專利名稱：高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
近年來為適應(yīng)鐵路高速、重載的發(fā)展需要，許多成熟的高新技術(shù)在鐵路內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，諸如衛(wèi)星定位技術(shù)，二、三代紅外線軸溫探測技術(shù)，各種探傷技術(shù)，軸承故障無損檢測技術(shù)、現(xiàn)場噪音分析等等，都在確保行車安全方面發(fā)揮了重要作用。目前，國內(nèi)的鐵路車輛在線檢測系統(tǒng)檢測功能主要有●車號自動識別系統(tǒng)；●輪對踏面平輪檢測-自動判別通過車輛的踏面平輪故障；●紅外軸溫檢測-自動判別軸承溫度異常；●車輛輪重及超偏載檢測；這類技術(shù)裝備在路內(nèi)已經(jīng)基本成形，并逐步得到運用。國外車輛安全設(shè)備的配置和對車輛安全在線檢測都出于乘客人身安全第一這樣的考慮。國外在鐵路安全在線檢測這方面研究起步較早，主要功能設(shè)備如●軌道與設(shè)備的連續(xù)自動監(jiān)測診斷系統(tǒng)；●車載及道旁的機車車輛安全性能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)；●實時車輪診斷系統(tǒng)，包括車輪擦傷、失圓、附著物、及載荷的動態(tài)檢測；輪對尺寸檢測；輪對的動態(tài)探傷檢測；●列車閘瓦磨損在線檢測；●車輛識別檢測系統(tǒng)。
●紅外軸溫探測系統(tǒng)，為防止燃軸、切軸等惡性事故的發(fā)生。
但綜合國內(nèi)外車輛在線檢測技術(shù)裝備，都存在以下不足
●受現(xiàn)場條件及測量技術(shù)的限制，大部分測量技術(shù)采取的是間接測量而非直接測量技術(shù)，如軸承故障采用軸溫或聲強檢測技術(shù)、平輪探測采用沖擊測量技術(shù)等，雖然測量的物理量與車輛故障有較強的相關(guān)性，但由于不是原始特征的直接測量，受傳感器響應(yīng)系統(tǒng)及被測環(huán)境的影響較大，難以真正具備定量能力，故障預(yù)報的兌現(xiàn)率偏低；●現(xiàn)有測量技術(shù)受被測條件的制約較大，特別是車輛運行速度，紅外軸溫測量車速的上限為120km/h，而平輪探測裝置應(yīng)在70km/h以下應(yīng)用，這些設(shè)備都難以應(yīng)用到高速列車的檢測，而結(jié)構(gòu)動力學證明中低速激勵條件下的響應(yīng)是不能反映高頻、高強度激勵條件下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的，也就是說，現(xiàn)有的技術(shù)裝備不能檢測高速列車的真正運行狀態(tài)；●現(xiàn)有的技術(shù)裝備的技術(shù)原理、產(chǎn)品功能、設(shè)備往往是一一對應(yīng)的，一項檢測技術(shù)要通過一臺設(shè)備實現(xiàn)，造成設(shè)備規(guī)模龐大，給應(yīng)用及日常維護帶來不便，系統(tǒng)集成是設(shè)備層面的，而非原理層面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以車輛的輪軌動力學參數(shù)作為監(jiān)測對象的高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法，真正實現(xiàn)列車高速運行過程中的狀態(tài)監(jiān)測。
本發(fā)明的目的可通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)在每根鐵軌的兩側(cè)對稱設(shè)置兩個激光位移探測器，各激光探測器位于同一軸線上；激光探測器發(fā)出的激光從鐵軌的底側(cè)斜向上投射到列車車輪，激光探測器掃描檢測得出列車車輪端面到激光探測器距離及其偏移量，經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集處理電路后傳輸?shù)綑z測站中的工控機記錄、分析、顯示。
激光探測器掃描檢測得出列車車輪端面到激光探測器距離，一次得到的位置信息與車輪外形及其運動姿態(tài)直接相關(guān)，而位移信號的一階和二階導數(shù)是車輪運動的速度和加速度，當列車車輪出現(xiàn)故障(如踏面平輪或軸承故障)時，位移信號將出現(xiàn)突變，即其速度或加速度信號將呈現(xiàn)明顯變化。也就是說在激光探測器檢測到位移信息的基礎(chǔ)上，通過車輪運動的動力學參數(shù)分析就可以實現(xiàn)車輪故障的診斷，同時由于信息直接在車輪上獲得，缺省了中間的傳遞環(huán)節(jié)，因此這種故障診斷技術(shù)可以實現(xiàn)定量預(yù)報。
所述每個激光探測器由激光光源、光電位敏傳感器和成像透鏡組成；光電位敏傳感器和成像透鏡按其成像關(guān)系位于該透鏡的光軸上，激光光源從鐵軌的底側(cè)斜向上25°～40°角投射到列車車輪，激光光源經(jīng)列車車輪反射成像到的光電位敏傳感器，通過后續(xù)電路得到高精度、高頻響的位移信息。
所述高速數(shù)據(jù)采集處理電路采取三級并行處理的方式，大規(guī)模可編程門陣列(CPLD)控制高速數(shù)據(jù)采集的時序，高速數(shù)字處理器(DSP)對原始信號進行預(yù)處理，中央處理器(CPU)完成數(shù)據(jù)通訊及模塊工作狀態(tài)管理。
本發(fā)明通過在鐵軌上間隔設(shè)置兩個車輪傳感器，運用電磁感應(yīng)原理，當車輪通過車輪傳感器時，將產(chǎn)生一個脈沖信號，連續(xù)通過兩個車輪傳感器產(chǎn)生的兩個脈沖時間差可以預(yù)知車輛運行速度，從而實現(xiàn)對激光探測器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制。
本發(fā)明以相鄰輪軸之間距離為間隔，再在每根鐵軌的兩側(cè)對稱設(shè)置兩個探測器，增設(shè)的探測器也位于同一軸線上；探測器各自檢測到相鄰輪軸同一轉(zhuǎn)向架的四個車輪的同步位移信息，實現(xiàn)列車轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)動力矩在線檢測。
正常勻速運動過程中，作用于同一轉(zhuǎn)向架四個車輪的合力為0，合成轉(zhuǎn)動力矩也為0，但在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)異常(變形或不均勻磨損等)、輪對尺寸參數(shù)配合超差、軸承或踏面故障的情況下，同一組轉(zhuǎn)向架瞬時合成力矩就不為0。
轉(zhuǎn)動力矩檢測模型如圖1所示，在假設(shè)同一轉(zhuǎn)向架輪重相等的前提下，通過對四個車輪位移矢量和速度矢量的合成分析，就可以得到同一轉(zhuǎn)向架合成力矩的方向和大小。
為實現(xiàn)車輛的連續(xù)檢測及準確預(yù)報，建立輪對數(shù)據(jù)庫，在車輛輪對生命周期內(nèi)其重要的技術(shù)參數(shù)都在數(shù)據(jù)庫之中，利用射頻識別(RFID)技術(shù)，建立車輛輪對身份標識。將存儲輪對編號及其重要的維修和運行狀態(tài)信息的電子標簽固定在列車底部，射頻天線安裝在兩條鐵軌的中間，距離激光探測器15～20米安裝，讀卡機通過檢測站現(xiàn)場的車號識別主機于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接。這樣對于某一區(qū)間的輪對異常預(yù)警信息，可以通知下一區(qū)間重點跟蹤監(jiān)測，在主要區(qū)間，可以直接將故障信息寫入電子標簽，并通知調(diào)度系統(tǒng)安排故障處置及維修計劃。
由于采用高頻響、高分辨率激光位移檢測，高速信號采集和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)高速列車踏面平輪、軸承異常、轉(zhuǎn)動力矩的在線監(jiān)測，實現(xiàn)輪對主要故障形態(tài)的定量測量及準確預(yù)報警；實現(xiàn)了踏面平輪及軸承故障的定量預(yù)報，實現(xiàn)了高速列車實時轉(zhuǎn)動力矩的在線監(jiān)測。真正實現(xiàn)運行狀態(tài)在高速運動的實時檢測，為鐵路運輸安全提供有效的技術(shù)保障，具有十分重要的社會效益。
與目前鐵路行業(yè)現(xiàn)有的車號識別系統(tǒng)不同，車號識別系統(tǒng)僅僅標識到車輛，應(yīng)用于車輛調(diào)度，而輪對標識更為細化，關(guān)注輪對的運行狀態(tài)；車號識別系統(tǒng)的信息是單向的，僅僅讀入，而本發(fā)明的狀態(tài)識別信息是雙向的(可以實時讀出和寫入)，真正實現(xiàn)實時電子信息化管理。


圖1為轉(zhuǎn)動力矩檢測模型；圖2為激光探測器在鐵軌上的安裝圖；圖3為激光探測器的成像光路圖；圖4為高速數(shù)據(jù)采集處理電路原理框圖；圖5為實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的連接框圖。
具體實施例方式
如圖2、圖3所示，在每根鐵軌的兩側(cè)對稱設(shè)置兩個激光位移探測器，各激光探測器位于同一軸線上；所述每個激光探測器由激光光源、光電位敏傳感器和成像透鏡組成；光電位敏傳感器和成像透鏡按其成像關(guān)系位于該透鏡的光軸上，激光光源從鐵軌的底側(cè)斜向上36°角投射到列車車輪，激光光源經(jīng)列車車輪反射成像到的光電位敏傳感器。激光探測器安裝在一個盒子中，激光探測器發(fā)出的激光從鐵軌的底側(cè)斜向上投射到列車車輪，激光探測器掃描檢測得出列車車輪端面到激光探測器距離及其偏移量。
首先將傳感器安裝夾具在鋼軌底部通過緊固螺栓與鋼軌連接，然后將過度塊安裝夾具平臺上，激光探測器安裝于過度塊上。完成激光探測器安裝后就可以通過標定裝置對安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整和標定。
以相鄰輪軸之間距離為間隔，再在每根鐵軌的兩側(cè)對稱設(shè)置兩個探測器，各探測器位于同一軸線上；探測器各自檢測到相鄰輪軸四個車輪的(同一轉(zhuǎn)向架)的同步位移信息，實現(xiàn)列車轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)動力矩在線檢測。
通過在鐵軌上間隔設(shè)置兩個車輪傳感器，運用電磁感應(yīng)原理，當車輪通過車輪傳感器時，將產(chǎn)生一個脈沖信號，連續(xù)通過兩個車輪傳感器產(chǎn)生的兩個脈沖時間差可以預(yù)知車輛運行速度，從而實現(xiàn)對激光探測器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制。
車輪傳感器產(chǎn)生的脈沖時間分別為t1、t2，距離為d，則車輛運行速度為v＝d/(t2-t1)，就可以技術(shù)采樣延時時間t3，采樣時間長度t4。
高速數(shù)據(jù)采集處理電路采取三級并行處理的方式，如圖4所示，數(shù)據(jù)采集處理電路主要包括用于控制高速數(shù)據(jù)采集時序的大規(guī)模可編程門陣列(CPLD)，用于對原始信號進行預(yù)處理的高速數(shù)字處理器(DSP)，完成數(shù)據(jù)通訊及模塊工作狀態(tài)管理的中央處理器(CPU)。模塊具有4路高速數(shù)據(jù)采集的能力，具體技術(shù)參數(shù)如下
●通道頻響600kHz(-3dB)●通道增益誤差≤0.001●通道相移差≤0.1°●通道信噪比≤10mv(peak-peak)●單通道AD采集速率10M/s●單通道數(shù)據(jù)緩存1M(16bit)●AD14bit，±2.5v，10MHz●SPTMS320VC5402，主頻200MHz●信號動態(tài)范圍30dB●通訊接口RS485經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集處理電路后傳輸?shù)綑z測站中的工控機記錄、分析、顯示。
為實現(xiàn)車輛的連續(xù)檢測及準確預(yù)報，建立輪對數(shù)據(jù)庫，在車輛輪對生命周期內(nèi)其重要的技術(shù)參數(shù)都在數(shù)據(jù)庫之中，利用射頻識別(RFID)技術(shù)，建立車輛輪對身份標識。將存儲輪對編號及其重要的維修和運行狀態(tài)信息的電子標簽固定在列車底部，射頻天線安裝在兩條鐵軌的中間，距離激光探測器15～20米安裝，讀卡機通過檢測站現(xiàn)場的車號識別主機于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接。這樣對于某一區(qū)間的輪對異常預(yù)警信息，可以通知下一區(qū)間重點跟蹤監(jiān)測，在主要區(qū)間，可以直接將故障信息寫入電子標簽，并通知調(diào)度系統(tǒng)安排故障處置及維修計劃。
如圖5所示，用本方法使高速列車狀態(tài)監(jiān)測裝置系統(tǒng)化，實現(xiàn)了踏面平輪及軸承故障的定量預(yù)報，實現(xiàn)了高速列車實時轉(zhuǎn)動力矩的在線監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中W1、W2為車輪傳感器，M1～M8為激光探測器，RF為車號識別天線，這些軌邊傳感器構(gòu)成探測區(qū)域，當列車通過時系統(tǒng)進入實時數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，由W1、W2控制系統(tǒng)的工作時序，探測站由前置機及工控機構(gòu)成，完成信號采集及數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接進入控制中心數(shù)據(jù)庫，完成故障分析、預(yù)報及處理。
權(quán)利要求
1.一種高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法，其特征在于在每根鐵軌的兩側(cè)對稱設(shè)置兩個激光位移探測器，各激光探測器位于同一軸線上；激光探測器發(fā)出的激光從鐵軌的底側(cè)斜向上投射到列車車輪，激光探測器掃描檢測得出列車車輪端面到激光探測器距離及其偏移量，經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集處理電路后傳輸?shù)綑z測站中的工控機記錄、分析、顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法，其特征在于所述每個激光探測器由激光光源、光電位敏傳感器和成像透鏡組成；光電位敏傳感器和成像透鏡按其成像關(guān)系位于該透鏡的光軸上，激光光源從鐵軌的底側(cè)斜向上25°～40°角投射到列車車輪，激光光源經(jīng)列車車輪反射成像到的光電位敏傳感器，通過后續(xù)電路得到高精度、高頻響的位移信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法，其特征在于所述高速數(shù)據(jù)采集處理電路采取三級并行處理的方式，大規(guī)?？删幊涕T陣列(CPLD)控制高速數(shù)據(jù)采集的時序，高速數(shù)字處理器(DSP)對原始信號進行預(yù)處理，中央處理器(CPU)完成數(shù)據(jù)通訊及模塊工作狀態(tài)管理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法，其特征在于通過在鐵軌上間隔設(shè)置兩個車輪傳感器，當車輪通過車輪傳感器時，將產(chǎn)生一個脈沖信號，連續(xù)通過兩個車輪傳感器產(chǎn)生的兩個脈沖時間差可以預(yù)知車輛運行速度，從而實現(xiàn)對激光探測器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法，其特征在于以相鄰輪軸之間距離為間隔，再在每根鐵軌的兩側(cè)對稱設(shè)置兩個探測器，增設(shè)的探測器也位于同一軸線上；探測器各自檢測到相鄰輪軸同一轉(zhuǎn)向架的四個車輪的同步位移信息，實現(xiàn)列車轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)動力矩在線檢測。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法，其特征在于建立輪對數(shù)據(jù)庫，在車輛輪對生命周期內(nèi)其重要的技術(shù)參數(shù)都在數(shù)據(jù)庫之中，利用射頻識別(RFID)技術(shù)建立車輛輪對身份標識；將存儲輪對編號及其重要的維修和運行狀態(tài)信息的電子標簽固定在列車底部，射頻天線安裝在兩條鐵軌的中間，距離激光探測器15～20米安裝，讀卡機通過現(xiàn)場檢測站中的工控主機于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速列車運行狀態(tài)在線監(jiān)測方法，在每根鐵軌的兩側(cè)對稱設(shè)置兩個激光位移探測器，各激光探測器位于同一軸線上；激光探測器發(fā)出的激光從鐵軌的底側(cè)斜向上投射到列車車輪，激光探測器掃描檢測得出列車車輪端面到激光探測器距離及其偏移量，經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集處理電路后傳輸?shù)綑z測站中的工控機記錄、分析、顯示；以相鄰輪軸之間距離為間隔，再在每根鐵軌的兩側(cè)對稱設(shè)置兩個探測器，檢測同一轉(zhuǎn)向架的四個車輪的同步位移信息，實現(xiàn)列車轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)動力矩在線檢測。本發(fā)明以車輛的輪軌動力學參數(shù)作為監(jiān)測對象，真正實現(xiàn)運行狀態(tài)在高速運動的實時檢測，為鐵路運輸安全提供有效的技術(shù)保障，具有十分重要的社會效益。
文檔編號B61L1/14GK1693125SQ20051003356
公開日2005年11月9日 申請日期2005年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月16日
發(fā)明者朱茂芝, 趙祥林 申請人:廣州市科思通技術(shù)有限公司, 上海復旦科技園股份有限公司