一种铁路轨道应力检测仪及检测方法与流程

1.本发明涉及一种超声波检测铁路轨道应力的技术。


背景技术：

2.现有的检测铁路轨道产品都不能对钢轨中的应力进行连续测试。在测试时只能对测量点进行测试，而且测量时还需要拆卸20
‑
50m范围内钢轨上的扣件，再对钢轨施加定量的作用力，测量钢轨的横、纵位移来计算钢轨内的应力值。这种测量方式工作量大，需要天窗点长，影响运输效率的提升，所以这些同类产品操作复杂，测试效率不高。
3.在无缝线路中，由于线路受到列车突然制动、道床夯实不均匀、扣件扣紧力不一致等因素的影响，便会产生钢轨的爬行，使有的地段钢轨受挤压，而另外的地段受拉伸，这样在钢轨中就会产生局部的应力集中现象。
4.同时无缝线路施工完毕锁定之后，因轨温发生变化而导致钢轨产生的较大的自由伸缩量就变成了较小的限制伸缩量，这样因钢轨伸缩受到限制就会以温度应力的形式转化到钢轨内部，相对锁轨温度，轨温升高导致钢轨欲伸长时受到的温度应力是压应力，轨温降低导致钢轨欲缩短时受到的温度应力是拉应力。因此，在无缝线路中就会存在两种应力，一种是因钢轨爬行产生的局部应力，另一种是轨温相对锁轨温度发生变化时产生的温度应力。
5.而对于这两种存在于钢轨中的应力，正常情况下锁定轨温的合理设计会将温度应力对钢轨的影响降为最低，但线路经过长期运行后，钢轨中会因为种种原因产生了局部应力，而局部应力又达到了一定程度，那样在累计温度应力后就有可能发生断轨或涨轨，形成事故隐患。
6.同时，因为钢轨爬行等原因产生局部应力集中时就改变了无缝线路整体设计时锁定轨温的最佳状态，而在实际使用中，对无缝线路维护时会对线路的某些应力超出规定范围的地方进行锯轨或加轨进行放散处理，这样虽然能够解决某段无缝线路应力过大的问题，但对整体线路来说因为锯轨或加轨也会破坏设计锁定轨温，长此以往就会造成了整体线路偏离设计锁定轨温的情况，而逐步形成不可控制的安全隐患。所以测量出整体线路钢轨中局部应力集中的趋势，进行全局考虑，才是从根本上解决无缝线路断轨或涨轨安全隐患的方法。
7.为此，可以连续测量无缝线路中的应力情况的铁路轨道应力检测仪，能将整体测量区段描绘成一条应力变化曲线，从而可以方便的找出整条无缝线路中应力产生拉伸或压缩的变化区段，这样可以为无缝线路维护工作者提供指导和参考的同时提供无缝线路放散施工所需要的计算依据，有利于提高线路维护工作效率，降低工作者劳动强度，整体解决无缝线路因应力变化而形成的安全隐患。
8.当钢轨中存在残余应力时，进入钢轨中的超声纵波传播速度会发生改变，当残余应力方向与纵波方向一致时，拉伸应力使超声纵波传播速度变慢或传播时间延长，压缩应力使超声纵波传播速度加快或传播时间缩短。这样，只要测量出钢轨中超声纵波的速度变
化量就能得出钢轨中的应力值。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种铁路轨道应力检测仪及检测方法，以解决连续测量无缝线路中的应力情况的技术问题。
10.为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
11.一种铁路轨道应力检测仪，包括检测仪测量铁路钢轨内应力的三个超声换能器模块、通过对超声波在钢轨中穿行的速度进行计算来检测铁路钢轨中应力大小的时差检测芯片、量程测量模块、轨温测量模块、通讯模块和核心处理器cpu；
12.所述三个超声换能器模块，依次通过行走小车将超声波探头置于被测铁轨上并与之接触；其中一个为超声波发射换能器模块，包括与核心处理器cpu连接的超声波发射驱动电路、与超声波发射驱动电路连接的超声发射探头；另外两个均为超声波接收换能器模块，包括接收探头、一端连接接收探头另一端连接时差检测芯片的超声接收放大整形模块；
13.时差检测芯片，对超声波发射换能器模块的探头发射的超声波，经底端两个超声波接收换能器模块的探头分别采集时间值，根据超声波时差法求出这两次时间的差值；
14.量程测量模块，安装在行走轮上的里程编码器，测量仪器行走的里程；
15.轨温测量模块，温度测量器件，测量钢轨的温度；
16.核心处理器cpu，接收两次时间的差值、轨温测量模块的钢轨温度值和量程测量模块的行走里程，通过运算整理后再通过数据通讯模块进行数据上传；
17.数据通讯模块，上传数据至上位机；
18.上位机，即工控机，由上位机通过运算模型计算出钢轨中的应力值，同时还原计算为应力对应的锁轨温度。
19.所述的一种铁路轨道应力检测仪的检测方法，包括如下步骤，
20.(1)将三个超声换能器模块中的探头，依次置于被测铁轨上并与之接触；
21.(2)超声数据的发送：
22.cpu通过软件spi方式给gp22芯片发送命令，gp22接收到特定命令后开始启动内部电路，产生出预先设定的脉冲个数，该脉冲信号送入max5056进行驱动并进行电平转换，驱动场效应管stp11nm80(st)，场效应管导通，高压电源对外进行放电，高压脉冲进入发射探头，产生出发射信号，超声波发射探头接受到电能量冲击后与并联的电阻及电容产生出n个谐振并衰减，同时把这个震动能量，即超声波送入铁路钢轨内；
23.(3)各个超声波接收探头的接收与信号处理：
24.超声波接收探头把接收到的信号通过耦合电容送到接收电路进行放大、整形，预放大电路根据输入电平不同，有四个输入通道，可根据接收探头实际输出信号的大小，在四个输入电路中选取最匹配一路进行信号处理，通过el2125esa芯片，对输入信号进行20db信号放大，进而构成了第一级放大；
25.第一级放大后信号经电容耦合进入二级信号放大电路；信号经三极管放大，由发射极输出，进入ad603芯片再次进行压控放大，信号放大倍数由程序根据需要进行调节，放大输出的信号经lc选频电路进行选频，进入下一级ad603压控电路，根据需要再次进行信号放大，最后此信号送入gp22芯片进行时间采集；或
26.采用数字电平方式进行时间采集，在这种模式下，上述第一级放大输出的模拟信号进入tlv3502芯片进行整形，由模拟信号转换成数字电平，然后送入gp22进行数字电平采集，获得传输时间；
27.(4)数据采集：
28.原始数据的采集均使用gp22芯片进行，芯片采集时间完成后，gp22给出中断信号到cpu，cpu接收到芯片的中断信号后进行数据读取，采集命令发送及数据回传均通过spi总线进行；
29.(5)数据上传：
30.cpu采集到声时数据后，根据超声波时差法求出这两次时间的差值，同时通过温度测量器件测出钢轨温度，通过里程编码器测出仪器行走里程，cpu进行运算整理，再通过数据通讯模块进行数据上传；
31.(6)数据运算：
32.(6
‑
1)上位机接收到cpu上传的数据后，对数据分析、解析、转换，利用c 、c
#
编制的程序软件对数据进行运算，将运算后得出的应力值与行走里程一一对应，描绘成直观易懂的应力趋势曲线图，并根据铁路施工需要同时转换成铁路轨道锁轨温度；
33.(6
‑
2)运算模型：
34.该模型通过零应力声时的传播时间及声时
‑
应力系数、温度
‑
应力系数三个参数，进行运算；
35.应力、声时、温度三者之间的数学模型为：
36.p＝m*[(s
‑
s0)
‑
(t0‑
t)*n]
[0037]
其中：p为钢轨残余应力；s为实际测量声时；s0为零应力声时；m为实验室测量计算得出的声时
‑
应力系数，取值0.38
‑
0.45；t0为零应力温度；t为实际测量的轨温；n为实验室测量计算得出的温度
‑
应力系数，取值范围9
‑
9.6。
[0038]
本发明的效果：
[0039]
本发明可以连续测量无缝线路中的应力情况，并能将整体测量区段描绘成一条应力变化曲线，同时将测量出的应力还原计算为应力对应的锁轨温度，从而可以方便的找出整条无缝线路中应力产生拉伸或压缩的变化区段，这样可以为无缝线路维护工作者提供指导和参考的同时提供无缝线路放散施工所需要的计算依据，有利于提高线路维护工作效率，降低工作者劳动强度，整体解决无缝线路因应力变化而形成的安全隐患。
附图说明
[0040]
图1本发明的电路原理框图。
[0041]
图2本发明的工作流程图。
具体实施方式
[0042]
本发明的结构参见图1所示。一种铁路轨道应力检测仪，包括检测仪测量铁路钢轨内应力的三个超声换能器模块、通过对超声波在钢轨中穿行的速度进行计算来检测铁路钢轨中应力大小的时差检测芯片、量程测量模块、轨温测量模块、通讯模块和核心处理器cpu；
[0043]
所述三个超声换能器模块，依次通过行走小车将超声波探头置于被测铁轨上并与
之接触；其中一个为超声波发射换能器模块，包括与核心处理器cpu连接的超声波发射驱动电路、与超声波发射驱动电路连接的超声发射探头；另外两个均为超声波接收换能器模块，包括接收探头、一端连接接收探头另一端连接时差检测芯片的超声接收放大整形模块；
[0044]
时差检测芯片，对超声波发射换能器模块的探头发射的超声波，经底端两个超声波接收换能器模块的探头分别采集时间值，根据超声波时差法求出这两次时间的差值；
[0045]
量程测量模块，安装在行走轮上的里程编码器，测量仪器行走的里程；
[0046]
轨温测量模块，温度测量器件，测量钢轨的温度；
[0047]
核心处理器cpu，接收两次时间的差值、轨温测量模块的钢轨温度值和量程测量模块的行走里程，通过运算整理后再通过数据通讯模块进行数据上传；
[0048]
数据通讯模块，上传数据至上位机。
[0049]
上位机，即工控机，由上位机通过运算模型计算出钢轨中的应力值，同时还原计算为应力对应的锁轨温度。
[0050]
检测仪测量铁路钢轨内应力是利用三个超声换能器模块中的超声波探头在钢轨中发射和接收超声波，通过对超声波在钢轨中穿行的速度进行计算来检测铁路钢轨中应力的大小，具体实现上利用超声波时差检测芯片tdc
‑
gp22
‑
1或tdc
‑
gp22
‑
2发出并驱动超声波发射探头a发射超声波，同时tdc
‑
gp22
‑
1和tdc
‑
gp22
‑
2分别采集接收探头b和接收探头c的时间值，根据超声波时差法求出这两次时间的差值来进行计算，同时，通过温度测量器件测出钢轨温度，通过里程编码器测出仪器行走里程，由cpu进行运算整理后，再通过数据通讯模块进行数据上传；由上位机通过专用软件、运算模型计算出钢轨中的应力值，同时还原计算为应力对应的锁轨温度。
[0051]
超声数据的发送：
[0052]
cpu通过软件spi方式给gp22芯片发送命令，gp22接收到特定命令后开始启动内部电路，产生出预先设定的脉冲个数(频率由晶振及内部编程设定)，该脉冲信号送入max5056进行驱动并进行电平转换，驱动场效应管stp11nm80(st)，场效应管导通，高压电源对外进行放电，高压脉冲进入发射探头，产生出发射信号，超声波发射探头接受到电能量冲击后与并联的电阻及电容产生出n个谐振并衰减，同时把这个震动能量(超声波)送入铁路钢轨内。
[0053]
超声数据接收：
[0054]
超声波接收探头1接收到折射纵波后，把接收信号通过滤波电容送到接收电路进行放大，根据接收探头输出信号电平的大小，在输入电路中选取最符合实际的某一路进行信号处理，由电容、三极管等元器件构成了静态输入电路，对输入信号进行限幅，再由比例放大电路，通过el2125esa芯片，对输入信号进行20db信号放大，这就构成了第一级放大。
[0055]
第一级放大后信号经电容耦合进入二级信号放大电路；信号经三极管放大，由发射极输出，进入ad603芯片再次进行压控放大，信号放大倍数由程序根据需要进行调节，放大输出的信号经lc选频电路进行选频，进入下一级ad603压控电路，根据需要再次进行信号放大，最后此信号送入gp22芯片进行时间采集。
[0056]
也可采用数字电平方式进行时间采集，在这种模式下，上述第一级放大输出的模拟信号进入tlv3502芯片进行整形，由模拟信号转换成数字电平，然后送入gp22进行数字电平采集，获得传输时间。
[0057]
超声波接收探头2接收及信号处理与接收探头1处理方式一致。
[0058]
数据采集：
[0059]
原始数据的采集均使用gp22芯片进行，芯片采集时间完成后，gp22给出中断信号到cpu，cpu接收到芯片的中断信号后进行数据读取，采集命令发送及数据回传均通过spi总线进行。
[0060]
数据上传：
[0061]
cpu采集到声时数据后，根据超声波时差法求出这两次时间的差值，同时通过温度测量器件测出钢轨温度，通过里程编码器测出仪器行走里程，cpu进行运算整理，再通过数据通讯模块进行数据上传。
[0062]
数据运算：
[0063]
上位机(工控机)接收到cpu上传的数据后，对数据分析、解析、转换，利用c 、c
#
编制的程序软件对数据进行运算，将运算后得出的应力值与行走里程一一对应，描绘成直观易懂的应力趋势曲线图，并根据铁路施工需要同时转换成铁路轨道锁轨温度，以便于铁路维护工作者维护施工。
[0064]
运算模型：
[0065]
超声波在钢轨中传播速度的变化是钢轨中残余应力和温度应力的综合体现。超声波速度变化体现在固定距离内传播时间的变化，该模型通过零应力声时的传播时间及声时
‑
应力系数、温度
‑
应力系数三个参数，达到运算目的。
[0066]
应力、声时、温度三者之间的数学模型为：
[0067]
p＝0.4*[(s
‑
s0)
‑
(t0‑
t)*9.3]
[0068]
其中：p为钢轨残余应力；s为实际测量声时；s0为零应力声时；0.4为实验室测量计算得出的声时
‑
应力系数；t0为零应力温度；t为实际测量的轨温；9.3为实验室测量计算得出的温度
‑
应力系。
[0069]
所述实验室测量计算得出的声时
‑
应力系数及实验室测量计算得出的温度
‑
应力系，根据材料不同会有差异，本实施例仅以主要使用的u75v型钢轨为例，其他型钢轨的应力系数使用，不脱离本发明技术方案的情况下，也属于本发明的保护范围。
[0070]
本发明的工作流程参见图2所示。

技术特征：
1.一种铁路轨道应力检测仪，包括检测仪测量铁路钢轨内应力的三个超声换能器模块、通过对超声波在钢轨中穿行的速度进行计算来检测铁路钢轨中应力大小的时差检测芯片、量程测量模块、轨温测量模块、通讯模块和核心处理器cpu，其特征在于，所述三个超声换能器模块，依次通过行走小车将超声波探头置于被测铁轨上并与之接触；其中一个为超声波发射换能器模块，包括与核心处理器cpu连接的超声波发射驱动电路、与超声波发射驱动电路连接的超声发射探头；另外两个均为超声波接收换能器模块，包括接收探头、一端连接接收探头另一端连接视察检测芯片的超声接收放大整形模块；时差检测芯片，对超声波发射换能器模块的探头发射的超声波，经底端两个超声波接收换能器模块的探头分别采集时间值，根据超声波时差法求出这两次时间的差值；量程测量模块，安装在行走轮上的里程编码器，测量仪器行走的里程；轨温测量模块，温度测量器件，测量钢轨的温度；核心处理器cpu，接收两次时间的差值、轨温测量模块的钢轨温度值和量程测量模块的行走里程，通过运算整理后再通过数据通讯模块进行数据上传；数据通讯模块，上传数据至上位机；上位机，即工控机，由上位机通过运算模型计算出钢轨中的应力值，同时还原计算为应力对应的锁轨温度。2.根据权利要求1所述的一种铁路轨道应力检测仪的检测方法，其特征在于包括如下步骤，(1)将三个超声换能器模块中的探头，依次置于被测铁轨上并与之接触；(2)超声数据的发送：cpu通过软件spi方式给gp22芯片发送命令，gp22接收到特定命令后开始启动内部电路，产生出预先设定的脉冲个数，该脉冲信号送入max5056进行驱动并进行电平转换，驱动场效应管stp11nm80(st)，场效应管导通，高压电源对外进行放电，高压脉冲进入发射探头，产生出发射信号，超声波发射探头接受到电能量冲击后与并联的电阻及电容产生出n个谐振并衰减，同时把这个震动能量，即超声波送入铁路钢轨内；(3)各个超声波接收探头的接收与信号处理：超声波接收探头把接收到的信号通过耦合电容送到接收电路进行放大、整形，预放大电路根据输入电平不同，有四个输入通道，可根据接收探头实际输出信号的大小，在四个输入电路中选取最匹配一路进行信号处理，通过el2125esa芯片，对输入信号进行20db信号放大，进而构成了第一级放大；第一级放大后信号经电容耦合进入二级信号放大电路；信号经三极管放大，由发射极输出，进入ad603芯片再次进行压控放大，信号放大倍数由程序根据需要进行调节，放大输出的信号经lc选频电路进行选频，进入下一级ad603压控电路，根据需要再次进行信号放大，最后此信号送入gp22芯片进行时间采集；或采用数字电平方式进行时间采集，在这种模式下，上述第一级放大输出的模拟信号进入tlv3502芯片进行整形，由模拟信号转换成数字电平，然后送入gp22进行数字电平采集，获得传输时间；(4)数据采集：原始数据的采集均使用gp22芯片进行，芯片采集时间完成后，gp22给出中断信号到
cpu，cpu接收到芯片的中断信号后进行数据读取，采集命令发送及数据回传均通过spi总线进行；(5)数据上传：cpu采集到声时数据后，根据超声波时差法求出这两次时间的差值，同时通过温度测量器件测出钢轨温度，通过里程编码器测出仪器行走里程，cpu进行运算整理，再通过数据通讯模块进行数据上传；(6)数据运算：(6
‑
1)上位机接收到cpu上传的数据后，对数据分析、解析、转换，利用c 、c
#
编制的程序软件对数据进行运算，将运算后得出的应力值与行走里程一一对应，描绘成直观易懂的应力趋势曲线图，并根据铁路施工需要同时转换成铁路轨道锁轨温度；(6
‑
2)运算模型：该模型通过零应力声时的传播时间及声时
‑
应力系数、温度
‑
应力系数三个参数，进行运算；应力、声时、温度三者之间的数学模型为：p＝m*[(s
‑
s0)
‑
(t0‑
t)*n]其中：p为钢轨残余应力；s为实际测量声时；s0为零应力声时；m为实验室测量计算得出的声时
‑
应力系数，取值在0.38
‑
0.45；t0为零应力温度；t为实际测量的轨温；n为实验室测量计算得出的温度
‑
应力系数，取值在9
‑
9.6。
技术总结
本发明公开了一种铁路轨道应力检测仪及检测方法。包括检测仪测量铁路钢轨内应力的三个超声换能器、通过对超声波在钢轨中穿行的速度进行计算来检测铁路钢轨中应力大小的时差检测芯片、量程测量模块、轨温测量模块、通讯模块和核心处理器CPU。本发明可以连续测量无缝线路中的应力情况，并能将整体测量区段描绘成一条应力变化曲线，同时将测量出的应力还原计算为应力对应的锁轨温度，从而可以方便的找出整条无缝线路中应力产生拉伸或压缩的变化区段，这样可以为无缝线路维护工作者提供指导和参考的同时提供无缝线路放散施工所需要的计算依据，有利于提高线路维护工作效率，降低工作者劳动强度，整体解决无缝线路因应力变化而形成的安全隐患。形成的安全隐患。形成的安全隐患。


技术研发人员：孟志刚 李元军 王建慧 钱耀东 贾万青 卢小永 李烨兵 田昊 杨进刚
受保护的技术使用者：山西五洲科技有限公司
技术研发日：2021.04.26
技术公布日：2021/6/29