一种轨道结构病害的远程监控预警系统的制作方法

本实用新型涉及轨道交通振动与噪声技术领域，具体涉及一种轨道结构病害的远程监控预警系统。

背景技术：

随着铁路与城市轨道交通的发展，列车运行速度越来越高，列车发车频次越来越高，由此而带来的轨道结构安全保障难度问题十分突出，因此，如何快速、有效、及时地发现轨道结构病害问题，并迅速作出相应反应采取果断应对措施，是保障高速铁路及其它轨道交通安全运行的必要措施。

目前，国内外常用的检查发现轨道结构病害的方法有两种，一是靠铁路工务部门职工巡线，靠肉眼靠经验沿线路检查；巡线中工人工作强度大，轨道结构病害的发现与巡线工人工作经验和技术水平等因素有关，易出现漏检现象。二是靠轨检车和探伤小车等机械设备巡线。轨检车的主要检测参数包括：轨距、方向、水平和高低等，这些参数主要反映的是轨道结构的几何行位，并不能真实实时反映轨道结构的运行状态。另外，探伤小车是一种手推式的利用超声波等原理探查断裂等钢轨病害的一种小型设备，这种小车仅仅只能对钢轨进行探伤等作业，且只能在行车间隙进行，工作效率低下，平均5-8km/（天×人）。

技术实现要素：

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种轨道结构病害的远程监控预警系统，该系统在列车运行过程中通过噪声辐射采集终端实时监测轨道的噪音数据，并将实测噪音数据与理论噪音数据进行对比分析，可以快速有效的检测轨道病害。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种轨道结构病害的远程监控预警系统，所述远程监控预警系统包括噪声辐射数据采集终端以及与所述噪声辐射数据采集终端网络连接的服务器；所述噪声辐射数据采集终端包括采集设备以及若干个安装在列车上的声传感器，所述声传感器连接所述采集设备。

所述噪声辐射数据采集终端还包括GPRS通信模块，所述GPRS通信模块连接所述采集设备，用于将所述声传感器采集的噪声数据传输至所述服务器。

所述GPRS通信模块为GPRS数据传输器。

所述噪声辐射数据采集终端连接有太阳能电池组，所述太阳能电池组固定安装在所述列车的两侧。

所述服务器通过固定IP路由器15与所述噪声辐射数据采集终端进行网络通信。

所述声传感器的数目为三，所述声传感器分别安装在所述列车的前后转向架的中心正下方0.2m处和所述列车的车体的底板中心位置下方0.3m处。

本实用新型的优点是，将噪声辐射数据采集终端安装在运行的列车上，可以对轨道的状况进行实时检测，解决了人工检测效率低下的问题；将声传感器采集的数据与理论方法计算出的标准噪声数据进行对比分析，可以有效的检测轨道以及轨道板病害，不仅具有极高的准确性，还可避免人工检测导致的漏检误检。

附图说明

图1为本实用新型轨道结构病害的远程监控预警系统的结构框图；

图2为本实用新型中列车的模型的示意图；

图3为本实用新型中轨道及轨道板的模型的示意图；

图4为本实用新型中的车轮的有限元模型图；

图5为本实用新型中的钢轨的有限元模型图；

图6为本实用新型中的轨道板的有限元模型图；

图7为本实用新型中的车体的有限元模型图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-7，图中标记1-15分别为：列车1、车轮2、钢轨3、轨道板4、路基5、转向架6、声传感器7、采集设备8、服务器9、太阳能电池组10、车体11、构架12、GPRS通信模块13、噪声辐射数据采集终端14、固定IP路由器15。

实施例：如图1至3所示，本实用新型具体涉及一种轨道结构病害的远程监控预警系统，其包括噪声辐射数据采集终端14以及与噪声辐射数据采集终端14网络连接的服务器9；噪声辐射数据采集终端14安装在列车1的底部，用于检测列车1运行过程中的车底噪声辐射数据，并将车底噪声辐射数据通过网络实时发送至服务器9；服务器9收到车底噪声辐射数据后可以根据列车1的工况参数从样本数据库中选取相应的标准噪声数据，并将车底噪声辐射数据与标准噪声数据进行对比分析，判断列车1运行的轨道是否出现病害。

如图1至3所示，本实施例中噪声辐射数据采集终端14包括GPRS通信模块13、采集设备8以及若干个声传感器7；本实施例中声传感器7的数目为三，分别安装在所述列车1的前后转向架6的中心正下方0.2m处和列车1的车体11的 底板中心位置下方0.3m处。声传感器7用于检测两根钢轨3、车轮2以及轨道板4围成的空间内部的噪声辐射数据；采集设备8用于采集声传感器7检测出的噪声辐射数据，并将噪声辐射数据通过GPRS通信模块13发送至服务器9；在本实施例中，服务器9通过固定IP路由器15@@与噪声辐射数据采集终端14进行网络通信。本实施例中，GPRS通信模块13为GPRS数据传输器；噪声辐射数据采集终端14连接有太阳能电池组10，太阳能电池组10固定安装在列车1的两侧。

下面结合附图介绍本实施例中轨道结构病害的远程监控预警系统的使用方法：

如图1至3所示，在使用本实施例的轨道结构病害的远程监控预警系统的过程中，首先计算不同工况条件下不同型号机车车辆运行时的钢轨3、车轮2、车体11的底板和轨道板4构成的空间区域内的样本噪声数据，在列车1出发前，提前在列车1中输入的机车车辆的型号以及线路资料，并在样本噪声数据的基础上自动生成线路不同里程的标准噪声数据，并将标准噪声数据存储在服务器9的标准噪声数据库中；在列车1运行过程中利用噪声辐射数据采集终端1采集列车1运行过程中的车底噪声辐射数据；将车底噪声辐射数据与标准噪声数据进行对比分析，当车底噪声辐射数据与标准噪声数据的偏差大于病害阈值时，判定轨道出现病害特征；本实施例中远程监控预警系统的使用方法具体包括以下步骤：

1）在该方法中首先计算不同工况条件下不同型号机车车辆运行时的钢轨3、车轮2、车体11的底板和轨道板4构成的空间区域内的样本噪声数据，如图2、3所示，在计算过程中，首先考虑轨道不平顺、车轮不平顺、轴重以及行车速度和轨道结构等条件的影响，建立列车-钢轨-轨道板的耦合分析模型；耦合分析模型建立完成后，分别计算不同工况条件下列车1的车轮2与钢轨3之间的轮轨作用力、作用于轨道板4上的竖向力以及列车1的车体11与转向架6之间的作用力；车轮2与钢轨3之间的作用力为竖向动态轮轨作用力；随后分别建立轨道板4、车轮2、钢轨3和车体11的三维有限元模型，将竖向动态轮轨作用力作为激励条件输入到车轮2与钢轨3的三维有限元模型中，将作用于轨道板4上的竖向力作为激励条件输入到轨道板4的三维有限元模型中，并将车体11与转向架6之间的作用力作为激励条件输入到车体11的三维有限元模型中，分别求解车轮2和钢轨3的高频竖向振动响应、轨道板4的低频竖向振动响应以及车体11的竖向振动响应；利用边界元的方法，将所求的车轮2、钢轨3、轨道板4和车体11的振动响应作为计算条件，依据结构振动发射的声功率和结构表面振动的均方速度关系，分别计算车轮辐射噪声、钢轨辐射噪声、轨道板辐射噪声和车体辐射噪声，并利用声学叠加原理并考虑遮蔽效应将四者叠加，获得不同工况条件下不同型号机车车辆通过时的所述正常轨道结构的噪声数据。具体计算过程如下：

1.1）建立列车-轨道-轨道板的耦合分析模型，求解车体11与转向架6之间的作用力、轮轨作用力以及作用于轨道板4上的竖向力。

如图2所示，一节列车1包括一个车体11、两个转向架6以及四对车轮2；车体11、转向架6以及车轮2均被看做刚体，在耦合分析模型中，将列车1用按照指定速度运行于钢轨3上的多刚体系统进行模拟，多刚体系统包括车体11、转向架6以及车轮2；在模拟过程中结合车体11的质量、前后转向架6的构架质量、车轮2的质量以及悬挂系统的质量和阻尼，同时结合车体11和转向架6的沉浮运动和点头运动以及车轮2的竖向振动；将所述钢轨3视为连续弹性离散点支承基础上的无线长梁，钢轨3的下基础沿纵向离散分布；列车1与钢轨3之间的耦合作用通过轮轨接触实现；将轨道板4视为刚性支承块，其具有垂向运动自由度；将轨道板4与路基5之间的连接视为线性弹簧和阻尼元件；结合轨道不平顺、车轮不平顺、轴重以及行车速度，计算车体11与转向架6之间的的动态作用力、轮轨之间的竖向动态作用力以及作用于轨道板4上的竖向动态力。

1.2）建立轨道板4、车轮2、钢轨3以及车体11的三维有限元模型，计算轨道板4、车轮2、钢轨3以及车体11的振动响应。

如图2、3所示，使用ANSYS有限元分析软件建立轨道板4、车轮2以及钢轨3以及车体11的三维有限元模型，轨道板4、车轮2以及钢轨3均采用三维实体单元进行模拟，车体11使用板单元进行模拟；车体11有限元模型图如图4所示，钢轨3的有限元模型图如图5所示、轨道板4的有限元模型图如图6所示，车体11的有限元模型图如图7所示。

模拟过程中，将步骤1.1）中求解出的将动态轮轨作用力作为激励条件输入到车轮2与钢轨3的三维有限元模型中，将作用于轨道板4上的竖向力作为激励条件输入到轨道板4的三维有限元模型中，车体11与转向架6之间的的动态作用力作为激励条件输入到车体11的三维有限元模型中，分别求解车轮2和钢轨3的高频振动响应、轨道板4的低频振动响应以及车体11的振动响应。

1.3）利用边界元的方法，计算车轮辐射噪声、钢轨辐射噪声、轨道板辐射噪声和车体辐射噪声。

在计算过程中，将步骤1.2）中得到的轨道板4、车轮2、钢轨3和车体11的振动响应作为计算条件，依据结构振动发射的声功率和结构表面振动的均方速度关系，分别计算车轮辐射噪声、钢轨辐射噪声、轨道板辐射噪声和车体辐射噪声，并利用声学叠加原理并考虑遮蔽效应将四者叠加，最终得到两根钢轨3、轨道板4、车轮2以及车体11底板构成的空间内的噪声场分布；从噪声数据中提取两个转向架6正中心下方0.2m和车体11底板正中心位置下方0.3m位置的噪声数据，噪声数据包括最大噪声级、最小噪声级及频谱特性，提取完成后将噪声数据存储至服务器的样本数据库中。

在多种工况条件下重复步骤1.1)至1.3），在本实施例中，工况参数包括：不同的轨道不平顺、车轮不平顺、不同的行车速度（10Km/h、15Km/h、20Km/h、25Km/h、30Km/h……300Km/h、305Km/h、315Km/h、320Km/h、）、不同的列车轴重（13t、15t、21t、23t、30t）；钢轨头部磨耗0-10mm，有砟和无砟轨道结构，其中无砟轨道包括：CRTS I型板、CRTS II型板、CRTS III型板、双块式等，在噪声数据存储过程中，每条噪声数据记录包括其采用的工况参数。

2）利用噪声辐射数据采集终端14采集列车运行过程中的车底噪声辐射数据；如图1至3所示，将噪声辐射数据采集终端14的声传感器7分别安装在列车1的指定位置；噪声辐射数据采集终端14在列车运行过程中持续采集车底噪声辐射数据，同时噪声辐射数据采集终端14将车底噪声辐射数据通过网络上传至服务器9；服务器9通过固定IP路由器15接入互联网，任何装有客户端且接入互联网的计算机均可访问服务器9中的标准噪声数据以及车底噪声辐射数据。

3）将车底噪声辐射数据与标准噪声数据进行对比分析，检测轨道结构病害；如图1至3所示，当服务器9接收到车底噪声辐射数据后，根据列车1的行驶里程，自动与相同里程位置的标准噪声数据进行对比分析；当车底噪声辐射数据的最大噪声级超过标准噪声数据的最大噪声级5%以上时，再对比分析同一时刻不同频段下的车底噪声辐射和所述标准噪声数据；若在相同频段条件下，车底噪声辐射数据的频谱峰值超过相应标准噪声数据的频谱峰值10%以上，判定该里程位置轨道结构出现病害症状反之可判定该里程位置轨道结构安全。

当服务器9检测到轨道结构出现病害症状时，可以通过网络向工务人员发出警报，以便工务人员到现场进行检查；数据确认后，工务人员可以将检修结果反馈至服务器，以便技术人员根据检修结果调整样本数据库的内容。

本实施例的有益技术效果为：将检测装置安装在运行的列车上，可以对轨道结构的状况进行实时检测，解决了人工检测效率低下的问题；将声传感器采集的数据与理论方法计算出的标准噪声数据进行对比分析，可以有效的检测轨道结构包括钢轨和轨道板等病害，不仅具有极高的准确性，还可避免人工检测导致的漏检误检。