(19)中华人民共和国国家知识产权局
*CN102416970A*
(10)申请公布号 CN 102416970 A(43)申请公布日 2012.04.18
(12)发明专利申请
(21)申请号 201110307867.8(22)申请日 2011.10.12
(71)申请人北京安通伟业铁路工务技术有限公
司
地址100055 北京市宣武区南蜂窝路9-2号
7层
申请人济南轨道交通装备有限责任公司(72)发明人王五一 王晋刚 王立新 王菲菲
周宝庆 时洪光 刘秉一 李春芳(74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限
公司 37221
代理人王吉勇
(51)Int.Cl.
B61K 9/10(2006.01)G01N 29/04(2006.01)
权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页
(54)发明名称
一种钢轨断裂在线监测系统及其敲击检测方法(57)摘要
本发明公开了一种钢轨断裂在线监测系统，包括安装于钢轨侧面或底面的敲击单元、信号采集传感器组、列车通过感应装置，和安装在铁路轨道旁边的信号放大器、控制单元以及安装在与工务相关的诊断室内的上位机，敲击单元和列车通过感应装置均通过线路与控制单元相连，信号采集传感器组经信号放大器与控制单元相连，控制单元与上位机相连。本发明还公开了利用所述系统的在线敲击检测方法，通过列车通过感应装置自动检测列车通过，发送检测信号给控制单元，控制敲击单元敲击钢轨产生声波，信号采集传感器采集的信号经过信号放大器传输给控制单元分析处理，并将处理信息发送到上位机。本发明能够实时检测列车通过、判断钢轨的完好性，方法可靠、实用。
CN 102416970 ACN 102416970 ACN 102416980 A
权 利 要 求 书
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1.一种钢轨断裂在线监测系统，其特征是，其包括：与工务相关的诊断基站内监测的铁路岔区的钢轨侧面或底面安装有敲击单元(1)、信号采集传感器组(2)、列车通过感应装置(3)，和安装在铁路钢轨旁边的信号放大器(4)、控制单元(5)以及安装在与工务相关的诊断室内的上位机(6)，所述敲击单元(1)和列车通过感应装置(3)均通过线路与控制单元(5)相连，信号采集传感器组(2)经信号放大器(4)与控制单元(5)相连，控制单元(5)与上位机(6)相连。
2.如权利要求1所述的钢轨断裂在线监测系统，其特征是，所述安装于钢轨侧面或底面的敲击单元(1)是用来实现对钢轨侧面或底面的敲击，敲击时能够产生8K～10K频率的信号。
3.如权利要求1所述的钢轨断裂在线监测系统，其特征是，所述安装于钢轨侧面或底面的信号采集传感器组(2)包括两个声传感器或振动传感器，一个声传感器或振动传感器安装于靠近敲击单元(1)的钢轨侧面或底面上，另一个声传感器或振动传感器安装在钢轨道岔的另一检测端，敲击单元(1)敲击时，两个传感器同时接收信号，利用两个传感器接收的信号幅值特征值之间的关系来判断钢轨的健康情况，同时安装在敲击单元(1)处的传感器可以对整个系统进行自检，自检通过安装在敲击单元(1)处的传感器有无信号来进行。
4.如权利要求1所述的钢轨断裂在线监测系统，其特征是，所述安装于钢轨侧面或底面的列车通过感应装置(3)为若干个接近开关或声传感器或振动传感器。
5.如权利要求1所述的钢轨断裂在线监测系统，其特征是，所述安装在铁路钢轨旁边的信号放大器(4)是由依次相连的一个跟随器、一个加法器及一个反相比例放大器组成，该信号放大器(4)能将信号采集传感器组(2)的高阻抗变换为低阻抗，便于远距离传输，信号放大器根据需要调节放大倍数以适应不同现场状况。
6.如权利要求1所述的钢轨断裂在线监测系统，其特征是，所述安装在铁路钢轨旁边的控制单元(5)包括以ARM Cortex-M3为核心的处理器，用于采集信号采集传感器组(2)信号且与所述处理器相连的A/D转换器，用于驱动敲击单元(1)工作且与所述处理器相连的固态继电器，所述处理器与上位机通过RS485接口或无线通信接口进行通讯，控制单元(5)具备可扩展功能。
7.如权利要求1所述的钢轨断裂在线监测系统，其特征是，所述安装在与工务相关的诊断室内的上位机(6)与控制单元(5)之间采用RS485接口或者采用无线通信形式传输数据，上位机(6)的控制界面设有图形显示区、设备和钢轨的状态报警区。
8.一种采用权利要求1所述的系统的钢轨断裂在线敲击检测方法，其特征是，包括以下步骤：
1)列车通过感应装置(3)自动检测列车通过，并发送检测信号给控制单元(5)；2)控制单元(5)在接收到列车通过感应装置(3)发出的信号后延时1～3分钟后，控制敲击单元(1)敲击钢轨，敲击单元(1)敲击钢轨产生8K～10K固定频率的信号；
3)通过信号采集传感器组(2)采集敲击单元(1)产生的声信号或振动信号，并传输到控制单元(5)进行数据分析处理；
4)根据数据分析处理的信号特征判断钢轨健康状况，并将判断钢轨健康状况的结果上传到安装在与工务相关的诊断室内的上位机(6)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征是，所述步骤1)中列车通过检测是依靠安装于钢
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权 利 要 求 书
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轨侧面或底面的列车通过感应装置(3)的3个接近开关或声传感器或振动传感器来实现的，3个接近开关或声传感器或振动传感器安装在一组道岔上；判断方法为：当任意一个接近开关或声传感器或振动传感器测到信号表示列车进入该组道岔区，当其余两个接近开关或声传感器或振动传感器中的任意一个出现N次通断现象后出现常断开状态时，表示列车已经通过该组道岔，延时1～3分钟进行系统启动，其中，N表示一列火车的车轮对数。
10.如权利要求8所述的方法，其特征是，所述步骤3)中控制单元(5)进行的数据分析处理依靠信号采集传感器组(2)采集信号的幅值差特征来进行分析；初安装时，先通过自学习的功能对待检健康钢轨进行信号幅值差特征值的选取，即采集信号采集传感器组(2)的若干次数据采集，对于采集到的多组数据进行分析处理，最终取出此系统监测钢轨的正常时的特征值，并存储做为判定的基值，当检测到的幅值差低于基值的10％～20％时为预警提示，幅值差为正常检测基础值的20％～30％时为断裂报警。
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说 明 书
一种钢轨断裂在线监测系统及其敲击检测方法
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技术领域
本发明涉及一种铁路道岔部位的在线监测技术，尤其是一种钢轨断裂在线监测系统及其敲击检测方法。
[0001]
背景技术
道岔是一种使铁路机车车辆从一股道转入另一股道的线路连接设备，通常在车
站、编组站大量铺设。有了道岔，可以充分发挥线路的通过能力。即使是单线铁路，铺设道岔，修筑一段大于列车长度的叉线，就可以对开列车。道岔构造复杂、养护维修投入大，道岔断裂会造成重大安全事故。
[0003] 在日常的钢轨超声探伤检测中，由于铁路道岔区的钢轨形状特殊，日常探伤作业不能检测到岔区内的尖轨，轨芯等特殊形状的岔区钢轨，这个区域的检查一直采用人工观察的办法，存在监测不及时、滞后、误判、劳动成本高的缺点。由于铁路道岔主要完成换道功能，其特殊的作用和结构使得应用于监测钢轨断裂的电信号无法覆盖到道岔区，因此，这里存在一个监测盲区。随着铁路提速战略的广泛实施，高速铁路道岔区断轨监测盲区的存在成为铁路安全运行的一个需要解决的问题。
[0002]
发明内容
[0004] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于钢轨断裂在线监测系统及其敲击检测方法，该系统及方法具有在线实时监测的功能，确保每列列车通过时钢轨的完好性；信号具有传输距离远，监测距离长的特点；系统可靠性高，具有自检和自学习的功能，不会出现误判现象；劳动效率高、成本低。[0005] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：[0006] 一种钢轨断裂在线监测系统，其包括：与工务相关的诊断基站内监测的铁路岔区的钢轨侧面或底面安装有敲击单元、信号采集传感器组、列车通过感应装置，和安装在铁路钢轨旁边的信号放大器、控制单元以及安装在与工务相关的诊断室内的上位机，所述敲击单元和列车通过感应装置均通过线路与控制单元相连，信号采集传感器组经信号放大器与控制单元相连，控制单元与上位机相连。
[0007] 所述的敲击单元对钢轨侧面或底面的敲击，敲击时能够产生8K～10K之间的频率信号。
[0008] 所述的信号采集传感器组由两个传感器(声传感器或振动传感器)组成，安装时一个传感器靠近敲击单元，一个传感器安装在钢轨道岔的另一检测端，敲击单元敲击时，两个传感器同时接收信号，利用两个传感器接收的信号幅值特征值之间的关系来判断钢轨的健康情况，同时安装在敲击单元处的传感器可以对敲击单元进行自检，整套系统初安装时，通过采集传感器组的若干次数据采集，对于采集到的多组数据进行处理，最终取出此系统监测钢轨的正常时的特征值，并进行记忆作为判定的基值，每套系统安装时都进行此操作，完成系统本身针对指定监测对象的自学习。
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说 明 书
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所述的列车通过感应装置采用接近开关或声传感器或振动传感器，每组道岔采用3个接近开关或传感器，当任意一个接近开关或传感器检测到信号表示列车进入该组道岔区，当其余两个接近开关(或传感器)中的任意一个出现N(N由一列火车的车轮对数决定)次通断现象后出现常断开状态(或传感器信号极弱时)，表示列车已经通过该组道岔，延时1～3分钟进行系统启动。
所述的信号放大器包括依次相连的一个跟随器、一个加法器及一个反相比例放大
器，信号放大器可以将传感器的高阻抗变换为低阻抗，便于远距离传输，信号放大器可以根据需要调节放大倍数以适应不同现场状况。
[0011] 所述安装在铁路钢轨旁边的控制单元包括以ARM Cortex-M3为核心的处理器，用于采集信号采集传感器组信号且与所述处理器相连的A/D转换器，用于驱动敲击单元工作且与所述处理器相连的固态继电器，所述处理器与上位机通过RS485接口或无线通信接口进行通讯，控制单元具备可扩展功能。
[0012] 所述的上位机与控制单元之间采用有线连接或者采用无线发送形式传输数据，上位机的控制界面设有图形显示区、设备和钢轨的状态报警区。[0013] 一种利用钢轨断裂在线监测系统的敲击检测方法，包括以下步骤：[0014] 1)列车通过感应装置自动检测列车通过，并发送检测信号给控制单元；[0015] 2)控制单元在接收到列车通过感应装置发出的信号后延时1～3分钟后，发送指令给敲击单元，敲击单元敲击钢轨产生8K～10K的固定频率；
[0016] 3)通过信号采集传感器组采集敲击单元产生的声信号或振动信号，并传输到控制单元进行数据分析处理；
[0017] 4)根据数据分析处理的信号特征判断钢轨健康状况，并将判断钢轨健康状况的结果上传到安装在与工务相关的诊断室内的上位机。
[0018] 所述步骤1)中列车通过检测是依靠安装于钢轨侧面或底面的列车通过感应装置的3个接近开关或声传感器或振动传感器来实现的，3个接近开关或声传感器或振动传感器安装在一组道岔上；判断方法为：当任意一个接近开关或声传感器或振动传感器测到信号表示列车进入该组道岔区，当其余两个接近开关或声传感器或振动传感器中的任意一个出现N次通断现象后出现常断开状态，表示列车已经通过该组道岔，延时1～3分钟进行系统启动，其中，N表示一列火车的车轮对数。
[0019] 所述步骤3)中控制单元进行的数据分析处理依靠信号采集传感器组采集信号的幅值差特征来进行分析；初安装时，先通过自学习的功能对待检健康钢轨进行信号幅值差特征值的选取，即采集信号采集传感器组的若干次数据采集，对于采集到的多组数据进行分析处理，最终取出此系统监测钢轨的正常时的特征值，并存储做为判定的基值，当检测到的幅值差低于基值的10％～20％时为预警提示，幅值差为正常检测基础值的20％～30％时为断裂报警。
[0010] [0020] [0021] [0022] [0023] [0024]
本发明的有益效果：1、具有在线实时监测的功能，确保每列列车通过时钢轨的完好性。2、采用敲击的办法产生的信号具有传输距离远，监测距离长的特点。3、系统可靠性高，具有自检和自学习的功能，不会出现误判现象。4、劳动效率高、成本低。
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CN 102416970 ACN 102416980 A[0025]
说 明 书
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5、系统显示直观，扩展能力强
附图说明
图1是钢轨断裂在线监测装置系统示意图；[0027] 图2是信号放大器的系统示意图；[0028] 图3是控制单元的系统示意图；
[0029] 图4是钢轨断裂在线监测装置自学习功能控制图；[0030] 图5敲击检测方法控制流程图；[0031] 其中1.敲击单元，2.信号采集传感器组(传感器I、传感器II)，3.列车通过感应装置，4.信号放大器，4-1跟随器，4-2加法器，4-3反相比例，5.控制单元，5-1处理器，5-2A/D转换器，5-3固态继电器，5-4RS485接口或无线通信接口，6、上位机，7.钢轨。
[0026]
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。[0033] 如图1所示，该钢轨断裂在线监测系统包括安装于钢轨7侧面或底面的敲击单元1、信号采集传感器组2、列车通过感应装置3和安装在铁路钢轨7旁边的信号放大器4、控制单元5以及安装在与工务相关的诊断室内的上位机6组成。所述敲击单元1和列车通过感应装置3均通过线路与控制单元5相连，信号采集传感器组2经信号放大器4与控制单元5相连，控制单元5与上位机6相连。
[0034] 本发明通过列车通过感应装置3自动检测列车通过，然后发送检测信号给控制单元5，控制单元5在接收到列车通过的信号后控制敲击单元5以固定频率和敲击力敲击钢轨，敲击产生的声波在钢轨7内传播，信号采集传感器组2采集信号经过信号放大器4处理后反馈给控制单元5，控制单元5进行分析处理，根据接收到的声波幅值差特征判断钢轨健康状况并将处理信息发送到上位机6。声波幅值差为正常检测基础值的10％～20％时为预警提示，声波幅值差为正常检测基础值的20％～30％时为断裂报警。[0035] 附图2，信号放大器4是由一个跟随器4-1、一个加法器4-2及一个反相比例放大器4-3组成，可以将传感器的高阻抗变换为低阻抗，便于远距离传输，信号放大器可以根据需要调节放大倍数以适应不同现场状况。[0036] 附图3，控制单元5是由以ARM Cortex-M3为核心的处理器5-1，用于采集传感器信号且与所述处理器5-1相连的A/D转换器5-2，用于驱动敲击单元工作且与所述处理器5-1相连的固态继电器5-3，与上位机进行通讯的RS485接口或无线通信接口5-4组成，控制单元5具备可扩展功能。工作时ARM处理器首先检测列车通过感应装置的信号，然后通过固态继电器驱动敲击锤敲击钢轨，同时传感器的信号经过A/D转换器采集到ARM处理器，ARM处理器对采集到的信号进行分析处理，将分析得到的结果及数据通过有线或无线通信模块发送到上位机。[0037] 附图4，系统安装完毕，首先启动系统自学习功能，针对此检测钢轨确定其检测基础值，启动控制单元5内的程序，发送指令给敲击单元1，敲击单元1开始敲击钢轨产生8K～10K的固有频率的信号。信号采集传感器组2开始采集声波信号，并对两个信号采集传感器I、II的特征幅值进行记录，并对比两特征幅值进行记录，连续进行若干次试验，选
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取若干次试验差值的平均值做为其检测的基础值，并将此检测的基础值返馈控制单元5，完成钢轨断裂在线监测系统运行时的参数设定。[0038] 附图5，钢轨断裂在线监测系统正常运行时，列车通过感应装置3感应列车通过，列车通过完毕延时1～3分钟后，控制单元5启动检测程序，发送指令给敲击单元1，敲击单元1开始敲击钢轨产生8K～10K的固有频率。信号采集传感器组2开始采集声波信号并经信号放大器4放大后反馈给控制单元5，控制单元5进行分析处理，判断钢轨的健康情况并将结果发送到上位机6进行显示，完成一次检测。
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说 明 书 附 图
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图1
图2
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说 明 书 附 图
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图4
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说 明 书 附 图
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图5
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