一种轨道固定组件的健康状态监测装置及系统的制作方法

1.本发明涉及轨道检测技术领域，尤其涉及一种轨道固定组件的健康状态监测装置及系统。


背景技术：

2.随着科技的发展，轨道交通的数量日益增长，轨道的安装和固定目前主要通过轨道固定组件，包括螺栓和弹条等结构，而轨道固定组件的松动会导致轨道偏离原有的设计位置，从而对高速行驶的列车造成极大的安全隐患。
3.而目前对于轨道固定组件的松紧检测主要是采用人工巡检，但人工巡检费时费力，效率极低，还存在极大的安全隐患。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供一种轨道固定组件的健康状态监测装置及系统。
5.第一方面，在一个实施例中，本发明提供一种轨道固定组件的健康状态监测装置，包括松紧检测装置、无线通信装置和电能收集装置；电能收集装置用于收集电能，并为松紧检测装置和无线通信装置供电；松紧检测装置用于检测轨道固定组件的松紧数据；无线通信装置用于将松紧检测装置输出的松紧数据以无线的方式进行发送。
6.第二方面，在一个实施例中，本发明提供一种轨道固定组件的健康状态监测系统，包括上述轨道固定组件的健康状态监测装置；以及相互连接的第二无线单元和数据收集装置；
7.第二无线单元用于向无线通信装置发射射频信号以及接收无线通信装置发送的松紧数据；
8.数据收集装置用于将第二无线单元输出的松紧数据进行解析处理。
9.通过上述轨道固定组件的健康状态监测装置及系统，采用松紧检测装置来实现轨道固定组件的松紧数据的采集，实现自动采集，提高了效率和安全性能；采用电能收集装置和无线通信装置实现松紧检测装置的上电以及上电后数据的传输，构建了一个完整的应用于轨道固定组件健康状态监测的解决方案，并且还使松紧检测装置为无源装置。
附图说明
10.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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
11.其中：
12.图1为本发明一个实施例中轨道固定组件的健康状态监测系统的电路结构示意
图；
13.图2为本发明一个实施例中包含多个松紧检测装置的电路结构示意图；
14.图3为本发明一个实施例中rfid系统下轨道固定组件的健康状态监测系统的电路结构示意图；
15.图4为本发明一个实施例中rfid系统下包含多个松紧检测装置的电路结构示意图；
16.图5为本发明一个实施例中检测单元和圆环型电路板组装的分解结构示意图；
17.图6为本发明一个实施例中检测单元的结构示意图；
18.图7为本发明一个实施例中检测单元设置在轨道固定组件上的结构示意图；
19.图8为本发明另一个实施例中检测单元设置在轨道固定组件上的结构示意图；
20.图9为本发明一个实施例中垫片的正面剖视图；
21.图10为本发明一个实施例中垫片的俯视图；
22.图11为本发明一个实施例中轨道固定组件固定在轨道上的结构示意图；
23.图12为本发明一个实施例中检测单元的检测原理示意图；
24.图13为本发明另一个实施例中轨道固定组件固定在轨道上的结构示意图。
25.上述附图中：1、检测单元；11、弹簧片；12、应变片；13、凸部；14、垫片；141、收容空间；142、放置槽；15、固定栓；21、弹条；22、螺栓；23、固定结构；3、圆环型电路板；31、避让空间；4、轨道。
具体实施方式
26.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.第一方面，如图1和图2所示，在一个实施例中，本发明提供一种轨道固定组件的健康状态监测装置，包括松紧检测装置、无线通信装置和电能收集装置；
29.电能收集装置用于收集电能，并为松紧检测装置和无线通信装置供电；松紧检测装置用于检测轨道固定组件的松紧数据；无线通信装置用于将松紧检测装置输出的松紧数据以无线的方式进行发送。
30.其中，松紧检测装置包括处理单元以及与处理单元连接的检测单元，检测单元用于设置在轨道固定组件上；
31.处理单元用于根据检测单元发送的检测数据得到松紧数据并将松紧数据传输至无线通信装置进行发送。
32.其中，处理单元和无线通信装置之间采用i2c(inter integrated circuit，集成电路总线)或spi(serial peripheral interface，串行外设接口)进行通信。
33.其中，处理单元还内置模数转换模块，用于将检测单元输出的模拟信号转换为数
字信号。在其他实施例中，模数转换模块作为独立模块。
34.通过上述轨道固定组件的健康状态监测装置，采用松紧检测装置来实现轨道固定组件的松紧数据的采集，实现自动采集，提高了效率和安全性能；采用电能收集装置和无线通信装置实现松紧检测装置的上电以及上电后数据的传输，构建了一个完整的应用于轨道固定组件健康状态监测的解决方案，并且还使松紧检测装置为无源装置。
35.在一个实施例中，电能收集装置用于接收机械能、太阳能、风能、电磁波中的一种或多种并转换为电能进行供电。
36.如图1所示，在一个实施例中，检测单元和处理单元之间还包括预处理单元，预处理单元用于对检测数据进行滤波降噪，信号放大以及阻抗转化等处理。
37.通过预处理单元，对检测数据进行预处理，提高信号质量，保证后续处理结果的精度。
38.其中，检测单元包括应变片时，应变片是指阻值随着结构变形而变化的电阻，此时预处理单元中通过惠更斯电桥将应变片的电阻变化转换为电压变化；当需要温度补偿时，通过将惠更斯电桥中的一电阻替换为温度补偿应变片。
39.如图3和图4所示，在一个实施例中，无线通信装置由第一线圈和通信处理电路组成，电能收集装置由第一线圈和电能处理电路组成，无线通信装置和电能收集装置共同组成第一无线单元；
40.电能收集装置用于接收射频信号并转换为合适的电能并对松紧检测装置和/或无线通信装置进行供电。
41.其中，无线通信装置和电能收集装置共同组成rfid(radio frequency identification，无线射频识别)系统中的电子标签。其中，电能处理电路主要是用于对第一线圈输出的电信号进行调理、稳压和变换，从而满足松紧检测装置的供电要求。
42.其中，通信处理电路主要是用于对松紧数据进行编码和调制，从而满足发射要求。
43.在一个实施例中，上述轨道固定组件的健康状态监测装置还包括储能单元，储能单元包括超级电容和/或二次电池。
44.其中，设置储能单元，第一无线单元产生的电能输出至储能单元，再通过储能单元对松紧检测装置进行供电能够保证供电的持续性和稳定性；此外，通过储能单元还能够将第一无线单元产生的小功率电能进行积累，然后输出较大功率电能以满足使用要求。
45.在一个实施例中，上述轨道固定组件的健康状态监测装置还包括与处理单元连接的存储单元，处理单元可以将松紧数据储存到存储单元中，如此在上电后处理单元可以直接将存储单元中储存的历史松紧数据通过第一无线单元进行发送。在其他实施例中，存储单元可以内置在第一无线单元中，如此在上电后，第一无线单元直接获取存储单元中储存的历史松紧数据并发送。
46.其中，存储单元包括nvram(non
‑
volatile random access memory，非易失性随机访问存储器)，nvram能够在断电后仍保持数据的一种存储器，适用于长期为无源环境的松紧检测装置。
47.通过设置存储单元，不仅能够保存历史数据，还能够提高数据发送的效率。
48.在一个实施例中，检测数据包括应变数据、压力数据、距离数据、位置数据中的至少一种。
49.如图5、图6、图7、图9、图10和图11所示，在一个实施例中，检测单元1包括弹簧片11、设置在弹簧片11上并与处理单元连接的应变片12、凸部13及套设在螺栓22上并位于螺栓22的头部和弹条21之间的垫片14；轨道固定组件包括压设在轨道4上的弹条21，压设在弹条21上的螺栓22；弹簧片11设置在螺栓22的头部和垫片14之间；垫片14靠近螺栓22的螺杆的一端开设有收容空间141，垫片14的另一端设有放置槽142；弹簧片11的一端固定在放置槽142中；弹簧片11的另一端放置在收容空间141中，凸部13设置在弹簧片11放置在收容空间141中的一端上，弹簧片11放置在收容空间141中的一端根据垫片14与螺栓22的头部之间的距离变化而对应的在收容空间141中进行活动；处理单元和第一无线单元集成在圆环型电路板3上，圆环型电路板3设置在垫片14上。
50.其中，圆环型电路板3仅为例举，在其他实施例中也可以是其他规则形状电路板或不规则形状电路板。
51.如图7所示，其中，弹簧片11放置在放置槽142中的一端与放置槽142的底部通过固定栓15固定连接。
52.如图7所示，其中，圆环型电路板3设置在垫片14的上表面且开设有避让空间31，避让空间31为通孔，避让空间31用于容纳固定栓15的头部从而避免圆环型电路板3因受力导致损坏；圆环型电路板3与垫片14固定连接，连接方式包括粘接。
53.如图8所示，在其他实施例中，当圆环型电路板3厚度足够时，避让空间31还可以为圆环型电路板3底部的凹槽。
54.其中，凸部13用于形成高度差，当螺栓22的头部压紧在垫片14上表面时，凸部13由于受到螺栓22的头部的压力使弹簧片11向下弯曲，当螺栓22与垫片14出现松动时(可能因为螺栓松动、断裂，或弹条松动、断裂等因素引起)，弹簧片11弯曲程度发生变化，即在收容空间141中活动。
55.其中，放置槽142的深度与弹簧片11的厚度基本一致，使弹簧片11的上表面与垫片14的上表面齐平，从而便于圆环型电路板3设置在垫片14上，避免圆环型电路板3因在垫片14上凹凸不平放置而导致的损坏。
56.其中，收容空间141是为了使弹簧片11能够在其中活动，在本实施例中，收容空间141可以是带底的凹槽或通孔，其深度要满足活动要求，即能够使螺栓22的头部贴合在垫片14上时，凸部13以及弹簧片11对应的部分都能够收容在收容空间141中。
57.其中，在其他实施例中，还可以在螺栓22的头部上开设对应的空间和固定点来构建悬臂梁。
58.其中，应变片12设置在弹簧片11的下表面，由于位于收容空间141中，因此弹簧片11的下表面可供使用的面积更大，便于设置应变片12，且在实际环境中避免被损伤。当然，在其他实施例中，应变片12还可以设置在弹簧片11的上表面。
59.其中，还包括覆盖在圆环型电路板3表面的防水结构，以适应户外环境。
60.在其他实施例中，处理单元和第一无线单元还可以不设置在轨道固定组件上，比如可以直接放置在轨道固定组件附近，具体的可以放置在轨道固定组件附近的保护盒中。
61.本实施例中检测单元1的具体检测原理如下：
62.如图12所示，a点代表凸部13的位置，o点代表弹簧片11与圆环型电路板3的固定点的位置，f代表螺栓22的头部和垫片14之间的压力，l代表凸部13的位置到固定点的位置之
间的距离，b代表弹簧片11的截面宽度，d代表弹簧片11的截面高度，如此将弹簧片11的受力简化为一个悬臂梁模型，w代表悬臂梁的挠度。
63.其中，根据悬臂梁的计算公式，有：
[0064][0065]
其中m为力矩，m＝fl。e为材料的弹性模量，i为截面对z轴的惯性矩。a点的挠度为：
[0066][0067]
根据材料力学中的中性面假设，有应变ε的计算关系：
[0068][0069]
由3，4式可得
[0070][0071]
最大应变出现在y＝
±
d/2位置，即弹簧片11的上下表面，也即下表面/上表面粘贴应变片12测到的应变数据为：
[0072][0073]
常规的65mn弹簧钢的屈服强度σ
s
在800mpa左右，弹性模量e在200gpa左右。为了确保弹簧片11长期工作时不发生塑形变形，应当设计为应力小于屈服强度，较为保守的设计可以取许用应力为：
[0074][0075]
相应的，许用应变为：
[0076][0077]
综合考虑许用应变限制，螺栓22的预紧力，测量信噪比，和实际尺寸,可设计符合要求的弹簧片11的参数。根据螺栓22的尺寸(螺栓22的直径为20mm左右)，本实施例给出的一组参数为：
[0078]
l＝18mm
[0079]
d＝0.5mm
[0080]
w
a
＝0.5mm
[0081]
按上述参数设计得到的最大应变数据为：
[0082]
ε
max
＝0.77*10
‑3<[ε]#8
[0083]
能够满足长期使用要求，也在应变片12可以正常使用的范围内。
[0084]
采用应变片12来进行检测，能够得到连续量，可以灵活的实现不同等级的预警。具体的，将接收到的松紧数据与预设的松紧数据进行比对，计算比对差值，根据比对差值判断松紧系数，根据松紧系数确定报警等级，根据报警等级发出对应的报警信息。
[0085]
在其他实施例中，还可以不设凸部13，通过将弹簧片11设计成曲面，当螺栓22的头
部压紧在垫片14上表面时，弹簧片11的曲面会压平。
[0086]
在其他实施例中，弹簧片11还可以设置在垫片14和弹条21之间。在该方式中，检测单元1若要以悬臂梁的方式设置，则需要在弹条21或垫片14底部上开设对应的空间和固定点。
[0087]
在其他实施例中，轨道固定组件不包括垫片14时，弹簧片11设置在螺栓22的头部和弹条21之间。在该方式中，检测单元1若要以悬臂梁的方式设置，则需要在弹条21或螺栓22的头部上开设对应的空间和固定点。
[0088]
在其他实施例中，检测单元1若不以悬臂梁的方式设置，则可以将弹簧片11设置为拱形。
[0089]
如图13所示，在一个实施例中，检测单元1包括弹簧片以及设置在弹簧片上并与处理单元连接的应变片(弹簧片和应变片在图13中未示出，具体可参考上述实施例)，其中轨道固定组件包括压设在轨道4上的弹条21，弹簧片设置在弹条21和轨道4之间。
[0090]
其中，检测单元1若要以悬臂梁的方式设置，则需要在轨道4上开设对应的空间和固定点。
[0091]
其中，检测单元1若不以悬臂梁的方式设置，则可以将弹簧片11设置为拱形。
[0092]
其中，处理单元和第一无线单元可以直接放置在轨道固定组件附近，具体的可以放置在轨道固定组件附近的保护盒中。
[0093]
其中，由于轨道固定组件只包含弹条21，因此弹条21的一端通过固定结构23进行固定和压紧，另一端压设在轨道4上。
[0094]
在一个实施例中，检测单元包括与处理单元连接的应变片，轨道固定组件包括压设在轨道上的弹条，应变片用于设置在弹条上，应变片用于检测弹条的应变数据并发送至处理单元。
[0095]
其中，由于弹条本身应变变化程度大，因此能够直接通过应变片检测弹条的应变数据来判断轨道固定组件的松紧情况。具体的，应变片可以设置在弹条应变程度大的位置，比如设置在弹条弓顶的上端或下端。
[0096]
在其他实施例中，还可以通过直接在弹条中内嵌电阻丝实现应变检测的目的。
[0097]
其中，应变片可以是独立结构，然后可装配在弹条上或集成在弹条内部，处理单元和第一无线单元可以直接放置在轨道固定组件附近，具体的可以放置在轨道固定组件附近的保护盒中；在其他实施例中，应变片和处理单元及第一无线单元一同集成在弹条内部。
[0098]
采用应变片来进行检测，能够得到连续量，可以灵活的实现不同等级的预警。
[0099]
在一个实施例中，检测单元包括压力传感器，压力传感器用于检测轨道固定组件中各部件之间的压力数据，若检测到的压力数据小于预设的压力数据，则说明出现松动，反之则说明过紧。
[0100]
在一个实施例中，检测单元包括位置传感器，位置传感器包括超声传感器或电容感应传感器，位置传感器用于检测轨道固定组件中各部件之间的距离数据，比如螺栓的头部到弹条之间的距离数据，若检测到的距离数据小于预设的距离数据，则说明出现松动，反之则说明过紧。
[0101]
在一个实施例中，检测单元包括微动开关；微动开关用于在失效后向处理单元发出触发指令。
[0102]
其中，微动开关是具有微小接点间隔和快动机构，用规定的行程和规定的力进行开关动作的接点机构。具体的，当轨道固定组件包括螺栓和弹条时，微动开关可以设置在螺栓的头部和弹条之间，且在螺栓的头部和弹条的挤压下，微动开关闭合，当螺栓和弹条之间的距离拉长，微动开关断开，导致失效，此时发生触发指令，处理单元用于根据触发指令得到松紧数据。
[0103]
其中，需要注意的是，采用微动开关来进行检测，输出的只能是开关量，无法得到连续量，因此微动开关的预警效果不如应变片、压力传感器及位置传感器表现好。
[0104]
第二方面，如图3和图4所示，在一个实施例中，本发明提供一种轨道固定组件的健康状态监测系统，包括上述任一种轨道固定组件的健康状态监测装置；以及相互连接的第二无线单元和数据收集装置；
[0105]
第二无线单元用于向第一无线单元发射射频信号以及接收第一无线单元发送的松紧数据。
[0106]
其中，数据收集装置可设置在专用的检测车上，检测车能够在轨道上行驶。
[0107]
其中，松紧检测装置、第一无线单元和数据收集装置、第二无线单元分别构成rfid系统的应答器和读卡器，第一无线单元和第二无线单元分别包括各自的线圈，然后采用磁共振的方式进行供电。
[0108]
其中，第二无线单元和第一无线单元之间采用hf(1.8mhz～30mhz)频段进行传输，以保证在雨水、灰尘等场景下供电和通信的可靠性。
[0109]
其中，本实施例的具体工作流程如下：
[0110]
数据收集装置和第二无线单元被装配在检测车上，数据收集装置向第二无线单元发出控制指令，第二无线单元根据控制指令发出射频信号，随着检测车的行驶，第一无线单元接收到第二无线单元发出的射频信号，并将其转换为电能，松紧检测装置基于该电能进行上电；上电后检测单元采集轨道固定组件的检测数据，比如部件之间的压力数据、部件的应变数据等，然后将采集到的检测数据发送至处理单元；处理单元对检测数据进行转换处理，转换为对应的松紧数据，比如判断比对收到的应变数据与预设的应变数据(预设的应变数据是指检测单元装配在轨道固定组件上且轨道固定组件此时刚完成紧固时检测得到的应变数据，因此由于器件参数和装配的差异，不同轨道固定组件对应预设的应变数据基本不同)，若接收到的应变数据小于预设的应变数据，则说明出现松动，反之则说明过紧，最后将得到的松紧数据发送至第一无线单元；第一无线单元将包含有松紧数据的信号进行调制，然后发出；第二无线单元接收松紧数据并将其发送至数据收集装置，数据收集装置对松紧数据进行解析处理以便于后续分析处理。
[0111]
其中，第二无线单元包括至少一个线圈，当第二无线单元只有一个线圈时，意味着该线圈需要完成射频信号的发送和松紧数据的接收，且射频信号的发送和松紧数据的接收交替进行，每进行一个松紧检测装置的数据采集就需要交替两次(比如在完成上一个松紧检测装置的数据采集时第二无线单元的工作状态为数据接收状态，当开始进行下一个松紧检测装置的数据采集时需要转换为信号发送状态，又快速转换为数据接收状态，然后再进行下一个松紧检测装置的数据采集)，因此需要根据每个松紧检测装置之间的距离以及检测车行驶的速度设定第二无线单元工作状态的切换频率。
[0112]
在其他实施例中，处理单元对接收到的检测数据不进行转换处理，直接将检测数
据作为松紧数据进行发送。通过上述轨道固定组件的健康状态监测系统，采用第一无线单元和第二无线单元实松紧检测装置的上电以及上电后数据的传输，构建了一个完整的应用于轨道固定组件的健康状态监测的解决方案。并且还使松紧检测装置为无源装置，当只有第二无线单元靠近第一无线单元时，松紧检测装置才上电工作，在完成工作后并随着第二无线单元的远离，又处于断电停机状态，因此松紧检测装置无需持续保持工作状态，寿命很长；此外，将数据收集装置设置在对应的轨道检测车上，即可实现对大量轨道固定组件的高速健康状态监测。
[0113]
在一个实施例中，还可以采用其他方式对松紧检测装置进行供电，比如第一无线单元和第二无线单元对应的线圈能够足够近时还可以采用磁感应的方式供电。
[0114]
在一个实施例中，为了以更远的距离无线供电，可以使用阵列天线形成供电的电磁波波束进行供电。
[0115]
如图3和图4所示，在一个实施例中，第二无线单元包括第二线圈和第三线圈；
[0116]
第二线圈用于向电能收集装置发射射频信号；第三线圈用于接收无线通信装置发送的松紧数据。第二无线单元设置两个线圈的方式能够延长每次数据采集的供电时间，有效提升运行速度。
[0117]
其中，第二线圈在检测车上设置的位置相对于第三线圈靠前，即第二线圈先经过第一无线单元，第三线圈后经过第一无线单元。如此，第二线圈和第三线圈只需保持自身的工作状态，不需要切换，简化了程序控制；第二线圈先进入与第一无线单元的传输范围，发出射频信号，使松紧检测装置上电，当第三线圈进入与第一无线单元的传输范围时，第一无线单元也处于数据发送状态，不需要再通过控制检测车的行驶速度来增长传输时间，以等待松紧检测装置的采集过程，进一步的使检测车的行驶速度更快，检测效率更高。
[0118]
在其他实施例中，还可以包括第四线圈、第五线圈等，将多个线圈进行功能划分即可。
[0119]
如图3和图4所示，在一个实施例中，上述轨道固定组件的健康状态监测系统还包括与数据收集装置连接的数据处理装置；
[0120]
数据处理装置用于将解析后的松紧数据进行分析处理。
[0121]
其中，数据处理装置对松紧数据进行分析处理、预警等。比如数据处理装置将接收到的松紧数据与预设的松紧数据进行比对，计算比对差值，根据比对差值判断是否松动或过紧，若松动或过紧，则发出报警信息。
[0122]
例如，每个松紧检测装置输出一个松紧数据fi(取值0～1之间，0表示完全松动，1表示完全紧固)，其中按照下式计算松紧数据fi：
[0123][0124]
umax对应于完全不松动时的预处理单元输出的电压值，比如umax为0.578v，但考虑到器件参数和装配的差异，可以在实际初始安装完成后统一读出初始紧固时的ui作为umax。
[0125]
则可以独立的根据单一松紧检测装置输出的松紧数据进行预警判断，如单个松紧检测装置输出的松紧数据低于f
max
(比如取f
max
＝0.5)就视为有风险，产生告警。
[0126]
其中，单个位置判断可能存在整段铁轨已经出现松动趋势，但单点的松动不显著
的可能，为此，数据处理装置还可以对多个松紧检测装置输出的松紧数据进行平均计算，比如：
[0127]
按照下式计算综合松紧数据fa
i
：
[0128][0129]
其中i为当前位置，2n 1为用于综合判断的邻近松紧检测装置数目，上式表示取第i个松紧检测装置前后共2n个松紧检测装置，共2n 1个松紧检测装置的松紧数据进行平均。
[0130]
当fa
i
<fa
max
时可产生松动告警。
[0131]
综合松紧数据的阀值的一个参考设置为fa
max
＝0.75。
[0132]
从而得到某个长度范围内所有轨道固定组件的整体稳态情况，更具有实际价值。
[0133]
其中，平均的方式还可以包括加权平均，可以将重点位置的轨道固定组件对应的松紧数据设置较高的权重。
[0134]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0135]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。