專利名稱：光纖光柵傳感列車(chē)車(chē)輪踏面狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感列車(chē)車(chē)輪踏面狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別涉及到車(chē) 輪踏面故障的監(jiān)測(cè)，屬于軌道交通安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
輪軌接觸在關(guān)系軌道交通行車(chē)安全和運(yùn)行可靠性方面起著重要的作用，輪對(duì)的踏 面即列車(chē)車(chē)輪對(duì)與軌道的接觸面，輪對(duì)踏面的不圓度改變、多邊形化、破損等故障會(huì)導(dǎo)致高 頻沖擊振動(dòng)，使鋼軌垂向的沖擊力增大，這會(huì)降低列車(chē)的舒適性，產(chǎn)生大的噪聲，甚至誘發(fā) 斷軌斷軸等嚴(yán)重事故，因此必須及時(shí)有效地對(duì)列車(chē)輪對(duì)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。而且隨著鐵路運(yùn)輸 的密集化和高速化的發(fā)展，對(duì)踏面在線檢測(cè)的需求更加迫切。目前國(guó)內(nèi)對(duì)火車(chē)輪對(duì)踏面的檢測(cè)還停留在手工機(jī)械式測(cè)量階段，檢測(cè)技術(shù)落后， 工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，并容易產(chǎn)生人為檢測(cè)誤差，無(wú)法快速、準(zhǔn)確掌握輪對(duì)狀態(tài)，同時(shí)也 不便于信息管理。在公開(kāi)號(hào)為CN101830237A的發(fā)明專利中，公開(kāi)了一種基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載 運(yùn)輸線路安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)中，利用光纖光柵應(yīng)變傳感器、加速度傳感器和 溫度傳感器對(duì)鋼軌和鐵路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，可被用于判斷鋼軌無(wú)焊縫處的斷裂情況、鋼 軌和車(chē)輪的情況以及鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。但是該專利只是簡(jiǎn)略的提到能用該系統(tǒng)進(jìn) 行車(chē)輪傷病監(jiān)測(cè)，且沒(méi)有提供具體的實(shí)現(xiàn)方案。在公開(kāi)號(hào)為CN201362^55Y的發(fā)明專利中， 公開(kāi)了一種光纖光柵列車(chē)計(jì)軸系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于檢測(cè)輪軌耦合狀況來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)軸功能的， 但是該系統(tǒng)不能完整的檢測(cè)車(chē)輪踏面整個(gè)展開(kāi)面的故障狀況，不具備準(zhǔn)確踏面監(jiān)測(cè)的功 能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)中的不足，提供一種光纖光柵傳感列車(chē)車(chē)輪踏面 狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案一種光纖光柵傳感列車(chē)車(chē)輪踏面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它 包括傳感器陣列，光纖光柵解調(diào)儀表和計(jì)算機(jī)；所述的傳感器陣列由在長(zhǎng)度大于列車(chē)車(chē)輪 在鋼軌上走行一周距離的監(jiān)測(cè)區(qū)域，每?jī)筛砟局g的鋼軌上都安裝的光纖光柵傳感器組 成；每個(gè)光纖光柵傳感器由光纖光柵敏感元件和彈性元件組成，其彈性元件是一塊置于鋼 軌底部的不銹鋼板，它被兩對(duì)夾塊卡在鋼軌上，每對(duì)夾塊通過(guò)一根螺栓連接并利用該螺栓 的預(yù)緊力使彈性元件和鋼軌密貼，光纖光柵敏感元件被粘結(jié)劑固化于不銹鋼板表面，兩端 光纖從保護(hù)管中引出；傳感器陣列的光纖光柵傳感器的光纖引出端兩兩熔接在一起連接通 信光纖，光纖光柵解調(diào)儀表的輸入端與傳感器陣列通過(guò)上述通信光纖連接在一起，輸出端 和計(jì)算機(jī)的輸入端連接。當(dāng)列車(chē)車(chē)輪經(jīng)過(guò)布有光纖光柵傳感器的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，鋼軌在車(chē)廂的重力作用下會(huì) 產(chǎn)生應(yīng)力變化，同時(shí)亦會(huì)發(fā)生形變，由于光纖光柵傳感器和鋼軌是密貼的，沒(méi)有相對(duì)位移，
3因此光纖光柵亦會(huì)隨之發(fā)生形變，從而實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器對(duì)輪軌耦合的感知；同一車(chē)輪 致使傳感器陣列中的光纖光柵傳感器相繼產(chǎn)生的變化，當(dāng)車(chē)輪還未完全離開(kāi)前一光纖光柵 傳感器所在的那段鋼軌時(shí)，就已經(jīng)使后一光纖光柵傳感器產(chǎn)生變化，而且監(jiān)測(cè)區(qū)域的長(zhǎng)度 大于車(chē)輪踏面圓的周長(zhǎng)，使得車(chē)輪整個(gè)踏面圓周與軌道接觸的情況就可以完全展開(kāi)，任何 位置出現(xiàn)故障，在傳感器陣列的輸出信號(hào)中都可以得到反映。本發(fā)明的光纖光柵傳感列車(chē)車(chē)輪踏面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將傳感器陣列連續(xù)地檢測(cè) 到每個(gè)車(chē)輪踏面的狀況，由光纖光柵解調(diào)儀表通過(guò)通信光纖接受到傳感器陣列的光纖光柵 傳感器的信號(hào)，并將相應(yīng)的解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后，制定應(yīng)用程序 繪制實(shí)時(shí)曲線并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從實(shí)時(shí)曲線中直觀的觀測(cè)到踏面的故障，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析和處理后進(jìn)一步了解故障的類(lèi)型和病害程度。本發(fā)明適用于列車(chē)車(chē)輪踏面健康狀況的在線監(jiān)測(cè)。本發(fā)明利用夾塊通過(guò)緊固螺栓 將傳感器安裝在鋼軌上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修和更換，不影響列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)；由于采用光 纖光柵作為傳感器，是基于光波長(zhǎng)信號(hào)調(diào)制的成熟的傳感技術(shù)，因此具有精度高、不受電磁 干擾，結(jié)合光纖光柵成熟的封裝技術(shù)，使得能在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作；傳感器陣列 有效的檢測(cè)距離大于列車(chē)車(chē)輪踏面圓的周長(zhǎng)，這就保證了能夠完整的檢測(cè)整個(gè)踏面的健康 狀況；本發(fā)明中解調(diào)儀表實(shí)時(shí)在線的解調(diào)出傳感器參量的變化，使得本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在 線的監(jiān)測(cè)；計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后，制定應(yīng)用程序繪制實(shí)時(shí)曲線并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從實(shí)時(shí)曲線 中可以直觀的觀測(cè)到踏面的故障，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理可以進(jìn)一步了解故障的類(lèi)型和病 害程度；由于傳感器陣列的各光纖光柵傳感器之間的距離是固定的，解調(diào)儀表的采樣速率 也是固定，因此可以利用車(chē)輪經(jīng)過(guò)不同光纖光柵傳感器間隔的采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)確定時(shí)間間隔， 將兩光纖光柵傳感器的距離除以時(shí)間就可以得到列車(chē)通過(guò)該監(jiān)測(cè)區(qū)域的速度，還可以利用 多個(gè)光纖光柵傳感器的間隔，進(jìn)一步求出列車(chē)經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)的加速度；另外，本系統(tǒng)還具有 計(jì)軸功能。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是光纖光柵傳感列車(chē)車(chē)輪踏面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。圖2是光纖光柵傳感器安裝示意圖。圖3是列車(chē)車(chē)輪經(jīng)過(guò)時(shí)傳感器陣列中各光纖光柵傳感器輸出曲線示意圖。圖4是車(chē)輪踏面故障類(lèi)型一圖5是車(chē)輪踏面故障類(lèi)型二圖中1-光纖光柵解調(diào)儀表，2-通信光纖，3-鋼軌，4-枕木，5-光纖光柵傳感器， 6-列車(chē)車(chē)輪，7-計(jì)算機(jī)，8-螺母，9-夾塊，10-彈性元件，11-螺栓。
具體實(shí)施例方式參考圖1、圖2、圖3詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方案。如圖1所示，光纖光柵傳感列車(chē)車(chē)輪踏面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括光纖光柵解調(diào) 儀表1，計(jì)算機(jī)7，和由光纖光柵傳感器5組成的傳感器陣列。當(dāng)有車(chē)輪經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，光 纖光柵傳感器陣列感知鋼軌3的變化。由于鋼軌3和車(chē)輪6是相互耦合的關(guān)系，當(dāng)車(chē)輪踏面出現(xiàn)故障時(shí)，例如有裂縫或缺口，踏面圓周多邊形化，失圓等，鋼軌的應(yīng)變變化會(huì)與正常 條件下不同，利用光纖光柵解調(diào)儀表實(shí)時(shí)輸出的光纖光柵傳感器參量變化值就可以及時(shí)的 發(fā)現(xiàn)故障。在圖2所示實(shí)施例中，光纖光柵傳感器5的彈性元件10置于鋼軌3底部，夾塊9 將彈性元件10卡在鋼軌3上，夾塊通過(guò)螺栓11連接并利用螺栓11的預(yù)緊力使彈性元件10 和鋼軌3密貼，不產(chǎn)生相對(duì)位移。每個(gè)光纖光柵傳感器用兩對(duì)夾塊9固定在鋼軌3上，安裝 時(shí)只要擰緊兩個(gè)螺母8就可以實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器的緊固。該結(jié)構(gòu)沒(méi)有對(duì)鋼軌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破 壞，不會(huì)影響鋼軌的使用，而且安裝方便，便于維修。在圖3所示實(shí)施例中曲線對(duì)應(yīng)的是某一車(chē)輪經(jīng)過(guò)傳感器陣列時(shí)，各光纖光柵傳感 器輸出的變化量示意圖。在正常列車(chē)車(chē)輪經(jīng)過(guò)安裝有傳感器的鋼軌時(shí)，光纖光柵傳感器的 輸出隨著鋼軌應(yīng)變的變化先平穩(wěn)增大然后減小，是一個(gè)漸變的過(guò)程，連接采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)得到 的是平滑的曲線。在車(chē)輪還未行走完前一光纖光柵傳感器所在的鋼軌時(shí)，后一光纖光柵傳 感器就已經(jīng)能檢測(cè)到輪軌接觸時(shí)鋼軌的應(yīng)變變化了，因此當(dāng)傳感器陣列所能檢測(cè)到的有效 距離大于車(chē)輪踏面圓周長(zhǎng)時(shí)，傳感器陣列就能完整的檢測(cè)到車(chē)輪輪踏面與鋼軌耦合情況。 車(chē)輪的踏面故障主要有不圓度改變、多邊形化、破損等，這些故障會(huì)使行駛在鋼軌上車(chē)輪的 質(zhì)心與鋼軌的相對(duì)高度發(fā)生變化，依據(jù)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，這將對(duì)鋼軌產(chǎn)生沖擊激勵(lì)，使得光纖 光柵傳感器采集到的信號(hào)受到相應(yīng)影響。如果車(chē)輪存有不圓度改變的故障，則傳感器陣列 中各光纖光柵傳感器的檢測(cè)曲線幅度與正常相比會(huì)有較大的起伏，通過(guò)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)就可 以在線地檢測(cè)出來(lái)。在圖4和圖5的實(shí)施例中，分別對(duì)應(yīng)的是車(chē)輪踏面出現(xiàn)兩類(lèi)不同故障時(shí)光纖光柵 傳感器的實(shí)測(cè)曲線。兩實(shí)施例中都是傳感器陣列中一個(gè)光纖光柵傳感器檢測(cè)到的多個(gè)車(chē)輪 曲線，從圖中可以看出經(jīng)過(guò)同一段鋼軌的不同車(chē)輪，不是所有的曲線都有沖擊激勵(lì)的特征， 因此可以排除是鋼軌存在缺陷。圖4中故障車(chē)輪檢測(cè)曲線中只有一處沖擊效應(yīng)，可以斷定 在該光纖光柵傳感器有效的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)只存有一處破損；圖5中故障車(chē)輪檢測(cè)曲線中有連 續(xù)沖擊激勵(lì)的影響，由此可以斷定該光纖光柵傳感器有效的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有多處破損，使踏 面圓多邊形化。這是一個(gè)光纖光柵傳感器檢測(cè)的實(shí)施例，當(dāng)多個(gè)光纖光柵傳感器組成陣列 的有效檢測(cè)區(qū)域覆蓋整個(gè)踏面時(shí)，將不會(huì)漏檢車(chē)輪踏面任何位置的故障。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵列車(chē)車(chē)輪踏面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，它包括傳感器陣列，光纖光 柵解調(diào)儀表(1)和計(jì)算機(jī)(7)；所述的傳感器陣列由在長(zhǎng)度大于列車(chē)車(chē)輪在鋼軌上走行一 周距離的監(jiān)測(cè)區(qū)域，每?jī)筛砟局g的鋼軌上都安裝的光纖光柵傳感器(5)組成；傳感器 陣列的光纖光柵傳感器(5)的光纖引出端兩兩熔接在一起連接通信光纖O)，光纖光柵解 調(diào)儀表(1)的輸入端與傳感器陣列通過(guò)上述通信光纖( 連接在一起，輸出端和計(jì)算機(jī)(7) 的輸入端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵列車(chē)車(chē)輪踏面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 的傳感器陣列中每個(gè)光纖光柵傳感器(5)由光纖光柵敏感元件和彈性元件(10)組成，其彈 性元件(10)是一塊置于鋼軌底部的不銹鋼板，它被兩對(duì)夾塊(9)卡在鋼軌上，每對(duì)夾塊通 過(guò)一根螺栓(11)連接并利用螺栓(11)的預(yù)緊力使彈性元件(10)和鋼軌C3)密貼，光纖光 柵敏感元件被粘結(jié)劑固化于不銹鋼板表面，兩端光纖從保護(hù)管中引出。
3.如權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵列車(chē)車(chē)輪踏面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在 于，當(dāng)列車(chē)車(chē)輪經(jīng)過(guò)布有光纖光柵傳感器的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，由于輪軌之間形成耦合作用，傳感 器陣列連續(xù)地檢測(cè)到每個(gè)車(chē)輪踏面的狀況，光纖光柵解調(diào)儀表(1)通過(guò)通信光纖( 接受 到傳感器陣列的光纖光柵傳感器(5)的信號(hào)，并將相應(yīng)的解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)(7)， 計(jì)算機(jī)(7)接收數(shù)據(jù)后，制定應(yīng)用程序繪制實(shí)時(shí)曲線并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從實(shí)時(shí)曲線中直 觀的觀測(cè)到踏面的故障，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后進(jìn)一步了解故障的類(lèi)型和病害程度。
全文摘要
一種光纖光柵傳感列車(chē)車(chē)輪踏面狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，涉及到軌道交通安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)的組成主要包括光纖光柵傳感器陣列，光纖光柵解調(diào)儀表和計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)鋼軌的光纖光柵傳感器，選取一段監(jiān)測(cè)區(qū)域，在該區(qū)域每?jī)筛砟局g的鋼軌上都安裝上本發(fā)明中的光纖光柵傳感器，組成一個(gè)傳感器陣列。該檢測(cè)區(qū)域的長(zhǎng)度大于列車(chē)車(chē)輪在鋼軌上走行一周的距離，當(dāng)列車(chē)車(chē)輪通過(guò)該監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，由于輪軌之間形成耦合作用，利用傳感器陣列就可以連續(xù)地檢測(cè)整個(gè)踏面的狀況。光纖光柵解調(diào)儀表通過(guò)通信光纖接受到光纖光柵傳感器的信號(hào)，并將解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)，利用這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)在線判斷出車(chē)輪踏面不圓度改變、多邊形化及破損等故障的功能。
文檔編號(hào)B61K9/08GK102092406SQ20111000909
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者姜德生, 李維來(lái), 潘建軍, 王立新 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)