CN211855221U - 铁路钢轨三维位移监测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了铁路钢轨三维位移监测设备，包括位于钢轨一侧的观测柱，观测柱上设置有控制器机箱及三个激光测距传感器机箱，钢轨的轨腰上连接有辅助件，辅助件的B面与轨腰连接，辅助件的A面上分别用于测量Z、X、Y轴方向位移的第一测量面、第二测量面和第三测量面，第一测量面、第二测量面和第三测量面分别与三个激光测距传感器相对。本设备结构简单，能便捷的对本设备进行安装，实现实时、自动、准确、无接触测量，代替人工观测，提高工作效率。

Description

铁路钢轨三维位移监测设备

技术领域

本实用新型涉及铁路线路领域，具体涉及铁路钢轨三维位移监测设备。

背景技术

中国铁路无论是普速铁路还是高速铁路，大量采用无缝轨道线路，所以钢轨无法在温度改变时自由伸缩，从而在钢轨内部产生很大的温度应力，当扣件压力不足以抵消温度应力时，钢轨就会发生位移，温度持续升高时引发胀轨跑道，当温度较低时则容易出现断轨，严重影响行车安全；因此，观测钢轨位移变化是铁路管理的日常工作和重要工作。

传统的观测方式是在线路边预先设置位移观测桩，采用人工观测的方式读取纵向位移量。然而，此种测量方法精度低、效率低、且只能测量纵向(Y方向)一个方向的位移值。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种钢轨三维位移监测设备，该设备包括测量设备及辅助件；通过观测柱上的三个激光测距传感器对应辅助件上的三个测量面，并通过激光测距传感器测量三个测量面的距离变化来得到钢轨分别在X、Y、Z轴方向上的位移，实现对钢轨位移的监测。

本实用新型的另一个目的在于，通过采集器、通信模块、观测桩等组成一个可进行自动测量的监测设备。观测桩安装于铁路钢轨一侧，通过三路测距激光传感器，把激光打在固定在轨腰上一特定的测量组件上，通过测量距离，以及三角函数的计算得到钢轨的三维位移。设备通过无线传输模块与网络服务器连接，把数据上传至控制中心服务器数据库中，供分析使用。这样，监测设备及网络服务器加控制和管理软件构成完整系统。

该目的采用以下技术方案实现：

铁路钢轨三维位移监测设备，包括位于钢轨一侧的观测柱，观测柱上设置有三个激光测距传感器，钢轨的轨腰上连接有辅助件，辅助件的B面与轨腰连接，辅助件的A面上设置有分别用于测量Z、X、Y轴方向位移的第一测量面、第二测量面和第三测量面，第一测量面、第二测量面和第三测量面分别与三个激光测距传感器相对；

本设备的辅助件可为一个A侧面被切割为三个不同的平面的长方体结构，该结构的B侧面与钢轨的轨腰连接，A侧面为与B侧面相对的面，将A侧面从左到右依次分为第一测量面、第二测量面、第三测量面，其中，第二测量面为ZY竖直平面，第一测量面和第三测量面均与ZY平面具有夹角，第一测量面和第二测量面的交线为Y轴所在直线，第三测量面和第二测量面的交线为Z轴所在直线。

当钢轨发生位移后，会带动辅助件共同移动，当辅助件移动后，三个激光测距传感器分别测到第一测量面、第二测量面、第三测量面之间的距离会发生变化，根据变化值，以及第一测量面、第二测量面、第三测量面与ZY竖直平面之间的夹角，根据直角三角形的三角计算公式，可分别得到钢轨在Z、X、Y轴方向上的位移。

三个激光测距传感器的激光发射口分别与对应的第一测量面、第二测量面和第三测量面的中心点位于同一水平直线上。对应的初始位置设置在测量面的中心点上。

辅助件的A面和B面为两个相对平行的平面，ZY平面为竖直平面，第一测量面和第二测量面的交线为Y轴所在直线，当钢轨在Z轴方向位移时，激光测距传感器到第一测量面的距离势必会发生变化，因此通过在第一测量面上距离的变化，以及第一测量面与竖直平面之间的夹角，通过三角函数计算即可得到轨道在Z轴方向上的位移；同理，第三测量面和第二测量面的交线为Z轴所在直线，通过激光测距传感器测得的到第三测量面的距离的改变，并结合第三测量面与竖直平面之间的夹角，通过直角三角形的三角计算，即可得到轨道在Y轴方向上的位移；第二测量面为竖直平面，即可直接得到其在X轴上的位移。

同时，机箱内设置有控制器，三个激光测距传感器将对第一测量面、第二测量面和第三测量面的监测的距离数据传送给控制器，控制器通过无线通信方式把位移数据传送给控制中心。

当三个激光测距传感器将对第一测量面、第二测量面和第三测量面的距离进行监测，得到钢轨位移后的数据，激光测距传感器将该数据发送给控制器，控制器对数据采用现有的计算方式进行计算，得到钢轨在X、Y、Z轴方向上的位移，进而得到钢轨的位移，通过这种方式，实现了钢轨三维位移的无接触自动测量。

更进一步的，铁路钢轨三维位移监测设备，观测柱上还设置有太阳能板，太阳能板与水平面之间的夹角为45度。机箱还设置有用于控制蓄电池充电状态的太阳能充电控制器。本装置通过蓄电池提供电源，电池为激光测距传感器等提供电源，在使用时，通过太阳能充电控制器控制蓄电池的充电状态，无需外接电源，设备可独立运行，对于野外工作设备，自供电非常重要。

其次，本设备还包括设置在轨腰上的温度传感器，温度传感器通过磁钢固定在轨腰上，磁钢内设置有凹槽，温度传感器固定在凹槽内，并通过磁力与轨腰固定连接。

通过温度传感器实时的监测钢轨的温度，可与锁定轨温进行对比，推算钢轨内部产生的温度应力，轨温传感器通过电缆安装，与无接触红外测量轨温比较极大提高了测量精度。

具体的，观测柱上设置有放置箱，三个激光测距传感器并排放置在放置箱内，并且放置箱上设置有与三个激光测距传感器的激光发射口对应的三个激光口。

通过放置箱对激光测距传感器进行放置保护，放置箱可用于防尘、挡雨，在使用的过程中，更有利于增长使用寿命，便于长期使用。

优选的，辅助件的B面与轨腰通过磁力连接。本结构设置在轨腰上，结构简单，通过磁力连接，不需要破坏轨道，安装简单。

本设备的辅助件还可通过安装件连接在轨腰上，安装件包括U型结构和连接板，U型结构的侧面与连接板连接，U型结构的U型槽用于固定连接钢轨的轨底，连接板用于固定连接辅助件。

其中，U型结构由两个相互平行的侧板和一个底板组成。底板垂直连接在两个侧板之间，使U型结构形成一个U型槽状结构。

U型结构与轨底连接时，两个侧板分别位于轨底的上下两端，底板与轨底垂直。位于轨底上端的侧板上设置有若干第一通孔，第一螺杆穿过第一通孔与轨底的上端相接触，并通过第一螺杆的作用力将U型结构固定在轨底上。

连接板的下端与位于轨底上端的侧板即U型结构的侧面垂直连接，连接板与辅助件固定连接，因此辅助件通过由连接板和U型结构组成的安装件固定在轨腰上。

具体的，辅助件的中心为空心结构，辅助件与地面相对的底面设置有与其内部的空心结构连通的通孔，连接板的下端与位于轨底上端的侧板连接，连接板的上端穿过辅助件的底面并插入辅助件的内部，辅助件的B面上设置有若干第三通孔，连接板上设置有若干第二通孔，第三通孔和第二通孔相互对应。第二螺杆的一端通过第三通孔、第二通孔分别穿过辅助件的B面以及连接板，并通过螺纹将辅助件与连接板进行固定。

连接板与辅助件固定后，辅助件固定在轨腰处，并且辅助件的A面上的三个测量面与三个激光位移传感器相对应。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型铁路钢轨三维位移监测设备，本设备结构简单，没有繁杂的结构，能便捷的对本设备进行安装，提高使用效率；

2、本实用新型铁路钢轨三维位移监测设备，本设备设置有三个测量面，能自动准确的对钢轨的位移进行监测，采用激光测距实现无接触测量，比人工测量准确度更高，实现实时、自动、无接触监测。

3、本实用新型铁路钢轨三维位移监测设备，本设备不仅提高了监测的准确度，还取代人工上道测量，解决了大量人工成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型放置箱结构示意图；

图3为本实用新型辅助件结构示意图；

图4为本实用新型辅助件另一结构示意图；

图5为安装件、辅助件与钢轨的结构示意图；

图6为辅助件通过安装件固定在钢轨上时结构示意图；

图7为轨道和观测柱之间位置关系以及X、Y、Z轴的方向示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-观测柱，2-放置箱，3-激光测距传感器，4-机箱，5-太阳能板，6-辅助件，7-第一测量面，8-第二测量面，9-第三测量面，10-U型结构，11-连接板，12-第二通孔，121-第二螺杆，13-第一通孔，131-第一螺杆，14-通槽，15-第三通孔，16-钢轨。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-3所示，本实用新型铁路钢轨三维位移监测设备，包括位于钢轨一侧的观测柱1，观测柱1上设置有三个激光测距传感器3，钢轨的轨腰上连接有辅助件6，辅助件6的B面与轨腰连接，辅助件6的A面上设置有分别用于测量Z、X、Y轴方向位移的第一测量面7、第二测量面8和第三测量面9，第一测量面7、第二测量面8和第三测量面9分别与三个激光测距传感器3相对；

第二测量面8为ZY平面，第一测量面7和第二测量面8的交线为Y轴所在直线，第三测量面9和第二测量面8的交线为Z轴所在直线。

本设备在使用时，观测柱1的底座与地面固定连接，放置箱2通过角钢固定在观测柱1上，三个激光测距传感器3并排放置在放置箱中，三个激光测距传感器3的激光发射口与分别与第一测量面7、第二测量面8和第三测量面9的中心点相对，在测量时，第一测量面7、第二测量面8和第三测量面9的中心点为原始点，当钢轨发生位移后，通过监测的改变后的距离，以及第一测量面7、第三测量面9分别与竖直平面之间夹角，计算出钢轨在Z、X、Y轴方向上的位移，即得到钢轨的位移。

优选的，如图4所示，第一测量面7的测量面朝向下方，这样在使用时，在下雨等情况下，能有效的减少测量面与雨水等物体接触的面积，减少辅助件6的测量误差

实施例2

在实施例1的基础上，如图7所示，观测柱位于轨道的一侧，在本实施中ZY竖直平面，Z、Y、X轴相互垂直，并且轨道所延伸的方向与ZX平面垂直，机箱4内设置有控制器，三个激光测距传感器3将对第一测量面7、第二测量面8和第三测量面9的监测的距离数据传送给控制器，控制器通过无线把数据传送给控制中心。

三个激光测距传感器3的测量点初始位置设定为第一测量面7、第二测量面8和第三测量面9的中心点。

本设备的三个激光测距传感器3为型号为GLLM02C-100(量程100米精度1mm)的传感器，控制器采用：ARM Cortex-M3内核32位处理器；激光测距传感器3信号输出端与采集控制器的输入端连接，控制器通过直角三角形的三角函数公式计算得到钢轨在X、Y、Z轴方向上的位移数据，并将该位移数据通过型号为EC20的无线传输模块发送给控制中心。本设备的激光测距传感器、控制器等的均为现有的器件，并且该器件之间的连接方式也采用现有的连接方式进行连接。

本实施例中，第二测量面8为长为100mm，高位70mm的矩形，第一测量面7为长为70mm，斜边为

的矩形，第一测量面7与竖直平面之间的夹角为45度，第三测量面9为长为

高为70mm的矩形，第三测量面9与竖直平面之间的夹角为45度。

在计算时，当钢轨发生Z轴方向上的位移时，第一测量面7上的激光测距传感器得到原始距离A1和位移后的距离A2，A1和A2的差得到ΔA，结合第一测量面7与ZY平面之间的角度，通过直角三角形的计算公式，得到Z轴上的位移ΔZ；

例如，当ΔA为10mm，第一测量面7与ZY平面之间的夹角为45度时，根据直角三角形边长与角度之间的计算原理，ΔZ也为10mm。

钢轨发生X轴方向上的位移时，第二测量面8上的激光测距传感器得到原始距离B1和位移后的距离B2，B1和B2的差得到ΔB，即为X轴方向上的位移；

钢轨发生Y轴方向上的位移时，第三测量面9上的激光测距传感器得到原始距离C1和位移后的距离C2，C1和C2的差得到ΔC，根据ΔC和第三测量面9与ZY平面之间的角度，通过直角三角形的计算公式，得到Y轴方向上的位移ΔY。

例如，ΔC为20mm，第三测量面与竖直平面之间的夹角为45度，根据直角三角形边长与角度之间的计算公式，ΔY为20mm。

本设备的激光测距传感器3通过设置在机箱4内的蓄电池提供电源，同时，通过太阳能板5对蓄电池充电。

实施例3

太阳能板5安装朝向正南，与水平成45度。观测柱1上还设置有用于控制蓄电池充电状态的太阳能充电控制器。

本设备还包括设置在轨腰上的温度传感器，温度传感器通过磁钢固定在轨腰上，磁钢内设置有凹槽，温度传感器固定在凹槽内，并通过磁力与轨腰固定连接。

辅助件6的B面与轨腰通过磁力连接。

机箱4分为两部分，外部的屏蔽罩和箱体，箱体包含：箱体门(含隔热层)、机箱衬板、接地柱、接线孔(防水锁头)；屏蔽罩的作用：遮阳、防雨、防尘、防辐射；箱体门(含隔热层)：防止高温下箱体温度过高。机箱4内的衬板：方便控制器、电池等组件的安装和维护。接地柱：方便地线的连接，防雷；接线孔(防水锁头)：以及防潮、防水。

放置箱2与激光口相对的侧面上焊接有固定板，固定板与观测柱1通过螺栓固定连接。机箱4的侧面上也焊接有固定板，该固定板也与观测柱1通过螺栓固定连接。

太阳能板5上固定连接有支撑柱，支撑柱与观测柱1通过螺栓固定连接。

实施例4

在实施例2的基础上，本设备的辅助件还可通过安装件连接在轨腰上，安装件的结构如图5所示，并且辅助件的A面从左到右分为三部分，第二部分的内部为空腔，并且第二部分的下端具有贯穿其内部的通槽14，第二部分在辅助件的A面上的面为第二测量面，固定时，其结构如图6所示，安装件的连接板11穿过第二部分的下端进入辅助件的内部，然后通过第二螺杆121穿过辅助件B面的第三通孔15、连接板上的第二通孔12，将辅助件、连接板进行固定。

然后将安装件的U型结构10的U型槽卡在轨底上，通过第一螺杆131穿过U型结构侧面的第一通孔13，通过紧固第一螺杆131，使安装件的U型槽固定在轨底上。

根据实际的操作经验，U型槽与轨底的尺寸相对应，在固定时，不需要在轨底上进行打孔，即可通过第一螺杆的一端抵在轨底上，即可将安装件与钢轨16固定起来。

以上所述的具体实施方式，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方式而已，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 (8)

1.铁路钢轨三维位移监测设备，其特征在于，包括位于钢轨一侧的观测柱(1)和辅助件(6)，观测柱(1)上设置有三个激光测距传感器(3)，辅助件(6)连接在钢轨(16)的轨腰上，辅助件(6)的B面与轨腰连接，辅助件(6)的A面上设置有分别用于测量Z、X、Y轴方向位移的第一测量面(7)、第二测量面(8)和第三测量面(9)，第一测量面(7)、第二测量面(8)和第三测量面(9)分别与三个激光测距传感器(3)相对；

第二测量面(8)为ZY平面，第一测量面(7)和第三测量面(9)均与ZY平面具有夹角，第一测量面(7)和第二测量面(8)的交线为Y轴所在直线，第三测量面(9)和第二测量面(8)的交线为Z轴所在直线。

2.根据权利要求1所述的铁路钢轨三维位移监测设备，其特征在于，观测柱(1)上还设置有太阳能板(5)，太阳能板(5)与水平面之间的夹角为45度。

3.根据权利要求1所述的铁路钢轨三维位移监测设备，其特征在于，本设备还包括设置在轨腰上的温度传感器，温度传感器通过磁钢固定在轨腰上，磁钢内设置有凹槽，温度传感器固定在凹槽内，并通过磁力与轨腰固定连接。

4.根据权利要求1所述的铁路钢轨三维位移监测设备，其特征在于，观测柱(1)上设置有放置箱(2)，三个激光测距传感器(3)并排放置在放置箱(2)内，并且放置箱(2)上设置有与三个激光测距传感器(3)的激光发射口对应的三个激光口，激光口为透明材料。

5.根据权利要求1所述的铁路钢轨三维位移监测设备，其特征在于，辅助件(6)的B面与轨腰通过磁力连接。

6.根据权利要求1所述的铁路钢轨三维位移监测设备，其特征在于，三个激光测距传感器(3)的激光发射口分别与对应的第一测量面(7)、第二测量面(8)和第三测量面(9)的中心点位于同一水平直线上。

7.根据权利要求1-4任一所述的铁路钢轨三维位移监测设备，其特征在于，本设备还包括安装件，安装件包括U型结构(10)和连接板(11)，U型结构(10)的侧面与连接板(11)连接，U型结构(10)的U型槽用于固定连接钢轨(16)的轨底，连接板(11)用于固定连接辅助件(6)。

8.根据权利要求7所述的铁路钢轨三维位移监测设备，其特征在于，U型结构(10)与轨底通过若干第一螺杆(131)固定连接；连接板(11)与辅助件(6)通过若干第二螺杆(121)固定连接。

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