轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法，包括：电路连接的触发单元、n个测量单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数、并且为大于2的偶数；触发单元在列车经过时产生触发信号并发送至系统控制与数据处理单元；n个测量单元接收到系统控制与数据处理单元的信号后，发射激光，并进行准直处理、透射和反射后得到光斑位置电信号，并将光斑位置电信号返回至系统控制与数据处理单元；系统控制与数据处理单元接收触发单元的触发信号触发测量单元以及接收测量单元的光斑位置电信号，得到轮轨作用力和踏面故障的检测结果。本系统可以定量检测多种踏面故障，实现对轮对与钢轨作用力以及踏面故障的同时快速检测。

Detection system and method of wheel rail force and tread fault

【技术实现步骤摘要】
轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法
本专利技术涉及轨道交通安全检测领域，尤其涉及一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法。
技术介绍
列车车轮踏面擦伤、剥离及多棱等踏面异常是造成列车事故的主要原因。近年来随着经济的发展，列车速度和载重量大幅度提升，这对列车车轮故障的检测提出了更高的要求。针对列车车轮踏面擦伤、磨损及不圆度的检测，专利“CN96216065.2《列车车轮踏面擦伤及磨损动态测量装置》”、“CN00243380.X《列车车轮踏面擦伤及磨损动态测量装置》”及“CN200620034699《车轮踏面擦伤及不圆度在线动态检测装置》”等采用了接触式检测方法，通过平行四边形机构实现了在列车运行中对车轮踏面磨损、擦伤的定量测量，在列车低速运行的情况下(30km/h以下)取得了准确的测量结果，但列车高速运行时的车轮会对测量机构造成冲击，从而对准确测量带来了一定的困难。专利“CN201810964279.3《一种机车车轮踏面缺陷图像检测系统》”、“CN201710305046.8《火车车轮踏面缺陷在线图像检测系统及方法》”及“CN201210475411.7《一种基于图像拍照形式的车轮踏面缺陷识别装置》”等采用图像采集器采集车轮踏面图像，以拍照的形式对车轮踏面缺陷进行检测，但要采集完整车轮的踏面图像需要多个图像采集器，成本较高，不适合大规模推广。专利“CN201410524447.9《高速列车车轮动态检测系统》”提出了一种光学式车轮踏面检测法，具有非接触式测量、测量速度快、精度高、安装简单、成本低等特点，是一种简单可靠的车轮踏面异常检测方法，但该专利提出的检测方法需要至少10个激光器及一一对应的PSD传感器，经济性较差，且对于小的擦伤，检测灵敏度有待进一步提高。因此，亟需一种可以实现对轮对与钢轨作用力以及踏面故障的同时快速检测的方法和系统。
技术实现思路
本专利技术提供了一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统及方法，以实现对轮对与钢轨作用力以及踏面故障的同时快速检测。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。本专利技术的一方面提供了一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统，包括：电路连接的触发单元、n个测量单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数、并且为大于2的偶数；所述的触发单元安装于靠近列车来向的方向，用于在列车经过时产生触发信号并将触发信号发送至所述的系统控制与数据处理单元；所述的n个测量单元以钢轨中心线镜像对称地固定于两根并行钢轨的内侧或外侧，n个测量单元构成的测量区域覆盖范围为所在路段通过的所有型号的列车轮对滚动一周所经过的区域，用于接收到所述系统控制与数据处理单元的信号后，发射激光，并进行准直处理、透射和反射后得到光斑位置电信号，并将光斑位置电信号返回至所述的系统控制与数据处理单元；所述的系统控制与数据处理单元安装于钢轨旁，用于接收所述触发单元的触发信号触发所述测量单元以及接收所述测量单元的光斑位置电信号，并根据所述光斑位置电信号得到轮轨作用力和踏面故障的检测结果。优选地，测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的激光发射与探测单元和激光反射单元；所述的激光发射与探测单元包括：顺序光路连接的带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、第一窗口玻璃和四象限探测器，以及与带尾纤的半导体激光器电路连接的半导体激光器驱动器；所述激光反射单元包括：光路连接的第二窗口玻璃和角锥棱镜；所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过第一窗口玻璃透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃透射、角锥棱镜后向反射、第二窗口玻璃透射后形成反射光；所述反射光经过第一窗口玻璃透射、入射到四象限探测器上，四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。优选地，激光发射与探测单元还包括：偏光分光器4和λ/4波片，带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、偏光分光器4、λ/4波片、第一窗口玻璃顺序光路连接；所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直；准直后的激光经过偏光分光器透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°、经过第一窗口玻璃6透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃透射、角锥棱镜后向反射、第二窗口玻璃透射后形成反射光；反射光经过第一窗口玻璃透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°后，被偏光分光器反射到四象限探测器上，四象限探测器探测到反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。优选地，激光反射单元为光路连接的第二窗口玻璃和反射镜。优选地，n为4或6。优选地，n为4时，钢轨两侧分别包含两个测量单元，所述的两个测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的二合一测量单元和二合一测量单元左右两侧的俩个激光反射单元；所述的二合一测量单元包括：带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、半导体激光器驱动器、分光镜、反射镜、左侧第一窗口玻璃、右侧第一窗口玻璃、第一四象限探测器探和第二四象限探测器；所述的半导体激光器驱动器与带尾纤的半导体激光器电路连接，带尾纤的半导体激光器、光纤准直器和分光镜顺序光路连接，分光镜、反射镜、左侧第一窗口玻璃和第二四象限探测器顺序光路连接，分光镜、右侧第一窗口玻璃和第一四象限探测器顺序光路连接；所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过分光镜分为第一透射光和第一反射光，第一透射光经过右侧第一窗口玻璃透射，形成第一出射光；第一出射光经过右侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射、右侧激光反射单元的角锥棱镜后向反射、右侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射后形成第二反射光；所述第二反射光经过第一窗口玻璃透射、入射到第一四象限探测器上，第一四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为第一光斑位置电信号；第一反射光经过反射镜反射、左侧第一窗口玻璃透射，形成第二出射光；第二出射光经过左侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射、左侧激光反射单元的角锥棱镜后向反射、左侧激光反射单元的第二窗口玻璃透射后形成第三反射光；所述第三反射光经过左侧第一窗口玻璃透射、入射到第二四象限探测器上，第二四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为第二光斑位置电信号。优选地，系统控制与数据处理单元包括电源、控制开关和处理器。优选地，触发单元为涡流电感器或光电开关。本专利技术的另一方面提供了一种应用上述的轮轨作用力和踏面故障的检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)安装检测系统：沿列车前进方向依次在钢轨上安装触发单元、测量单元，系统控制与数据处理单元安装于轨旁，调整各测量单元的激光发射与探测单元和激光反射单元的安装位置，使得反射光光斑中心处于四象限探测器的中心位置；步骤(2)标定检测系统：将一个标准轮对通过所述检测系统，通过所述系统测试标准轮对提供的轮轨横向作用力与垂向作用力，标定所有测量单元的反射光回到其四象限探测器时，光点在两个方向的位置变化di-H(t)、di-V(t)与左右两侧轮轨横向作用力fi-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统，其特征在于，包括：电路连接的触发单元、n个测量单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数、并且为大于2的偶数；/n所述的触发单元安装于靠近列车来向的方向，用于在列车经过时产生触发信号并将触发信号发送至所述的系统控制与数据处理单元；/n所述的n个测量单元以钢轨中心线镜像对称地固定于两根并行钢轨的内侧或外侧，n个测量单元构成的测量区域覆盖范围为所在路段通过的所有型号的列车轮对滚动一周所经过的区域，用于接收到所述系统控制与数据处理单元的信号后，发射激光，并进行准直处理、透射和反射后得到光斑位置电信号，并将光斑位置电信号返回至所述的系统控制与数据处理单元；/n所述的系统控制与数据处理单元安装于钢轨旁，用于接收所述触发单元的触发信号触发所述测量单元以及接收所述测量单元的光斑位置电信号，并根据所述光斑位置电信号得到轮轨作用力和踏面故障的检测结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种轮轨作用力和踏面故障的检测系统，其特征在于，包括：电路连接的触发单元、n个测量单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数、并且为大于2的偶数；
所述的触发单元安装于靠近列车来向的方向，用于在列车经过时产生触发信号并将触发信号发送至所述的系统控制与数据处理单元；
所述的n个测量单元以钢轨中心线镜像对称地固定于两根并行钢轨的内侧或外侧，n个测量单元构成的测量区域覆盖范围为所在路段通过的所有型号的列车轮对滚动一周所经过的区域，用于接收到所述系统控制与数据处理单元的信号后，发射激光，并进行准直处理、透射和反射后得到光斑位置电信号，并将光斑位置电信号返回至所述的系统控制与数据处理单元；
所述的系统控制与数据处理单元安装于钢轨旁，用于接收所述触发单元的触发信号触发所述测量单元以及接收所述测量单元的光斑位置电信号，并根据所述光斑位置电信号得到轮轨作用力和踏面故障的检测结果。


2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述的测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的激光发射与探测单元和激光反射单元；
所述的激光发射与探测单元包括：顺序光路连接的带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、第一窗口玻璃和四象限探测器，以及与带尾纤的半导体激光器电路连接的半导体激光器驱动器；
所述激光反射单元包括：光路连接的第二窗口玻璃和角锥棱镜；
所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直处理，准直后的激光经过第一窗口玻璃透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃透射、角锥棱镜后向反射、第二窗口玻璃透射后形成反射光；所述反射光经过第一窗口玻璃透射、入射到四象限探测器上，四象限探测器探测到所述反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。


3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述的激光发射与探测单元还包括：偏光分光器4和λ/4波片，带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、偏光分光器4、λ/4波片、第一窗口玻璃顺序光路连接；
所述光纤准直器对带尾纤的半导体激光器发射的激光进行准直；准直后的激光经过偏光分光器透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°、经过第一窗口玻璃6透射，形成出射光；出射光经过第二窗口玻璃透射、角锥棱镜后向反射、第二窗口玻璃透射后形成反射光；反射光经过第一窗口玻璃透射、经过λ/4波片将偏振方向旋转45°后，被偏光分光器反射到四象限探测器上，四象限探测器探测到反射光的光斑位置信息并将其转换为光斑位置电信号。


4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述的激光反射单元为光路连接的第二窗口玻璃和反射镜。


5.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述的n为4或6。


6.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述的n为4时，钢轨两侧分别包含两个测量单元，所述的两个测量单元包括：通过卡具固定在钢轨同侧的二合一测量单元和二合一测量单元左右两侧的俩个激光反射单元；
所述的二合一测量单元包括：带尾纤的半导体激光器、光纤准直器、半导体激光器驱动器、分光镜、反射镜、左侧第一窗口玻璃、右侧第一窗口玻璃、第一四象限探测器探和第二四象限探测器；
所...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯其波，张斌，杨婧，何启欣，高润，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11