轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法技术方案

本发明专利技术提供了一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法，包括：电路连接的列车触发单元、n个激光测量单元、n个作用力敏感单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数且为偶数；激光测量单元，分别沿纵向、垂向和横向三个方向出射激光，并分别接收返回的携带作用力信息的反射光、携带车轴位置信息的车轴散射光和携带轮对内侧面位置信息的内侧面散射光，生成作用力测量信号、轮对摇头角、侧滚角测量信号和横移量测量信号；作用力敏感单元反射纵向出射光；系统控制与数据处理单元根据计算轮轨接触横向与垂向作用力、轮对摇头角、侧滚角、车轮横移量，进而检测车轮踏面故障。本系统可以对所述参数同时快速准确测量。

Laser detection system and method of wheel rail contact state and wheel tread fault

【技术实现步骤摘要】
轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法
本专利技术涉及轨道交通安全检测
，尤其涉及一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法。
技术介绍
列车安全运行最基本的要求是保证列车不发生脱轨事故。列车在运行过程中，由于车轮轮缘部分与钢轨内侧面发生摩擦造成轮缘磨耗、车轮踏面常因制动或空转打滑等原因产生局部擦伤或剥离等。当车轮踏面出现擦伤、剥离等损伤时，车轮在钢轨上行驶的过程中就会出现周期性的跳动，会对车轮轴承与线路造成巨大的额外冲击载荷,其附加冲击的大小随损伤的深度、长度、列车的速度、以及列车载重量的不同而达到车轮静载荷的几倍。踏面擦伤是引起轮对轴承损伤、造成轴温升高、轮轴断裂、钢轨和混凝土轨枕断裂的主要原因之一。此外，轮缘磨耗与踏面损伤都会导致车轮外形改变，影响轮轨接触状态的主要原因。轮轨接触几何参数中，轮对中心横移量和轮对摇头角是两个独立变量；轮轨接触横向作用力与垂向作用力之比为脱轨系数，脱轨系数越大越容易脱轨。因此，在轮轨接触状态中，轮对中心横移量、轮对摇头角、轮轨接触横向作用力与垂向作用力是列车安全运行的四个重要参数。踏面损伤会引起轮轨垂向作用力的改变，通过测量轮轨垂向作用力，可以判断车轮是否存在踏面故障。目前常用的车轮踏面故障检测方法包括：(1)应力应变法：通过在钢轨沿线的不同位置安装一系列应变计、光纤传感器和加速度计等传感器对钢轨状态进行监测，该方法可以得到列车蛇形、轮轨接触力、钢轨擦伤与磨耗等参数，进而推算故障等级，但是该方法测量结果受车速和载重影响较大；(2)电磁超声法：在车轮通过时，通过嵌入钢轨表面的电磁超声探头与车轮踏面接触，探头将会激发超声波在车轮内部传播，当车轮存在擦伤或缺陷时产生回波，分析接收到的回波信号可获得轮对踏面处信息，该方法适用于车速低于15km/h时，无需耦合剂，测量方便，但是在安装时会破坏钢轨原有结构；(3)超声测距法：在钢轨的一端安装超声发生与探测装置，超声波脉冲沿轨道表面向前传播，遇到轮对接触点时产生回波，通过超声波脉冲往返于轮轨接触点的时间不同来判断车轮接触面磨损度，该方法需要特殊的钢轨、且需要列车低速、匀速通过检测系统；(4)平行四边形法：当列车车轮通过时，车轮轮缘顶部压下平行四边形机构的上平板，使得此平板产生平动，非接触式位移传感器直接测量平板相对于钢轨的垂直位移，通过数据处理可以定量测量出踏面擦伤深度、擦伤长度及踏面磨损等，通过与标准轮对比较，可以计算得到圆度误差等，但是该方法仅适用与车速低于25km/h时的情况。另外，现有的检测技术，通过采用图像分析进行轮对中心横移量、轮对摇头角测量，该技术方案容易受环境光干扰较大，并不能达到全天候工作的状态。
技术实现思路
本专利技术提供了一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法，用于铁路与城市轨道交通轮轨接触状态与车轮踏面损伤在线检测，以解决现有技术问题中的缺陷。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。本实施例的一方面提供了一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统，包括：电路连接的列车触发单元、n个激光测量单元、n个作用力敏感单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数且为偶数，每个激光测量单元与每个作用力敏感单元作为一组测量单元，n组测量单元以钢轨中心线对称的安装于钢轨内侧，第一个激光测量单元到最后一个所述作用力敏感单元的长度，覆盖经过的所有型号的列车车轮滚动一周的长度；所述激光测量单元，用于分别沿纵向、垂向和横向三个方向出射激光；并分别接收返回的携带作用力信息的反射光，生成作用力测量信号，接收返回的携带车轴位置信息的车轴散射光，生成轮对摇头角、侧滚角测量信号，接收返回的携带轮对内侧面位置信息的内侧面散射光，生成轮对横移量测量信号；所述作用力敏感单元，用于反射所述纵向出射光，形成反射光携带作用力信息返回至所述的激光测量单元；所述的系统控制与数据处理单元，用于根据所述列车触发单元发出的来车信号控制所述激光测量单元工作，根据所述作用力测量信号计算轮轨接触横向作用力与垂向作用力，根据轮对摇头角、侧滚角测量信号计算轮对摇头角、侧滚角，根据轮对横移量测量信号计算车轮横移量，进而检测车轮踏面故障状况。优选地，激光测量单元包括激光器、光纤出射端、准直镜、分光元件、偏光分光元件、λ/4波片、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第一窗口玻璃、第二窗口玻璃、第三窗口玻璃；所述作用力敏感单元包括光线反射单元和第四窗口玻璃；所述激光器用于发出激光，光纤出射端用于出射所述激光，准直镜用于对出射的激光进行扩束、准直，准直后的光由分光元件反射后形成垂向出射光；准直后的光由分光元件透射、偏光分光元件反射后形成横向出射光；准直后的光由分光元件透射、偏光分光元件透射、λ/4波片透射并将偏振方向旋转45°后形成纵向出射光；所述垂向出射光向上出射后，由车轴散射，形成车轴散射光，车轴散射光携带车轴位置信息返回至激光测量单元的第二光电探测器，生成轮对摇头角测量信号；所述横向出射光沿指向钢轨方向出射后，由轮对内侧面散射，形成内侧面散射光，内侧面散射光携带轮对内侧面位置信息返回至所述激光测量单元的第三光电探测器，生成轮对横移量测量信号；所述纵向出射光沿钢轨方向出射后，由所述作用力敏感单元反射，形成反射光，反射光返回至所述激光测量单元时，经过λ/4波片透射并将偏振方向旋转45°后，被偏光分光元件反射，携带作用力信息的反射光返回至所述激光测量单元的第一光电探测器，形成作用力测量信号。优选地，第一光电探测器为四象限探测器。优选地，第一光电探测器由会聚透镜与位置敏感探测器组成。优选地，第二光电探测器、第三光电探测器为电荷耦合元件或位置敏感探测器。优选地，光线反射单元为反射镜或角锥棱镜。本专利技术实施例的另一方面提供了一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)安装检测系统：沿列车前进方向依次安装一个列车触发单元、n个激光测量单元和n个作用力敏感单元组成的n组测量单元，将系统控制与数据处理单元安装于轨道外侧，所述n个激光测量单元、n个作用力敏感单元分别以钢轨中心线对称地安装于两根钢轨的内侧，n为正整数且为偶数；(2)标定轮轨作用力：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，标定所述反射光回到所述第一光电探测器时、光点在两个方向的位置与左右两侧轮轨横向作用力以及垂向作用力之间的关系；(3)标定轮对内侧面：使一个标准轮对通过所述检测系统，记左右两个所述激光测量单元的第二光电探测器和第三光电探测器的测量值分别dL2(t)、dR2(t)、dL3(t)、dR3(t)，其中车轴在垂直方向的位置一系列dL2(t)、dR2(t)形成的曲线近似于圆弧曲线，记录下dL2(t)、dR2(t)最低点出现时刻tL0、tR0，取dL0＝dL3(tL0)、dR0＝dR3(tR0)为左右两侧内侧面的参考距离；(4)轮轨作用力测量：待检测列车经过时，左右两侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统，其特征在于，包括：电路连接的列车触发单元、n个激光测量单元、n个作用力敏感单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数且为偶数，每个激光测量单元与每个作用力敏感单元作为一组测量单元，n组测量单元以钢轨中心线对称的安装于钢轨内侧，第一个激光测量单元到最后一个所述作用力敏感单元的长度，覆盖经过的所有型号的列车车轮滚动一周的长度；/n所述激光测量单元，用于分别沿纵向、垂向和横向三个方向出射激光；并分别接收返回的携带作用力信息的反射光，生成作用力测量信号，接收返回的携带车轴位置信息的车轴散射光，生成轮对摇头角、侧滚角测量信号，接收返回的携带轮对内侧面位置信息的内侧面散射光，生成轮对横移量测量信号；/n所述作用力敏感单元，用于反射所述纵向出射光，形成反射光携带作用力信息返回至所述的激光测量单元；/n所述的系统控制与数据处理单元，用于根据所述列车触发单元发出的来车信号控制所述激光测量单元工作，根据所述作用力测量信号计算轮轨接触横向作用力与垂向作用力，根据轮对摇头角、侧滚角测量信号计算轮对摇头角、侧滚角，根据轮对横移量测量信号计算车轮横移量，进而检测车轮踏面故障状况。/n...

【技术特征摘要】
1.一种轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统，其特征在于，包括：电路连接的列车触发单元、n个激光测量单元、n个作用力敏感单元和系统控制与数据处理单元，n为正整数且为偶数，每个激光测量单元与每个作用力敏感单元作为一组测量单元，n组测量单元以钢轨中心线对称的安装于钢轨内侧，第一个激光测量单元到最后一个所述作用力敏感单元的长度，覆盖经过的所有型号的列车车轮滚动一周的长度；
所述激光测量单元，用于分别沿纵向、垂向和横向三个方向出射激光；并分别接收返回的携带作用力信息的反射光，生成作用力测量信号，接收返回的携带车轴位置信息的车轴散射光，生成轮对摇头角、侧滚角测量信号，接收返回的携带轮对内侧面位置信息的内侧面散射光，生成轮对横移量测量信号；
所述作用力敏感单元，用于反射所述纵向出射光，形成反射光携带作用力信息返回至所述的激光测量单元；
所述的系统控制与数据处理单元，用于根据所述列车触发单元发出的来车信号控制所述激光测量单元工作，根据所述作用力测量信号计算轮轨接触横向作用力与垂向作用力，根据轮对摇头角、侧滚角测量信号计算轮对摇头角、侧滚角，根据轮对横移量测量信号计算车轮横移量，进而检测车轮踏面故障状况。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的激光测量单元包括激光器、光纤出射端、准直镜、分光元件、偏光分光元件、λ/4波片、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第一窗口玻璃、第二窗口玻璃、第三窗口玻璃；所述作用力敏感单元包括光线反射单元和第四窗口玻璃；
所述激光器用于发出激光，光纤出射端用于出射所述激光，准直镜用于对出射的激光进行扩束、准直，准直后的光由分光元件反射后形成垂向出射光；准直后的光由分光元件透射、偏光分光元件反射后形成横向出射光；准直后的光由分光元件透射、偏光分光元件透射、λ/4波片透射并将偏振方向旋转45°后形成纵向出射光；
所述垂向出射光向上出射后，由车轴散射，形成车轴散射光，车轴散射光携带车轴位置信息返回至激光测量单元的第二光电探测器，生成轮对摇头角测量信号；
所述横向出射光沿指向钢轨方向出射后，由轮对内侧面散射，形成内侧面散射光，内侧面散射光携带轮对内侧面位置信息返回至所述激光测量单元的第三光电探测器，生成轮对横移量测量信号；
所述纵向出射光沿钢轨方向出射后，由所述作用力敏感单元反射，形成反射光，反射光返回至所述激光测量单元时，经过λ/4波片透射并将偏振方向旋转45°后，被偏光分光元件反射，携带作用力信息的反射光返回至所述激光测量单元的第一光电探测器，形成作用力测量信号。


3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的第一光电探测器为四象限探测器。


4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的第一光电探测器由会聚透镜与位置敏感探测器组成。


5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的第二光电探...

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