CN116654050A - 一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置及方法，涉及轨道交通领域，其包括固定支架、激光传感器组件，以及数据处理设备；固定支架设置在打磨小车构架上，用于固定激光传感器组件；每个激光传感器组件用于获取并输出车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的距离和车轮轮缘顶点到钢轨轨底的距离；数据处理设备用于根据激光传感器组件输出的数据进行打磨小车走行和作业在轨状态监测。本发明考虑了打磨小车整体的运行形式，能够快速、准确、清晰给出整车监测结果，排除了车轮过轨缝、道岔的影响，兼容了轨旁存在扣件、夹板、尖轨、拉杆、连杆、顶铁、限位器、间隔铁、轨撑筋板、轮缘槽的工况，极大的保证了车轮在轨状态的判断准确率。

Description

一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，具体涉及一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置及方法。

背景技术

随着轨道交通的高速发展，由于轨道交通运行车辆多、载运量高、运行密度大、线路条件复杂等因素影响使得车辆与轨道之间的相互作用加剧，钢轨伤损问题日趋严重。

钢轨伤损不仅会对车辆的运行平稳性与舒适性产生影响，其引起的轮轨间振动对车辆轨道部件的寿命也有很大的影响，直接关系到铁路运输的质量、成本甚至是安全问题。为延缓钢轨伤损的发展、延长钢轨使用寿命，检修部门在钢轨表面状态恶化后通常利用钢轨打磨车对钢轨进行打磨修复。钢轨打磨车主要由大车和打磨小车构成，而打磨小车在走行过程中有两种状态：自走行状态和作业状态。打磨小车自走行过程中，在导向轮与钢轨的相互作用以及大车与小车间的连接部件的作用下，打磨小车的运行稳定性和安全性均会受到影响；而在作业过程中，除了自走行受到的影响之外，磨石与钢轨间相互作用力对打磨小车作业安全性的影响更为突出。目前，我国使用的钢轨打磨车在实际运用中曾多次发生打磨小车脱轨事故，不仅未实现修复钢轨的目标，反而对钢轨造成更严重的伤害，为此更换钢轨增加了成本，同时给打磨车作业人员带来极大的安全风险。而只有对打磨小车走行和作业时的在轨状态进行实时在线监测才能减少安全事故的发生率，提高车辆及打磨小车的运行安全性，对脱轨事故的出现进行有效预防。

目前，针对打磨小车走行和作业在轨状态的检测和评价方法还比较粗糙，亟待进一步完善，原因一是测量参数不直观，传统的轮重减载率、脱轨系数等指标是通过测力轮对的测量数据计算得出，是对脱轨的间接评估且误报问题一直未得到很好的解决，国内外学者在理论上研究了可以通过车轮抬升量和轮轨接触点来判断是否脱轨，但在工程实际中车轮抬升量和轮轨接触点一般难以精确测量；二是误报率高，现有技术CN105480250A公开了一种基于承载鞍定位检测的防脱轨转向架及脱轨检测方法，该专利利用连续三次距离值判断转向架是否脱轨，但由于车轮常会受到钢轨表面的凹凸不平顺激扰而产生短暂跳跃引发频繁误报；CN109032057A公开了一种对轨道打磨车的打磨小车脱轨的监控方法、装置和系统，该专利利用传感器报警数量和持续时间生成并发生报警信息，但无法对脱轨趋势进行有效预警；CN114368411A公开了一种列车脱轨安全的监测预警方法与装置，该专利利用了激光仪和摄像机识别轮轨接触型面，换算轮轨相对横向位移数据来评定脱轨安全等级，但摄像机对工作环境的要求较高，打磨车作业时产生的磨屑和灰尘会影响摄像机的检测精度，大大提高脱轨的误报率；三是脱轨评价视角孤立，没有考虑打磨小车整体的情况，都是仅仅关于一个车轮在轨状态的判断，没有对同一车轴的车轮在不同工况下的在轨状态联动分析，没有结合所有车轮在轨情况对打磨小车的整体运行形式联动分析。因此，现有方法对打磨小车走行和作业在轨状态的监测准确率较低。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置及方法解决了现有方法对打磨小车走行和作业在轨状态的监测准确率较低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置，其包括固定支架、激光传感器组件，以及数据处理设备；固定支架和激光传感器组件的数量均与打磨小车的车轮数量相同；

固定支架，设置在打磨小车构架上，用于固定激光传感器组件；

每个激光传感器组件均包括两部激光距离传感器，第一部激光距离传感器用于获取并输出车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的距离；第二部激光距离传感器用于获取并输出车轮轮缘顶点到钢轨轨底的距离；

数据处理设备，用于根据激光传感器组件输出的数据进行打磨小车走行和作业在轨状态监测。

提供一种基于一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置的监测方法，其包括以下步骤：

S1、通过激光传感器组件获取打磨小车每个车轮处对应的车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的距离和车轮轮缘顶点到钢轨轨底的距离；

S2、根据激光传感器组件输出的数据值和数据斜率获取打磨小车各个车轮的状态值；

S3、根据打磨小车各个车轮的状态值进行打磨小车运动状态识别，实现打磨小车走行和作业在轨状态监测。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用轮轨相对垂向位移作为脱轨评判数据来源，相比脱轨系数和轮重减载率是一种观察轮轨接触状态更为直接的方法，相比摄像机和轴箱振动加速度等检测车轮横向位移的间接计算方法是一种更适合打磨小车工作环境和能够直接测量的指标，可以直接关联车轮抬升量。

2、本发明采用了同轴车轮相对垂向位移结果相互参考、结合持续时间和数据变化斜率的方式来综合评价车轮的在轨状态，对车轮在轨状态评价更为合理，排除了车轮过轨缝、道岔的影响，兼容了轨旁存在扣件、夹板、尖轨、拉杆、连杆、顶铁、限位器、间隔铁、轨撑筋板、轮缘槽的工况，极大的保证了车轮在轨状态的判断准确率。

3、本发明考虑了打磨小车整体的运行形式，能够快速、准确、清晰给出整车监测结果，这也更加符合检修部门的工作需要，同时给出了应对方案，只要存在脱轨就能够得知脱轨对象、原因、打磨小车当前运行形式和应采取应急措施，提高了工作效率，保护了工作人员的作业安全。

附图说明

图1为本监测装置的安装结构示意图；

图2为监测装置的照射正面示意图；

图3为本方法的流程示意图；

图4为获取打磨小车各个车轮的状态值的流程示意图；

图5为实现打磨小车走行和作业在轨状态监测的流程示意图；

图6为实施例中理想轮轨接触几何状态下的轮轨位置示意图；

图7为脱轨预警临界时刻的轮轨位置示意图；

图8为爬轨时刻的轮轨位置示意图；

图9为车辆爬轨时的测量数据；

图10为车轮过10mm轨缝时的测量数据。

其中：1、固定支架；2、激光传感器组件；3、车轮；4、钢轨；5、打磨小车构架。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，该打磨小车走行和作业在轨状态监测装置包括固定支架1、激光传感器组件2，以及数据处理设备；固定支架1和激光传感器组件2的数量均与打磨小车的车轮数量相同；

固定支架1，设置在打磨小车构架5上，用于固定激光传感器组件2；

每个激光传感器组件2均包括两部激光距离传感器，第一部激光距离传感器用于获取并输出车轮名义滚动圆到钢轨4轨顶最高点的距离；第二部激光距离传感器用于获取并输出车轮3轮缘顶点到钢轨4轨底的距离；

数据处理设备，用于根据激光传感器组件2输出的数据进行打磨小车走行和作业在轨状态监测。

数据处理设备包括数据斜率获取单元、车轮状态值获取单元、打磨小车整体运动状态获取单元；

数据斜率获取单元，用于获取激光传感器组件2的数据斜率；

车轮状态值获取单元，用于根据激光传感器组件2输出的数据值和数据斜率获取打磨小车各个车轮3的状态值；

打磨小车整体运动状态获取单元，用于根据打磨小车各个车轮3的状态值进行打磨小车运动状态识别，实现打磨小车走行和作业在轨状态监测。

如图3所示，该基于一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置的监测方法包括以下步骤：

S1、通过激光传感器组件2获取打磨小车每个车轮处对应的车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的距离和车轮轮缘顶点到钢轨轨底的距离；

S2、根据激光传感器组件2输出的数据值和数据斜率获取打磨小车各个车轮的状态值；

S3、根据打磨小车各个车轮的状态值进行打磨小车运动状态识别，实现打磨小车走行和作业在轨状态监测。

如图4所示，步骤S2的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、判断打磨小车第一个车轮的第一部激光距离传感器输出数据是否大于等于DS+HF且持续时间大于t1，若是则进入步骤S2-2；否则进入步骤S2-4；其中t1为常数；

S2-2、判断第一个车轮的第二部激光距离传感器输出数据是否小于DS+HMAX且持续时间大于t1，若是则判定第一个车轮的状态为脱轨，并将其状态值D1记为31，进入步骤S2-7；否则进入步骤S2-3；其中HMAX和t1均为常数；

S2-3、判断打磨小车第二个车轮的第一部激光距离传感器输出数据是否大于等于DS+HF且第二个车轮的第二部激光距离传感器输出数据是否小于DS+HMAX，若均是则判定第一个车轮的状态为安全，并将其状态值D1记为1；否则判定第一个车轮的状态为脱轨，并将其状态值D1记为32；进入步骤S2-7；其中第二个车轮与第一个车轮共轴；

S2-4、判断第一个车轮的第一部激光距离传感器输出数据是否大于等于DS+HY，若是则进入步骤S2-5；否则判定第一个车轮的状态为安全，进入步骤S2-7，并将其状态值D1记为1；其中HY为车轮相对钢轨垂向抬升的预警临界；

S2-5、判断第一个车轮的第一部激光距离传感器的输出数据斜率是否大于SL1_L小于SL1_H，且持续时间大于t1，若是则进入步骤S2-6；否则判定第一个车轮的状态为安全，并将其状态值D1记为1，进入步骤S2-7；其中SL1_L为车轮名义滚动圆持续在钢轨轨顶最高点时第一部激光距离传感器的输出数据斜率，SL1_H为车轮过轨缝时第一部激光距离传感器的输出数据斜率；

S2-6、判断第一个车轮的第二部激光距离传感器的输出数据斜率是否大于SL2、持续时间大于t1，若是则判定第一个车轮处于脱轨预警状态，并将其状态值D1记为2；否则判定第一个车轮的状态为安全，并将其状态值D1记为1；其中SL2为车轮名义滚动圆持续在钢轨轨顶最高点时第二部激光距离传感器的输出数据斜率，且SL2大于0；进入步骤S2-7；

S2-7、采用与步骤S2-1至步骤S2-6相同的方法获取打磨小车其他车轮的状态值；其中，D1为1对应的状态为正常；D1为2对应的状态为脱轨预警；D1为31对应的状态为车轮爬轨；D1为32对应的状态为车轮跳轨。

如图5所示，步骤S3的具体方法包括以下子步骤：

S3-1、判断打磨小车所有车轮中最大的状态值是否大于3，若是则进入步骤S3-2；否则将打磨小车整体运动状态值T1记为1；

S3-2、判断D1是否大于3、D3是否大于3、D2是否等于1且D4是否等于1，若均是则将打磨小车整体运动状态值T1记为3；否则进入步骤S3-3；其中D2为打磨小车第二个车轮的状态值，D3为打磨小车第三个车轮的状态值，D4为打磨小车第四个车轮的状态值，第一个车轮与第三个车轮同边，第三个车轮与第四个车轮共轴；

S3-3、判断D1是否大于3、D4是否大于3、D2是否等于1且D3是否等于1，若均是则将打磨小车整体运动状态值T1记为2；否则将打磨小车整体运动状态值T1记为1；

其中，T1为1时，打磨小车整体运动状态为安全动作；T1为2时，打磨小车整体运动状态为摇头动作；T1为3时，打磨小车整体运动状态为滚摆运动。

在步骤S3之后还包括步骤：

S4、当打磨小车所有车轮中最大的状态值大于3时，生成报警信息并发送给相关人员，并向打磨小车控制系统发送打磨小车液压油缸紧急提升指令和打磨小车减速制动指令；其中报警信息包括脱轨车轮、打磨小车整体运行状态；当打磨小车所有车轮中最大的状态值等于2时，生成预警信息发送给相关人员；其中预警信息包括具有脱轨趋势的车轮，即状态值为2的车轮。

在具体实施过程中，车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的初始距离DS为100mm；轮缘顶点到的钢轨轨顶最高点的初始距离HF为27mm；第一部激光距离传感器和第二部激光距离传感器等高设置，第一部激光距离传感器测得的初始距离即为车轮名义滚动圆到钢轨4轨顶最高点的距离；第二部激光距离传感器测得的初始距离减去DS和HF即为车轮3轮缘顶点到钢轨4轨底的距离。HMAX的值为170mm，HY的值为12mm。t1的值可以由打磨小车运行速度决定，也可以根据实际情况人为设定。

根据车辆动力学车体一般来讲有6个自由度，并用6个固定的术语来描述，包括浮沉运动、横摆运动、伸缩运动、摇头运动、点头运动和侧滚运动，而车体的横摆和侧滚永远耦合在一起而形成滚摆运行，打磨小车在实际运行中，出现的运行形式中会引发倾覆和危及安全的主要考虑摇头运动和滚摆运动，因此将这两个运动单独分类，并将浮沉、伸缩、点头归结在一起为其它安全运动。

在本发明的一个实施例中，理想轮轨接触几何状态下的轮轨位置如图6所示，脱轨预警临界时刻的轮轨位置如图7所示，脱轨报警临界时刻的轮轨位置如图8所示。激光传感器组件数据测量如图9和图10所示（图中纵坐标表示传感器测得的数据，单位为mm，横坐标为时间，单位为ms），在图9中可以看出，车辆爬轨前轮缘顶点距钢轨轨底的距离在270mm左右，当车轮开始爬钢轨时，因为车轮抬升，轮缘顶点距钢轨轨底的距离会略大于270mm，然后由于第二部激光距离传感器测得的数据变为轮缘顶点与钢轨侧面的距离，使得数值急剧减小；当车轮爬上钢轨时，第二部激光距离传感器测得的数据变为轮缘顶点距轨顶最高点的距离，在100mm附近。在图10中可以看出，车轮在过10mm接缝时，第一部激光距离传感器会有数值突变，但持续时间较短，因此本发明采用数据持续时长进行误报消除。

在本实施例中，打磨小车脱轨、运行形式为摇头运行的工况：车速为80km/h且油缸伸长，表示打磨小车落在钢轨上且正在走行或打磨作业。通过激光距离传感器组件获得不同时刻轮轨相对垂向位移，如表1所示，车轮1的第一部激光距离传感器（传感器1）测量值记为da1、车轮1的第二部激光距离传感器（传感器2）测量值记为da2，车轮2的第一部激光距离传感器（传感器1）测量值记为db1、车轮2的第二部激光距离传感器（传感器2）测量值记为db2，以此类推。

表1：激光距离传感器组件测量值

利用第一个车轴的4个激光距离传感器测量值对第一个车轴的两个车轮分别进行在轨状态分析，第一个车轮首先判断传感器1测量值130>100+27，且持续时间大于t1，因此对其第二部激光距离传感器输出数据进行判断，由于160<270，且持续时间大于t1，则D1=31，记为脱轨报警，具体类别为车轮爬轨。

同样的方法对第二个车轮进行判断，第二个车轮的传感器1测量值275>100+27，且持续时间大于t1，第二个车轮的传感器2测量值298>270，因此综合判断第一个车轮的传感器1测量值130>100+27，且第一个车轮的传感器2测量值160<270，则D2=1，记为安全。同样的方法对第三个车轮和第四个车轮进行分析得到D3=1、D4=31。第三个车轮和第四个车轮共轴，第一个车轮和第三个车轮在同一侧。

在得到各个车轮的状态值后，分析打磨小车整体运动状态T1：

DMAX=31，DMAX>3，不满足D1>3且D3>3且D2=1且D4=1，但满足D1>3且D4>3且D2=1且D3=1，T1=2，记为摇头运动。对应的应急策略为：DMAX大于3，生成报警信息发送给相关作业人员，报警信息包括第一个车轮脱轨（爬轨）、第四个车轮脱轨（爬轨）、打磨小车摇头运动，并向打磨车控制系统发送打磨小车液压油缸紧急提升指令和打磨车减速制动指令。

综上所述，本发明本发明考虑了打磨小车整体的运行形式，能够快速、准确、清晰给出整车监测结果，排除了车轮过轨缝、道岔的影响，兼容了轨旁存在扣件、夹板、尖轨、拉杆、连杆、顶铁、限位器、间隔铁、轨撑筋板、轮缘槽的工况，极大的保证了车轮在轨状态的判断准确率。

Claims (8)

1.一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置，其特征在于，包括固定支架、激光传感器组件，以及数据处理设备；固定支架和激光传感器组件的数量均与打磨小车的车轮数量相同；

固定支架，设置在打磨小车构架上，用于固定激光传感器组件；

每个激光传感器组件均包括两部激光距离传感器，第一部激光距离传感器用于获取并输出车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的距离；第二部激光距离传感器用于获取并输出车轮轮缘顶点到钢轨轨底的距离；

数据处理设备，用于根据激光传感器组件输出的数据进行打磨小车走行和作业在轨状态监测。

2.根据权利要求1所述的一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置，其特征在于，车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的初始距离DS为100mm；轮缘顶点到的钢轨轨顶最高点的初始距离HF为27mm；第一部激光距离传感器和第二部激光距离传感器等高设置，第一部激光距离传感器测得的初始距离即为车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的距离；第二部激光距离传感器测得的初始距离减去DS和HF即为车轮轮缘顶点到钢轨轨底的距离。

3.根据权利要求1所述的一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置，其特征在于，数据处理设备包括数据斜率获取单元、车轮状态值获取单元、打磨小车整体运动状态获取单元；

数据斜率获取单元，用于获取激光传感器组件的数据斜率；

车轮状态值获取单元，用于根据激光传感器组件输出的数据值和数据斜率获取打磨小车各个车轮的状态值；

打磨小车整体运动状态获取单元，用于根据打磨小车各个车轮的状态值进行打磨小车运动状态识别，实现打磨小车走行和作业在轨状态监测。

4.一种基于权利要求1~3任一所述的一种打磨小车走行和作业在轨状态监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过激光传感器组件获取打磨小车每个车轮处对应的车轮名义滚动圆到钢轨轨顶最高点的距离和车轮轮缘顶点到钢轨轨底的距离；

S2、根据激光传感器组件输出的数据值和数据斜率获取打磨小车各个车轮的状态值；

S3、根据打磨小车各个车轮的状态值进行打磨小车运动状态识别，实现打磨小车走行和作业在轨状态监测。

5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，步骤S2的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、判断打磨小车第一个车轮的第一部激光距离传感器输出数据是否大于等于DS+HF且持续时间大于t1，若是则进入步骤S2-2；否则进入步骤S2-4；其中t1为常数；

S2-2、判断第一个车轮的第二部激光距离传感器输出数据是否小于DS+HMAX且持续时间大于t1，若是则判定第一个车轮的状态为脱轨，并将其状态值D1记为31，进入步骤S2-7；否则进入步骤S2-3；其中HMAX和t1均为常数；

S2-3、判断打磨小车第二个车轮的第一部激光距离传感器输出数据是否大于等于DS+HF且第二个车轮的第二部激光距离传感器输出数据是否小于DS+HMAX，若均是则判定第一个车轮的状态为安全，并将其状态值D1记为1；否则判定第一个车轮的状态为脱轨，并将其状态值D1记为32；进入步骤S2-7；其中第二个车轮与第一个车轮共轴；

S2-4、判断第一个车轮的第一部激光距离传感器输出数据是否大于等于DS+HY，若是则进入步骤S2-5；否则判定第一个车轮的状态为安全，进入步骤S2-7，并将其状态值D1记为1；其中HY为车轮相对钢轨垂向抬升的预警临界；

S2-5、判断第一个车轮的第一部激光距离传感器的输出数据斜率是否大于SL1_L小于SL1_H，且持续时间大于t1，若是则进入步骤S2-6；否则判定第一个车轮的状态为安全，并将其状态值D1记为1，进入步骤S2-7；其中SL1_L为车轮名义滚动圆持续在钢轨轨顶最高点时第一部激光距离传感器的输出数据斜率，SL1_H为车轮过轨缝时第一部激光距离传感器的输出数据斜率；

S2-6、判断第一个车轮的第二部激光距离传感器的输出数据斜率是否大于SL2、持续时间大于t1，若是则判定第一个车轮处于脱轨预警状态，并将其状态值D1记为2；否则判定第一个车轮的状态为安全，并将其状态值D1记为1；其中SL2为车轮名义滚动圆持续在钢轨轨顶最高点时第二部激光距离传感器的输出数据斜率，且SL2大于0；进入步骤S2-7；

S2-7、采用与步骤S2-1至步骤S2-6相同的方法获取打磨小车其他车轮的状态值；其中，D1为1对应的状态为正常；D1为2对应的状态为脱轨预警；D1为31对应的状态为车轮爬轨；D1为32对应的状态为车轮跳轨。

6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，步骤S3的具体方法包括以下子步骤：

S3-1、判断打磨小车所有车轮中最大的状态值是否大于3，若是则进入步骤S3-2；否则将打磨小车整体运动状态值T1记为1；

S3-2、判断D1是否大于3、D3是否大于3、D2是否等于1且D4是否等于1，若均是则将打磨小车整体运动状态值T1记为3；否则进入步骤S3-3；其中D2为打磨小车第二个车轮的状态值，D3为打磨小车第三个车轮的状态值，D4为打磨小车第四个车轮的状态值，第一个车轮与第三个车轮同边，第三个车轮与第四个车轮共轴；

S3-3、判断D1是否大于3、D4是否大于3、D2是否等于1且D3是否等于1，若均是则将打磨小车整体运动状态值T1记为2；否则将打磨小车整体运动状态值T1记为1；

其中，T1为1时，打磨小车整体运动状态为安全动作；T1为2时，打磨小车整体运动状态为摇头动作；T1为3时，打磨小车整体运动状态为滚摆运动。

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，在步骤S3之后还包括步骤：

S4、当打磨小车所有车轮中最大的状态值大于3时，生成报警信息并发送给相关人员，并向打磨小车控制系统发送打磨小车液压油缸紧急提升指令和打磨小车减速制动指令；其中报警信息包括脱轨车轮、打磨小车整体运行状态；当打磨小车所有车轮中最大的状态值等于2时，生成预警信息发送给相关人员；其中预警信息包括具有脱轨趋势的车轮，即状态值为2的车轮。

8.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，HMAX的值为170mm，HY的值为12mm。