一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)及方法。該方法包括：將一壓電復(fù)合材料傳感器固定于鐵軌軌底，通過所述壓電復(fù)合材料傳感器探測鐵軌的振動(dòng)波信號，之后將采集到的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖，并根據(jù)所述功率譜密度分布圖的分布特點(diǎn)判斷鐵軌是否存在裂縫及損傷；當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布在20-80kHz以下的低頻范圍內(nèi)時(shí)，判斷鐵軌沒有裂縫及損傷；當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布向80kHz以上的高頻范圍明顯移動(dòng)時(shí)，則判定該段鐵軌已發(fā)生裂縫及損傷，發(fā)出報(bào)警提示。本發(fā)明可在列車通過鐵軌后快速判斷該段鐵軌有無微裂縫及損傷發(fā)生，提高了安全性。
【專利說明】—種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種快速可靠實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的無損監(jiān)測方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國高速鐵路的大量建成通車，安全運(yùn)輸與設(shè)備狀態(tài)管理的矛盾日益突出。通過建立有效的監(jiān)控體系，做好固定設(shè)備的長期監(jiān)控成為確保高速鐵路安全、可靠、高效運(yùn)行的保障，特別是固定設(shè)備某些關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)的監(jiān)控，注入道岔等。道岔處的鐵軌易發(fā)生開裂、核傷等微小破壞，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，極易快速地?cái)U(kuò)展為致命損傷，從而引起脫軌等嚴(yán)重事故。為此，找到一種可以快速實(shí)時(shí)可靠地監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷情況的方法就顯得極為重要。
[0003]在國外，漏磁檢測法、渦電流檢測法、視屏和光電圖像檢測法、射線檢測法、超聲導(dǎo)波法等都曾嘗試運(yùn)用于道岔鐵軌的裂縫及損傷監(jiān)測，但是實(shí)驗(yàn)證明由于其可靠性差、誤報(bào)率高、實(shí)施困難及成本難以控制等缺點(diǎn)沒有得到廣泛地推廣。
[0004]因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)及方法。提供了一種快速可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法和設(shè)備，該方法采用自動(dòng)化智能化技術(shù)，操作簡單，監(jiān)測結(jié)果受人工操作與環(huán)境影響微小，分析結(jié)果重復(fù)性好，可靠性高，實(shí)施相對簡單。該監(jiān)測方法可在列車通過鐵軌后快速判斷該段鐵軌有無微裂縫及損傷發(fā)生，提高了安全性。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其中，包括:
用于固定在鐵軌上探測鐵軌的振動(dòng)波信號并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振動(dòng)波模擬信號的壓電復(fù)合材料傳感器；
用于將壓電復(fù)合材料傳感器探測到的振動(dòng)波模擬信號進(jìn)行去噪、放大處理的信號過慮及放大設(shè)備；
用于將經(jīng)過去噪、放大處理的振動(dòng)波模擬信號進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化為振動(dòng)波數(shù)字信號并存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；
用于將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的振動(dòng)波數(shù)字信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖，并根據(jù)所述功率譜密度分布圖的分布特點(diǎn)判斷鐵軌是否存在裂縫及損傷的計(jì)算機(jī)分析裝置；
所述壓電復(fù)合材料傳感器、信號過慮及放大設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)分析裝置依次連接。
[0007]所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算機(jī)分析裝置包括: 信號轉(zhuǎn)換單元，用于將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的振動(dòng)波數(shù)字信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖；
第一判斷單元，用于當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布在20-80kHz以下的低頻范圍內(nèi)時(shí)，則判斷鐵軌基本沒有裂縫及損傷發(fā)生；
第二判斷單元，用于當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布向80kHz以上的高頻范圍明顯移動(dòng)時(shí)，則判斷該段鐵軌已發(fā)生裂縫及損傷；
報(bào)警提示單元，用于當(dāng)判斷鐵軌發(fā)生裂縫及損傷，報(bào)警提示檢修或更換。
[0008]所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其中，其還包括一用于將所述壓電復(fù)合材料傳感器緊固在所述鐵軌的軌底表面的鐵夾具:所述壓電復(fù)合材料傳感器通過所述鐵夾具緊固在鐵軌軌底表面。
[0009]所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其中，在所述壓電復(fù)合材料傳感器外包覆設(shè)置有一銅殼，所述銅殼通過一屏蔽線連接至同軸電纜的負(fù)極。
[0010]所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其中，所述壓電復(fù)合材料傳感器包括內(nèi)核，封裝保護(hù)層，磁性套環(huán)和具有屏蔽功能的信號線，所述內(nèi)核，封裝保護(hù)層，磁性套環(huán)由內(nèi)到外依次設(shè)置；
所述信號線纏繞設(shè)置在所述壓電復(fù)合材料傳感器內(nèi)，并在所述壓電復(fù)合材料傳感器外突出設(shè)置有連接端子。
[0011]所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其中，
所述壓電復(fù)合材料傳感器的共振頻率應(yīng)設(shè)置為150kHz-200kHz的頻段范圍內(nèi)；
所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣頻率設(shè)置為不低于2.5MHz。
[0012]一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法，其中，包括步驟:
A、將一壓電復(fù)合材料傳感器固定于鐵軌軌底，當(dāng)有列車駛向并經(jīng)過該段鐵軌時(shí)，通過所述壓電復(fù)合材料傳感器探測鐵軌的振動(dòng)波信號，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振動(dòng)波模擬信號；
B、通過信號過慮及放大設(shè)備將壓電復(fù)合材料傳感器探測到的振動(dòng)波模擬信號進(jìn)行去噪、放大處理；
C、通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備將經(jīng)過去噪、放大處理的振動(dòng)波模擬信號進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化為振動(dòng)波數(shù)字信號并存儲(chǔ)；
D、通過計(jì)算機(jī)分析裝置將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的振動(dòng)波數(shù)字信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖，并根據(jù)所述功率譜密度分布圖的分布特點(diǎn)判斷鐵軌是否存在裂縫及損傷。
[0013]所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法，其中，所述步驟A還包括:將所述壓電復(fù)合材料傳感器的共振頻率應(yīng)設(shè)置為150kHz-200kHz的頻段范圍內(nèi)；
所述步驟C還包括:將所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣頻率設(shè)置為不低于2.5MHz。
[0014]所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法，其中，所述步驟D具體包括:
D1、將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的振動(dòng)波數(shù)字信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖；
D2、當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布在20-80kHz以下的低頻范圍內(nèi)時(shí)，則判斷鐵軌沒有裂縫及損傷發(fā)生；
D3、當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布向80kHz以上的高頻范圍明顯移動(dòng)時(shí)，則判斷該段鐵軌已發(fā)生裂縫及損傷，
D4、當(dāng)判斷鐵軌發(fā)生裂縫及損傷，報(bào)警提示檢修或更換。
[0015]所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法，其中，所述步驟D還包括:當(dāng)鋼軌在裂縫或損失開展的過程中其頻率分布集中在80kHz-200kHz的頻段范圍內(nèi)，定義鋼軌的損傷指數(shù)DI為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其特征在于，包括: 用于固定在鐵軌上探測鐵軌的振動(dòng)波信號并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振動(dòng)波模擬信號的壓電復(fù)合材料傳感器； 用于將壓電復(fù)合材料傳感器探測到的振動(dòng)波模擬信號進(jìn)行去噪、放大處理的信號過慮及放大設(shè)備； 用于將經(jīng)過去噪、放大處理的振動(dòng)波模擬信號進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化為振動(dòng)波數(shù)字信號并存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備； 用于將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的振動(dòng)波數(shù)字信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖，并根據(jù)所述功率譜密度分布圖的分布特點(diǎn)判斷鐵軌是否存在裂縫及損傷的計(jì)算機(jī)分析裝置； 所述壓電復(fù)合材料傳感器、信號過慮及放大設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)分析裝置依次連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)分析裝置包括: 信號轉(zhuǎn)換單元，用于將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的振動(dòng)波數(shù)字信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖； 第一判斷單元，用于當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布在20-80kHz以下的低頻范圍內(nèi)時(shí)，則判斷鐵軌基本沒有裂縫及損傷發(fā)生； 第二判斷單元 ，用于當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布向80kHz以上的高頻范圍明顯移動(dòng)時(shí)，則判斷該段鐵軌已發(fā)生裂縫及損傷， 報(bào)警提示單元，用于當(dāng)判斷鐵軌發(fā)生裂縫及損傷，報(bào)警提示檢修或更換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其特征在于，其還包括一用于將所述壓電復(fù)合材料傳感器緊固在所述鐵軌的軌底表面的鐵夾具:所述壓電復(fù)合材料傳感器通過所述鐵夾具緊固在鐵軌軌底表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其特征在于，在所述壓電復(fù)合材料傳感器外包覆設(shè)置有一銅殼，所述銅殼通過一屏蔽線連接至同軸電纜的負(fù)極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電復(fù)合材料傳感器包括內(nèi)核，封裝保護(hù)層，磁性套環(huán)和具有屏蔽功能的信號線，所述內(nèi)核，封裝保護(hù)層，磁性套環(huán)由內(nèi)到外依次設(shè)置； 所述信號線纏繞設(shè)置在所述壓電復(fù)合材料傳感器內(nèi)、并在所述壓電復(fù)合材料傳感器外突出設(shè)置有連接端子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的系統(tǒng)，其特征在于， 所述壓電復(fù)合材料傳感器的共振頻率應(yīng)設(shè)置為150kHz-200kHz的頻段范圍內(nèi)； 所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣頻率設(shè)置為不低于2.5MHz。
7.一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法，其特征在于，包括步驟: A、將一壓電復(fù)合材料傳感器固定于鐵軌軌底，當(dāng)有列車駛向并經(jīng)過該段鐵軌時(shí)，通過所述壓電復(fù)合材料傳感器探測鐵軌的振動(dòng)波信號，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振動(dòng)波模擬信號； B、通過信號過慮及放大設(shè)備將壓電復(fù)合材料傳感器探測到的振動(dòng)波模擬信號進(jìn)行去噪、放大處理； C、通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備將經(jīng)過去噪、放大處理的振動(dòng)波模擬信號進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化為振動(dòng)波數(shù)字信號并存儲(chǔ)； D、通過計(jì)算機(jī)分析裝置將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的振動(dòng)波數(shù)字信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖，并根據(jù)所述功率譜密度分布圖的分布特點(diǎn)判斷鐵軌是否存在裂縫及損傷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法，其特征在于，所述步驟A還包括:將所述壓電復(fù)合材料傳感器的共振頻率應(yīng)設(shè)置為150kHz-200kHz的頻段范圍內(nèi)； 所述步驟C還包括:將所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣頻率設(shè)置為不低于2.5MHz。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法，其特征在于，所述步驟D具體包括: D1、將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的振動(dòng)波數(shù)字信號的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域的功率譜密度分布圖； D2、當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布在20-80kHz以下的低頻范圍內(nèi)時(shí)，則判斷鐵軌沒有裂縫及損傷發(fā)生； D3、當(dāng)所述功率譜密度分布圖的功率譜密度分布向80kHz以上的高頻范圍明顯移動(dòng)時(shí)，則判斷該段鐵軌已發(fā)生裂縫及損傷， D4、當(dāng)判斷鐵軌發(fā)生裂縫及損傷，報(bào)警提示檢修或更換?！?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵軌裂縫及損傷的方法，其特征在于，所述步驟D還包括:當(dāng)鋼軌在裂縫及損傷開展的過程中其頻率分布集中在80kHz-200kHz的頻段范圍內(nèi)，定義鋼軌的損傷指數(shù)DI為:Π, — j^SO-150


為3 O-300 其中κι-/5U為功率譜密度圖中80kHz_150kHz頻段內(nèi)的面積，為功率譜密度圖中230kHz-300kHz頻段內(nèi)的面積； 當(dāng)2〈DI〈5時(shí)，提示鐵軌可繼續(xù)使用，不必更換； 當(dāng)5〈DI〈10時(shí)，提示鋼軌結(jié)構(gòu)有一定程度的損傷，密切關(guān)注； 當(dāng)DI>10時(shí)，提示鋼軌結(jié)構(gòu)損傷為嚴(yán)重，裂縫的開展進(jìn)入不穩(wěn)定階段，提示需要更換鐵軌。
【文檔編號】B61K9/08GK103847761SQ201210502451
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月30日
【發(fā)明者】李宗津, 張津瑞, 陸有源, 沈震遠(yuǎn), 蘆澤宇 申請人:建維科技（深圳）有限公司