本發(fā)明涉及一種使用電學(xué)測(cè)試原理完成鐵路道岔用尖軌傷損監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，是綜合交通運(yùn)輸體系的骨干和主要交通方式之一，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要。截至2015年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12.1萬(wàn)公里，其中高速鐵路1.9萬(wàn)公里。根據(jù)國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15萬(wàn)公里，其中高速鐵路3萬(wàn)公里，覆蓋80％以上的大城市。到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到17.5萬(wàn)公里左右，其中高速鐵路3.8萬(wàn)公里左右。道岔是鐵路線路設(shè)備的重要組成部分，隨著鐵路列車(chē)提速、重載列車(chē)開(kāi)行以及高速線路道岔大量投入使用，對(duì)道岔尖軌運(yùn)用中的質(zhì)量要求越來(lái)越高。

道岔由轉(zhuǎn)轍器、連接部分、轍叉三個(gè)主要單元組成。轉(zhuǎn)轍器包括基本軌、尖軌。道岔尖軌經(jīng)刨切后斷面削弱，在其全長(zhǎng)范圍內(nèi)沒(méi)有扣件將其固定在軌枕上，從尖軌尖端到導(dǎo)曲線終點(diǎn)為止，軌距、方向、高度等變化迅速，軌距、水平遞減率大，列車(chē)通過(guò)時(shí)對(duì)道岔的橫向和縱向沖擊力大于線路；再加上道岔尖軌在電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的作用下，由一個(gè)位置向另外一個(gè)位置轉(zhuǎn)換，直至與基本軌密貼的過(guò)程中，受力復(fù)雜。以上幾個(gè)原因?qū)е碌啦砑廛壋蔀榈啦碇凶畋∪醯臋C(jī)械件，已成為當(dāng)前鐵路線路維修工作的重點(diǎn)。

目前對(duì)于鋼軌檢測(cè)大多是利用漏磁法、滲透法、渦流法等檢測(cè)手段進(jìn)行傷損檢測(cè)。同時(shí)，人們還在使用射線法和超聲波法對(duì)軌道傷損程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)在廣為應(yīng)用的為軌道檢測(cè)車(chē)技術(shù)，該檢測(cè)系統(tǒng)主要是在后置軌道檢測(cè)車(chē)平臺(tái)上集合了超聲波和電磁感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)及光學(xué)傳感器。此外，還有基于壓電傳感器的縱向超聲導(dǎo)波鋼軌損傷檢測(cè)設(shè)備以及基于激光技術(shù)的彎曲模態(tài)超聲導(dǎo)波鐵軌損傷檢測(cè)設(shè)備。然而，基于超聲波的探測(cè)方法是利用超聲波遇到裂紋時(shí)發(fā)生衍射的原理，只能對(duì)出現(xiàn)裂縫的鋼軌進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，對(duì)于鋼軌表面、內(nèi)部的損傷效果不是很理想；基于人工的損傷探測(cè)，對(duì)人工的經(jīng)驗(yàn)要求非常高，而且工作量大，效率低，人工成本高。并且對(duì)于鋼軌無(wú)損檢測(cè)技術(shù)并不適用于尖軌檢測(cè)。迄今為止，還沒(méi)有對(duì)尖軌監(jiān)測(cè)的設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種鐵路道岔尖軌傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其方法，不具有現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)的解決方案，本發(fā)明不受各種外在環(huán)境影響，在不影響鐵路正常運(yùn)行的情況下對(duì)尖軌傷損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有監(jiān)測(cè)精度高，無(wú)需在尖軌上鉆孔或焊接電極，保持尖軌的原有機(jī)械結(jié)構(gòu)，不需另設(shè)供電線路，易于工程實(shí)施，造價(jià)低的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

一種鐵路道岔尖軌傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由尖軌、外部鏈接線路、供電系統(tǒng)組成，其特征在于：它還包括信息采集器、信息處理器、信息發(fā)射裝置；所述信息處理器設(shè)置在所述信息采集器內(nèi)，配置有分析尖軌傷損的軟件和存儲(chǔ)器；所述信息采集器由電流源、電壓測(cè)量單元組成，通過(guò)電信號(hào)采集尖軌裂紋狀態(tài)，將采集的電信號(hào)通過(guò)所述信息處理器處理通過(guò)所述信息發(fā)射裝置輸出。

所述電流源由恒定交流源、穩(wěn)態(tài)直流源跨接具有電極的多個(gè)區(qū)域組成，該電流源包括：DC電流源、AC電流源、靜態(tài)電流源，所述電壓測(cè)量單元配置用以檢測(cè)流過(guò)尖軌電極間的電壓。

所述信息處理器包括：微處理器、可編程邏輯控制器、邏輯模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)。

它還包括室內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置，該室內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置提供數(shù)字顯示或聲光報(bào)警指示信號(hào)，該信號(hào)提供簡(jiǎn)單的狀態(tài)輸出，或被用于基于電極區(qū)段部分的多個(gè)區(qū)域中的檢測(cè)到的電阻，激活或設(shè)置如告警標(biāo)志。

所述信息發(fā)射裝置為數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸裝置，傳輸尖軌損傷數(shù)據(jù)，采用近場(chǎng)通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)頻率及編碼將經(jīng)所述信息處理器處理過(guò)的尖軌傷損信息加傳送至所述室內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置，該信息發(fā)射裝置有處理器經(jīng)由外部鏈接線路，如紅外協(xié)議、藍(lán)牙協(xié)議、IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)送指示信號(hào)。

所述外部鏈接線路通過(guò)電極在所述尖軌上的孔位進(jìn)行安裝并通過(guò)導(dǎo)線與所述信息采集器連接。

鐵路道岔尖軌傷損監(jiān)測(cè)方法，采用電信號(hào)測(cè)量收集尖軌損傷信息，具體為在尖軌上間隔一定距離安裝電極點(diǎn)，在尖軌兩個(gè)端點(diǎn)加載直流與交變電流，通過(guò)測(cè)量任意兩電極點(diǎn)的電壓值來(lái)確定尖軌任意兩個(gè)電極端點(diǎn)間尖軌電阻電容值的變化，進(jìn)而判斷尖軌是否有斷裂裂紋。

其特征在于：包括以下步驟：

1)在尖軌上確定電極點(diǎn)，將電極固定在尖軌上；

2)用導(dǎo)線將電極與測(cè)試裝置的接線柱連接；

3)接通測(cè)試裝置電源，產(chǎn)生數(shù)據(jù)；

4)通過(guò)預(yù)設(shè)軟件將獲得的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)比獲得尖軌狀態(tài)值；

5)通過(guò)無(wú)線發(fā)射裝置將尖軌實(shí)時(shí)狀態(tài)值傳輸?shù)绞覂?nèi)接收裝置上；

6)室內(nèi)接收裝置收到尖軌數(shù)據(jù)值后，根據(jù)數(shù)據(jù)值傳送到報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警處理。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)采集尖軌損傷電信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)軟件比對(duì)不同環(huán)境下尖軌電特性參數(shù)并實(shí)施邏輯判斷，按照現(xiàn)行《鐵路線路維護(hù)規(guī)則》規(guī)定的指標(biāo)，判別尖軌是否傷損并輸出相關(guān)信息。系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)精度高，無(wú)需在尖軌上鉆孔或焊接電極，保持尖軌的原有結(jié)構(gòu)，不需另設(shè)供電線路，易于工程實(shí)施，造價(jià)低的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明無(wú)傷損尖軌等效電路圖；

圖2為本發(fā)明有傷損尖軌等效電路圖；

圖3為本發(fā)明尖軌四線法測(cè)試電阻值原理圖；

圖4為本發(fā)明用于監(jiān)測(cè)尖軌傷損系統(tǒng)圖；

圖5為本發(fā)明尖軌傷損監(jiān)測(cè)方法圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明主要是基于尖軌在產(chǎn)生傷損后，傷損部分形成電容，改變尖軌的總電阻，具體的原理如下：

當(dāng)測(cè)量無(wú)傷損尖軌的電阻時(shí)，等效電路如圖1所示，101為鋼軌的正電極端，102為鋼軌的負(fù)電極端，103為鋼軌等效電阻。

當(dāng)測(cè)量有傷損尖軌的電阻時(shí)，等效電路如圖2所示，201為鋼軌的正電極端，202為鋼軌的負(fù)電極端，203為正電極與傷損間的等效電阻，204為傷損間處并聯(lián)等效電阻，205傷損處的等效電容，206為負(fù)電極與傷損間的等效電阻。

在R-C并聯(lián)電路中，有

R＝Z-jX

電路的等效阻抗為：

Y—復(fù)導(dǎo)納；G—電導(dǎo)(導(dǎo)納的實(shí)部)；B—電納(導(dǎo)納的虛部)；|Y|—復(fù)導(dǎo)納的模；

同時(shí)，電容和頻率的關(guān)系為：

Z＝ESR+jwL-j/wC

也就是說(shuō)，隨著頻率的提高，電容的容抗值將越來(lái)越接近0，而寄生電感的感抗值卻逐漸增大，最后超過(guò)電容的容抗而使整個(gè)器件表現(xiàn)為電感性。容量越大的電容，其高頻容抗值越接近0，就越容易被本身的寄生電感所超越。

通過(guò)合適頻率找到電路等效電阻對(duì)傷損產(chǎn)生電容的敏感變化。通過(guò)對(duì)比傷損前后電阻的變化來(lái)定性判斷傷損，并能夠定量報(bào)告?zhèn)麚p程度。本發(fā)明方法能對(duì)尖軌內(nèi)外部損傷進(jìn)行精確檢測(cè)，檢測(cè)效率高。

尖軌電阻測(cè)量屬于精確測(cè)量極小電阻，采用四線法測(cè)量，是由供給額定電流的電流源端口，和檢測(cè)電壓降的電壓檢測(cè)端口所構(gòu)成的。連接于被測(cè)電阻的電壓檢測(cè)端口的測(cè)試線，因?yàn)殡妷河?jì)的輸入電阻很大，基本上沒(méi)有電流流經(jīng)，所以不受測(cè)試線電阻以及接觸電阻等的影響，可達(dá)到精確測(cè)量，其工作原理如圖3所示。電流I為全部流經(jīng)被測(cè)電阻R₀的電流，所以，R₃、R₄的電壓降為0。測(cè)量電壓U和被測(cè)電阻R₀兩端的電壓降U₀基本相同，即可不受R₁～R4的影響。

按照本發(fā)明之一實(shí)施例，道岔尖軌傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖4所示，本發(fā)明的尖軌傷損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖示，包括外部鏈接線路、信息采集器、信息處理器、信息發(fā)射裝置、室內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置與供電系統(tǒng)組成。通過(guò)外部鏈接線路將尖軌與測(cè)量監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行連接，通過(guò)電信號(hào)采集尖軌裂紋狀態(tài)，將采集的電信號(hào)通過(guò)信息處理器處理，信息發(fā)射裝置傳輸尖軌損傷數(shù)據(jù)，測(cè)量信息通過(guò)尖軌傷損信息數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，通過(guò)室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

信息采集器經(jīng)由一個(gè)頻率可變的恒定交流源和一個(gè)穩(wěn)態(tài)直流源跨接具有電極的多個(gè)區(qū)域，每相鄰兩個(gè)電極點(diǎn)之間設(shè)有電壓測(cè)量單元。通入直流電流源測(cè)量指示電壓的一組值。每個(gè)值對(duì)應(yīng)多個(gè)區(qū)域之一。切換到交流電流源，接著測(cè)量指示電壓值。通過(guò)將電壓電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電阻值，監(jiān)測(cè)在交流源電阻值和直流源電阻值之間的變化以檢測(cè)在該區(qū)段中的尖軌傷損的存在。相鄰電極部分的每個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)澐?。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到具體長(zhǎng)度不是本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特征。類(lèi)似的區(qū)域、電阻和電壓源的數(shù)量也不是本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特征。電流源包括DC電流源、AC電流源、靜態(tài)(static)電流源及電壓測(cè)量表。在實(shí)施例中，信息采集器還包括多個(gè)電壓傳感器，電壓傳感器被配置以檢測(cè)流過(guò)尖軌電極間的電壓。信息采集器包括多個(gè)電流傳感器，每個(gè)電流傳感器跨接相對(duì)應(yīng)的尖軌。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知尖軌的電阻可以基于檢測(cè)的電壓和電流確定。

信息處理器通信地耦合到信息采集器，信息處理器包括：微處理器、可編程邏輯控制器、邏輯模塊，或者包括數(shù)據(jù)庫(kù)和算法，該算法實(shí)現(xiàn)為由控制單元計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序。數(shù)據(jù)庫(kù)可以被配置為存儲(chǔ)關(guān)于尖軌傷損的預(yù)定信息。數(shù)據(jù)庫(kù)包括指令集、映射、查詢(xún)表、變量。這樣的映射、查詢(xún)表和指令集可操作與流過(guò)多個(gè)區(qū)域的電壓的特性相關(guān)，以檢測(cè)尖軌傷損的存在。該數(shù)據(jù)庫(kù)還可以被配置來(lái)存儲(chǔ)實(shí)際感測(cè)的或檢測(cè)的信息。該算法可以便利處理感測(cè)的與電流、電壓和尖軌傷損有關(guān)。信息發(fā)射裝置有處理器經(jīng)由外部鏈接線路，如紅外協(xié)議、藍(lán)牙協(xié)議、IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)送指示信號(hào)給室內(nèi)接收元單元。室內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置接收到信號(hào)，該指示信號(hào)提供簡(jiǎn)單的狀態(tài)輸出，或被用于基于電極區(qū)段部分的多個(gè)區(qū)域中的檢測(cè)到的電阻，激活或設(shè)置如告警的標(biāo)志。

圖示5是按照本發(fā)明的示范性尖軌傷損監(jiān)測(cè)方法。該方法對(duì)一段尖軌包括經(jīng)由電流源接尖軌施加電流，與相對(duì)應(yīng)的電壓表并聯(lián)耦合的每?jī)蓚€(gè)電極間的尖軌電阻從由電壓表接收電壓信號(hào)。在使用直流電流源測(cè)試初始設(shè)置的尖軌時(shí)，流過(guò)的電流恒定。電壓傳感器檢測(cè)流過(guò)每?jī)蓚€(gè)電極間的尖軌電阻的電流。最初，電壓傳感器測(cè)量指示流過(guò)每個(gè)區(qū)域的電壓的初始阻值，數(shù)據(jù)采集單元開(kāi)始監(jiān)測(cè)流過(guò)每?jī)蓚€(gè)電極間的尖軌電阻的電壓的變化來(lái)判斷電阻的變化，以檢測(cè)在尖軌上A-B、B-C、C-D、D-E、E-F、F-G和G-H區(qū)段存在環(huán)境變化，根據(jù)尖軌長(zhǎng)短確定設(shè)置電極的數(shù)量，然后通過(guò)測(cè)量控制單元切換多個(gè)電流源為交流源，通過(guò)電壓傳感器測(cè)量指示流過(guò)每個(gè)區(qū)域的電壓的阻值，數(shù)據(jù)采集單元開(kāi)始監(jiān)測(cè)流過(guò)每?jī)蓚€(gè)電極間的尖軌電阻變化，以檢測(cè)在尖軌上A-B、B-C、C-D、D-E、E-F、F-G和G-H區(qū)段傷損。

以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的原理以及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在具體實(shí)施方式以及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。