无缝钢轨温度应力的监测系统的制作方法

本实用新型涉及铁道工程技术领域，尤其涉及无缝钢轨温度应力的监测系统。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

铁路是国家交通运输的重要组成部分，我国目前基本采用无缝钢轨。钢轨接缝的消失加上扣件等对钢轨的约束，导致无缝钢轨内部产生很大的温度应力(温度应力又称热应力，是指物体温度变化时因变形受到约束而产生的应力)。相比于普通钢轨，无缝钢轨产生的温度应力更大。相关实验表明，无缝钢轨轨温每变化1℃，在线路固定区内钢轨温度应力的变化量为2.43MPa，如果无缝钢轨轨温变化50℃，钢轨温度应力的变化量会高达121.5MPa，这样极易使钢轨出现胀轨、跑道或断轨，严重影响列车的运行安全。因此，需要对无缝钢轨温度应力进行监测，以确保列车运行安全。

目前，主要采取在无列车运行时间段人工监测的方式对无缝钢轨的温度应力进行监测，利用温度传感器测量钢轨温度信号，采集模块接收温度传感器发送的温度信号，终端对采集模块接收到数据进行处理，以监测无缝钢轨的温度应力。但是，现有的监测无缝钢轨温度应力只能在无列车运行时段进行监测，监测工作受到很大的限制，不能实时监测钢轨温度应力，导致无缝钢轨温度应力的监测效率较低；另外，无列车运行时段监测的钢轨温度应力和列车运行时的钢轨温度应力存在较大的差别，导致现有的钢轨温度应力的监测不准确。

因此，现有的钢轨温度应力监测存在因不能实时监测钢轨温度应力而导致的监测效率低、准确率低的问题。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种无缝钢轨温度应力的监测系统，用以解决现有的钢轨温度应力监测存在的因不能实时监测导致的监测效率低、准确率低的问题，该系统包括：

嵌入式子系统、温度监测子系统、编码器；

所述编码器和所述温度监测子系统均连接所述嵌入式子系统，所述编码器安装在列车的轮对转向架轴头上，所述温度监测子系统和所述嵌入式子系统安装在列车的车体上；

所述编码器用于产生采样信号，所述温度监测子系统用于采集无缝钢轨的实时温度，所述嵌入式子系统用于在列车运行时，根据所述采样信号控制所述温度监测子系统采集无缝钢轨的实时温度，根据所述实时温度确定无缝钢轨的实时温度应力。

本实用新型实施例中，编码器和温度监测子系统均连接嵌入式子系统，编码器安装在列车的轮对转向架轴头上，温度监测子系统和嵌入式子系统安装在列车的车体上。编码器产生采样信号，温度监测子系统采集无缝钢轨的实时温度，嵌入式子系统在列车运行时，根据采样信号控制温度监测子系统采集无缝钢轨的实时温度，根据实时温度确定无缝钢轨的实时温度应力。本实用新型实施例将编码器安装在列车的轮对转向架轴头上，温度监测子系统和嵌入式子系统安装在列车的车体上，可以在列车运行的同时，作为车载监测系统，动态实时监测钢轨温度应力，提高钢轨温度应力的监测效率和准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的无缝钢轨温度应力的监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的无缝钢轨温度应力的监测系统的另一结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的无缝钢轨温度应力的监测方法的流程图；

图4为本实用新型实施例提供的无缝钢轨温度应力的监测方法中步骤303的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

图1示出了本实用新型实施例提供的无缝钢轨温度应力的监测系统的示意结构，为了便于描述，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图1所示，无缝钢轨温度应力的监测系统，包括：

嵌入式子系统101、温度监测子系统102以及编码器103。

所述编码器103和所述温度监测子系统102均连接所述嵌入式子系统101，所述编码器103安装在列车的轮对转向架轴头上，所述温度监测子系统102和所述嵌入式子系统101安装在列车的车体上。

所述编码器103用于产生采样信号，所述温度监测子系统102用于采集无缝钢轨的实时温度，所述嵌入式子系统101用于在列车运行时，根据所述采样信号控制所述温度监测子系统102采集无缝钢轨的实时温度，根据所述实时温度确定无缝钢轨的实时温度应力。其中，本领域技术人员可以理解的是，编码器103产生采样信号，以及嵌入式子系统101根据所述温度确定无缝钢轨的温度应力为本领域技术人员熟知的现有技术。

在本实用新型实施例中，所述编码器103通过等间距采样法产生采样信号。假设列车轮对旋转一周，编码器旋转5000转，产生5000个脉冲信号，根据轮对行走的里程确定等间距采样信号，例如，列车轮对每行走0.25米，编码器产生1次采样信号。嵌入式系统是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统，通常是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。在本实施例中，所述嵌入式子系统101包括微处理器或单片机。

在进一步的实施例中，为了进一步提高无缝钢轨的实时温度应力的准确性，利用分段线性最小二乘法对无缝钢轨的温度应力进行补偿和修正，将补偿和修正后的温度应力确定为无缝钢轨的实时温度应力。分段线性最小二乘法是指在对非线性多项式函数进行拟合的过程中，需要将目标量进行分段，并分别在不同的分段区间进行拟合，使得目标量的每一段使用不同的多项式来表达，也称为分段多项式拟合。可以明确的是，分段越多，拟合的效果越好、精度越高。在实用新型实施例中，可以利用分段线性最小二乘法对无缝钢轨的温度应力进行分段拟合，即将无缝钢轨的温度应力分成多个分段区间，在不同的分段区间分别进行拟合，以实现对无缝钢轨的温度应力进行补偿和修正，提高无缝钢轨的实时温度应力的准确性。

本实用新型实施例中，将无缝钢轨温度应力的监测系统的编码器103安装在列车的轮对转向架轴头上，将温度监测子系统102和嵌入式子系统101安装在列车的车体上，作为车载监测系统，这样可以在列车运行的同时，实时动态的实现对无缝钢轨的温度应力的监测，因此，可以提高无缝钢轨温度应力的监测效率。另外，本实用新型将监测系统安装在车体上作为车载监测系统，可以实现对无缝钢轨的温度应力的长距离监测。另外，本实用新型实施例，无缝钢轨温度应力的监测系统监测列车运行时的无缝钢轨温度应力，因此，可以提高无缝钢轨温度应力监测的准确率。

图2示出了本实用新型实施例提供的无缝钢轨温度应力的监测系统的另一示意结构，为了便于描述，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

在本实施例中，为了进一步提高无缝钢轨温度应力监测的效率和准确率，所述嵌入式子系统101在列车的车体下部中央，所述监测系统包括两个温度监测子系统102，分别安装在列车的车体下部两侧；所述监测系统包括两个编码器103，分别安装在列车轮对转向架的两个轴头上。

在本实用新型实施例中，两个编码器103可以同时产生对两侧无缝钢轨的采样信号，或者两个编码器103可以一个作为主编码器，另一个作为备用编码器，在主编码器因故障无法使用时，可以及时采用备用编码器，因此，可以提高无缝钢轨温度应力监测系统的校测效率，不会因一个编码器故障而导致无法使用。同样的，两个温度监测子系统102可以实现同时对两侧无缝钢轨的实时温度的采样，或者两个温度监测子系统102可以一个作为温度监测子系统，另一个作为备用温度监测子系统，在主温度监测子系统因故障无法使用时，可以及时采用备用温度监测子系统，因此，可以提高无缝钢轨温度应力监测系统的校测效率，不会因一个温度监测子系统故障而导致无法使用。

另外，本实用新型实施例将编码器103安装在列车轮对转向架的两个轴头上，将温度监测子系统102安装在列车的车体下部两侧，嵌入式子系统101安装在列车的车体下部中央，既不影响列车的运行，又可以在列车运行的同时实现对无缝钢轨温度应力的监测。因此，可以进一步提高无缝钢轨温度应力的监测效率和准确率。

在进一步的实施例中，所述温度监测子系统102包括红外测温系统，所述编码器103包括光电编码器。所述红外测温系统基于红外测温原理实现对无缝钢轨温度的监测。红外测温的原理即：一切温度高于绝对零度的物体都在不停的向周围空间发出红外辐射能量，物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布，与他它的表面温度有着十分密切的关系，因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，可以准确的测定它的表面温度。

在进一步的实施例中，如图2所示，所述无缝钢轨温度应力的监测系统的还包括：

卫星定位模块104，连接所述嵌入式子系统101，用于反馈校准里程数据至所述嵌入式子系统101，所述嵌入式子系统101根据所述卫星定位模块104反馈的校准里程数据，修正所述编码器103的累计里程误差。

在本实用新型实施例中，可以根据所述编码器103的转速等信息确定列车的累计里程，然而，列车在运行一段时间后，基于编码器103确定的累计里程会存在一定的累计里程误差，导致列车里程数据不准确，现场无法准确确定钢轨温度应力异常处所在的铁道线路位置。卫星定位模块104，用于向所述嵌入式子系统提供某段时间内的校准里程数据，例如，卫星定位模块104根据多个定位卫星组成的定位网络确定列车在某一里程范围内的校准里程数据，可以肯定的是，卫星定位模块104提供的校准里程数据要比根据编码器103确定的列车的里程数据准确，因此，所述嵌入式子系统可以利用卫星定位模块104反馈的校准里程数据，修正所述编码器103的累计里程误差。

举例而言，卫星定位模块104可以在列车每运行K公里，就对编码器确定的累计里程误差进行校正。假设列车运行距离为K公里，而根据编码器103确定的列车里程为K1公里，其中，K1存在一定的累计里程误差，卫星定位模块104反馈给嵌入式子系统101的校准里程数据为K2，嵌入式系统101可根据卫星定位模块104反馈的校准里程数据K2，修正所述编码器103的累计里程K1的误差。举例而言，根据编码器103确定了120公里的列车里程A1，A1存在一定的累计里程误差；而在120公里的里程内，卫星定位模块104反馈给嵌入式子系统101的校准里程数据为B1，则所述嵌入式系统101可根据卫星定位模块104反馈的校准里程数据B1，修正所述编码器103的累计里程A1误差。

在进一步的实施例中，如图2所示，所述无缝钢轨温度应力的监测系统的还包括：

故障报警模块105，连接所述嵌入式子系统101，用于在所述无缝钢轨温度应力的监测系统故障时发出报警信号；

所述监测系统故障包括以下一种或者多种：

所述编码器103无法产生采样信号，或所述编码器103产生的采样信号为不符合预设条件的采样信号。

所述温度监测子系统102无法采集无缝钢轨的实时温度；或所述温度监测子系统102采集到的无缝钢轨的实时温度不在预设温度范围内。

在本实施例中，编码器103无法产生采样信号或者产生的采样信号出现紊乱时，同样以上述编码器为例，列车轮对旋转一周，编码器旋转5000转，产生5000个脉冲信号，按照等间距采样法设定列车轮对每行走0.25米的里程，编码器即产生1个采样信号，因此，在编码器正常的情况下，应当在列车轮对每行走0.25米，编码器产生一个采样信号，然而在编码器故障的情况下，可能无法产生采样信号，或者可能本次在列车轮对行走1米时，编码器才产生了才产生了1个采样信号，或者在列车轮对行走0.1米时，编码器就产生了采样信号，因此，判定此时的编码器产生的采样信号异常，即即编码器103出现故障所述编码器103产生的采样信号为不符合预设条件的采样信号。所述预设条件为预先设定的条件，例如采样频率，或者采样空间间隔。

另外，若红外测温系统无法采集无缝钢轨的实时温度，或者红外测温系统采集到的无缝钢轨的实时温度异常，例如为一远小于零的负数或者远大于零的正数，则判定此时的温度监测子系统102出现故障。所述预设温度范围与预先设定的温度范围，例如为-60°至80°，例如，在红外测温系统采集到的无缝钢轨的实时温度小于-60°或者大于80°时，判定红外测温系统异常，即无缝钢轨温度应力的监测系统出现故障。在确定无缝钢轨温度应力的监测系统出现故障后，利用故障报警模块105进行报警。在其他的实施例中，故障报警模块105可以包括指示灯和蜂鸣器，例如指示灯按照预设频率进行持续闪烁，或者蜂鸣器按照预设频率持续发声，所述预设频率为预先设定的频率，例如，可以将所述预设频率设定为2次/秒。

在进一步的实施例中，所述无缝钢轨温度应力的监测系统还包括：

无线传输模块106，连接所述嵌入式子系统101，用于将温度监测子系统102采集的无缝钢轨的实时温度传输至地面工作站。

另外，地面工作站也可以通过无线网络对所述监测系统进行控制，例如地面工作站通过无线网络开启或者关闭所述监测系统，或者在特定的时间开启或者关闭所述监测系统。另外，地面工作站也可以包括一故障报警模块105，用于对无线传输模块106反馈的监测系统故障进行报警，故障报警模块105可以包括指示灯和蜂鸣器，例如指示灯按照预设频率进行持续闪烁，或者蜂鸣器按照预设频率持续发声，所述预设频率为预先设定的频率，例如，可以将所述预设频率设定为2次/秒。

在本实用新型实施例中，将温度监测子系统102采集的无缝钢轨的实时温度通过无线传输至地面工作站，可以进行数据存储、数据统计、数据预警发布以及报表打印等。例如，可以通过统计某个时间段无缝钢轨温度应力，揭示该某个时间段无缝钢轨温度应力的变化程度，进而进行预警等。

图3示出了本实用新型实施例提供的无缝钢轨温度应力的监测方法的实现流程，为便于描述，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图3所示，无缝钢轨温度应力的监测方法，包括：

步骤301，所述编码器103产生采样信号。

在本实用新型实施例中，所述编码器103按照等距离采样法产生采样信号。例如，列车轮对旋转一周，编码器旋转5000转，产生5000个脉冲信号，按照等间距采样法设定列车轮对每行走0.25米的里程，编码器即产生1个采样信号。

步骤302，所述嵌入式子系统101在列车运行时，根据所述采样信号控制所述温度监测子系统102采集无缝钢轨的实时温度。

在本实用新型实施例中，因温度监测子系统102和嵌入式子系统101安装在列车的车体上，因此，嵌入式子系统101可以在列车运行的同时，根据所述采样信号控制所述温度监测子系统102采集无缝钢轨的实时温度。

步骤303，所述嵌入式子系统101根据所述实时温度确定无缝钢轨的实时温度应力。

在采集到无缝钢轨的温度应力后，即可以根据温度与温度应力之间的关系，确定无缝钢轨的实时温度应力。

在本实用新型实施例中，因无缝钢轨温度应力的监测系统的编码器安103装在列车的轮对转向架的轴头上，温度监测子系统102和嵌入式子系统101安装在列车的车体上，可以在列车运行的同时，利用无缝钢轨温度应力的监测系统监测无缝钢轨的温度应力，因此，可以提高无缝钢轨温度应力监测的效率；另外，温度监测子系统102监测列车运行时的无缝钢轨的实时温度，可以提高无缝钢轨温度应力监测的准确率。

在进一步的实施例中，为了提高无缝钢轨温度应力监测系统使用的便捷性，在上述图3所示步骤的基础上，所述无缝钢轨温度应力的监测方法还包括：

步骤：确定无缝钢轨的实时温度应力所属的温度应力等级；

步骤：控制所述监测系统执行与所述温度应力等级对应的预设操作。

在本实用新型实施例中，所述温度应力等级为预先设定的温度应力等级，例如，可以将温度应力等级预先设置由小到大逐步递增的第一等级、第二等级、第三等级以及第四等级等。所述预设操作为预先设定的与所述温度应力等级对应的操作，例如，可以将所述预设操作分别设置为与所述第一等级、第二等级、第三等级以及第四等级对应的第一操作、第二操作、第三操作以及第四操作等。举例而言，分别将0-10MPa、10-30MPa、50-80MPa以及80-150MPa的温度应力范围确定为第一等级、第二等级、第三等级以及第四等级的温度应力等级。其中，若无缝钢轨的温度应力为第一等级温度应力时，即判定此处无缝钢轨为需要保养管理，此时对应于第一等级的第一操作为：采用蓝色指示无缝钢轨的温度应力为第一等级；若无缝钢轨的温度应力为第二等级温度应力时，即判定此处无缝钢轨为计划维修管理，此时对应于第二等级的第二操作为：采用黄色指示无缝钢轨的温度应力为第二等级；若无缝钢轨的温度应力为第三等级温度应力时，即判定此处无缝钢轨为需要临时补修管理，此时对应于第三等级的第三操作为：采用橙色指示无缝钢轨的温度应力为第三等级；若无缝钢轨的温度应力为第四等级温度应力时，即判定此处无缝钢轨已再不适宜列车高速运行，此时对应于第四等级的第四操作为：采用红色指示无缝钢轨的温度应力为第四等级，且需要对列车进行限速等。

因此，本实施例可以根据无缝钢轨的实时温度应力所属的温度应力等级，控制所述监测系统执行与所述温度应力等级对应的预设操作，提高了无缝钢轨温度应力监测系统使用的便捷。

图4示出了本实用新型实施例提供的无缝钢轨温度应力的监测方法中步骤303的实现流程，为便于描述，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

在本实施例中，如图4所示，步骤303，所述嵌入式子系统根据所述实时温度确定无缝钢轨的实时温度应力包括：

步骤401，确定所述实时温度和预设标准轨温的温度差。

在本实用新型实施例中，所述预设标准轨温为预先设定的无缝钢轨的锁定轨温。无缝钢轨的锁定轨温是指无缝钢轨的零应力轨温，是指无缝钢轨被完全锁定时的轨温，此时钢轨内部的温度应力为零，其初始数值是在无缝钢轨铺设时确定的，锁定轨温是决定钢轨温度力水平的基准，它所反映的是无缝钢轨在不同的温度条件下钢轨纵向内应力的问题，即无缝钢轨内部所承受的拉应力和压应力大小问题，是衡量无缝轨道强度与稳定性的量化表现，因此锁定轨温是无缝线路最重要的技术指标之一，其准确与否将直接关系到无缝钢轨的状态稳定和养、管、修安全。不同的地区以及不同的环境，锁定轨温是不同的。

步骤402，根据所述温度差、钢轨弹性模量以及钢轨线胀系数确定无缝钢轨的实时温度应力。

在本实施例中，钢轨弹性模量是指钢轨在弹性变形阶段，应力和应变成正比例关系(及符合胡克定律)，其比例系数即称为钢轨弹性模量，是描述钢轨弹性的一个物理量。钢轨线胀系数，又称钢轨弹性系数(linear expansivity)，表示钢轨膨胀或收缩的程度。测量得到的无缝钢轨的实时温度和钢轨的预设标准轨温，即锁定轨温的温度差和无缝钢轨的实时温度应力存在一定的定量关系，具体可以通过下述公式确定无缝钢轨的实时温度应力：

σ＝E×α×(T1-T0)

其中，σ为钢轨温度应力，E为钢轨弹性模量，在通常情况下为常数2.1×10⁵MPa，α为钢轨线胀系数，通常情况下为常数1.18×10^-5/℃，T1为列车运行时测得的钢轨实时温度，T0为钢轨锁定轨温，T1-T0即为钢轨实时温度和预设标准轨温，即锁定轨温的温度差。

综上所述，本实用新型实施例中，编码器103和温度监测子系统102均连接嵌入式子系统101，编码器103安装在列车的轮对转向架轴头上，温度监测子系统102和嵌入式子系统101安装在列车的车体上。编码器103产生采样信号，温度监测子系统102采集无缝钢轨的实时温度，嵌入式子系统101在列车运行时，根据采样信号控制温度监测子系统102采集无缝钢轨的实时温度，根据实时温度确定无缝钢轨的实时温度应力。本实用新型实施例将编码器103安装在列车的轮对转向架轴头上，温度监测子系统102和嵌入式子系统103安装在列车的车体上，可以在列车运行的同时，实时监测钢轨温度应力，提高钢轨温度应力的监测效率和准确率。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。