专利名称：高铁钢轨伤损检测实验平台及检测方法
技术领域：
本发明涉及高铁钢轨伤损检测实验平台及检测方法，属于铁路安全监测与防护技术领域。
背景技术：
由于列车和钢轨的长期相互作用，自然环境和钢轨本身质量原因都会造成钢轨的伤损。我国根据钢轨的伤损种类，伤损位置及伤损原因进行分类，共分为9类32种伤损。目前轨道伤损检测的主要有两种:手推式探伤仪和大型轨道检测车，前者是目前国内轨道检测的主要手段，这种方式的主要问题是效率低下，一台这样的探伤设备至少需要4人，检测的速度仅有2-3km/h。其次，在探伤检测中，检测的结果很容易受环境和个人主观因素的影响，很容易造成错判和漏判现象。大型轨道检测车是目前最先进的轨道检测方式，相对人工检测方式，检测速度和可靠性有很大的提高。它的检测速度一般能够达到40Km/h，最高甚至可以达到80Km/h。随着技术发展，国外已经有了一些高速的检测设备，如法国的MGV检测列车能够以300Km/h的速度对轨道进行检测，其次还有日本的East-1和德国的OMWE等。尽管这些高速轨检车提高了轨道检测的效率，但是这些车一般是每隔几个月才对线路检测一次，不能对轨道进行实时的监控，如何提高高速铁路钢轨伤损检测效率成了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决手推式探伤仪的检测结果很容易受环境和个人主观因素的影响，很容易造成错判和漏判，而高速轨检车不能对轨道实时监控的问题，提供了一种高铁钢轨伤损检测实验平台及检测方法。
本发明所述高铁钢轨伤损检测实验平台，它包括加压装置、丝杆、模拟车轮、模拟高铁钢轨、传送带、主动轮、电机、振动加速度传感器、wifi无线发射模块、wifi无线接收模块和上位机，模拟高铁钢轨为圆盘状的轮子结构，模拟高铁钢轨与主动轮之间通过传送带实现传动连接，主动轮由电机带动旋转，模拟车轮和模拟高铁钢轨之间滚动接触，加压装置通过丝杆给模拟车轮加压；模拟高铁钢轨的盘面上设置有振动加速度传感器，振动加速度传感器用于检测模拟高铁钢轨的表面伤损信号，所述表面伤损信号和裂纹伤损信号通过wifi无线发射模块发送出去；由wifi无线接收模块接收后输出给上位机。上述方案还可以进一步包括变频器，变频器的转速控制信号输出端与电机的转速控制信号输入端相连。上述方案还可以进一步包括压力传感器，压力传感器用于检测加压装置施加给模拟车轮的压力信号，压力传感器的压力信号输出端与wifi无线发射模块的压力信号输入端相连。
上述方案还可以进一步包括编码器测速模块，编码器测速模块用于测量电机的转速，编码器测速模块的电机转速信号输出端与Wifi无线发射模块的电机转速信号输入端相连。基于所述高铁钢轨伤损检测实验平台的检测方法包括以下步骤:步骤一、利用加压装置加压来模拟不同车重，通过调整电机的转速来模拟不同车速，在模拟高铁钢轨上不同位置制造表面伤损，通过振动加速度传感器采集模拟高铁钢轨的表面伤损信号，并提取其时域特征参数和时频域特征参数，通过支持向量机来建立伤损识别库；步骤二、在模拟高铁钢轨上沿圆周方向设置多个振动加速度传感器，对每个振动加速度传感器采集的表面伤损信号进行处理，提取其时域特征参数和时频域特征参数；步骤三、对照步骤一的伤损识别库，判断步骤二获取的每个振动加速度传感器所在位置是否存在表面伤损。本发明的优点:I)在符合赫兹接触定理的情况下模拟了列车车轮和钢轨的接触状态，并且实现了轮轨间200Km/h的线速度，可以得出高速下的钢轨伤损信号，传感器的安装位置、轮轨间施加的压力、轮轨间的线速度都可以调整，可以得到不同模拟车速、车重、不同测量位置处的钢轨伤损信号。2)在模拟钢轨上可以安装振动加速度传感器对不同的表面伤损进行检测，振动加速度传感器主要用于检测钢轨的表面伤损。3)实验中的振动数据采用了无线传输，由于数据量较大，采用了高速的基于wifi的传输方案，实验中稳定的传输速度能达到5MB/S，能够满足数据的实时传输需求,在传输实时性要求不高时，选择传输波形数据，传输实时性要求高时，选择传输波形特征参数数据。4)在电脑上位机软件中集成了振动信号的处理程序、测速调速程序和压力显示程序，集成度的提高，简化了设备的使用，自动化程度也得到提高。
图1是本发明所述高铁钢轨伤损检测实验平台的结构示意图；图2是本发明所述高铁钢轨伤损检测实验平台的电气控制原理图；图3是钢轨波浪形磨耗的外形示意图；图4是轨头局部压陷的外形示意图；图5是钢轨表面剥离的外形示意图；图6是钢轨马鞍形磨耗的外形示意图；图7是钢轨高低接头的外形示意图；图8是实施例中一段振动信号示意图；图9是滤波前振动信号的频谱图；图10是滤波后振动信号的频谱图；图11是信号EMD分解后的前6个IMF分量图；图12是信号EMD分解后的 后4个IMF分量图。
具体实施例方式具体实施方式
一:下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述高铁钢轨伤损检测实验平台，包括加压装置1、丝杆2、模拟车轮3、模拟高铁钢轨4、传送带5、主动轮
6、电机8、振动加速度传感器9、wifi无线发射模块12、wifi无线接收模块13和上位机14，模拟高铁钢轨4为圆盘状的轮子结构，模拟高铁钢轨4与主动轮6之间通过传送带5实现传动连接，主动轮6由电机8带动旋转，模拟车轮3和模拟高铁钢轨4之间滚动接触，加压装置I通过丝杆2给模拟车轮3加压；模拟高铁钢轨4的盘面上设置有振动加速度传感器9，振动加速度传感器9用于检测模拟高铁钢轨4的表面伤损信号，所述表面伤损信号和裂纹伤损信号通过wifi无线发射模块12发送出去；由wifi无线接收模块13接收后输出给上位机14。加压装置I通过丝杆2给模拟车轮3加压，进而实现模拟车轮3对模拟高铁钢轨4施加的模拟车重，该压力是可调节的，加压装置I是旋转件，通过旋转加压，再由丝杆传递实现。获取钢轨伤损振动加速度的第一步是在模拟钢轨4上制造相应的伤损，钢轨伤损种类比较多，常见的有钢轨的波浪形磨耗、轨头局部压陷、轨面剥离、马鞍形磨耗和钢轨高低接头等，图3到图7分别描绘了这些钢轨伤损的外形。可以按照这些伤损的外形在模拟钢轨4上加工出模拟的钢轨伤损。图1中的模拟钢轨4上分布着大量传感器安装位置，通过调整传感器和伤损之间的位置，可以得到相对伤损不用位置的伤损信号。振动加速度传感器9采用了 PCB公司的通用陶瓷加速度传感器。
具体实施方式
二:本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括变频器7，变频器7的转速控制信号输出端与电机8的转速控制信号输入端相连。变频器用于控制电机8的转速的大小。主动轮6和模拟高铁钢轨4上均设置一个皮带轮，两个皮带轮由传送带5连接，主动轮6由电机8带动旋转，主动轮6通过传送带5带动模拟高铁钢轨4旋转。通过控制电机8的转速便可得出不同模拟车速下的伤损信号。模拟车速V =—;其推导过程为:
60c/2设Ii1为电机8的转速，η2为模拟钢轨4的转速，Cl1为主动轮6上的皮带轮直径，d2为模拟钢轨4上的皮带轮的直径，Γι主动轮6上的皮带轮半径，r2为模拟钢轨4上的皮带轮的半径,D2为模拟钢轨4的直径，r3为模拟钢轨4的半径，由于皮带轮上各点的线速度相等，于是有V1=V2, V1为主动轮6上的皮带轮的线速度，V2为模拟钢轨4上的皮带轮的线速度，容
2πη, πη. .πη…，一 πηλ , πη 7
易得到 νι =岣.= i = i ’同理=’所以有 j =’
λ7τΓ) Yl
也即w2 = f。模拟车速V = ω，.r, =，代入前面的n2公式中，则有:
di 2 3 60
权利要求
1.高铁钢轨伤损检测实验平台，其特征在于，它包括加压装置(I)、丝杆(2)、模拟车轮(3)、模拟高铁钢轨(4)、传送带(5)、主动轮(6)、电机(8)、振动加速度传感器(9)、wif i无线发射模块(12), wifi无线接收模块(13)和上位机(14)， 模拟高铁钢轨(4)为圆盘状的轮子结构，模拟高铁钢轨(4)与主动轮(6)之间通过传送带(5)实现传动连接，主动轮(6)由电机(8)带动旋转，模拟车轮(3)和模拟高铁钢轨(4)之间滚动接触， 加压装置(I)通过丝杆(2 )给模拟车轮(3 )加压； 模拟高铁钢轨(4)的盘面上设置有振动加速度传感器(9)，振动加速度传感器(9)用于检测模拟高铁钢轨(4)的表面伤损信号，所述表面伤损信号和裂纹伤损信号通过wifi无线发射模块(12)发送出去；由wifi无线接收模块(13)接收后输出给上位机(14)。
2.根据权利要求1所述高铁钢轨伤损检测实验平台，其特征在于，它还包括变频器(7)，变频器(7)的转速控制信号输出端与电机(8)的转速控制信号输入端相连。
3.根据权利要求2所述高铁钢轨伤损检测实验平台，其特征在于，它还包括压力传感器(11)，压力传感器(11)用于检测加压装置(I)施加给模拟车轮(3)的压力信号，压力传感器(11)的压力信号输出端与wifi无线发射模块(12)的压力信号输入端相连。
4.根据权利要求3所述高铁钢轨伤损检测实验平台，其特征在于，它还包括编码器测速模块(12)，编码器测速模块(12)用于测量电机(8)的转速，编码器测速模块(12)的电机转速信号输出端与wifi无线发射模块(12)的电机转速信号输入端相连。
5.基于权利要求4所述高铁钢轨伤损检测实验平台的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一、利用加压装置(I)加压来模拟不同车重，通过调整电机(8)的转速来模拟不同车速，在模拟高铁钢轨(4)上不同位置制造表面伤损，通过振动加速度传感器(9)采集模拟高铁钢轨(4)的表面伤损信号，并提取其时域特征参数和时频域特征参数，通过支持向量机来建立伤损识别库； 步骤二、在模拟高铁钢轨(4)上沿圆周方向设置多个振动加速度传感器(9)，对每个振动加速度传感器采集的表面伤损信号进行处理，提取其时域特征参数和时频域特征参数；步骤三、对照步骤一的伤损识别库，判断步骤二获取的每个振动加速度传感器(9)所在位置是否存在表面伤损。
6.基于权利要求5所述高铁钢轨伤损检测方法，其特征在于，步骤一中建立伤损识别库的过程为: 步骤一一、模拟高铁钢轨(4)上某处位置制造出表面伤损，并把振动加速度传感器(9)设置在该伤损位置附近，加压装置(I)通过丝杆(2)给模拟车轮(3)加压，来实现给模拟高铁钢轨(4 )模拟施加车重，车重数值由压力传感器(11)读取；启动电机(8 )，通过控制电机(8)的转速Ii1来调整模拟高铁钢轨(4)达到设定的车速V=^n2 1 /2,，其中:D2为模拟高 OOcZ2铁钢轨(4)的直径，屯为主动轮(6)上的皮带轮直径，d2为模拟高铁钢轨(4)上的皮带轮直径; 步骤一二、上位机(14)对接收的模拟高铁钢轨(4)的表面伤损信号按数据长度N进行截取，获取m个表面伤损信号Xi (t)，i=l, 2,..., m, 其中:数据长度N由公式
全文摘要
高铁钢轨伤损检测实验平台及检测方法，属于铁路安全监测与防护技术领域，本发明为解决手推式探伤仪的检测结果易受环境和个人因素影响的问题。本发明包括加压装置、丝杆、模拟车轮、模拟高铁钢轨、传送带、主动轮、电机、振动加速度传感器、wifi无线发射模块、wifi无线接收模块和上位机，检测方法包括以下步骤一、模拟不同车重、不同车速，制造不同的表面伤损，提取振动加速度传感器采集信号的时域特征参数和时频域特征参数，通过支持向量机来建立伤损识别库；二、在模拟高铁钢轨上沿圆周方向设置多个振动加速度传感器，提取每个传感器采集信号的参数；三、对照伤损识别库，判断二获取的每个振动加速度传感器所在位置是否存在表面伤损。
文档编号G01N29/04GK103226132SQ20131014796
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日
发明者王艳, 魏强, 章欣, 沈毅 申请人:哈尔滨工业大学