CN202644332U - 轨道顶面不平顺检测装置 - Google Patents

Abstract

一种轨道顶面不平顺检测装置包括：行走小车，设有一车架及行走轮组，行走轮组设置于车架的底部两侧且对应两条平行的轨道设置；里程速度模块设置于所述车架上，且与行走轮组配合设置；位移测量模块包括三个激光位移测量器，激光位移测量器固定于行走小车的车架上，三个激光位移测量器正对其中一条轨道上表面且沿该轨道延伸方向的一直线上排列设置；数据采集显示模块包括下位机数据采集单元及上位机存储显示单元，数据采集单元与里程速度模块及位移测量模块连接。本实用新型根据不等弦测原理，在小车上对应轨道上表面依据设定间距的条件下设有三个激光位移测量器，通过测量检测基准梁到钢轨面的距离，计算钢轨顶面短波不平顺，并同步采集线路里程信息，实现对钢轨顶面短波不平顺的高精度检测。

Description

轨道顶面不平顺检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种轨道检测装置，尤其是涉及一种能够对钢轨顶面短波不平顺进行高精度检测的轨道顶面不平顺检测装置。

背景技术

轨道短波不平顺一般指波长为0.02m至5m范围内轨道不平顺，研究表明轨道短波不平顺是引起车辆、轨道疲劳破坏和铁路噪声的主要根源。随着铁路速度的不断提高，轨道短波不平顺引起轨道、机车车辆的破坏和铁路噪声也越来越大，特别是高速铁路，轨道短波不平顺的影响不能忽视。动态测量轨道短波不平顺比较困难，目前轨道检测车只能检测波长1.5以上轨道不平顺，对于波长1.5m以下轨道短波不平顺还没有有效手段获取。尽管相应研究起步较早，但成效不佳，轨道短波不平顺动态测量仍是一个世界难题。

日本和法国直接采用轴箱加速度评价轨道短波不平顺，但是轴箱加速度是一种响应，不同检测速度和轨道结构特征影响实际的检测结果，因此利用轴箱加速度评价轨道短波不平顺并不合理。也有建立车轮和轨道力学模型，分析轴箱加速度和轨道短波不平顺关系，给出了轨道短波不平顺检测方法，但由于模型中没有考虑转向架、车体质量和一二系悬挂装置的影响，其合理性有待进一步研究。还有建立车辆和轨道动力学简化模型，进一步分析轴箱加速度和轨道短波不平顺关系，得到轨道短波不平顺，但模型简单仍需要进一步研究。另外还有采用的方法都是利用车辆轨道动力学模型研究轴箱加速度和轨道短波不平顺关系，通过逆滤波方法利用轴箱加速度间接测量轨道短波不平顺，都属于振动中的反问题方法，通过响应求激励。

美国ENSCO在轨检车上，每侧沿纵向采用三个激光位移传感器组成短弦，利用轨距系统实现激光位移传感器伺服跟踪钢轨，确保激光位移传感器光点位置。但伺服系统结构复杂，跟踪频响不够。

澳大利亚采用轴箱加速度积分的方法。列车运行时，钢轨表面的凹凸不平使轴箱产生高频垂直振动，因而轴箱加速度计产生一个代表钢轨表面不平顺状况的输出值，经过处理后得到钢轨凹凸不平的RMS值。但由于忽略了钢轨轮子和轴箱的刚度，轮轴机械间隙，所以结果也不理想。

面对着现今铁路技术高速发展的趋势，铁路安全尤为重要，在轨道不平顺的监测方面对于机车运行安全更是一个非常关键的因素，而能够更精确的测量轨道不平顺的技术对现今的铁路运输发展来说，尤为迫切。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种轨道顶面不平顺检测装置，对钢轨顶面短波不平顺实现高精度的检测。

本实用新型的技术解决方案是：

一种轨道顶面不平顺检测装置，其中，该检测装置包括：

行走小车，设有一车架及行走轮组，所述行走轮组设置于所述车架的底部两侧且对应两条平行的轨道设置；

里程速度模块，设置于所述车架上，且与所述行走轮组配合设置；

位移测量模块，包括三个激光位移测量器，所述激光位移测量器固定于所述行走小车的车架上，三个所述激光位移测量器正对其中一条所述轨道上表面且沿该轨道延伸方向的一直线上排列设置；

数据采集显示模块，包括下位机数据采集单元及上位机存储显示单元，所述数据采集单元与所述里程速度模块及位移测量模块连接。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，三个所述激光位移测量器平行于所述轨道延伸方向的前后排列顺序分别为第一激光位移测量器、第二激光位移测量器及第三激光位移测量器，而所述第一激光位移测量器与第二激光位移测量器之间的距离为0.025m，所述第二激光位移测量器与第三激光位移测量器之间的距离为0.219m。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，所述行走小车为由两根直梁组合而成的T型车架结构，其中一检测梁对应一所述轨道正上方设置，三个所述激光位移测量器设置于该检测梁的底面对应该轨道的上表面设置；所述行走轮组设有三个滚轮，且分别设置于T型车架结构的三个端部。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，所述直梁为由薄金属板压制成的两根箱型梁。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，所述心走轮组为尼龙材料制成的滚轮，并设有LM型踏面。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，所述车架上设有多个定位小轮，所述定位小轮对应两所述轨道的侧面设置，所述定位小轮经由可调定位器结合固定于所述车架上。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，所述里程速度模块包括一与所述行走轮组配合设置的编码器。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，所述位移测量模块还设有过渡安装板，所述过渡安装板能够与所述行走小车固定结合。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，所述下位机数据采集单元包括单片机及A/D转换模块。

上述的轨道顶面不平顺检测装置，其中，所述下位机数据采集单元与所述上位机存储显示单元之间经由422-USB串口设备连接。

由以上说明得知，本实用新型与现有技术相比较，确实可达到如下的功效：

本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，主要是一种钢轨顶面短波不平顺不等弦法的检测，根据不等弦测原理，采用行走小车，并在小车上对应轨道上表面依据设定间距的条件下设有三个激光位移测量器，通过测量检测基准梁到钢轨面的距离，计算钢轨顶面短波不平顺，并同步采集线路里程信息，实现对钢轨顶面短波不平顺的高精度检测。

附图说明

图1为本实用新型的示意图；

图2为本实用新型的分解视图；

图3为本实用新型的示意图。

主要元件标号说明：

本实用新型：

1：行走小车               11：检测梁               12：行走轮组

13：里程速度模块          2：激光位移测量器        21：第一激光位移测量器

22：第二激光位移测量器    23：第三激光位移测量器   3：下位机数据采集单元

4：上位机存储显示单元     5：推杆                  6：定位小轮

7：轨道

具体实施方式

本实用新型的一种轨道顶面不平顺检测装置，其中，该检测装置包括：行走小车、里程速度模块、位移测量模块及数据采集显示模块；所述行走小车设有一车架及行走轮组，所述行走轮组设置于所述车架的底部两侧且对应两条平行的轨道设置；所述里程速度模块设置于所述车架上，且与所述行走轮组配合设置；所述位移测量模块包括三个激光位移测量器，所述激光位移测量器固定于所述行走小车的车架上，三个所述激光位移测量器正对其中一条所述轨道上表面且沿该轨道延伸方向的一直线上排列设置；所述数据采集显示模块包括下位机数据采集单元及上位机存储显示单元，所述数据采集单元与所述所述里程速度模块及位移测量模块连接。

基于下述测量原理的基础上，通过本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置能够准确的实现钢轨顶面短波不平顺的高精度测量：

钢轨顶面短波不平顺测量中采用的弦测法采用不等弦测量方法(图1)。图中：l为总弦长；a、b分别为短弦长和长弦长；f₁、f₂和f₃分别为检测基准梁到钢轨面的距离，由检测设备通过图象处理系统处理可以获取；x₁、x₂和x₃分别为钢轨面到轨道不平顺基准的距离，即轨道不平顺幅值。根据集合关系有：

$\left\{\begin{array}{c}f=x_2-\frac{{\mathrm{bx}}_1+{\mathrm{ax}}_3}{l}\\ f=\frac{{\mathrm{bf}}_1+{\mathrm{af}}_3}{l}-f_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：f为轨道不平顺不等弦正矢值。

由于三个测量点经历相同的轨道不平顺，只是存在固定相位差。如果令x为2点经历的不平顺，对式(1)进行傅立叶变换有：

$\left\{\begin{array}{c}F\left(\mathrm{\Ω}\right)=H\left(\mathrm{\Ω}\right)X\left(\mathrm{\Ω}\right)\\ H\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{l-({\mathrm{be}}^{\mathrm{ia\Ω}}+{\mathrm{ae}}^{-\mathrm{ib\Ω}})}{l}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：X(Ω)、F(Ω)分别为x和f的傅立叶变换；H(Ω)为轨道不平顺转化成轨道不平顺正矢的传递函数。Ω为轨道不平顺空间角频率。

根据式(2)计算X(Ω)，然后可以计算轨道不平顺谱为：

$S\left(k\right)=\frac{{2\left|X\left(k\right)\right|}^2}{{\mathrm{Nf}}_s}---\left(3\right)$

式中，f_s为采样(空间)频率；N为傅立叶变换数据点数；k为空间频率。

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图2所示，为本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置较佳实施例的结构示意图。

如图所示，本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，较佳的，该检测装置包括：行走小车1、里程速度模块13、位移测量模块及数据采集显示模块。

所述行走小车1设有一车架及行走轮组12，所述行走轮组12设置于所述车架的底部两侧且对应两条平行的轨道7设置；从而使行走小车1能够在一般的轨道7上行进，且该车架必须具有足够的硬度和强度，在运行过程中，不会发生变形，防止测量数据不准确。

所述里程速度模块13设置于所述车架上，且与所述行走轮组12配合设置；在较佳的方式中，通过行走轮的滚动，能够触发里程速度模块13上的感应装置进行计步测量，测算出小车的行走速度及里程，以便于对轨道7顶面不平顺程度进行准确的测量。较佳的，本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，其里程速度模块13包括有一与所述行走轮组12配合设置的编码器。里程速度模块13利用编码器产生距离脉冲，触发该监测装置采样，并计算里程和速度信息，上传至数据采集显示模块，与检测的钢轨顶面短波不平顺信息进行实时显示和存储。

所述位移测量模块包括三个激光位移测量器2，所述激光位移测量器2固定于所述行走小车1的车架上，三个所述激光位移测量器2正对其中一条所述轨道7上表面且沿该轨道7延伸方向的一直线上排列设置；由于小车具有足够刚性强度的车架，故当三个所述激光位移测量器2设置于车架上后，就形成了一个相对固定的测量组合状态，相互之间的相对位置不会因小车的行走及轨道7的不平顺而改变，由此满足通过不等弦法检测的要求；同时通过将三个激光位移测量器2相互之间的距离相对固定，且根据所需要的测量精度进行距离的设置，以满足测量数据的获取要求。因此，位移测量模块主要包括3个激光位移测量器2，按照设计的距离排列，较佳的，激光位移测量器2为激光摄像机位移计，将其安装于行走小车1的与轨道7上表面对应的位置上，通过小车的行走，测量检测基准梁到钢轨面的距离，为计算光轨顶面短波不平顺提供基础数据；

本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，较佳的，所述位移测量模块还设有过渡安装板，所述过渡安装板能够与所述行走小车1固定结合；增强了该检测装置的安装灵活性，具体的，所述过渡安装板上安装有多个激光位移测量器2，且所述激光位移测量器2能够经由该过渡安装板于所述车架上进行所述激光位移测量器2之间间隔距离的调整。

根据检测目的不同，可以选择如图1所示的参数l、a、b和f_s的值，测量所需波段的轨道不平顺谱。其中，短弦长必须大于最短检测波长，例如为了检测0.05m至1m轨道短波不平顺，可选择l＝0.25m和a＝0.031m作为参考值进行设备安装。采样频率选择f_s＝100(1/m)。从而在本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置的一个实施方式中，较佳的，三个所述激光位移测量器2平行于所述轨道7延伸方向的前后排列顺序分别为第一激光位移测量21、第二激光位移测量22及第三激光位移测量23，而所述第一激光位移测量21与第二激光位移测量22之间的距离为0.025m，所述第二激光位移测量22与第三激光位移测量23之间的距离为0.219m。以此获得针对检测0.05m至1m轨道短波不平顺的精确测量数据。

本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，其数据采集显示模块包括下位机数据采集单元3及上位机存储显示单元，所述数据采集单元与所述里程速度模块13及位移测量模块连接。其中，较佳的所述上位机存储显示单元可以是一设置于行走小车1车架上的一台计算机；更进一步的，所述计算机固定设置于一推杆5上，该推杆5固定于所述行走小车1的车架上。

较佳的，所述下位机数据采集单元3包括单片机和A/D转换模块；用以控制采集触发，正反向运行自适应和串口数据传送。而所述上位机存储显示单元则采用Visual Basic和TeeChart控件开发；利用串口采集下位机数据采集单元3传输的数据，采取事件触发采集，采集的原始数据存盘，并对采集的数据进行有效性判断后，进行波形显示。其中，所述事件触发可以通过设定行走小车1行走的距离间隔触发的方式，具体的可以对行走轮组12的转动角度进行触发设定。

本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，较佳的，所述下位机数据采集单元3与所述上位机存储显示单元之间经由422-USB串口设备连接，也可以是其他的通信接口，只要能够满足实时的数据传输效果即可。

本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，其较佳的实施方式中，所述行走小车1为由两根直梁组合而成的T型车架结构，其中一检测梁11对应一所述轨道7正上方平行于轨道7设置，而另一根直梁则垂直于轨道7设置，三个所述激光位移测量器2设置于该检测梁11的底面对应该轨道7的上表面设置；因此，三个激光位移测量器2能够对准该轨道7的上表面进行距离检测；所述行走轮组12设有三个滚轮，且分别设置于T型车架结构的三端，从而能够跨设于两条平行的轨道7上。

如上所述本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，较佳的，所述直梁为由薄金属板压制成的箱型梁，借此，平行于所述轨道7的检测梁11内设有能够容置位移测量模块的容置槽，不仅使该行走小车1的结构更为紧凑和牢固，而且保证了结构的刚度和轻便的要求。

而本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，其行走小车1的主要功能是安装里程速度模块13的编码器和位移测量模块的激光位移测量器2。在轨面上顺滑行走，保证整体结构刚性，与轨道7严格绝缘；小车的横向位移要求控制在一定范围内，保证检测梁11传感器位置的一致性和连续性；因此，本实用新型所提出的行走小车1的较佳实施方式并不限定行走小车1的形状，只要能够实现上述目的即可。

如上所述本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，较佳的，所述行走轮组12为尼龙材料制成的滚轮，并设有LM型踏面；保证小车的行走性能功能和绝缘性能。

如图所示，本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置，其较佳的实施方式中，所述车架上设有多个定位小轮6，所述定位小轮6对应两所述轨道7的侧面设置，通过定位小轮6与两条轨道7之间的横向配合，使行走小车1在轨道7上行走的过程中，不会产生横向位移，进一步保证测量的精确度；所述定位小轮6经由可调定位器结合固定于所述车架上，为了使行走小车1行走更为流畅，可以通过调整可调定位器，而加紧和松开行走小车1在行进过程中横向的阻力。借此，横向定位采用定位小轮6(橡胶材料)和可调定位器结合的方式，保证横向位移的可控性。

请参照图3所示，为本实用新型的轨道顶面不平顺检测装置较佳实施例的原理框图；其中，该轨道顶面不平顺检测装置包括三个激光位移传感器、一个编码器、一套下位机数据采集单元3和1套上位机存储显示单元，全部集成在行走小车1上。在行走小车1上平行于轨道7的车架位置(可以是如上所述的直梁)上，安装编码器2和激光位移测量器2，三个激光位移测量器2的检测点所在的直线作为基准梁；编码器2产生脉冲信息，激光位移测量器2分别测量检测基准梁到钢轨面的距离。输出的脉冲信息和距离信息传输给下位机数据采集单元3，下位机数据采集单元3采集编码器送来的脉冲信息和激光位移测量器2送来距离信息，经过内部处理后通过422-USB串口设备发送给上位机存储显示单元7。上位机存储显示单元7采用Visual Basic和TeeChart控件开发。利用串口采集下位机传输的数据，采取事件触发采集，采集的原始数据存盘，并对采集的数据进行有效性判断后，进行波形显示。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.一种轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，该检测装置包括：

行走小车，设有一车架及行走轮组，所述行走轮组设置于所述车架的底部两侧且对应两条平行的轨道设置；

里程速度模块，设置于所述车架上，且与所述行走轮组配合设置；

位移测量模块，包括三个激光位移测量器，所述激光位移测量器固定于所述行走小车的车架上，三个所述激光位移测量器正对其中一条所述轨道上表面且沿该轨道延伸方向的一直线上排列设置；

数据采集显示模块，包括下位机数据采集单元及上位机存储显示单元，所述数据采集单元与所述里程速度模块及位移测量模块连接。

2.如权利要求1所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，三个所述激光位移测量器平行于所述轨道延伸方向的前后排列顺序分别为第一激光位移测量器、第二激光位移测量器及第三激光位移测量器，而所述第一激光位移测量器与第二激光位移测量器之间的距离为0.025m，所述第二激光位移测量器与第三激光位移测量器之间的距离为0.219m。

3.如权利要求1所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，所述行走小车为由两根直梁组合而成的T型车架结构，其中一检测梁对应一所述轨道正上方设置，三个所述激光位移测量器设置于该检测梁的底面对应该轨道的上表面设置；所述行走轮组设有三个滚轮，且分别设置于T型车架结构的三个端部。

4.如权利要求3所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，所述直梁为由薄金属板压制成的两根箱型梁。

5.如权利要求1所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，所述心走轮组为尼龙材料制成的滚轮，并设有LM型踏面。

6.如权利要求1所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，所述车架上设有多个定位小轮，所述定位小轮对应两所述轨道的侧面设置，所述定位小轮经由可调定位器结合固定于所述车架上。

7.如权利要求1所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，所述里程速度模块包括一与所述行走轮组配合设置的编码器。

8.如权利要求1所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，所述位移测量模块还设有过渡安装板，所述过渡安装板能够与所述行走小车固定结合。

9.如权利要求1所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，所述下位机数据采集单元包括单片机及A/D转换模块。

10.如权利要求1所述的轨道顶面不平顺检测装置，其特征在于，所述下位机数据采集单元与所述上位机存储显示单元之间经由422-USB串口设备连接。

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