,如图10所示,包括:
步骤1001,根据钢铝复合接触轨的图像数据,获得多条接触轨边缘轮廓线的曲率;
步骤1002,根据多个接触轨边缘轮廓线的曲率,建立测量基准坐标系;
步骤1003,将钢铝复合接触轨的图像数据和对应的钢铝复合接触轨的空间位置,以及标准钢铝复合接触轨的图像数据输入至测量基准坐标系,在测量基准坐标系下对比钢铝复合接触轨的图像数据与标准钢铝复合接触轨的图像数据,获得钢铝复合接触轨磨损数据。
在步骤1001中,相机清晰拍摄接触轨的几何特征的图像,其最显著的特征就是曲线的曲率,因此计算接触轨的曲线曲率来获得钢铝复合接触轨磨损数据,方法简单便捷,普适性强。
图11为曲率坐标计算原理图,如图11所示,可以采用如下公式,根据钢铝复合接触轨的图像数据,获得多条接触轨边缘轮廓线的曲率:
其中,k为某点曲率;
m1,m2为接触轨边缘轮廓上的点;
xi,yi为某坐标点;Δs为m1,m2两点间的弧长;
n一般取4~6,此时即可计算出比较精确的曲率值。
步骤1002中,根据多个接触轨边缘轮廓线的曲率,建立测量基准坐标系,图12为根据三个坐标点确定测量基准坐标系的原理图,如图12所示,比较曲率最大值确定测量基准的3个坐标点A、B、C,建立的测量基准坐标系中,AB与AC交点为坐标原点,AB向为X轴、AC向为Y轴。
图13为实际接触轨图像坐标系与标准接触轨图像坐标系变换关系,将xoy笛卡尔直角坐标系x方向平移a个单位、y方向平移b个单位、逆时针旋转角度α变化到x’o’y’直角坐标系,变换关系数学表达式为:
在步骤1003中,根据上述的变换关系,将钢铝复合接触轨的图像数据和对应的钢铝复合接触轨的空间位置,以及标准钢铝复合接触轨的图像数据输入至测量基准坐标系,在测量基准坐标系下对比钢铝复合接触轨的图像数据与标准钢铝复合接触轨的图像数据,获得钢铝复合接触轨磨损数据。
在一实施例中,预警装置还包括:
显示屏,用于显示预警信息;
指示灯,用于在指示灯亮时进行预警;
蜂鸣器,用于蜂鸣预警。
图14为采用本系统进行钢铝复合接触轨磨损检测的具体过程,如图14所示,该具体过程包括:
步骤1401,数据采集器组装;
若数据采集器准备安装在列车底部的车体上时,相机与光源夹角为30°,若数据采集器准备安装在列车底部的转向架上时,相机与光源夹角为45°;
步骤1402,其他计算设备执行标定,确定结构光平面三维模型;
具体执行时,参照步骤601-步骤602,以及步骤801-步骤805的方法确定结构光平面三维模型;
步骤1403,将数据采集器准备安装在列车底部的车体上,或列车底部的转向架上;
数据采集器距离走行轨距离大于350mm;
步骤1404,在接触轨上粘贴对标基准线,调节光源;
通过公式(4)的图像算法计算激光线与对标基准线的夹角,夹角小于1°即完成调节;
步骤1405,列车运行,检测控制器向数据采集器发送检测开始信号,数据采集器接收检测开始信号开始采集钢铝复合接触轨的状态数据;
具体执行时,光源发出激光通过反射镜照射在接触轨上,相机通过反射镜拍摄接触轨,反射镜可以自动调节焦距,保持光源发出的激光汇聚于接触轨上,同时使相机清晰拍摄接触轨的图像,获得钢铝复合接触轨的状态数据;
步骤1406,磨损检测仪将钢铝复合接触轨的状态数据发送至其他计算设备,其他计算设备获得钢铝复合接触轨的磨损数据后发送至磨损检测仪;
其他计算设备按照步骤1001-步骤1003获得钢铝复合接触轨的磨损数据;
步骤1407,预警装置根据钢铝复合接触轨的磨损数据,发出预警信息。
本实用新型实施例提出的系统可以满足不同车辆的使用要求,快速实现检测功能,极大的节约成本,不再需要人员在电动车组上实时编辑数据,极大节约了人力资源,同时车上无检测设备,不占用旅客空间,增加了运力。
随着我国城市轨道交通建设的飞速发展,接触轨磨损动态检测也越来越重要,创新实用的检测系统必将得到更加广泛的应用,并且产生重要的社会效益和经济效益。
在本实用新型实施例中提出的钢铝复合接触轨磨损检测系统中,检测控制器,与数据采集器连接,用于向数据采集器发送检测开始信号和/或检测停止信号;数据采集器,安装在列车底部,与磨损检测仪连接,用于:在列车运行过程中,根据接收的检测开始信号和/或检测停止信号后,开始或停止采集钢铝复合接触轨的状态数据;将钢铝复合接触轨的状态数据发送至磨损检测仪;磨损检测仪,用于接收并转发钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的的磨损数据。本系统可以直接获得钢铝复合接触轨的磨损数据,无需人工巡检,因此检测速度快,测量精度高,且系统结构简单。
另外,预警装置还根据接收的钢铝复合接触轨的磨损数据,发出预警信息,便于对钢铝复合接触轨的后续检修。数据采集器高度集成化、小型化,设备体积小、重量轻,检测控制器、磨损检测仪和预警装置均可以集成,使得钢铝复合接触轨磨损检测系统的整体使用方便灵活,遇到故障,直接整体更换,即装即用。数据采集器还包括反射镜,可将光源发出的激光汇聚于接触轨上,便于相机成像。获得结构光平面三维模型的过程提高了标定的速度,降低了成本,保证了精度,具有较高的现场实用性。
以上所述的具体实施例,对本实用新型的目的、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,以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已,并不用于限定本实用新型的保护范围,凡在本实用新型的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,包括:
检测控制器,与数据采集器连接,用于向数据采集器发送检测开始信号和/或检测停止信号;
数据采集器,安装在列车底部,与磨损检测仪连接,用于:在列车运行过程中,根据接收的检测开始信号和/或检测停止信号后,开始或停止采集钢铝复合接触轨的状态数据;将钢铝复合接触轨的状态数据发送至磨损检测仪;
磨损检测仪,用于接收并转发钢铝复合接触轨的状态数据,获得钢铝复合接触轨的磨损数据。
2.如权利要求1所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,还包括预警装置,用于根据接收的钢铝复合接触轨的磨损数据,发出预警信息;
磨损检测仪还用于:向预警装置发送钢铝复合接触轨的磨损数据。
3.如权利要求1所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,钢铝复合接触轨的状态数据包括钢铝复合接触轨的图像数据、压力数据和温度数据中的其中一种或任意组合。
4.如权利要求3所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,数据采集器包括:
相机,用于拍摄钢铝复合接触轨,获得钢铝复合接触轨的图像数据。
5.如权利要求4所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,数据采集器还包括光源,用于发出激光,照亮钢铝复合接触轨;
相机具体用于:在光源发出激光时,拍摄钢铝复合接触轨,获得钢铝复合接触轨的图像数据。
6.如权利要求5所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,数据采集器还包括反射镜,用于将光源发出的激光汇聚于接触轨上。
7.如权利要求1所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,数据采集器安装在列车底部的车体上或列车底部的转向架上。
8.如权利要求1所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,还包括存储器,用于存储钢铝复合接触轨的状态数据、钢铝复合接触轨的磨损数据和预警信息。
9.如权利要求5所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,光源发出的激光为近红外光808nm、蓝光450nm和红光650nm中的其中一种。
10.如权利要求5所述的钢铝复合接触轨磨损检测系统,其特征在于,预警装置还包括:
显示屏,用于显示预警信息;
指示灯,用于在指示灯亮时进行预警;
蜂鸣器,用于蜂鸣声预警。
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