專利名稱：光纖光柵傳感列車車輪踏面狀態(tài)在線監(jiān)測系統(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車輪踏面狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，特別涉及到車 輪踏面故障的監(jiān)測，屬于軌道交通安全監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
輪軌接觸在關(guān)系軌道交通行車安全和運(yùn)行可靠性方面起著重要的作用，輪對的踏 面即列車車輪對與軌道的接觸面，輪對踏面的不圓度改變、多邊形化、破損等故障會導(dǎo)致高 頻沖擊振動，使鋼軌垂向的沖擊力增大，這會降低列車的舒適性，產(chǎn)生大的噪聲，甚至誘發(fā) 斷軌斷軸等嚴(yán)重事故，因此必須及時有效地對列車輪對狀態(tài)進(jìn)行檢測。而且隨著鐵路運(yùn)輸 的密集化和高速化的發(fā)展，對踏面在線檢測的需求更加迫切。目前國內(nèi)對火車輪對踏面的檢測還停留在手工機(jī)械式測量階段，檢測技術(shù)落后， 工作效率低，勞動強(qiáng)度大，并容易產(chǎn)生人為檢測誤差，無法快速、準(zhǔn)確掌握輪對狀態(tài)，同時也 不便于信息管理。在公開號為CN101830237A的發(fā)明專利中，公開了一種基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重載 運(yùn)輸線路安全實時監(jiān)測系統(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 溫度傳感器對鋼軌和鐵路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，可被用于判斷鋼軌無焊縫處的斷裂情況、鋼 軌和車輪的情況以及鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。但是該專利只是簡略的提到能用該系統(tǒng)進(jìn) 行車輪傷病監(jiān)測，且沒有提供具體的實現(xiàn)方案。在公開號為CN201362^55Y的發(fā)明專利中， 公開了一種光纖光柵列車計軸系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于檢測輪軌耦合狀況來實現(xiàn)計軸功能的， 但是該系統(tǒng)不能完整的檢測車輪踏面整個展開面的故障狀況，不具備準(zhǔn)確踏面監(jiān)測的功 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車輪踏面 狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng)和方法。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案一種光纖光柵傳感列車車輪踏面在線監(jiān)測系統(tǒng)，它 包括傳感器陣列，光纖光柵解調(diào)儀表和計算機(jī)；所述的傳感器陣列由在長度大于列車車輪 在鋼軌上走行一周距離的監(jiān)測區(qū)域，每兩根枕木之間的鋼軌上都安裝的光纖光柵傳感器組 成；每個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，它被兩對夾塊卡在鋼軌上，每對夾塊通過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上述通信光纖連接在一起，輸出端 和計算機(jī)的輸入端連接。當(dāng)列車車輪經(jīng)過布有光纖光柵傳感器的檢測區(qū)域時，鋼軌在車廂的重力作用下會 產(chǎn)生應(yīng)力變化，同時亦會發(fā)生形變，由于光纖光柵傳感器和鋼軌是密貼的，沒有相對位移，
3因此光纖光柵亦會隨之發(fā)生形變，從而實現(xiàn)光纖光柵傳感器對輪軌耦合的感知；同一車輪 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)車輪還未完全離開前一光纖光柵 傳感器所在的那段鋼軌時，就已經(jīng)使后一光纖光柵傳感器產(chǎn)生變化，而且監(jiān)測區(qū)域的長度 大于車輪踏面圓的周長，使得車輪整個踏面圓周與軌道接觸的情況就可以完全展開，任何 位置出現(xiàn)故障，在傳感器陣列的輸出信號中都可以得到反映。本發(fā)明的光纖光柵傳感列車車輪踏面在線監(jiān)測系統(tǒng)中，將傳感器陣列連續(xù)地檢測 到每個車輪踏面的狀況，由光纖光柵解調(diào)儀表通過通信光纖接受到傳感器陣列的光纖光柵 傳感器的信號，并將相應(yīng)的解調(diào)數(shù)據(jù)實時傳送到計算機(jī)，計算機(jī)接收數(shù)據(jù)后，制定應(yīng)用程序 繪制實時曲線并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從實時曲線中直觀的觀測到踏面的故障，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析和處理后進(jìn)一步了解故障的類型和病害程度。本發(fā)明適用于列車車輪踏面健康狀況的在線監(jiān)測。本發(fā)明利用夾塊通過緊固螺栓 將傳感器安裝在鋼軌上，結(jié)構(gòu)簡單，便于維修和更換，不影響列車的正常運(yùn)營；由于采用光 纖光柵作為傳感器，是基于光波長信號調(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)境下長期穩(wěn)定的工作；傳感器陣列 有效的檢測距離大于列車車輪踏面圓的周長，這就保證了能夠完整的檢測整個踏面的健康 狀況；本發(fā)明中解調(diào)儀表實時在線的解調(diào)出傳感器參量的變化，使得本系統(tǒng)能實現(xiàn)實時在 線的監(jiān)測；計算機(jī)接收數(shù)據(jù)后，制定應(yīng)用程序繪制實時曲線并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從實時曲線 中可以直觀的觀測到踏面的故障，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理可以進(jìn)一步了解故障的類型和病 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，因此可以利用車輪經(jīng)過不同光纖光柵傳感器間隔的采樣點(diǎn)數(shù)來確定時間間隔， 將兩光纖光柵傳感器的距離除以時間就可以得到列車通過該監(jiān)測區(qū)域的速度，還可以利用 多個光纖光柵傳感器的間隔，進(jìn)一步求出列車經(jīng)過該區(qū)域時的加速度；另外，本系統(tǒng)還具有 計軸功能。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是光纖光柵傳感列車車輪踏面在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。圖2是光纖光柵傳感器安裝示意圖。圖3是列車車輪經(jīng)過時傳感器陣列中各光纖光柵傳感器輸出曲線示意圖。圖4是車輪踏面故障類型一圖5是車輪踏面故障類型二圖中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-列車車輪，7-計算機(jī)，8-螺母，9-夾塊，10-彈性元件，11-螺栓。
具體實施例方式參考圖1、圖2、圖3詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方案。如圖1所示，光纖光柵傳感列車車輪踏面在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括光纖光柵解調(diào) 儀表1，計算機(jī)7，和由光纖光柵傳感器5組成的傳感器陣列。當(dāng)有車輪經(jīng)過監(jiān)測區(qū)域時，光 纖光柵傳感器陣列感知鋼軌3的變化。由于鋼軌3和車輪6是相互耦合的關(guān)系，當(dāng)車輪踏面出現(xiàn)故障時，例如有裂縫或缺口，踏面圓周多邊形化，失圓等，鋼軌的應(yīng)變變化會與正常 條件下不同，利用光纖光柵解調(diào)儀表實時輸出的光纖光柵傳感器參量變化值就可以及時的 發(fā)現(xiàn)故障。在圖2所示實施例中，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)生相對位移。每個光纖光柵傳感器用兩對夾塊9固定在鋼軌3上，安裝 時只要擰緊兩個螺母8就可以實現(xiàn)光纖光柵傳感器的緊固。該結(jié)構(gòu)沒有對鋼軌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破 壞，不會影響鋼軌的使用，而且安裝方便，便于維修。在圖3所示實施例中曲線對應(yīng)的是某一車輪經(jīng)過傳感器陣列時，各光纖光柵傳感 器輸出的變化量示意圖。在正常列車車輪經(jīng)過安裝有傳感器的鋼軌時，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，是一個漸變的過程，連接采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)得到 的是平滑的曲線。在車輪還未行走完前一光纖光柵傳感器所在的鋼軌時，后一光纖光柵傳 感器就已經(jīng)能檢測到輪軌接觸時鋼軌的應(yīng)變變化了，因此當(dāng)傳感器陣列所能檢測到的有效 距離大于車輪踏面圓周長時，傳感器陣列就能完整的檢測到車輪輪踏面與鋼軌耦合情況。 車輪的踏面故障主要有不圓度改變、多邊形化、破損等，這些故障會使行駛在鋼軌上車輪的 質(zhì)心與鋼軌的相對高度發(fā)生變化，依據(jù)動力學(xué)的知識，這將對鋼軌產(chǎn)生沖擊激勵，使得光纖 光柵傳感器采集到的信號受到相應(yīng)影響。如果車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曲線幅度與正常相比會有較大的起伏，通過分析實測數(shù)據(jù)就可 以在線地檢測出來。在圖4和圖5的實施例中，分別對應(yīng)的是車輪踏面出現(xiàn)兩類不同故障時光纖光柵 傳感器的實測曲線。兩實施例中都是傳感器陣列中一個光纖光柵傳感器檢測到的多個車輪 曲線，從圖中可以看出經(jīng)過同一段鋼軌的不同車輪，不是所有的曲線都有沖擊激勵的特征， 因此可以排除是鋼軌存在缺陷。圖4中故障車輪檢測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區(qū)域內(nèi)只存有一處破損；圖5中故障車輪檢測曲線中有連 續(xù)沖擊激勵的影響，由此可以斷定該光纖光柵傳感器有效的檢測區(qū)域內(nèi)有多處破損，使踏 面圓多邊形化。這是一個光纖光柵傳感器檢測的實施例，當(dāng)多個光纖光柵傳感器組成陣列 的有效檢測區(qū)域覆蓋整個踏面時，將不會漏檢車輪踏面任何位置的故障。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵列車車輪踏面在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，它包括傳感器陣列，光纖光 柵解調(diào)儀表(1)和計算機(jī)(7)；所述的傳感器陣列由在長度大于列車車輪在鋼軌上走行一 周距離的監(jiān)測區(qū)域，每兩根枕木之間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上述通信光纖( 連接在一起，輸出端和計算機(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車輪踏面在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的傳感器陣列中每個光纖光柵傳感器(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，它被兩對夾塊(9)卡在鋼軌上，每對夾塊通 過一根螺栓(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車輪踏面在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在 于，當(dāng)列車車輪經(jīng)過布有光纖光柵傳感器的檢測區(qū)域時，由于輪軌之間形成耦合作用，傳感 器陣列連續(xù)地檢測到每個車輪踏面的狀況，光纖光柵解調(diào)儀表(1)通過通信光纖( 接受 到傳感器陣列的光纖光柵傳感器(5)的信號，并將相應(yīng)的解調(diào)數(shù)據(jù)實時傳送到計算機(jī)(7)， 計算機(jī)(7)接收數(shù)據(jù)后，制定應(yīng)用程序繪制實時曲線并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從實時曲線中直 觀的觀測到踏面的故障，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后進(jìn)一步了解故障的類型和病害程度。
全文摘要
一種光纖光柵傳感列車車輪踏面狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，涉及到軌道交通安全監(jiān)測領(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)儀表和計算機(jī)。設(shè)計了一種檢測鋼軌的光纖光柵傳感器，選取一段監(jiān)測區(qū)域，在該區(qū)域每兩根枕木之間的鋼軌上都安裝上本發(fā)明中的光纖光柵傳感器，組成一個傳感器陣列。該檢測區(qū)域的長度大于列車車輪在鋼軌上走行一周的距離，當(dāng)列車車輪通過該監(jiān)測區(qū)域時，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)地檢測整個踏面的狀況。光纖光柵解調(diào)儀表通過通信光纖接受到光纖光柵傳感器的信號，并將解調(diào)數(shù)據(jù)實時傳送到計算機(jī)，利用這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)本系統(tǒng)在線判斷出車輪踏面不圓度改變、多邊形化及破損等故障的功能。
文檔編號B61K9/08GK102092406SQ20111000909
公開日2011年6月15日 申請日期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, 潘建軍, 王立新 申請人:武漢理工大學(xué)