一种铁路车辆车轮失圆检测方法及检测装置与流程

本发明属于列车安全监控技术领域，具体涉及一种铁路车辆车轮失圆检测方法及检测装置。

背景技术：

车轮是列车行驶中的重要部件，随着高速列车运行线路的增加，尤其是动车组线路的不断增加，列车车速也在不断提高，车轮在圆周方向容易发生剥离、擦伤、平轮、多边形等失圆现象。车轮失圆会增加轮轨力，同时高频振动容易对列车走行部件造成损坏，严重时会引起列车脱轨。因此，对于车轮失圆的有效监测已经成为列车安全运行的重要保障。

目前国内对于列车车轮失圆程度的检测主要采用应变式检测装置，优点是能够直接对轮轨力进行测量，结果较为准确、可靠。但是，同样也存在缺点，具体为：需要拆除原有的轨下基础，拆卸重装22根枕木，并利用二维板式传感器替代扣件，施工量大；同时轨道参数要求很高，需要不定时维修维护，并且维修维护十分困难。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种铁路车辆车轮失圆检测方法及检测装置。

分为探测站轨旁设备和探测站室内设备；

探测站轨旁设备包括加速度传感器，载荷传感器，射频车号识别装置和轨边信号处理箱；

探测站室内设备位于轨边信号处理箱的同侧，并通过以太网相连；

加速度传感器共有12个，分别固定安装在两条钢轨上，每条钢轨上各安装6个，且以轨边信号处理箱为中心进行对称安装；加速度传感器通过电缆连接至轨边信号处理箱；

载荷传感器共有8个，每两个为一组，分别用卡轨器固定安装在两条钢轨底部；其中两组载荷传感器分别置于距检测区中心线的左右各6m处；另两组中的每个载荷传感器与检测区边缘的每个加速度传感器分别用卡轨器固定在一起；所有的载荷传感器通过电缆连接至轨边信号处理箱；

射频车号识别装置通过卡具固定在铁轨内侧的枕木上，不高于轨平面；通过电缆连接到探测站室内设备。

一种铁路车辆车轮失圆检测方法，具体步骤如下：

步骤一、当列车通过时，加速度传感器采集到列车靠近的振动信号，探测站轨旁设备和探测站室内设备通过振动信号开机进入工作状态；

首先，加速度传感器采集列车车轮振动的信息，并转换成加速度信号，经轨边信号处理箱传输给探测站主机；

然后，当车轮出现时，载荷传感器测量过车时的动态载荷，并确定车轮的速度和位置，经轨边信号处理箱传输给探测站主机。

最后，射频车号识别装置自动识别各通过列车的车辆车号信息，并将识别到的车号信息传输至车号识别主机，转变为标准格式后传输给探测站主机；

步骤二、通过不同载荷不同速度的砝码车，对8个载荷传感器进行人工校准；

具体的校准过程为：不同载荷不同速度的列车经过时，建立每个载荷传感器所处轨道部分的动态特性模型，并将每个动态模型囊括到钢轨弯曲度与载荷在不同速度下的关系式中，从而对载荷传感器进行校准。

步骤三、针对每个校准后的载荷传感器，检测该载荷传感器有效范围内的轮轨垂向力，并利用轮轨垂向力对加速度传感器进行校准，建立加速度信号与轮轨垂向力间的传递函数；

步骤四、当列车经过时，12个加速度传感器分别采集加速度信号，并利用传递函数重构轨道各个位置的轮轨垂向力与时间的曲线关系；

步骤五、根据重构的轮轨垂向力与时间的曲线关系，判断各列车的轮轨垂向力的幅值是否超过轮轨力的安全值。若超过，则判定车轮失圆故障；若未超过，则判定车轮正常。

步骤六、探测站主机通过铁路内部网络将判断的数据结果传输到中心服务器，工作人员进行实时查看，从而对故障车轮进行预报、检查和维护。

本发明的优点在于：

(1)一种铁路车辆车轮失圆检测方法，通过加速度传感器采集列车通过时的加速度信号，并进行处理、分析和转换，避免了应变式轮轨力测量方法有效测量范围短的缺点，实现了全周长无缝测量，并达到了很高的精度。

(2)一种铁路车辆车轮失圆检测方法，能够克服现有系统有效测量范围短，现场施工量大和维修维护困难等缺点。

(3)一种铁路车辆车轮失圆检测装置，加速度传感器及载荷传感器阵列采用卡轨式固定方式，无需改变轨道环境，使得安装简单和维修方便快捷。

附图说明

图1为本发明一种铁路车辆车轮失圆检测装置的结构框图；

图2为本发明一种铁路车辆车轮失圆检测装置的信号传递示意图；

图3为本发明一种铁路车辆车轮失圆检测方法的流程图；

图4为本发明在车轮重构的轮轨垂向力和实际的轮轨垂向力随时间的变化图。

图中：101-加速度传感器；102-载荷传感器；103-轨边信号处理箱；104-探测站室内设备；105-枕木；106-钢轨；107-射频车号识别装置；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种铁路车辆车轮失圆检测装置，如图1和图2所示，所述装置包括探测站轨旁设备和探测站室内设备104；检测车辆类型包括货车、客车、动车组。

探测站轨旁设备包括：8个载荷传感器102，12个加速度传感器101，1个射频车号识别装置107和1个轨边信号处理箱103；

所述的12个加速度传感器101，分别依次固定安装在轨边信号处理箱103前方的两条钢轨106上，每条钢轨106上各安装6个，且以轨边信号处理箱103为中心进行对称安装，每个加速度传感器101通过卡轨器固定在两根枕木105之间中心线对应的钢轨106的工字梁上；并加保护外壳与外界进行隔离，以保护加速度传感器101。所有加速度传感器101用来采集车轮在钢轨106上的加速度信号，并通过电缆传输到轨边信号处理箱103；轨边信号处理箱103位于检测区的中心线上；

所述的8个载荷传感器102，每两个为一组，分别固定安装在两条钢轨106上，用卡轨器固定在钢轨106底部，具体是钢轨106工字梁外侧的平面上；用于测量过车时的动态载荷；其中两组载荷传感器102分别置于距检测区中心线的左右各6m处，用于检测车轮的出现；同时辅助测量车轮的速度和位置信息；另两组中的每个载荷传感器102与检测区边缘的每个加速度传感器101分别用卡轨器固定在一起。当车轮出现后，载荷传感器102监测并提供载荷信息来校准传递函数，通过电缆传输给轨边信号处理箱103。

轨边信号处理箱103离钢轨3米左右，位于钢轨106的一侧，内设有数据采集模块、数据处理模块、网络设备、硬件电路、A/D转换模块、电源模块和防雷模块；硬件电路包括滤波电路、放大电路和降噪电路；轨边信号处理箱103对采集的信号进行A/D转换，放大和滤波，并通过以太网传输到探测站室内设备104中。

射频车号识别装置107通过卡具固定于检测区一侧边缘，且在钢轨106内侧两枕木105之间，不高于轨平面；射频车号识别装置107通过电缆连接到探测站室内设备104中。

探测站室内设备104中包括：探测站主机，不间断电源UPS，电源分配器PDU，网络交换机和车号识别主机。

探测站室内设备104位于轨边信号处理箱103的同侧；同时接收轨边信号处理箱103传输的加速度信号，速度数据和载荷数据进行综合分析，并根据校准的传递函数，重构轮轨垂向力随时间的函数，实现对轮轨垂向力不间断的测量。

射频车号识别装置107与探测站室内设备104的车号识别主机直接相连，将各通过列车的车辆车号信息传输到车号识别主机进行识别，转变为标准格式后传输到探测站主机中。

本发明一种铁路车辆车轮失圆检测方法，基于上述装置，运用加速度传感器101对轮轨加速度进行测量，获得列车通过加速度传感器101阵列的振动曲线，并根据载荷传感器102提供的载荷信息校准传递函数，将加速度信号重构为轮轨垂向力，根据轮轨垂向力随时间的曲线判断车轮是否失圆，再通过高速因特网以特定的报文形式上传到车辆段及动车段数据中心；

具体包括以下几个步骤，如图3所示：

步骤一、当列车通过时，加速度传感器采集到列车靠近的振动信号，探测站轨旁设备和探测站室内设备通过振动信号开机进入工作状态；

首先，加速度传感器101采集列车车轮振动的信息，并转换成加速度信号，经轨边信号处理箱103传输给探测站室内设备104；当加速度传感器101的加速度信号超过阀值时，系统感应到列车靠近，唤醒探测站室内设备104准备接车。

然后，当车轮出现时，载荷传感器102的接收信号达到峰值，标志着车轮的出现，峰值信号转化为动态载荷，同时确定该车轮的速度和位置，经轨边信号处理箱103传输给探测站室内设备104。

最后，射频车号识别装置107自动识别各通过列车的车辆车号信息，并将识别到的车号信息传输至车号识别主机，转变为标准格式后传输给探测站室内设备104；

步骤二、通过不同载荷不同速度的砝码车，对8个载荷传感器进行人工校准；

具体的校准过程是指：不同载荷不同速度的列车经过时，建立每个载荷传感器所处轨道部分的动态特性模型，并将每个动态模型囊括到钢轨弯曲度与载荷在不同速度下的关系式中，从而对载荷传感器进行校准，减少动态误差对重构分析造成的影响。

步骤三、针对每个校准后的载荷传感器，检测该载荷传感器有效范围内的轮轨垂向力，并利用轮轨垂向力对加速度传感器进行校准，建立加速度信号与轮轨垂向力间的传递函数；

针对每个校准后的载荷传感器102，检测每个载荷传感器102有效范围内的轮轨垂向力，利用检测区边缘的4个载荷传感器102，对用卡轨器固定在一起的4个加速度传感器101分别进行校准，探测站室内设备104建立加速度信号与轮轨垂向力间的传递函数，从而实现在载荷传感器102有效区域外轮轨垂向力的检测。

步骤四、当列车经过时，12个加速度传感器分别采集加速度信号，并利用传递函数重构轨道各个位置的轮轨垂向力与时间的曲线关系；

当列车经过时，轨边信号处理箱103内的数据采集卡接收12个加速度传感器101分别采集到的加速度信号，并通过硬件电路实现A/D转换和信号的放大、降噪和滤波，最终通过以太网传输到探测站室内设备104，探测站室内设备104利用列车的12个加速度信号并利用传递函数重构轨道各个位置的轮轨垂向作用力与时间的曲线；包括载荷传感器有效范围内的轮轨垂向力与时间的曲线，以及有效范围外的轮轨垂直力与时间的曲线。

如图4所示，通过对原始轮轨垂向力信号、重构轮轨垂向力信号以及加速度振动信号的比较，对载荷传感器有效检测区域内的轮轨垂向力吻合度很好；并且对于载荷传感器有效检测区域外的轮轨垂向力可以作很好的补充，说明本发明可以很好的实现对车轮失圆的检测。

步骤五、根据重构的轮轨垂向力与时间的曲线关系，判断各列车的轮轨垂向力的幅值是否超过轮轨力的安全值。若超过，则判定车轮失圆故障；若未超过，则判定车轮正常。

步骤六、探测站主机通过铁路内部网络将判断的数据结果传输到中心服务器，工作人员进行实时查看，从而对故障车轮进行预报、检查和维护。