一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置及计轴方法与流程

1.本发明属于轨道运输安全监测技术领域，具体涉及一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置及计轴方法。


背景技术：

2.计轴系统是一种重要的铁路信号设备，用车轮传感器检测列车车轮信息，通过运算后，给联锁系统输出区段占用或空闲信息。
3.现有的计轴系统大多采用电磁式计轴方法，其基本原理是；利用安装在钢轨上的计轴传感器建立电磁场，列车车轮经过时会改变磁场状态，形成脉冲变化量，通过脉冲计数实现计轴功能。电磁计轴方法原理简单，成本低，在轨道占用检查应用领域广泛使用。但是由于其检测的原理决定了其易受电磁干扰，甚至当有铁器划过时，都会引起错误计轴，严重地影响列车运营安全和运营效率。
4.为了解决传统基于电磁技术的车轮传感系统在应用中的难题，将光纤光栅传感技术引入到高速铁路的车轮检测应用中。光纤光栅传感技术具有绝缘性、抗电磁干扰、耐腐蚀、化学稳定性强、传输距离长等特点，其被广泛用于强电磁干扰及湿度多变的环境中。基于光纤光栅的计轴方法针对上述电磁计轴的问题提供了解决途径。
5.在公开号为cn201362265的发明专利中，公开了一种列车光纤光栅计轴系统，在轨道区段中至少一个送端和至少一个受端的钢轨上，均安装至少两个光纤光栅传感器，当列车以先后次序碾压在两只光纤光栅传感器上时，两传感器的波长偏移量在相邻时刻各产生一个脉冲，以脉冲来临次序判断列车行驶方向。在公开号为cn101376392的发明专利中，公开了一种基于钢轨形变/应力参数的车辆计轴方法。该方法中，首先在钢轨上布置传感器测量点，传感器测量点具有用于感应钢轨形变或应力的传感器，设置传感器的门限阈值，当车辆的车轮压过传感器所在位置的钢轨时，如果钢轨的形变或者应力变化超过门限阈值，传感器记录有车轮压过的状态发生；根据车轮压过的状态信息确定车辆的轴数。
6.上述专利均基于光纤光栅实现了计轴功能，但在工程化方面存在着缺点，主要表现在：计轴点的安装方式较为复杂，每个计轴点对应的光栅需要分别安装在多个轨枕缝中，每个轨枕缝安装一个光栅。
7.因此，亟需一种结构简单、便于施工的计轴用轮轨耦合垂向力检测装置。


技术实现要素：

8.针对上述问题，本发明提供一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置,包括：底板、两个紧固部件、光纤光栅传感器；
9.所述光纤光栅传感器至少包括两个应力检测光纤光栅传感器，分别为第一应力检测光纤光栅传感器和第二应力检测光纤光栅传感器；
10.两个紧固部件，用于分别设置在底板两端，以将底板贴合固定在钢轨底面下；
11.所述第一应力检测光纤光栅传感器和所述第二应力检测光纤光栅传感器间隔一
定距离设置在底板上，用于检测车轮经过时钢轨的轮轨耦合垂向力。
12.进一步地，所述第一应力检测光纤光栅传感器和所述第二应力检测光纤光栅传感器的固定方向与底板长轴平行或重合。
13.进一步地，所述第一应力检测光纤光栅传感器和所述第二应力检测光纤光栅传感器的间隔距离根据光栅信号解调频率、光栅波长采样点间隔点数和轨道限速确定。
14.进一步地，所述间隔距离通过以下公式确定：
15.其中，l表示所述间隔距离，n为光栅波长采样点间隔点数，v为轨道限速，f为光栅信号解调频率。
16.进一步地，每个紧固部件包括：
17.第一夹块和第二夹块；
18.所述第一夹块和所述第二夹块上分别设置有相配合的销轴孔，用于通过销轴连接第一夹块和第二夹块，并用螺母紧固。
19.进一步地，所述第一夹块包括第一夹块头和长条形延伸部；
20.所述第二夹块包括第二夹块头；
21.所述销轴孔分别设置在第一夹块头和第二夹块头上；
22.第二夹块用于将第一夹块的延伸部压紧在钢轨底部。
23.进一步地，第一夹块和第二夹块分别设置有楔形卡口，用于卡合在钢轨边缘。
24.进一步地，装置还包括：温度补偿光纤光栅传感器，
25.所述温度补偿光纤光栅传感器以与第一应力检测光纤光栅传感器垂直的方向固定在所述底板上；
26.或者，所述温度补偿光纤光栅传感器仅一端固定在所述底板上。
27.进一步地，在底板上两个应力检测光纤光栅传感器之间设置有应力干涉防护部，用于避免两个应力检测光纤光栅传感器之间的应力干涉。
28.进一步地，所述应力干涉防护部为设置在底板上的通孔或凹陷部。
29.进一步地，装置还包括：盖板，
30.所述底板中央区域形成凹槽，用于容纳所述光纤光栅传感器；
31.所述盖板用于与凹槽配合，密封设置在所述凹槽中的光纤光栅传感器。
32.进一步地，在所述销轴中设置松动监测光纤光栅传感器，用于监测检测装置安装后是否发生松动。
33.本发明提供一种计轴方法，采用上述计轴用轮轨耦合垂向力检测装置进行计轴。
34.进一步地，计轴方法包括：
35.根据每个应力检测光纤光栅传感器的波长差值变化确定该应力检测光纤光栅传感器的状态:
36.若波长差值从低于第一阈值上升达到第一阈值，则该应力检测光纤光栅传感器的状态变为列车进入敏感区域的第一状态；
37.若波长差值从高于第一阈值下降达到第二阈值，则该应力检测光纤光栅传感器的状态变为列车离开敏感区域的第二状态；
38.第一阈值大于第二阈值；
39.根据两个应力检测光纤光栅传感器的在相同时刻的状态确定该时刻下轮轨耦合垂向力检测装置的状态组合；
40.根据依次出现的多个状态组合确定状态时序；
41.根据状态时序进行计轴。
42.本发明提供的计轴用轮轨耦合垂向力检测装置及计轴方法中，计轴装置通过销轴安装在钢轨上，结构简单且稳定，安全可靠，便于维修和更换；由于采用光纤光栅作为传感器，检测精确大大提高，且不受电磁干扰，结合光纤光栅成熟的封装技术，使得能在恶劣环境下长期稳定的工作；同时，基于上述轮轨耦合垂向力检测装置的双阈值判断的计轴方式，仅用一个计轴检测装置就可实现计轴功能，计轴算法充分考虑了容错性，提升了系统可靠性。
43.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置立体结构示意图；
46.图2示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置安装结构示意图；
47.图3示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置安装在轨道上的仰视结构示意图；
48.图4示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置的安装示意图；
49.图5示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置的光栅布设示意图；
50.图6示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置的通孔或凹陷部的仰视结构示意图；
51.图7示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置通孔结构局部剖视示意图；
52.图8示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置凹陷部结构局部剖视示意图；
53.图9示出了根据本发明实施例的轮轨耦合曲线示意图；
54.图10示出了根据本发明实施例的两个光纤光栅传感器的波形示意图。
55.附图标记说明：
56.1 底板
57.11 干涉防护部
58.12 盖板
59.2 紧固部件
60.21 第一夹块
61.211 第一夹块头
62.212 延伸部
63.22 第二夹块
64.221 第二夹块头
65.23 销轴孔
66.24 销轴
67.25 螺母
68.26 楔形卡口
69.3 光纤光栅传感器
70.31 第一应力检测光纤光栅传感器
71.32 第二应力检测光纤光栅传感器
72.33 温度补偿光纤光栅传感器
73.4 钢轨
具体实施方式
74.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
75.本发明实施例提供一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置(以下简称检测装置)，如图1所示，检测装置包括：底板1、两个紧固部件2、光纤光栅传感器3，光纤光栅传感器3至少包括两个应力检测光纤光栅传感器，分别为第一应力检测光纤光栅传感器31、第二应力检测光纤光栅传感器32。
76.其中，底板1为硬质条形板，宽度不大于钢轨宽度。不失一般性地，底板1为矩形不锈钢板。
77.第一应力检测光纤光栅传感器31和第二应力检测光纤光栅传感器32间隔一定距离设置在底板1上。第一应力检测光纤光栅传感器31、第二应力检测光纤光栅传感器32的固定方向与底板1长轴平行或重合，长轴与检测装置安装时的钢轨延伸方向一致或平行。具体地，第一应力检测光纤光栅传感器31和第二应力检测光纤光栅传感器32沿底板1长轴分布，对称地设置在底板1两端，分别靠近两个紧固部件2。第一应力检测光纤光栅传感器31和第二应力检测光纤光栅传感器32用于检测车轮经过时钢轨的弯曲应力，即钢轨轮轨耦合垂向力。
78.第一应力检测光纤光栅传感器31和第二应力检测光纤光栅传感器32的间隔距离l根据光栅信号解调频率、光栅波长采样点间隔点数和轨道限速确定。并且，间隔距离l小于轨枕缝隙。
79.一方面，检测装置安装于两个轨枕之间的钢轨底，如图4所示，两个钢轨轨枕中心距为lg，轨枕宽度为lz，因此轨枕缝隙的距离为lg
‑
lz，因此受限于安装位置尺寸，间隔距离l＜lg
‑
lz。
80.另一方面，为保障过车时能够通过两个应力检测光纤光栅传感器的波长变化的先后顺序判断行车方向，间隔距离需要满足波长采样要求。两个光栅的波长采样点数应间隔n个点，光栅信号解调频率f(即解调仪的解调频率)，轨道限速v，则两个应力检测光纤光栅传感器的间隔距离为其中，轨道限速v采用安装线路上的轨道限速，即使得列车以最大速度通过时能够通过检测装置判向，示例性地，高铁限速350km/h。光栅波长采样点间隔点数n表示两个应力检测光纤光栅传感器在列车经过时，相同波长变化值出现的采样时点应至少间隔的点数，示例性地，n为20。如果n的取值太小，则两个光栅的轮轨耦合曲线几乎重合，无法准确判向。
81.如图1、图2所示，两个紧固部件2与底板1和钢轨4相配合，其中，与底板1通过底板两端相配合，每个紧固部件2对应底板1的一端。连接时，两个紧固部件2分别设置在底板1两端，用于将底板1贴合固定在钢轨4底面下。两个紧固部件2中的任意一个可以与底板1固定连接或可拆卸连接。每个紧固部件2分别包括一对卡块，每对夹块包括相互配合的第一夹块21和第二夹块22，第一夹块21和第二夹块22上分别设置有相配合的销轴孔23，用于通过销轴24连接第一夹块21和第二夹块22，并用螺母25紧固，利用该销轴24的预紧力使底板1与钢轨4密贴。具体地，第一夹块21包括第一夹块头211和延伸部212，延伸部为长条形。第二夹块22包括第二夹块头221。销轴孔23分别设置在第一夹块头211和第二夹块头221上。第一夹块21的延伸部212用于将底板1压贴在钢轨4底面。不失一般性地，第一夹块21通过延伸部212与底板1连接，如焊接在一起，方便安装在钢轨4上。第一夹块21也可以与底板1分离设置，安装时二者贴合。第一夹块21的长度大于底板1宽度。
82.第二夹块22与第一夹块21的延伸部212相配合，第二夹块22用于将第一夹块21的延伸部212压紧在钢轨4底部，从而延伸部212将底板1贴合在钢轨4底部。底板1一端与延伸部212侧边连接，第二夹块22与延伸部212的一端(安装时)贴合。第一夹块21和第二夹块22分别设置有楔形卡口26，用于卡合在钢轨1边缘。这样，当两个夹块通过销轴24和螺母25连接时，螺母25的紧固力通过楔形卡口26转化为对底板1的压紧力。图3示出了根据本发明实施例的一种计轴用轮轨耦合垂向力检测装置安装在轨道上的仰视结构示意图。
83.进一步地，检测装置还包括温度补偿光纤光栅传感器33，用于温度补偿，提高垂向力检测的准确性。如图1所示，三个光纤光栅传感器敏感固化于不锈钢轨底板1上，温度补偿光纤光栅传感器33不受底板的弯曲应力的影响。具体地，将三个光纤光栅先固化在应变片上，通过固化过程使得光纤光栅具有预张力，即形成光纤光栅传感器3，然后将三个光纤光栅传感器3再分别固化在底板1上。其中，对于用于采集轮轴耦合的垂向力的第一应力检测光纤光栅传感器31和第二应力检测光纤光栅传感器32，均将其两端都固化到底板1上，而将温度补偿光纤光栅传感器33的一端固定在底板1上，另一端自由悬空或者以与第一应力检测光纤光栅传感器31(和第二应力检测光纤光栅传感器32)相互垂直方向固化到传感器上，即所述温度补偿光纤光栅传感器33以不受轮轴耦合垂向力影响的方式安装在底板1上。不失一般性地，温度补偿光纤光栅传感器33位于两个应力检测光纤光栅传感器之间，通过两
个固定点固定在底板长轴上，如图5所示。在另外的实施例中，也可以通过一个固定点悬挂在底板1任意方便安装的位置。三个光纤光栅在固化在应变片时形成有一定的预张力，可以根据预张力来实现应力采集或温度变化采集，并能够用于光纤光栅传感器的自检。光栅固化在应变片时施加预张力，会使光栅波长比初始波长增长一定值，如2nm，通过监测光栅波长，可以判断光栅是否处于健康状态，如果出现突发降低2nm，表明光栅已从应变片松脱。
84.进一步地，在底板1上两个应力检测光纤光栅传感器之间还设置有应力干涉防护部11。本发明实施例中，应力干涉防护部11为设置在底板上两个应力检测光纤光栅传感器之间的通孔或凹陷部。即，在底板1的相应位置进行处理，如打孔以形成通孔，或者减薄以形成凹陷部。通过处理底板形成的干涉防护部11使得两个应力检测光纤光栅传感器所承受的应力不存在干涉。本发明实施例中，在两个应力检测光纤光栅传感器之间设置有两个应力干涉防护部，两个应力干涉防护部11分别设置在第一应力检测光纤光栅传感器31与温度补偿光纤光栅传感器33之间、温度补偿光纤光栅传感器33与第二应力检测光纤光栅传感器22之间，如图6所示。在另外的实施例中，两个应力检测光纤光栅传感器可以仅设置一个应力干涉防护部11。应力干涉防护部11可以为任何形状的通孔或凹陷部，如矩形、椭圆形等。图7示出了根据本发明实施例的通孔结构的应力干涉防护部的局部剖视示意图，图8示出了根据本发明实施例的凹陷部结构的应力干涉防护部的局部剖视示意图。本发明实施例通过应力干涉防护部11避免了两个应力检测光纤光栅传感器之间的信号干涉，从而在长度有限的底板上设置的两个应力检测光纤光栅传感器均具有良好的工作状态。列车经过时，两个应力检测光纤光栅传感器形成的耦合曲线存在先后顺序，通过打孔或者减薄处理，可以避免应力干涉造成的无法判断曲线先后顺序的问题。
85.进一步地，底板1中央区域形成凹槽，用于容纳光纤光栅传感器等。检测装置还包括盖板12，用于与凹槽配合密封设置在底板1上凹槽中的光纤光栅传感器，盖板12与凹槽形状匹配。安装时，将传输光缆从不锈钢轨底板的光缆槽引入到轨底板1中，与各个光纤光栅传感器的光纤光栅熔接，并将光纤光栅传感器的尾纤盘好置于不锈钢轨底板内，注入液态硅橡胶进行灌封处理，增加检测装置的抗振性能，最后用盖板12密封。
86.进一步地，还可以在销轴中设置松动监测光纤光栅传感器，用于监测检测装置安装后是否发生松动，从而有效提高计轴的安全性。具体地，在销轴24一端设置孔洞，将松动监测光纤光栅传感器固定设置在孔洞中。不失一般性地，孔洞与销轴24具有相同的中心轴线。检测装置安装完成后，通过系统记录此时松动监测光纤光栅传感器的光栅对应的波长，当销轴松动时，光栅的波长会发生变化，系统发出警报。具体地，当光栅的波长变化超过一定阈值或者波长的变化状态维持超过一定的时间阈值时，系统发出警报，维修人员可以根据警报信息对销轴进行紧固或者更换维修。
87.当列车车轮经过布有检测装置的检测区域时，钢轨在车厢的重力作用下产生应力变化，发生形变，由于底板1和钢轨4是密贴的，没有相对位移，因此底板上的应力检测光纤光栅传感器也会随之发生形变，从而实现光纤光栅传感器对轮轨耦合的感知。
88.本发明实施例还提供计轴方法，使用上述计轴用轮轨耦合垂向力检测装置采集的传感器参量变化值完成计轴。
89.实时采集三个光纤光栅的波长，通过第一应力检测光纤光栅传感器31的波长与温度补偿光纤光栅传感器33的波长的差值，得到第一轮轨耦合曲线。通过第二应力检测光纤
光栅传感器32的波长与温度补偿光纤光栅传感器33的波长的差值，得到第二轮轨耦合曲线。由于三个传感器处于同一温度场中，通过波长差值的方法消除了温度对轮轴耦合垂向力检测和计轴的影响。图9示出了轮轴耦合曲线示意图(第一轮轴耦合曲线与第二轮轴耦合曲线相同)，横坐标为时间，纵坐标为传感器参量变化值，即波长差值。
90.本发明实施例中，利用低通滤波器，对实时检测的波长进行滤波处理，使获得的数据更加平滑，有利于提高计轴算法的准确性。
91.另外，现有技术的计轴算法未考虑容错处理，易造成错计或者漏计。本发明实施例的计轴方法采用两个阈值进行判断。
92.实时采集两个应力检测光纤光栅传感器的光栅信号，根据每个应力检测光纤光栅传感器的光栅信号获取波长差值；
93.根据每个应力检测光纤光栅传感器的波长差值变化确定该应力检测光纤光栅传感器的状态:
94.若波长差值从低于第一阈值上升达到第一阈值，则该应力检测光纤光栅传感器的状态变为列车进入敏感区域的第一状态；
95.若波长差值从高于第一阈值下降达到第二阈值，则该应力检测光纤光栅传感器的状态变为列车离开敏感区域的第二状态；
96.第一阈值大于第二阈值；
97.根据两个应力检测光纤光栅传感器的在相同时刻的状态确定该时刻下轮轨耦合垂向力检测装置的状态组合；
98.根据依次出现的多个状态组合确定状态时序；
99.根据状态时序进行计轴。例如，列车按照确定的正方向驶过时，计轴加1，按照反方向驶过时，计轴减1。
100.示例性地，如图10所示，把应力检测光纤光栅的状态分为两种，用0和1表示，状态0为车轮处于该传感器的敏感区域外，状态1为车轮处于该传感器的敏感区域。两个阈值用th1和th2表示，用于判断两个应力传感器的状态，根据光栅信号获取波长差值，根据波长差值变化过程中与第一阈值和第二阈值的关系确定传感器状态。第一阈值th1表示列车驶入该传感器的敏感区域，第二阈值th2表示车轮驶出该传感器的敏感区域，其中th1>th2。通过双阈值的方法，计轴方法的容错处理进一步提高，提高了计轴系统的准确性和稳定性。
101.依据实时采集的数据，更新两个应力检测光纤光栅传感器的状态。当传感器的状态为0时，若该传感器的实时应变值(波长差值)大于th1时，该传感器的状态变为1，当传感器的状态为1时，若该传感器的实时应变值(波长差值)小于th2，该传感器的状态变为0。
102.如图10所示，曲线s1为第一轮轨耦合曲线，曲线s2为第二轮轨耦合曲线，根据双阈值将两个轮轴曲线的状态变化过程用状态时序表示：
103.在0
‑
t1时间内，曲线s1、s2状态为0(s1、s2的状态即对应的第一应力检测光纤光栅传感器31、第二应力检测光纤光栅传感器32的状态)，其波长差值均小于th1，此时s1状态为0，s2状态为0，s1、s2组合状态为00；
104.经过t1时刻，s1的值大于th1，此时s1状态变为1，s2状态为0，t1
‑
t2时间段内s1、s2组合状态为10；
105.经过t2时刻，s2的值大于阈值th1，此时s1状态为1，s2状态变为1，t2
‑
t3时间段内
s1、s2组合状态为11；
106.经过t3时刻，s1的值小于th2，此时s1状态变为0，s2状态为1，t3
‑
t4时间段内s1、s2组合状态为01；
107.t4时刻后，s2的值小于th2，此时s1状态为0，s2状态变为0，s1、s2组合状态为00。
108.当列车从第一应力检测光纤光栅传感器向第二应力检测光纤光栅传感器驶过时，s1、s2状态时序为00，10，11，01，00；反之，当列车从第二应力检测光纤光栅传感器32向第一应力检测光纤光栅传感器31驶过时，s1、s2状态时序为00，01，11，10，00；所以，可以通过状态时序的变化完成轮轴计数和判向功能。采用双阈值的方式可以准确捕捉每个传感器状态变化的方向，在波长差值上升过程中，只有持续上升(从状态为0变化到超过th1)得到阈值才认为列车进入敏感区域，波长差值下降过程的识别亦然。从而，减少了漏计和错计算。并且，基于本发明实施例的包含两个应力检测光纤光栅传感器的检测装置就可以实现计轴和判向，大大简化了施工，降低了成本。
109.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。