專利名稱：高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺及檢測方法
技術領域：
本發明涉及高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺及檢測方法，屬于鐵路安全監測與防護技術領域。
背景技術：
由于列車和鋼軌的長期相互作用，自然環境和鋼軌本身質量原因都會造成鋼軌的傷損。我國根據鋼軌的傷損種類，傷損位置及傷損原因進行分類，共分為9類32種傷損。目前軌道傷損檢測的主要有兩種:手推式探傷儀和大型軌道檢測車，前者是目前國內軌道檢測的主要手段，這種方式的主要問題是效率低下，一臺這樣的探傷設備至少需要4人，檢測的速度僅有2-3km/h。其次，在探傷檢測中，檢測的結果很容易受環境和個人主觀因素的影響，很容易造成錯判和漏判現象。大型軌道檢測車是目前最先進的軌道檢測方式，相對人工檢測方式，檢測速度和可靠性有很大的提高。它的檢測速度一般能夠達到40Km/h，最高甚至可以達到80Km/h。隨著技術發展，國外已經有了一些高速的檢測設備，如法國的MGV檢測列車能夠以300Km/h的速度對軌道進行檢測，其次還有日本的East-1和德國的OMWE等。盡管這些高速軌檢車提高了軌道檢測的效率，但是這些車一般是每隔幾個月才對線路檢測一次，不能對軌道進行實時的監控，如何提高高速鐵路鋼軌傷損檢測效率成了一個亟待解決的問題。
發明內容
本發明目的是為了解決手推式探傷儀的檢測結果很容易受環境和個人主觀因素的影響，很容易造成錯判和漏判，而高速軌檢車不能對軌道實時監控的問題，提供了一種高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺及檢測方法。
本發明所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺，它包括加壓裝置、絲桿、模擬車輪、模擬高鐵鋼軌、傳送帶、主動輪、電機、振動加速度傳感器、wifi無線發射模塊、wifi無線接收模塊和上位機，模擬高鐵鋼軌為圓盤狀的輪子結構，模擬高鐵鋼軌與主動輪之間通過傳送帶實現傳動連接，主動輪由電機帶動旋轉，模擬車輪和模擬高鐵鋼軌之間滾動接觸，加壓裝置通過絲桿給模擬車輪加壓；模擬高鐵鋼軌的盤面上設置有振動加速度傳感器，振動加速度傳感器用于檢測模擬高鐵鋼軌的表面傷損信號，所述表面傷損信號和裂紋傷損信號通過wifi無線發射模塊發送出去；由wifi無線接收模塊接收后輸出給上位機。上述方案還可以進一步包括變頻器，變頻器的轉速控制信號輸出端與電機的轉速控制信號輸入端相連。上述方案還可以進一步包括壓力傳感器，壓力傳感器用于檢測加壓裝置施加給模擬車輪的壓力信號，壓力傳感器的壓力信號輸出端與wifi無線發射模塊的壓力信號輸入端相連。
上述方案還可以進一步包括編碼器測速模塊，編碼器測速模塊用于測量電機的轉速，編碼器測速模塊的電機轉速信號輸出端與Wifi無線發射模塊的電機轉速信號輸入端相連。基于所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺的檢測方法包括以下步驟:步驟一、利用加壓裝置加壓來模擬不同車重，通過調整電機的轉速來模擬不同車速，在模擬高鐵鋼軌上不同位置制造表面傷損，通過振動加速度傳感器采集模擬高鐵鋼軌的表面傷損信號，并提取其時域特征參數和時頻域特征參數，通過支持向量機來建立傷損識別庫；步驟二、在模擬高鐵鋼軌上沿圓周方向設置多個振動加速度傳感器，對每個振動加速度傳感器采集的表面傷損信號進行處理，提取其時域特征參數和時頻域特征參數；步驟三、對照步驟一的傷損識別庫，判斷步驟二獲取的每個振動加速度傳感器所在位置是否存在表面傷損。本發明的優點:I)在符合赫茲接觸定理的情況下模擬了列車車輪和鋼軌的接觸狀態，并且實現了輪軌間200Km/h的線速度，可以得出高速下的鋼軌傷損信號，傳感器的安裝位置、輪軌間施加的壓力、輪軌間的線速度都可以調整，可以得到不同模擬車速、車重、不同測量位置處的鋼軌傷損信號。2)在模擬鋼軌上可以安裝振動加速度傳感器對不同的表面傷損進行檢測，振動加速度傳感器主要用于檢測鋼軌的表面傷損。3)實驗中的振動數據采用了無線傳輸，由于數據量較大，采用了高速的基于wifi的傳輸方案，實驗中穩定的傳輸速度能達到5MB/S，能夠滿足數據的實時傳輸需求,在傳輸實時性要求不高時，選擇傳輸波形數據，傳輸實時性要求高時，選擇傳輸波形特征參數數據。4)在電腦上位機軟件中集成了振動信號的處理程序、測速調速程序和壓力顯示程序，集成度的提高，簡化了設備的使用，自動化程度也得到提高。
圖1是本發明所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺的結構示意圖；圖2是本發明所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺的電氣控制原理圖；圖3是鋼軌波浪形磨耗的外形示意圖；圖4是軌頭局部壓陷的外形示意圖；圖5是鋼軌表面剝離的外形示意圖；圖6是鋼軌馬鞍形磨耗的外形示意圖；圖7是鋼軌高低接頭的外形示意圖；圖8是實施例中一段振動信號示意圖；圖9是濾波前振動信號的頻譜圖；圖10是濾波后振動信號的頻譜圖；圖11是信號EMD分解后的前6個IMF分量圖；圖12是信號EMD分解后的 后4個IMF分量圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:下面結合圖1至圖7說明本實施方式，本實施方式所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺，包括加壓裝置1、絲桿2、模擬車輪3、模擬高鐵鋼軌4、傳送帶5、主動輪
6、電機8、振動加速度傳感器9、wifi無線發射模塊12、wifi無線接收模塊13和上位機14，模擬高鐵鋼軌4為圓盤狀的輪子結構，模擬高鐵鋼軌4與主動輪6之間通過傳送帶5實現傳動連接，主動輪6由電機8帶動旋轉，模擬車輪3和模擬高鐵鋼軌4之間滾動接觸，加壓裝置I通過絲桿2給模擬車輪3加壓；模擬高鐵鋼軌4的盤面上設置有振動加速度傳感器9，振動加速度傳感器9用于檢測模擬高鐵鋼軌4的表面傷損信號，所述表面傷損信號和裂紋傷損信號通過wifi無線發射模塊12發送出去；由wifi無線接收模塊13接收后輸出給上位機14。加壓裝置I通過絲桿2給模擬車輪3加壓，進而實現模擬車輪3對模擬高鐵鋼軌4施加的模擬車重，該壓力是可調節的，加壓裝置I是旋轉件，通過旋轉加壓，再由絲桿傳遞實現。獲取鋼軌傷損振動加速度的第一步是在模擬鋼軌4上制造相應的傷損，鋼軌傷損種類比較多，常見的有鋼軌的波浪形磨耗、軌頭局部壓陷、軌面剝離、馬鞍形磨耗和鋼軌高低接頭等，圖3到圖7分別描繪了這些鋼軌傷損的外形。可以按照這些傷損的外形在模擬鋼軌4上加工出模擬的鋼軌傷損。圖1中的模擬鋼軌4上分布著大量傳感器安裝位置，通過調整傳感器和傷損之間的位置，可以得到相對傷損不用位置的傷損信號。振動加速度傳感器9采用了 PCB公司的通用陶瓷加速度傳感器。
具體實施方式
二:本實施方式對實施方式一作進一步說明，它還包括變頻器7，變頻器7的轉速控制信號輸出端與電機8的轉速控制信號輸入端相連。變頻器用于控制電機8的轉速的大小。主動輪6和模擬高鐵鋼軌4上均設置一個皮帶輪，兩個皮帶輪由傳送帶5連接，主動輪6由電機8帶動旋轉，主動輪6通過傳送帶5帶動模擬高鐵鋼軌4旋轉。通過控制電機8的轉速便可得出不同模擬車速下的傷損信號。模擬車速V =—;其推導過程為:
60c/2設Ii1為電機8的轉速，η2為模擬鋼軌4的轉速，Cl1為主動輪6上的皮帶輪直徑，d2為模擬鋼軌4上的皮帶輪的直徑，Γι主動輪6上的皮帶輪半徑，r2為模擬鋼軌4上的皮帶輪的半徑,D2為模擬鋼軌4的直徑，r3為模擬鋼軌4的半徑，由于皮帶輪上各點的線速度相等，于是有V1=V2, V1為主動輪6上的皮帶輪的線速度，V2為模擬鋼軌4上的皮帶輪的線速度，容
2πη, πη. .πη…，一 πηλ , πη 7
易得到 νι =岣.= i = i ’同理=’所以有 j =’
λ7τΓ) Yl
也即w2 = f。模擬車速V = ω，.r, =，代入前面的n2公式中，則有:
di 2 3 60
權利要求
1.高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺，其特征在于，它包括加壓裝置(I)、絲桿(2)、模擬車輪(3)、模擬高鐵鋼軌(4)、傳送帶(5)、主動輪(6)、電機(8)、振動加速度傳感器(9)、wif i無線發射模塊(12), wifi無線接收模塊(13)和上位機(14)， 模擬高鐵鋼軌(4)為圓盤狀的輪子結構，模擬高鐵鋼軌(4)與主動輪(6)之間通過傳送帶(5)實現傳動連接，主動輪(6)由電機(8)帶動旋轉，模擬車輪(3)和模擬高鐵鋼軌(4)之間滾動接觸， 加壓裝置(I)通過絲桿(2 )給模擬車輪(3 )加壓； 模擬高鐵鋼軌(4)的盤面上設置有振動加速度傳感器(9)，振動加速度傳感器(9)用于檢測模擬高鐵鋼軌(4)的表面傷損信號，所述表面傷損信號和裂紋傷損信號通過wifi無線發射模塊(12)發送出去；由wifi無線接收模塊(13)接收后輸出給上位機(14)。
2.根據權利要求1所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺，其特征在于，它還包括變頻器(7)，變頻器(7)的轉速控制信號輸出端與電機(8)的轉速控制信號輸入端相連。
3.根據權利要求2所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺，其特征在于，它還包括壓力傳感器(11)，壓力傳感器(11)用于檢測加壓裝置(I)施加給模擬車輪(3)的壓力信號，壓力傳感器(11)的壓力信號輸出端與wifi無線發射模塊(12)的壓力信號輸入端相連。
4.根據權利要求3所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺，其特征在于，它還包括編碼器測速模塊(12)，編碼器測速模塊(12)用于測量電機(8)的轉速，編碼器測速模塊(12)的電機轉速信號輸出端與wifi無線發射模塊(12)的電機轉速信號輸入端相連。
5.基于權利要求4所述高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺的檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、利用加壓裝置(I)加壓來模擬不同車重，通過調整電機(8)的轉速來模擬不同車速，在模擬高鐵鋼軌(4)上不同位置制造表面傷損，通過振動加速度傳感器(9)采集模擬高鐵鋼軌(4)的表面傷損信號，并提取其時域特征參數和時頻域特征參數，通過支持向量機來建立傷損識別庫； 步驟二、在模擬高鐵鋼軌(4)上沿圓周方向設置多個振動加速度傳感器(9)，對每個振動加速度傳感器采集的表面傷損信號進行處理，提取其時域特征參數和時頻域特征參數；步驟三、對照步驟一的傷損識別庫，判斷步驟二獲取的每個振動加速度傳感器(9)所在位置是否存在表面傷損。
6.基于權利要求5所述高鐵鋼軌傷損檢測方法，其特征在于，步驟一中建立傷損識別庫的過程為: 步驟一一、模擬高鐵鋼軌(4)上某處位置制造出表面傷損，并把振動加速度傳感器(9)設置在該傷損位置附近，加壓裝置(I)通過絲桿(2)給模擬車輪(3)加壓，來實現給模擬高鐵鋼軌(4 )模擬施加車重，車重數值由壓力傳感器(11)讀取；啟動電機(8 )，通過控制電機(8)的轉速Ii1來調整模擬高鐵鋼軌(4)達到設定的車速V=^n2 1 /2,，其中:D2為模擬高 OOcZ2鐵鋼軌(4)的直徑，屯為主動輪(6)上的皮帶輪直徑，d2為模擬高鐵鋼軌(4)上的皮帶輪直徑; 步驟一二、上位機(14)對接收的模擬高鐵鋼軌(4)的表面傷損信號按數據長度N進行截取，獲取m個表面傷損信號Xi (t)，i=l, 2,..., m, 其中:數據長度N由公式
全文摘要
高鐵鋼軌傷損檢測實驗平臺及檢測方法，屬于鐵路安全監測與防護技術領域，本發明為解決手推式探傷儀的檢測結果易受環境和個人因素影響的問題。本發明包括加壓裝置、絲桿、模擬車輪、模擬高鐵鋼軌、傳送帶、主動輪、電機、振動加速度傳感器、wifi無線發射模塊、wifi無線接收模塊和上位機，檢測方法包括以下步驟一、模擬不同車重、不同車速，制造不同的表面傷損，提取振動加速度傳感器采集信號的時域特征參數和時頻域特征參數，通過支持向量機來建立傷損識別庫；二、在模擬高鐵鋼軌上沿圓周方向設置多個振動加速度傳感器，提取每個傳感器采集信號的參數；三、對照傷損識別庫，判斷二獲取的每個振動加速度傳感器所在位置是否存在表面傷損。
文檔編號G01N29/04GK103226132SQ20131014796
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月25日 優先權日2013年4月25日
發明者王艷, 魏強, 章欣, 沈毅 申請人:哈爾濱工業大學