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專利名稱：一種無縫線路鋼軌的檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼軌檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種無縫線路鋼軌的檢測裝置。
背景技術(shù)：
隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，無縫線路在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛推廣和應(yīng)用。無縫線路在一定程度上消除了鋼軌接縫，減少了列車振動，降低了噪聲，使列車運(yùn)行平穩(wěn)、線路設(shè)備和機(jī)車車輛的使用年限延長。但隨著軌縫的消失，由于鋼軌接頭阻力和道床縱向阻力的作用，被焊接在一起的數(shù)十根甚至更多鋼軌在軌溫變化時(shí)便不能自由伸縮，于是鋼軌中將產(chǎn)生縱向溫度應(yīng)力。長鋼軌的溫度相對于鎖定軌溫變化l°c，鋼軌固定區(qū)內(nèi)縱向應(yīng)力變化2.43MPa (兆帕斯卡)，若軌溫變化50°C，則鋼軌內(nèi)應(yīng)力變化為121.5MPa。可見無縫線路長鋼軌所承受的溫度應(yīng)力要比普通鋼軌大得多，當(dāng)溫度應(yīng)力超過鋼軌的承受限度時(shí)，就會在扣件阻力小或路基條件差的區(qū)域釋放能量，當(dāng)應(yīng)力過大時(shí)，會發(fā)生脹軌、跑道；當(dāng)應(yīng)力超過臨界值后，會發(fā)生斷軌。歷史上由于脹軌、斷軌導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生。從1968年至2003年，我國鐵路無縫線路因脹軌跑道造成列車脫線的重大事故共計(jì)發(fā)生22起，造成了巨大生命財(cái)產(chǎn)損失。斷軌事件也偶爾出現(xiàn)，除了焊接質(zhì)量等人為因素外，鋼軌縱向溫度應(yīng)力有著直接影響。因此，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測無縫線路的鋼軌狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)確掌握鋼軌的實(shí)際縱向溫度應(yīng)力，對已經(jīng)發(fā)生斷軌的路段在列車到達(dá)前提前預(yù)警，對確保無縫線路的安全運(yùn)營顯得尤為重要。斷軌檢測與應(yīng)力檢測是目前鋼軌檢測中比較重要的兩個(gè)檢測項(xiàng)目。I)國內(nèi)外的斷軌檢測技術(shù)從檢測原理上可分為:基于軌道電路原理和基于非軌道電路原理?；谲壍离娐吩淼臋z測方法有牽引回流實(shí)時(shí)斷軌檢測方法、準(zhǔn)軌道電路實(shí)時(shí)斷軌檢測方法；目前斷軌在線監(jiān)測技術(shù)，主要都是依靠軌道電路，但采用軌道電路原理實(shí)現(xiàn)斷軌檢測時(shí)受道床、電氣條件限制，有一定的局限性?；诜擒壍离娐返臄嘬墝?shí)時(shí)檢測技術(shù)主要有:光纖實(shí)時(shí)斷軌檢測方法、應(yīng)力實(shí)時(shí)斷軌檢測方法。光纖實(shí)時(shí)斷軌檢測方法是使用由環(huán)氧樹脂膠帶貼于軌道上的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖進(jìn)行檢測；光纖的一端接光源，另一端為接收器，如果鋼軌發(fā)生折斷，光纖將隨之發(fā)生破裂，光線將不能到達(dá)接收器，由此判斷發(fā)生斷軌；但該方法只適用于短軌道檢測，局限性較大。應(yīng)力實(shí)時(shí)斷軌檢測方法使用一些應(yīng)力測量傳感器，每隔一定距離安裝在軌腰上，通過使用相應(yīng)的分析技術(shù)，對傳感器檢測到的應(yīng)力和溫度變化進(jìn)行計(jì)算和比較，某些壓力和溫度的組合可以表明斷軌、軌道變形或兩者兼而有之；但該方法性能指標(biāo)較差，研究開發(fā)價(jià)值不聞。2)現(xiàn)有的鋼軌應(yīng)力檢測技術(shù)通常采用的臨界角折射法測量材料應(yīng)力，測量結(jié)果反映的是材料表面以下超聲傳播時(shí)經(jīng)過路徑內(nèi)的應(yīng)力變化情況，無法反映整個(gè)材料內(nèi)部的平均應(yīng)力。并且，現(xiàn)有的技術(shù)沒有對鋼軌的斷軌與應(yīng)力同時(shí)進(jìn)行在線檢測的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無縫線路鋼軌的檢測裝置，提高了檢測精度及效率，保障了行車安全。一種無縫線路鋼軌的檢測裝置，該裝置包括:超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭、超聲導(dǎo)波接收探頭、數(shù)據(jù)分析模塊；所述超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭的前后兩側(cè)分別設(shè)有一組超聲導(dǎo)波接收探頭；其中每一組超聲導(dǎo)波接收探頭均包括兩個(gè)沿鋼軌方向設(shè)置的超聲導(dǎo)波接收探頭，根據(jù)所述兩個(gè)沿鋼軌方向設(shè)置的超聲導(dǎo)波接收探頭接收信號的先后順序確定所檢測的線路；所述每一組超聲導(dǎo)波接收探頭的輸出端與數(shù)據(jù)分析模塊連接；所述數(shù)據(jù)分析模塊，用于根據(jù)超聲導(dǎo)波接收探頭接收的超聲導(dǎo)波信號進(jìn)行應(yīng)力及斷軌點(diǎn)檢測。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，在無縫線路鋼軌中激發(fā)出超聲導(dǎo)波信號，通過遠(yuǎn)端接收裝置，采集超聲導(dǎo)波信號，通過對信號的處理與分析，實(shí)現(xiàn)無縫線路鋼軌的斷軌與應(yīng)力檢測?？呻S時(shí)準(zhǔn)確掌握鋼軌的實(shí)際縱向溫度應(yīng)力，對已經(jīng)發(fā)生斷軌的路段在列車到達(dá)前提前預(yù)警，對保障高速鐵路的安全運(yùn)行具有重要的實(shí)用價(jià)值。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種無縫線路鋼軌的檢測裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種無縫線路鋼軌的檢測裝置中各模塊的布置示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種信號驅(qū)動模塊的示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種信號采集模塊的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。超聲波檢測技術(shù)檢測對象范圍廣、深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、靈敏度高、成本低、使用方便、速度快，對人體及環(huán)境無害。超聲導(dǎo)波是超聲波在桿、管、板等結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)介質(zhì)傳播時(shí)，不斷與介質(zhì)的上下邊界發(fā)生折射、反射及縱波一橫波之間的波形轉(zhuǎn)換作用而產(chǎn)生的波，與超聲體波相比，超聲導(dǎo)波可以在波導(dǎo)介質(zhì)中傳播很長的距離，并可以覆蓋整個(gè)被檢測物體的橫截面，檢測效率更高。因此超聲導(dǎo)波特別適用于長距離非接觸檢測領(lǐng)域，如管道檢測、鋼軌檢測等。實(shí)施例一
圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無縫線路鋼軌的檢測裝置，該裝置主要包括:超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭、超聲導(dǎo)波接收探頭、數(shù)據(jù)分析模塊；所述超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭的前后兩側(cè)分別設(shè)有一組超聲導(dǎo)波接收探頭；其中每一組超聲導(dǎo)波接收探頭均包括兩個(gè)沿鋼軌方向設(shè)置的超聲導(dǎo)波接收探頭，根據(jù)所述兩個(gè)沿鋼軌方向設(shè)置的超聲導(dǎo)波接收探頭接收信號的先后順序確定所檢測的線路；所述每一組超聲導(dǎo)波接收探頭的輸出端與數(shù)據(jù)分析模塊連接；所述數(shù)據(jù)分析模塊，用于根據(jù)超聲導(dǎo)波接收探頭接收的超聲導(dǎo)波信號進(jìn)行應(yīng)力及斷軌點(diǎn)檢測。該裝置還包括:信號驅(qū)動模塊，該模塊與超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭相連。所述信號驅(qū)動模塊包括:高壓發(fā)生器、信號隔離模塊與脈寬調(diào)制模塊；其中，所述高壓發(fā)生器與所述脈寬調(diào)制模塊的輸入端相連；所述信號隔離模塊與所述脈寬調(diào)制模塊的控制端相連。該裝置還包括:信號采集模塊，該模塊一端與超聲導(dǎo)波接收探頭相連，另一端與數(shù)據(jù)分析模塊相連。所述信號采集模塊包括:依次連接的信號差分模塊、模數(shù)AD轉(zhuǎn)換模塊與現(xiàn)場可編程門陣列模塊。以上為本實(shí)施例檢測裝置的主要組成及連接關(guān)系，為了更具體的介紹本發(fā)明，下面對其工作原理做進(jìn)一步介紹。本實(shí)施例以該檢測裝置安裝在單鋼軌為例進(jìn)行說明，如圖2所示，一個(gè)檢測區(qū)間的范圍大約為I千米；其中，包括一個(gè)信號驅(qū)動模塊，一個(gè)超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭與四個(gè)超聲導(dǎo)波接收探頭；超聲導(dǎo)波接收探頭兩個(gè)為一組，超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭的前后兩側(cè)分別設(shè)有一組超聲導(dǎo)波接收探頭；每一組超聲導(dǎo)波接收探頭上還連有信號采集模塊與數(shù)據(jù)分析模塊。以上述方式循環(huán)設(shè)置，則每一組超聲導(dǎo)波接收探頭均可接收來自前后兩側(cè)超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲導(dǎo)波信號。工作時(shí)，首先由信號驅(qū)動模塊產(chǎn)生高壓脈沖信號，激發(fā)超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲導(dǎo)波信號。信號驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括高壓發(fā)生器、信號隔離模塊與脈寬調(diào)制模塊；信號驅(qū)動模塊由定時(shí)器進(jìn)行控制，控制接口為TTL (邏輯門電路)電平信號，經(jīng)信號隔離模塊后發(fā)送至脈寬調(diào)制模塊；系統(tǒng)采用12V/24V低電壓電源供電，經(jīng)高壓發(fā)生器產(chǎn)生高電壓，為脈沖調(diào)制電路提供高壓電源，脈沖調(diào)制電路在接收到信號隔離模塊隔離后的觸發(fā)信號后，產(chǎn)生調(diào)制后的高壓，激發(fā)超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭產(chǎn)生導(dǎo)波信號。超聲導(dǎo)波信號以超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭為中心，向鋼軌前后方向傳播，被設(shè)于該超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭兩側(cè)的超聲導(dǎo)波接收探頭所接收。由前述可知，超聲導(dǎo)波接收探頭兩個(gè)為一組至鋼軌上，因此，可根據(jù)兩個(gè)探頭接收的順序得知當(dāng)前所接收到的信號來自前方還是后方，進(jìn)而確定所檢測的線路。當(dāng)超聲導(dǎo)波接收探頭接收到超聲導(dǎo)波信號后轉(zhuǎn)換為電信號，并發(fā)送至信號采集模塊。信號采集模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括依次連接的信號差分模塊、模數(shù)AD轉(zhuǎn)換模塊與現(xiàn)場可編程門陣列FPGA模塊。超聲導(dǎo)波信號經(jīng)信號差分模塊進(jìn)行差分隔離后，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；且由FPGA按照FIFO (先入先出隊(duì)列)的方式同步采集兩路接收信號，并傳輸至數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行檢測。數(shù)據(jù)分析模塊接收信號采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，通過傅立葉變換、小波變換、信號相關(guān)性分析等信號處理技術(shù)，對接收到的兩路超聲導(dǎo)波信號進(jìn)行分析處理；通過模態(tài)提取技術(shù)，提取特定模態(tài)，計(jì)算求得群速度值，根據(jù)導(dǎo)波信號的群速度分析當(dāng)前線路的應(yīng)力狀態(tài)；并通過對導(dǎo)波信號的頻率鑒別，分析是否存在斷軌點(diǎn)。本實(shí)施例的檢測裝置接收探頭距離發(fā)射探頭距離較遠(yuǎn)(大于500米)，超聲導(dǎo)波在此距離傳輸后，在接收探頭接收到的導(dǎo)波信號中，各個(gè)模態(tài)已經(jīng)基本分開，可以很容易實(shí)現(xiàn)模態(tài)分離，提取出對應(yīng)力敏感的模態(tài)，使應(yīng)力檢測的精度大大提高。另外，超聲導(dǎo)波在鋼軌中傳播時(shí)，同時(shí)存在多種模態(tài)，每種模態(tài)的速度、振型都不相同，有的超聲導(dǎo)波模態(tài)軌頭振動幅度大，有的軌腰振動幅度大，有的則靠軌底的振動進(jìn)行傳播，本實(shí)施例的檢測裝置可以根據(jù)檢測到的超聲導(dǎo)波信號，將導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行分離，根據(jù)不同模態(tài)信號的衰減結(jié)果，分辨出斷軌出現(xiàn)點(diǎn)的具體位置。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，僅以上述各功能模塊的劃分進(jìn)行舉例說明，實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要而將上述功能分配由不同的功能模塊完成，即將裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分成不同的功能模塊，以完成以上描述的全部或者部分功倉泛。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種無縫線路鋼軌的檢測裝置，其特征在于，該裝置包括:超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭、超聲導(dǎo)波接收探頭、數(shù)據(jù)分析模塊； 所述超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭的前后兩側(cè)分別設(shè)有一組超聲導(dǎo)波接收探頭；其中每一組超聲導(dǎo)波接收探頭包括兩個(gè)沿鋼軌方向設(shè)置的超聲導(dǎo)波接收探頭，根據(jù)所述兩個(gè)沿鋼軌方向設(shè)置的超聲導(dǎo)波接收探頭接收信號的先后順序確定所檢測的線路； 所述每一組超聲導(dǎo)波接收探頭的輸出端與數(shù)據(jù)分析模塊連接；所述數(shù)據(jù)分析模塊，用于根據(jù)超聲導(dǎo)波接收探頭接收的超聲導(dǎo)波信號進(jìn)行應(yīng)力及斷軌點(diǎn)檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括: 信號驅(qū)動模塊，用于激發(fā)超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲導(dǎo)波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述信號驅(qū)動模塊包括: 高壓發(fā)生器，用于將輸入的低壓電轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制模塊所需的高電壓； 信號隔離模塊，用于對輸入的電信號進(jìn)行隔離處理，并將隔離后的信號作為觸發(fā)信號發(fā)送至所述脈寬調(diào)制模塊； 脈寬調(diào)制模塊，用于當(dāng)接收觸發(fā)信號后對輸入的高電壓進(jìn)行調(diào)制，并輸出調(diào)制后的高電壓至所述超聲導(dǎo)波 發(fā)射探頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該裝置還包括: 信號采集模塊，用于采集所述超聲導(dǎo)波接收探頭接收到的信號，并發(fā)送至所述數(shù)據(jù)分析模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號采集模塊包括: 信號差分模塊，用于對所述超聲導(dǎo)波接收探頭接收到的信號做差分處理； AD轉(zhuǎn)換模塊，用于將差分處理后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； FPGA模塊，用于采集數(shù)字信號并發(fā)送至所述數(shù)據(jù)分析模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無縫線路鋼軌的檢測裝置，該裝置包括超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭、超聲導(dǎo)波接收探頭、數(shù)據(jù)分析模塊；所述超聲導(dǎo)波發(fā)射探頭的前后兩側(cè)分別設(shè)有一組超聲導(dǎo)波接收探頭；其中每一組超聲導(dǎo)波接收探頭包括兩個(gè)沿鋼軌方向設(shè)置的超聲導(dǎo)波接收探頭，根據(jù)所述兩個(gè)沿鋼軌方向設(shè)置的超聲導(dǎo)波接收探頭接收信號的先后順序確定所檢測的線路；所述每一組超聲導(dǎo)波接收探頭的輸出端與數(shù)據(jù)分析模塊連接；所述數(shù)據(jù)分析模塊，用于根據(jù)超聲導(dǎo)波接收探頭接收的超聲導(dǎo)波信號進(jìn)行應(yīng)力及斷軌點(diǎn)檢測。通過采用本發(fā)明公開的裝置，提高了檢測精度及效率，保障了行車安全。
文檔編號G01N29/04GK103217475SQ201310086420
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者余祖俊, 許西寧, 朱力強(qiáng), 史紅梅, 郭保青 申請人:北京交通大學(xué)