本發(fā)明涉及鋼軌波浪磨耗檢測技術(shù)，特別涉及一種波浪磨耗檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

鋼軌波浪磨耗是鋼軌頂面沿縱向分布的周期性類似波浪形狀的不平順現(xiàn)象，鋼軌波浪磨耗的波長一般在100mm～3m之間，從現(xiàn)場調(diào)查來看，波磨的波長大多數(shù)在200mm至700mm。

鋼軌波浪磨耗是鋼軌使用過程中普遍存在的病害之一，各國都非常重視檢測設(shè)備的開發(fā)，波磨的檢測方法概括起來有兩種：短弦弦測法和慣性基準法；信號的獲得有加速度的辦法、光學(xué)的辦法，也有采用電渦流傳感器的辦法；數(shù)據(jù)的處理也分時間域、空間域、頻率域等多種不同的處理方法。如澳大利亞pacificrealtime公司采用慣性法原理，對軸箱加速度進行兩次積分，按三種波長段輸出波浪磨耗的rms值；意大利mermec公司采用短弦弦測法原理，通過激光攝像技術(shù)獲得位移，按三種波長段輸出波浪磨耗的rms值；荷蘭利用軸箱振動加速度信號作為原始傳感器信號，從輪軌相互作用的角度出發(fā)，采用特定的測量輪對，以不同的運行速度作了大量的重復(fù)性試驗，根據(jù)能量不變原理，用最小二乘法選擇最佳參數(shù)，模擬出軌道不平順與軸箱加速度之間的傳遞函數(shù)，根據(jù)能量在不同速度時保持不變的原理消除速度影響，得出鋼軌頂面短波不平順值。美國ensco公司采用短弦支距的弦測法測量鋼軌頂面波浪磨耗，所用傳感器是高頻反射式電渦流位移傳感器，具體做法是將4個電渦流傳感器以50mm的等間距縱向排列安裝在鋼軌頂面以上10mm的位置，采用伺服控制其測量位置在軌頂面中心線上，以該4點的垂直位移測值推算出第5點的測值，分別求出弦長100mm的等弦正失值、弦長150mm的不等弦正失值和弦長200mm的等弦正失值。

中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所經(jīng)過多年研究開發(fā)，研制了bm-1、bm-2型波浪磨耗檢測設(shè)備，代表了我國不同時期的軌道檢測技術(shù)發(fā)展水平，截至目前全路共安裝配備波浪磨耗檢測設(shè)備十輛車。bm-1型波浪磨耗檢測設(shè)備采用安裝在車輛軸箱上的加速度計二次積分方法獲得位移，指導(dǎo)現(xiàn)場鋼軌打磨。

在列車運行過程中，鋼軌波浪磨耗是產(chǎn)生噪音和引起輪軌相互作用力變化的主要原因之一，尤其國內(nèi)目前發(fā)展迅速的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中，波浪磨耗現(xiàn)象出現(xiàn)更為普遍，嚴重影響了列車運行舒適度。目前工務(wù)段沒有檢測鋼軌波磨的專門儀器，只能靠技術(shù)人員觀察識別，當?shù)湫偷牟ゲㄐ纬鰜砗?，用平直尺或塞尺進行測量復(fù)核。現(xiàn)場對波磨的處理方式主要是打磨，但由于波磨被發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)較嚴重，需要多次打磨，打磨成本很高，有時打磨不到位，并沒有把波磨完全消除，在以后的運行中，波磨會很快發(fā)展，最終只能換軌。因此研究鋼軌波浪磨耗動態(tài)檢測系統(tǒng)是非常必要的，能夠提高檢測效率，給維修部門在經(jīng)濟合理地制定鋼軌打磨計劃方面提供科學(xué)依據(jù)。

現(xiàn)有的波浪磨耗檢測系統(tǒng)結(jié)一般主要由左右軸箱加速度計、光電編碼器、模擬信號預(yù)處理裝置、信號采集計算機、交換機、波形顯示編輯計算機、交換機、打印機等組成。基本工作原理為：使用安裝在軸箱位置處的加速度計測量車輪相對鋼軌的位移變化量；使用編碼器測量列車行走的距離，系統(tǒng)按照等距離進行數(shù)據(jù)采集。模擬信號預(yù)處理系統(tǒng)將信號放大和模擬濾波處理后再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)接及監(jiān)視單元輸入到信號采集處理計算機。該計算機對輸入模擬信號進行a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集、存儲、數(shù)字濾波、修正以及補償處理，然后經(jīng)過綜合運算，合成得到所需鋼軌波浪磨耗不平順，并在其波形顯示器上實時顯示不平順波形圖。

采集處理計算機還能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給其它應(yīng)用計算機，由該采集處理計算機將軌道幾何參數(shù)及超限數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中，顯示軌道幾何波形，或顯示超限數(shù)據(jù)并可對超限數(shù)據(jù)進行編輯。最后，可由網(wǎng)絡(luò)打印機打印出軌道幾何參數(shù)的超限數(shù)據(jù)報表或波形圖。

現(xiàn)有的波浪磨耗檢測系統(tǒng)一般采用加速度計二次積分原理獲得位移值，傳感器安裝在軸箱上，軸箱直接與車輛輪對相連，軌道不平順的振動通過輪對直接傳遞到軸箱上，所以軸箱在列車運行時振動極為劇烈，無緩沖，傳感器極易損壞。并且現(xiàn)有的波浪磨耗檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：

1.傳感器安裝位置為列車軸箱處，振動頻率高，傳感器易損壞，不利于持續(xù)檢測。

2.只采用加速度計測量低速時加速度計信號比較微弱，信噪比低，并且要做積分運算，低頻信號容易引起飽和。

3.合成數(shù)據(jù)結(jié)果運算在windows操作系統(tǒng)上進行，運算需等待系統(tǒng)分配內(nèi)核資源，數(shù)據(jù)無法實時處理顯示，在列車高速運行時造成數(shù)據(jù)丟失。

4.加速度計精度低，測量精度較大，無法有效檢測幅值較小的不平順值。

5.系統(tǒng)車上設(shè)備較多，三臺工控機及打印機，設(shè)備體積大，占用空間大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供了一種波浪磨耗檢測裝置及方法，以實時進行數(shù)據(jù)處理，解決了大量緩存數(shù)據(jù)丟失的問題。

為了解決上述問題，本發(fā)明實施例提供了一種波浪磨耗檢測裝置，包括：

編碼器，設(shè)置于列車的輪軸上；

至少一加速度計，設(shè)置于列車的車體構(gòu)架上，用于根據(jù)所述編碼器測量的列車行走距離測量加速度信號；

至少一光電位移計，設(shè)置于所述車體構(gòu)架上，用于根據(jù)所述編碼器測量的列車行走距離測量光電位移信號；

前置預(yù)處理裝置，連接所述加速度計及光電位移計，用于對所述加速度信號及光電位移信號進行放大及濾波處理；

qnx實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接所述前置預(yù)處理裝置，用于對預(yù)處理后的所述加速度信號及光電位移信號進行合成處理，得到軌道不平順值，并對所述軌道不平順值進行超限判斷。

一實施例中，所述加速度計的個數(shù)為2，分別設(shè)置于所述車體構(gòu)架的左右兩側(cè)，位于輪軸上方。

一實施例中，所述光電位移計的個數(shù)為2，分別設(shè)置于所述車體構(gòu)架的左右兩側(cè)，位于輪軸上方。

一實施例中，所述qnx系統(tǒng)中設(shè)置有：

ad采集卡，用于從所述前置預(yù)處理裝置采集預(yù)處理后的所述加速度信號及光電位移信號；

存儲模塊，用于存儲軌道不平順值及超限判斷結(jié)果；

顯示模塊，用于顯示所述軌道不平順值及超限判斷結(jié)果。

一實施例中，所述輪軸的軸箱上設(shè)置有反光板，用于反射激光。

一實施例中，所述qnx系統(tǒng)具體用于對所述加速度信號及光電位移信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后，對數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后的加速度信號進行積分及解偏處理，然后將數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后的光電位移信號與積分處理之后的加速度信號合成，得到所述軌道不平順值。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供了一種波浪磨耗檢測方法，包括：

采集列車的加速度信號及光電位移信號；

對所述加速度信號及光電位移信號進行合成處理，得到軌道不平順值；

根據(jù)所述軌道不平順值進行超限判斷。

一實施例中，對所述加速度信號及光電位移信號進行合成處理，得到軌道不平順值，包括：

對所述加速度信號及光電位移信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波；

對數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后的加速度信號進行積分及解偏處理；

將數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后的光電位移信號與積分處理之后的加速度信號合成，得到所述軌道不平順值。

一實施例中，所述軌道不平順值包括波磨值及波磨值的均方根，根據(jù)所述軌道不平順值進行超限判斷包括：

根據(jù)軌道損失等級的映射關(guān)系對所述軌道不平順值進行超限判斷，判斷軌道的損傷等級。

一實施例中，還包括：如果所述軌道不平順值超過損失等級的限值，輸出該軌道不平順值對應(yīng)的不平順類型、波磨值及對應(yīng)的鋼軌位置信息。

利用本發(fā)明，可以實時進行數(shù)據(jù)處理，解決了大量緩存數(shù)據(jù)丟失的問題。本發(fā)明的波浪磨耗檢測裝置可以簡化設(shè)備，減小體積和占用空間。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一實施例中加速度計、光電位移計及編碼器的安裝位置示意圖；

圖2及圖6為本發(fā)明的qnx系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理示意圖；

圖3為本發(fā)明實施的波浪磨耗檢測方法流程圖；

圖4為本發(fā)明實施的信號合成方法流程圖；

圖5為本發(fā)明實施的波浪磨耗檢測方法的具體流程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明實施例提供一種波浪磨耗檢測裝置，該波浪磨耗檢測裝置包括：編碼器，至少一加速度計，至少一光電位移計，前置預(yù)處理裝置及qnx系統(tǒng)。

編碼器設(shè)置于列車車輪的輪軸上。

加速度計設(shè)置于列車的車體構(gòu)架上，用于根據(jù)所述編碼器測量的列車行走距離測量加速度信號(轉(zhuǎn)向架相對于地面的運動位移量)。

光電位移計設(shè)置于車體構(gòu)架上，用于根據(jù)所述編碼器測量的列車行走距離測量光電位移信號(轉(zhuǎn)向架相對于軸箱的運動位移量)。

前置預(yù)處理裝置，連接所述加速度計及光電位移計，用于對所述加速度信號及光電位移信號進行放大及濾波處理；

qnx系統(tǒng)，連接所述前置預(yù)處理裝置，用于對預(yù)處理后的所述加速度信號及光電位移信號進行合成處理，得到軌道不平順值，并對所述軌道不平順值進行超限判斷。

本發(fā)明使用實時操作系統(tǒng)(qnx系統(tǒng))進行數(shù)據(jù)處理，解決數(shù)據(jù)大量緩存丟失問題。另外，檢測數(shù)據(jù)實時存儲在處理計算機中，簡化了設(shè)備，減小了體積和占用空間。

圖1為本發(fā)明一實施例中編碼器、加速度計及光電位移計的安裝位置示意圖，如圖1所示，編碼器101設(shè)置于列車車輪104的輪軸上，將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小，按固定的距離采集加速度計及光電位移計當前時刻的數(shù)據(jù)。

本實施例中，加速度計102的個數(shù)為2，分別設(shè)置于車體構(gòu)架的左右兩側(cè)，位于輪軸上方，本發(fā)明不以此為限。列車運行過程中，車體構(gòu)架處的振動可以經(jīng)過一級緩沖大大減緩，本發(fā)明將加速度計設(shè)計安裝在車體構(gòu)架上，可以在測量出加速度信號值的同時避免傳感器因長期劇烈振動損壞。

本實施例中，光電位移計103的個數(shù)為2，分別設(shè)置于車體構(gòu)架的左右兩側(cè)，位于輪軸上方，本發(fā)明不以此為限。由于僅采用加速度計測量加速度信號，加速度信號比較微弱，信噪比地，使得低頻信號容易引起飽和的問題。

本發(fā)明利用qnx系統(tǒng)，采用慣性基準法原理，對所述加速度信號及光電位移信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后，對數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后的加速度信號進行積分及解偏處理，然后將數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后的光電位移信號與積分處理之后的加速度信號合成，得到所述軌道不平順值。并根據(jù)軌道損失等級的映射關(guān)系對所述軌道不平順值進行超限判斷，判斷軌道的損傷等級。如果所述軌道不平順值超過損失等級的限值，還可以輸出該軌道不平順值對應(yīng)的不平順類型、波磨值及對應(yīng)的鋼軌位置信息。

圖2為本發(fā)明的qnx系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理示意圖，如圖2所示，qnx系統(tǒng)中設(shè)置有：時計數(shù)器，連接至編碼器，用于計數(shù)脈沖，以控制加速度計及光電位移計按照固定的距離采集數(shù)據(jù)。

ad采集卡，用于從所述前置預(yù)處理裝置采集預(yù)處理后的所述加速度信號及光電位移信號；

存儲模塊，用于存儲軌道不平順值及超限判斷結(jié)果；

顯示模塊，用于顯示所述軌道不平順值及超限判斷結(jié)果。

如圖2所示，qnx系統(tǒng)需要對前置預(yù)處理裝置采集的原始信號(加速度信號及光電位移信號)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波、積分、解偏及濾波處理，詳見圖6所示。

對加速度信號a的積分可以得到積分后的值z＝∫∫adtdt，設(shè)w為光電位移信號，y為軌道不平順值，那么軌道不平順值y＝z-w＝∫∫adtdt-w。

對積分后的加速度信號z，可以通過解偏函數(shù)進行解偏處理，解偏函數(shù)如下：

其中，解偏系數(shù)

解偏函數(shù)經(jīng)過傅里葉變化解偏濾波器幅頻特性表示為：

其中，δx表示加速度變化量；

二階數(shù)字補償濾波器g(z)(圖6中的模擬濾波器)為：

tn及tn-1表示時間間隔，f表示頻率，

將g(z)經(jīng)過傅立葉變換，得到幅值響應(yīng)函數(shù)|g(jω)|為：

式中：

t＝tn＝tn-1

其中，t為時間間隔。

qnx系統(tǒng)中存儲了軌道損失等級的映射關(guān)系表，根據(jù)軌道損失等級的映射關(guān)系，可以對軌道不平順值進行超限判斷，判斷軌道的損傷等級。如果軌道不平順值超過損失等級的限值，還可以輸出該軌道不平順值對應(yīng)的不平順類型(軌道為直線或曲線)、波磨值(波形數(shù)據(jù))及對應(yīng)的鋼軌位置(里程)信息。所有的波形數(shù)據(jù)和超限判斷數(shù)據(jù)都可以進行網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和報表打印等。qnx系統(tǒng)中安裝的軟件主要包括鋼軌波磨實時檢測軟件、數(shù)據(jù)接收軟件、超限編輯和報表生產(chǎn)軟件及波形察看分析軟件。

利用上述方法計算軌道不平順值，可以有效消除現(xiàn)有技術(shù)中低頻信號飽和，信噪比問題，測量精度也大大提高。

一實施例中，所述輪軸的軸箱上設(shè)置有反光板，用于反射激光位移計的激光。

利用本發(fā)明，可以實時進行數(shù)據(jù)處理，解決了大量緩存數(shù)據(jù)丟失的問題。本發(fā)明的波浪磨耗檢測裝置可以簡化設(shè)備，減小體積和占用空間。

基于與上述波浪磨耗檢測裝置相同的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實施例提供了波浪磨耗檢測方法，由于該波浪磨耗檢測方法是基于波浪磨耗檢測裝置，因此該波浪磨耗檢測方法的實施可以參見波浪磨耗檢測裝置的實施，重復(fù)之處不再贅述。

圖3為本發(fā)明實施的波浪磨耗檢測方法流程圖，如圖3所示，該波浪磨耗檢測方法包括：

s301：采集列車的加速度信號及光電位移信號；

s302：對所述加速度信號及光電位移信號進行合成處理，得到軌道不平順值；

s303：根據(jù)所述軌道不平順值進行超限判斷。

一實施例中，如圖4所示，對所述加速度信號及光電位移信號進行合成處理，得到軌道不平順值，包括：

s401：對所述加速度信號及光電位移信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波；

s402：對數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后的加速度信號進行積分及解偏處理；

s403：將數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波后的光電位移信號與積分處理之后的加速度信號合成，得到所述軌道不平順值。

本發(fā)明實施中，軌道不平順值包括波磨值及波磨值的均方根，根據(jù)所述軌道不平順值進行超限判斷，可以為根據(jù)軌道損失等級的映射關(guān)系對所述軌道不平順值進行超限判斷，判斷軌道的損傷等級。

本實施例具體實施時，如果所述軌道不平順值超過損失等級的限值，可以輸出該軌道不平順值對應(yīng)的不平順類型、波磨值及對應(yīng)的鋼軌位置信息。

一實施中在s301之前，還可以利用編碼器進行脈沖計數(shù)，當達到設(shè)置脈沖數(shù)之后，定時計數(shù)器重置，加速度計及光電位移計測量相應(yīng)信號，然后執(zhí)行s301。具體參見圖5所示，采集加速度信號及光電位移信號后，對所述加速度信號及光電位移信號進行合成處理，得到軌道不平順值(即波磨幾何參數(shù)合成)，然后進行波形顯示及超限判斷，并存盤及近網(wǎng)絡(luò)輸出。

本發(fā)明提出的波浪磨耗檢測裝置及方法，有效消除了傳感器長期振動造成的損壞，且使用高精度光電位移計和加速度計測量，提高測量精度到0.05mm，可以檢測高鐵線路上幅值很小的鋼軌不平順；采用實時處理計算機進行數(shù)據(jù)運算，有效避免了數(shù)據(jù)丟失；通過對數(shù)據(jù)處理的集成化、模塊化，降低了車輛上設(shè)備數(shù)量，減少了空間使用。

隨著我國城市軌道建設(shè)的飛速發(fā)展，鋼軌動態(tài)質(zhì)量檢測越來越重要，創(chuàng)新實用的軌道檢測系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用，并且產(chǎn)生重要的社會效益和經(jīng)濟效益。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。