专利名称：重力感应式计轴设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种铁路交通管理设备，尤其是一种重力感应式计轴设备。
技术背景 轨道区段状态的检测即是对轨道的各区段进行检测，从而进行判别各区段是处于 占用状态还是处于空闲状态。当前检测轨道区段状态的常用设备是轨道电路，但由于轨道 电路采用钢轨做电路通道，绝缘性能不好，对线路绝缘性要求很高，受外界干扰、道床和钢 轨的状况影响较大，在检测轨道区段状态时存在分路不良、"红光带"等问题，致使出现误判 现象。在半自动闭塞没有区段轨道检测设备，列车的完整到达全凭人工确认，阻碍了铁路运 输能力的进一步提高。因此，目前主要是采用电磁感应式计轴设备来解决轨道电路分路不 良、"红光带"等问题，它是利用电磁式磁头感应列车车轮经过的信号来判断轨道区段是否 有车占用的计轴设备。但是在实际应用中，电磁式磁头会因钢轨振动、车辆轮对变化以及电 磁干扰等因素影响，特别是受铁锹等非轮轴金属物体和单轨车的影响更大，往往会造成轨 道电路误判，不能有效解决轨道电路分路不良、"红光带"等问题
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种重力感应式计轴设备，该重力感应式 计轴设备是采用重力感应式传感器作为车轮计轴传感器，实现对轨道区段状态的安全检 测。它不会因钢轨振动、车辆轮缘厚度变化而对输出产生影响，其抗干扰能力强，不受非轮 轴金属物体的影响，能有效解决轨道电路分路不良、"红光带"等因素带来的误判问题。 解决上述技术问题的技术方案是一种重力感应式计轴设备，包括位于线路上的 车轴检测器、位于室内的计轴信息处理系统、输入输出子系统以及电源，所述的车轴检测器 主要由安装在线路钢轨腰部上的传感器单元、安装在设备箱内的车轮电子检测器组成，其 中，每个传感器单元是由3 7个重力感应式传感器组成的重力感应式传感器单元，车轮电 子检测器主要由计轴CPU单元、信号处理单元、传感器电源单元和状态检测单元组成，传感 器电源单元的输出端与传感器单元的输入端连接，传感器单元的输出端与信号处理单元的 输入端连接，信号处理单元的输出端和状态检测单元的输出端分别与计轴CPU单元的输入 端连接；所述的计轴信息处理系统主要由CPU单元、通信单元和I/O单元组成，CPU单元带 有网络接口并通过该网络接口相互连接，通信单元带有CAN数据接口并与车轮电子检测器 的计轴CPU单元相互连接、带有数据串口与外部的数据设备相连，该通信单元和I/O单元分 别与CPU单元连接；所述的输入输出子系统包括动态驱动组合单元、继电器和按钮，继电器 的输入端通过动态驱动组合单元与计轴信息处理系统的I/O单元的输出端连接，继电器和 按钮的输出端与计轴信息处理系统的I/O单元的输入端连接。 本实用新型的进一步技术方案是所述的重力感应式计轴设备还包括分别位于室 内和线路上的计轴信息处理系统与车轴检测器数据通迅子系统，该子系统包括有通道防雷 单元和传输线，所述的通道防雷单元通过传输线分别与计轴信息处理系统的通信单元、车轴检测器的计轴CPU单元进行连接；所述的传输线采用普通信号电缆线，采用CAN总线通信 方式，并多个设备共用一组芯线。 采用本实用新型之重力感应式计轴设备对轨道区段状态进行检测的基本检测原 理是 根据钢轨本身在车轮重力载荷作用下会发生弹性应力变化的力学原理，在钢轨中
安装重力感应式传感器感知该应力变化，产生与应力变化相对应的信号值。 为便于论述，将两根轧枕之间的一段钢轨AB可以当成一截简支樑看待，A、 B两点
分别安装重力感应式传感器a和重力感应式传感器b (如图9所示)。 当车轮运行在A、 B两点间时，根据力学原理得知A、 B两点的剪力Q与移动载荷P 之间的关系有仏=子尸 上式中，1为A点和B点之间的距离，x为车轮中轴线至A点的距离； 重力感应式传感器a和重力感应式传感器b感应的信号值与移动载荷P之间的关
系有(k为常量系数) f/。 = ,A户，K Y ^ 。 Uab = Ua_Ub = kP 将两个信号值进行减法叠加处理，重力感应式传感器a、 b感应的信号值差与移动 载荷P之间的关系有 Uab = Ua—Ub = kP 理论上当车轮经过AB区段时，重力感应式传感器a、b感应到的信号经减法叠加处 理后是一个与重力相关的方波脉冲信号。 根据以上结论，在计轴区段端头选取一处轨枕空档，在空档处的钢轨轨腰中间安 装三个重力感应式传感器，当车轮在1#、2#、3#传感器间运行时(如图10所示)，其感应到 的信号值经减法叠加处理信号后为U12和U23。在实际应用中车轮移动载荷与1#、2#、3#传 感器感应到的信号值的函数关系有差别，故U12和U23不是方波脉冲信号，其波形是有变形的 脉冲信号(如图11所示)。通过检测计算通过检测点的脉冲个数，实现计算列车轴数；根 据两个脉冲出现的先后，鉴别列车运行方向；根据脉冲的宽度可以计算列车运行速度；根 据脉冲幅值可以计算出列车的重量。 由于采用上述技术方案，本实用新型之重力感应式计轴设备具有以下有益效果 1、检测结果准确 由于本实用新型之重力感应式计轴系统是采用重力感应式传感器代替了传统的 电磁式磁头来感应列车车轮的信号，通过对重力感应式传感器输入条件的设计，使其一般 要有大于或等于600 1000kg重的车轮通过传感器检测区才能产生一个计轴脉冲，不像采 用电磁式磁头的计轴设备容易受到钢轨振动、车辆轮对变化以及电磁干扰等因素的影响， 特别是受铁锹等非轮轴金属物体和单轨车的影响；而且由于重力感应式传感器的绝缘性能 好，对线路绝缘性要求不高，具有列车通过速度范围广、工作温度范围广的优点，能有效解 决轨道电路分路不良、"红光带"等因素带来的误判问题。 2、可靠性高[0022] 由于本实用新型之重力感应式计轴设备所采用重力感应式传感器的体积较小，并 且该传感器安装在钢轨轨腰处，没有裸露部件，因此不容易受到外物碰撞而被损伤；而且该 重力感应式传感器的可靠性能很好，平均无故障时间超过5年以上。 3、设备具有较强的抗干扰能力 由于本实用新型之重力感应式计轴设备的计轴信息处理系统与车轴检测器数 据通迅子系统的传输线采用普通信号电缆线，采用CAN总线通信方式，由于CAN (CAN是 Controller AreaNetwork的縮写，意思是区域网络控制器)总线是一种先进的现场总线 技术，已经广泛应用在现代工业控制领域，其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达 1Mbps (此时通信距离最长为40m)，直接传输距离最远可达10km(速率在5kbps以下)，可 挂接设备最多可达110个。并且由于CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数 为8个，因而传输时间短，受干扰的概率较低；当节点严重错误时，还具有自动关闭的功能 以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰 能力。而且CAN支持多种方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其他节点发送 信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当 出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级别高的节点可继续传输数据，而优先级低 的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。因此，CAN总线这些特点非常适合本实用新 型之重力感应式计轴设备，可充分利用现有通信电缆，可以多套设备共用一对通信电缆，一 处计轴点的故障，不会影响到其他计轴点的正常工作，因此本实用新型之重力感应式计轴 设备具有较强的抗干扰能力。 下面，结合附图和实施例对本实用新型之重力感应式计轴设备的技术特征作进一 步的说明。
图1 :实施例一所述本实用新型之站内重力感应式计轴设备的结构框图； 图2 :车轴检测器的工作示意框图； 图3 :实施例一所述计轴信息处理系统的工作示意框图； 图4 :实施例二所述本实用新型之站间重力感应式计轴设备的结构框图； 图5 :实施例二所述计轴信息处理系统的工作示意框图； 图6 :重力感应式传感器的力学模型图； 图7 :车轮通过重力感应式传感器的示意图； 图8 :重力感应式传感器的复合输出信号示意图； 图中，i、车轴检测器， n、计轴信息处理系统， ni、输入输出子系统，IV、站间通信传输子系统。
具体实施方式
实施例一 站内重力感应式计轴设备 —种站内重力感应式计轴设备(如图1所示)，包括位于线路上的车轴检测器I、
位于室内的一套计轴信息处理系统n、一套输入输出子系统ni、分别位于室内和线路上
的计轴信息处理系统与车轴检测器数据通迅子系统以及电源、电源防雷单元；所述的车轴检测器I由安装在线路单边钢轨腰部上的传感器单元、安装在设备箱内的车轮电子检测器 组成，其中，每个计轴点设置一个传感器单元，每个传感器单元均是由1#、2#、3#重力感应 式传感器组成的重力感应式传感器单元；所述车轮电子检测器采用双机并联的工作模式， 该车轮电子检测器由计轴CPU单元、信号处理单元、传感器电源单元和状态检测单元组成， 传感器电源单元的输出端与传感器单元的输入端连接，传感器单元的输出端与信号处理单 元的输入端连接，信号处理单元的输出端和状态检测单元的输出端分别与计轴CPU单元的 输入端连接(如图2所示)；所述的计轴信息处理系统II由CPU单元、通信单元和I/O单 元组成，CPU单元带有网络接口并通过该网络接口相互连接，通信单元带有CAN数据接口并 与车轮电子检测器的计轴CPU单元相互连接、带有数据串口与外部的数据设备相连，该通 信单元和1/0单元分别与CPU单元连接(如图3所示)；所述的输入输出子系统III由动 态驱动组合单元、继电器和按钮，继电器的输入端通过动态驱动组合单元与计轴信息处理 系统的1/0单元的输出端连接，继电器和按钮的输出端与计轴信息处理系统的1/0单元的 输入端连接。所述的计轴信息处理系统与车轴检测器数据通迅子系统由通道防雷单元和传 输线组成，该通道防雷单元通过传输线分别将计轴信息处理系统的通信单元和车轴检测器 的计轴CPU单元相互连接在一起。 所述的计轴信息处理系统与车轴检测器数据通迅子系统的传输线采用普通信号 电缆线，采用CAN总线通信方式，并多个设备共用一组芯线。 上述各主要部件主要实现的功能如下 —、车轴检测器主要实现下述功能 (1)、当车轮的重量P大于或等于(600 1000)kg，列车速度V = (0 300)km/h 时，重力感应式传感器所产生的脉冲均能可靠计数； (2)、能鉴别车辆走行方向，在同一重力感应式传感器上前进和后退的车轴应能正 确计数； (3)、定时发送工作状态信息至计轴信息处理系统确认是否工作正常； (4)、具有软件异常时自动复原功能。 二、计轴信息处理系统主要实现下述功能 (1)、正确接收车轴检测器传输来的信息； (2)、记录计数结果和比较驶入与驶出区段时所记录的轴数，鉴别列车运行方向， 并将记录的轴数信息和列车运行方向信息表示出来； (3)、所监视区段占用或空闲的表示； (4)、对车轴检测器发送监控指令； (5)、周期监视通信传输通道、车轴检测器和电源情况的正确功能，任何故障均应 导致占用的表示； (6)、与邻站计轴信息处理系统进行状态信息交换。 三、输入输出子系统中，继电器包含区间轨道继电器QGJ和设备状态继电器，该输 入输出子系统是重力感应式计轴设备用以表示所监视的区段占用或空闲状态的最终执行 单元；按钮主要用作设备复零，当计轴设备执行总清时，QGJ吸起，表示区间空闲；当系统输 出5Hz脉冲给动态驱动组合时，输出电源给QGJ， QGJ吸起，表示区间空闲；当没有5Hz脉冲 给动态驱动组合时，没有电源输出，QGJ落下，表示区间占用。[0053] 作为本实施例一的一种变换，所述的站内重力感应式计轴设备也可以不包括计轴 信息处理系统与车轴检测器数据通迅子系统，计轴信息处理系统的通信单元直接与车轮电 子检测器的计轴CPU单元相互连接，只是效果没有那么好。 作为本实施例一的又一种变换，所述的每个传感器单元也可以是由4个、5个、6 个、7个重力感应式传感器组成的重力感应式传感器单元，只是不如采用3个重力感应式传 感器的结构简单、成本低。 实施例二 站间重力感应式计轴设备 —种站间重力感应式计轴设备(如图4所示)，其基本结构均同实施例一，包括位
于线路上的车轴检测器1、位于室内的计轴信息处理系统n、输入输出子系统ni、分别位
于室内和线路上的计轴信息处理系统与车轴检测器数据通迅子系统以及电源、电源防雷单
元，所不同之处在于该系统还包括有站间通信传输子系统IV，该站间通信传输子系统IV
主要由远程通信单元、通信防雷单元和站间通信传输线构成，远程通信单通过站间通信传
输线和通信防雷单元连接；所述的计轴信息处理系统的CPU单元还带有外部数据串口并通 过该外部数据串口与远程通信单元相连；所述的传感器单元在每个计轴点均设置有两个， 该两个传感器单元分别安装在线路两边的钢轨腰部上，并共同连接一个车轮电子检测器， 每个传感器单元均由3个重力感应式传感器组成，每个车站室内的计轴信息处理系统、输
入输出子系统以及站间通信传输子系统的数量均为一套。 其具体结构如下 —种站间重力感应式计轴设备，包括位于线路上的车轴检测器I、位于室内的计轴
信息处理系统n、输入输出子系统ni、站间通信传输子系统iv、分别位于室内和线路上的
计轴信息处理系统与车轴检测器数据通迅子系统以及电源、电源防雷单元，所述的车轴检 测器I由传感器单元、安装在设备箱内的车轮电子检测器组成，其中，每个计轴点均设置两 个传感器单元，该两个传感器单元分别安装在线路两边的钢轨腰部上，并共同连接一个车
轮电子检测器，每个传感器单元均是由1#、2#、3#重力感应式传感器组成的重力感应式传 感器单元，车轮电子检测器采用双机并联的工作模式，该车轮电子检测器由计轴CPU单元、
信号处理单元、传感器电源单元和状态检测单元组成，传感器电源单元的输出端与传感器 单元的输入端连接，传感器单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，信号处理单元的
输出端和状态检测单元的输出端分别与计轴CPU单元的输入端连接(如图2所示)；所述 的计轴信息处理系统II由CPU单元、通信单元和I/O单元组成，CPU单元带有网络接口并
通过该网络接口相互连接，带有外部数据串口并通过该外部数据串口与站间通信传输子系
统的远程通信单元相连，通信单元带有CAN数据接口并与车轮电子检测器的计轴CPU单元 相互连接、带有数据串口与外部的数据设备相连，该通信单元和I/O单元分别与CPU单元连 接(如图5所示)；所述的输入输出子系统III由动态驱动组合单元、继电器和按钮，继电 器的输入端通过动态驱动组合单元与计轴信息处理系统的1/0单元的输出端连接，继电器 和按钮的输出端与计轴信息处理系统的1/0单元的输入端连接。所述的计轴信息处理系统 与车轴检测器数据通迅子系统由通道防雷单元和传输线组成，该通道防雷单元通过传输线 分别将计轴信息处理系统的通信单元和车轴检测器的计轴CPU单元相互连接在一起。所述 站间通信传输子系统IV由远程通信单元、通信防雷单元和站间通信传输线构成，远程通信 单元通过站间通信传输线分别和计轴信息处理系统的CPU单元、通信防雷单元连接。[0059] 所述的站间通信传输子系统采用专线实回线、光缆专线或是专线Modem通信，特 别加强了对串口通信的纠错处理及瞬间通信中断的恢复处理。 作为本实施例二的一种变换，所述的计轴信息处理系统也可以和位于室外线路上 的多个车轴检测器连接，以便满足多区段监督的需要。 作为本实施例二的又一种变换，从成本上考虑，所述的传感器单元也可以只在线 路一边同一轴线上的钢轨腰部上的安装一组传感器单元，只是不如采用两边安装两组重力 感应式传感器单元的稳定性和可靠性高。
权利要求一种重力感应式计轴设备，包括位于线路上的车轴检测器、位于室内的计轴信息处理系统、输入输出子系统以及电源，其特征在于所述的车轴检测器主要由安装在线路钢轨腰部上的传感器单元、安装在设备箱内的车轮电子检测器组成，其中，每个传感器单元是由3～7个重力感应式传感器组成的重力感应式传感器单元，车轮电子检测器主要由计轴CPU单元、信号处理单元、传感器电源单元和状态检测单元组成，传感器电源单元的输出端与传感器单元的输入端连接，传感器单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，信号处理单元的输出端和状态检测单元的输出端分别与计轴CPU单元的输入端连接；所述的计轴信息处理系统主要由CPU单元、通信单元和I/O单元组成，CPU单元带有网络接口并通过该网络接口相互连接，通信单元带有CAN数据接口并与车轮电子检测器的计轴CPU单元相互连接、带有数据串口与外部的数据设备相连，该通信单元和I/O单元分别与CPU单元连接；所述的输入输出子系统包括动态驱动组合单元、继电器和按钮，继电器的输入端通过动态驱动组合单元与计轴信息处理系统的I/O单元的输出端连接，继电器和按钮的输出端与计轴信息处理系统的I/O单元的输入端连接。
2. 根据权利要求1所述的重力感应式计轴设备，其特征在于所述的重力感应式计轴 设备还包括分别位于室内和线路上的计轴信息处理系统与车轴检测器数据通迅子系统，该 子系统包括有通道防雷单元和传输线，所述的通道防雷单元通过传输线分别与计轴信息处 理系统的通信单元、车轴检测器的计轴CPU单元进行连接；所述的传输线采用普通信号电 缆线，采用CAN总线通信方式，并多个设备共用一组芯线。
3. 根据权利要求1或2所述的重力感应式计轴设备，其特征在于所述的重力感应式 计轴设备为站内重力感应式计轴设备，所述车轴检测器的传感器单元只安装在线路单边的 钢轨腰部上，每个计轴点设置一个传感器单元，每个传感器单元均由3个重力感应式传感器组成，位于室内的计轴信息处理系统、输入输出子系统的数量均为一套。
4. 根据权利要求1或2所述的重力感应式计轴设备，其特征在于所述的重力感应式 计轴设备为站间重力感应式计轴设备，该设备还包括有站间通信传输子系统，该站间通信 传输子系统主要由远程通信单元、通信防雷单元和站间通信传输线构成，远程通信单元通 过站间通信传输线和通信防雷单元连接；所述的计轴信息处理系统的CPU单元还带有外部 数据串口并通过该外部数据串口与远程通信单元相连；所述的传感器单元在每个计轴点均 设置有两个，该两个传感器单元分别安装在线路两边的钢轨腰部上，并共同连接一个车轮 电子检测器，每个传感器单元均由3个重力感应式传感器组成，每个车站室内的计轴信息 处理系统、输入输出子系统以及站间通信传输子系统的数量均为一套。
专利摘要一种重力感应式计轴设备，涉及一种铁路交通管理设备，它包括位于线路上的车轴检测器、位于室内的计轴信息处理系统、输入输出子系统和电源，车轴检测器由安装在线路钢轨腰部上的传感器单元、安装在设备箱内的车轮电子检测器组成，车轮电子检测器由计轴CPU单元、信号处理单元、传感器电源单元和状态检测单元组成；计轴信息处理系统由CPU单元、通信单元和I/O单元组成，CPU单元通过网络接口相互连接，通信单元分别与车轮电子检测器、外部的数据设备相连，通信单元和I/O单元分别与CPU单元连接；输入输出子系统包括动态驱动组合单元、继电器和按钮；本实用新型的检测结果准确、可靠性高、能实现自动判断轨道区段的空闲、占用状态。
文档编号B61L1/16GK201472414SQ20092030133
公开日2010年5月19日 申请日期2009年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者何曲波, 孙宝华, 徐海贤, 武夫, 牛建玲, 金和清, 陈明军 申请人:南宁铁路局;南宁铁路局科学技术研究所