断轨检测方面

《兰州交通大学》 2010年

基于超声导波的实时断轨检测方法研究

任远

【摘要】： 随着我国铁路向客运高速化、货运重载化方向发展,对轨道结构的完整性提出了更高的要求,铁路运输安全保障工作的重要性越来越高。钢轨作为轨道结构的基本组成部分,具有承受车轮的巨大压力并将其传递到轨枕上,同时引导机车车辆车轮前进的功能。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面,还应提供较好的粘着牵引力。而铁路运营线上如果出现钢轨断裂就有可能造成列车出轨、倾覆等重大行车安全事故。因此,必须及时检测并发现钢轨中存在的裂纹或断裂,确保铁路运输的安全和畅通。 本论文的主要目的是针对无轨道电路区段环线加计轴闭塞设备不具备断轨检测功能,而现有的工务钢轨探伤设备不能在线动态监测断轨的问题,设计一种适用于对没有装设轨道电路的无缝长轨区段进行断轨检测的方法。 首先,本文通过总结和分析目前我国断轨统计资料和数据,得出断轨产生的主要原因和断轨分布的特点。在轨道交通中,钢轨由于自身材质的缺陷以及长期受到各种外力复合作用会使得钢轨发生折断现象。钢轨断裂最常见的原因有两种,一种是当有列车在钢轨上行驶时,钢轨在列车轮对的反复冲击力作用下发生断裂；另一种情况是当轨道空闲时,钢轨受到外界人为或自然灾害使得一段钢轨缺失造成断轨。断轨发生后如果不能及时发现将给铁路运输安全带来极大的威胁,轻者造成列车晚点,重则导致列车颠覆和人员伤亡,因而对断轨检测方法的研究具有重要意义。 本文在分析比较了当前国内外断轨检测所使用的主要方法和检测设备的基础上,同时借鉴了工业生产中的超声导波无损检测思想,提出了一种基于超声导波在钢轨中传导与衰减测量技术的新的断轨检测方法。 该方法采用两端发射超声导波、中央接收的检测方式。此方法不易受到钢轨及道床的电气参数影响,在道床泄漏阻抗小等一些不适合采用轨道电路的区段可以替代轨道电路完成断轨检测功能,并

能通过声波回波时间、幅值测定法估测钢轨断裂位置和裂纹大小。对列车运行时钢轨中声波频谱的特征提取还可以使其具备区间内列车占用检测的功能。 为了阐明该方法的检测机理,本文详细分析了超声导波在钢轨波导管中的传播特性和铁路环境中激励声的特征,然后使用LabVIEW编程开发环境设计了超声导波断轨检测仿真程序,完成了用户界面、信号生成、采集、断轨判断与报警、波形保存等各部分程序的编写。最后在理论分析的基础上,采用仿真平台分别对轨道完整态、列车占用态和断轨态进行仿真,提出了断轨定位及裂纹大小确定方法,为该断轨检测方法的实际应用提供了理论和仿真依据。

【关键词】：断轨检测 超声导波 仿真研究

【学位授予单位】：兰州交通大学

【学位级别】：硕士

【学位授予年份】：2010

【分类号】：U213.43

【目录】：

• 摘要4-6

• Abstract6-10

• 1 绪论10-14

• 1.1 国内外断轨检测发展状况10-12

• 1.2 课题的背景及意义12-13

• 1.3 论文主要工作13-14

• 2 断轨产生机理及超声导波断轨检测方法的提出14-23

• 2.1 断轨产生的机理分析14-17

• 2.1.1 钢轨的功能和特性14-15

• 2.1.2 断轨产生的原因及规律15-17

• 2.2 超声导波断轨检测方案设计17-23

• 2.2.1 检测方法设计17-19

• 2.2.2 总体方案设计19-21

• 2.2.3 设备可靠性设计21-22

• 2.2.4 其它问题22-23

• 3 超声导波断轨检测及钢轨声场数学模型分析23-47

• 3.1 钢轨中的声波传播计算23-28

• 3.1.1 矩形声波导23-27

• 3.1.2 钢轨中声波传播截止频率计算27-28

• 3.2 超声导波检测信号的频率选择28-32

• 3.2.1 钢轨中超声导波频率与传播距离的关系28-30

• 3.2.2 超声导波信号频率的确定30-32

• 3.3 轨道环境振动激励分析32-33

• 3.3.1 铁路周围环境中存在的激励声32

• 3.3.2 轮轨声的种类及特点32-33

• 3.4 轮轨接触模型33-41

• 3.4.1 轮轨表面粗糙度谱33-34

• 3.4.2 轮轨振动Remington模型分析34-36

• 3.4.3 轮轨接触区作用函数36-38

• 3.4.4 列车行驶噪声的频谱分析38-41

• 3.5 铁路实际工作环境对断轨检测的影响41-47

• 3.5.1 钢轨温度变化对导波传播的影响41-43

• 3.5.2 施工或人为敲击的影响43-44

• 3.5.3 雨水对钢轨中声信号的影响44-45

• 3.5.4 列车车辆多种不确定噪声的影响45-47

• 4 超声导波断轨检测仿真研究47-63

• 4.1 仿真平台的选择47

• 4.2 仿真程序设计47-51

• 4.2.1 检测信号生成程序48

• 4.2.2 数据采集程序48

• 4.2.3 断轨判断与报警程序48

• 4.2.4 数据保存程序48-49

• 4.2.5 历史数据查询程序49

• 4.2.6 仿真程序用户界面49-50

• 4.2.7 仿真程序工作流程50-51

• 4.3 钢轨完整态仿真51-52

• 4.4 列车占用态仿真52-54

• 4.5 断轨态的仿真分析54-61

• 4.5.1 断轨类型分析54-55

• 4.5.2 钢轨完全折断的仿真55-56

• 4.5.3 钢轨垂向裂纹的仿真56-58

• 4.5.4 钢轨断裂位置的仿真计算58-59

• 4.5.5 钢轨断裂处的裂纹大小仿真计算59-61

• 4.6 接收通道设备故障时的仿真61-63

基于超声导波的实时钢轨断裂检测方法研究（10.11）

左右两边为安装在钢轨上的两路超声波压电换能器，经由高频振荡信号发生器和功率放大电路驱动后向钢轨中发射超声导波信号，经钢轨传导后在中间由振动接收探头接收，探头将振动信号转换为电信号之后经过计算机分析处理，通过检查在给定窗口时间内能否接收到事先设定的超声波信号，并结合对所获得声波信号的频谱分布和幅值的判断来确定接收端与发射端之间的钢轨完整情况。如果轨2发生断轨，断裂处阻断了由右端发射器传来的超声导波信号，中间接收器在一定时间间隔内没有接收到事先设定的超声导波信号，随即发出断轨报警，并将报警信息经由通信电缆传至列控中心，同时记录断轨时间和波形数据。

如果检测设备在断轨检测的过程中发生故障或损坏，则有可能造成检测系统失效，所以在设计断轨检测方案时必须考虑故障导向安全的特性。目前广泛采用的计算机实现故障导向安全的方法主要有单机故障自诊断和采用冗余设计两种方法。

对于接收端，在方案设计中借鉴铁路信号设备中常用的的二乘二取二思想，采用双机热备运行方式，每台计算机包含两个接收通道，对两个接收传感器接收到的结果进行二取二表决。如果两个接收通道均判断检测信号接收正常，则判断钢轨完好、没有断轨的发生；如果两路接收通道表决结果相异，则表明该套二取二计算机某处出现故障，系统随即切换到另一套二取二接收计算机运行。

中央发送两端电流接收式无绝缘轨道电路的断轨态分析（10.11）

田铭兴 ， 陈云峰 ，赵斌 ，闵永智

摘要：分析中央发送两端电流接收式无绝缘轨道电路，必须考虑电流传感器参数及其接收电路等效阻抗对轨道电路的影响。通过电路变换，推导轨道电路接收端及轨道电路的

等效电路，建立轨道电路断轨态等效电路及其二端网络模型。根据等效电路，推导断轨态数学模型，给出传输矩阵参数以及接收端钢轨电流、感应电压和转移阻抗的计算公式。算例结果表明：电流传感器参数及其接收电路等效阻抗对轨道电路的影响，可以通过分析传感器等效阻抗参数对轨道电路的转移阻抗的影响得到；传感器等效阻抗越小，转移阻抗越小，则电流传感器处钢轨电流及其感应电压越大；当传感器等效阻抗为零时的算例结果与文献E43的有关结果一致，说明给出的分析方法和结论是可信的，并且说明文献[4]是本文在传感器等效阻抗为零条件下的特例。

关键词：轨道电路；断轨；电流传感器；等效电路；数学模型

隧道内断轨动态监测系统的研究 主要用于非电化区段，无轨道电路的长大隧道和桥梁上，对钢轨的状态进行实时监测，以保证行车安全。该系统检测信号采集处理、静态与动态检测切换、钢轨折断故障等判别、隧道留车位置计算等均由计算机完成，具有较强的自诊断能力。一旦发生钢轨折断，该装置能及时报警并在终端显示器上将钢轨折断状态及故障点位置显示出来，亦可根据需要进行打印。该项目首先在柳州局焦柳线牙己隧道试验成功，并于1997年2月通过了铁道部技术鉴定，属国内首创。1998年项目进入推广应用阶段，现已在焦柳线、京原线6座隧道上安装使用，对保证行车安全起到了积极防范作

用。柳州铁路局科学技术研究所

实时在线断轨检测方法研究

杜求茂， 张友鹏， 田铭兴， 闵永智， 任远

摘要：在长大隧道中，由于无缝长轨和整体道床的应用，使得传统轨道电路的使用受到限制，现在用计轴加轨道电缆取代轨道电路，原轨道电路的断轨检测功能消失．针对此

情况给出了一种实时在线的断轨检测方法．推导出相应的轨道电路在调整态和断轨态下电流的函数关系式．通过对不同的道床电阻、轨道长度及在不同断轨位置的MATLAB仿真分析，证明这种方法能够准确判定断轨的范围．

关键词：轨道电路；断轨检测；建模；仿真

本文阐述的检测方法将发信单元和信号采集单元都集中在检测区中央．

将测得的信号电压按D— B— C— A的方式连接．这样连接的目的是使4个电流传感器测出的信号相互叠加．同时由于牵引回流的流向不完全与信号电流相同，如图l虚线所示，又电流传感器A，B相隔很近，因此流经他们的牵引回流几乎一致，A，B反向连接方式使得所测牵引回流的感应电压值刚好能正负相互抵消．同理C，D传感器所测牵引回流的感应电压值也能相互抵消．因而消除了牵引回流和不平衡电流的干扰，极大地提高了检测系统的可靠性和抗干扰能力．将传感器测量出的信号叠加后送到断轨决策系统里进行数据处理，并判定是否出现断轨．对于相邻检测区间的相互干扰问题可以用时间间隔法来消除。

实时断轨检测方法是通过检测发信端叠加信号电流的大小来判定是 否发生断轨．通过对称消除法消除牵引回流和不平衡电流的干扰，极大地提高了检测系统的可靠性．从仿真结果分析可以确定最佳灵敏度的检测范围；同时可以确定一个分界点建立决策知识库，当大于分界电流时没有断轨，当小于分界电流时则有断轨．通过集中监测的方式把各个检测区域的数据集中管理，实时掌握各监测区域内道床电阻的变化情况，同时根据当时的气候状况并建立专家诊断系统，通过专家系统可以判定检测区域是否出现泥石流，钢轨上是否存在阻碍列车安全运行的金属异物或者是否要对某段道床进行清洗等．极大的减少轨道维护人员的工作量，确保了列车的安全运行．

一种基于相关算法的轨道电压相位差检测法（10.11）

冉娜娜，戴胜华（北京交通大学电子信息工程学院，北京100044）

摘要：本文提出一种基于相关运算的新方法，把经过隔离，滤波等处理后的信号送入芯片的模数转换器进行抽样，并按照相关运算公式的离散时间表达式进行计算。通过测试，此算法不但能够达到很高的准确度，而且能够有效地抑制各种干扰。

关键词：互相关；自相关； 相位差检测； 轨道电压

相关法在理论上可以有效抑制工频的干扰；

采用以上算法完成了一块25 Hz相敏轨道电路相位差采集板的研究和设计。本文仅就相位差测量做了描述，其实在这种算法的过程中也包含了对信号幅度以及频率的计算。

无砟轨道对轨道电路传输特性的影响分析（10.6）

田铭兴1 , 陈永刚1 , 史宏章2( 1. 兰州交通大学自动化与电气工程学院, 2. 兰州铁路局武威工务段,)

摘 要: 定量分析了轨道电路固有衰耗和轨道电路一次参数之间的关系, 推导出了轨道电路固有衰耗的计算公式,并利用这些公式分析了无砟轨道对轨道电路固有衰耗的影响. 研究表明: 轨道电路的最小固有衰耗值随着钢轨电阻的增加而增加; 和有砟轨道相比, 无砟轨道电路的最优补偿电容减小了, 而最小固有衰耗却增加了; 改变无砟轨道的结构设计是改善无砟轨道电路传输特性的根本措施.

关键词: 无砟轨道; 轨道电路; 传输特性

和有砟轨道线路相比,无砟轨道线路钢轨的单位长度电阻增加, 单位长度电感减小，电阻的增加使得轨道电路的衰耗值增加，那么相应的缩短了轨道电路的传输长度。

无碴轨道与普通有碴轨道相比较, 其轨道板或道床板中的横向和纵向钢筋较多, 而有碴轨道的轨枕只是与碎石道碴相接触, 不存在横、纵向布置的钢筋。无碴轨道结构中的横向和纵向的钢筋相互交叉、接触, 使轨道电路产生分流, 并且横、纵向钢筋形成的闭合回路所产生电磁涡流使钢轨阻抗增大, 使轨道电路信号削弱比较大, 从而导致了轨道电路传输距离的缩短, 不能够满足标准的轨道电路传输要求。

由于无砟轨道钢筋网的影响, 钢轨阻抗Z发生了变化, 而单位长度电容基本不变。

由于有砟轨道电路的两条钢轨是固定在轨枕上并铺设在线路的道床上面, 因此它的传输特性是由钢轨线路的钢轨阻抗(包括钢轨电阻和钢轨电感)和道碴电容及道碴电阻等参数所决定。

电压输出型传感器高精度数字转换模块的研制

周 租 酰 踌(兰州工业高等专科学校电气工程系)

摘要：传感器输出信号的数字采集是工业检测系统数字化的关键技术，通过对各种传感器的分析和研究，采用能适应0～100mV宽动态模拟输入信号范围、24位显示分辨率的数字采集技术，研制出电压输出型传感器高精度数字转换模块。该模块具有功耗低、体积小、可靠性高、使用安装方便的特点，解决了工业现场各种类型传感器输出信号的数字量

转换问题，它为企业新产品研发和传统设备数字化改造提供了前端数字信息采集的硬件支持。

关键词：工业检测系统电压输出传感器高精度数字量转换模块

信号转换／控制单元是转换模块的核心。其作用是完成输入电压信号的数字量转换，并将转换结果进行存储和通信控制 。该单元主要由输入信号调理(处理)电路、A／D转换器和CPU等组成。

输入信号调理电路是将转换后的电信号经滤波、放大、隔离、变换以及线性化处理后，得到适合模拟／数字转换的电压信号；采样保持电路(S／H)是在A／D转换器把模拟量转换成数字量的过程中，保持被转换的模拟量基本不变，从而保证转换精度；A／D转换器是把模拟量转换为数字量，它是信号转换／控制部分必不可少的器件 ；CPU是本模块的控制核心。

轨道电路不平衡牵引电流干扰测试及分析

李彩霞* 杨世武** 张 炜***

区间UM71轨道电路抗不平衡牵引电流指标为100 A, 利用空心线圈SVA平衡钢轨中的电流, 实际流过SVA 线圈的电流为不平衡电流的1 /2, 在其两端形成干扰电压。

不平衡电流产生的传导性干扰是以轨面干扰电压的形式影响室内设备, 而轨面电压是信号电压和干扰的合成, 其变化规律与不平衡电流一致。

基于VB的ABS轮速传感器信号采集与处理

进行数据采集时，定时器的精确程度是一个关键环节。

数字滤波又称为程序滤波，即通过程序计算或判断来减少干扰在有用信号中的比重，常用的数字滤波方法有中值法和去极值法。

中值滤波是对连续采样的数据、#行排序后取中间值作为本次采样值。对于因偶然因素所引起的波动以及因采样值不稳定而造成的脉动，由于变量变化比较缓慢，所以采用中值滤波所得的采样值具有代表性，效果很好，但是对快速变化过程的参数，则不宜采用。去极值滤波则是去掉连续采样的n个数据中的极大值和极小值，然后对剩下的n一2个数据求均值，作为最终的采样值。去极值滤波不能将明显的脉冲干扰消除，只能削弱其干扰程度。因为明显干扰使采样值远离真实值，所以比较容易被剔除，从而使滤波后的输出值更接近真实值。

尽管程序中已经对所采集的信号值进行了滤波处理，但由于试验中所使用的电磁式传感器，当车速过低时，输出电压信号幅值过小，抗干扰能力差，而当车速过高时，传感器响应频率差，容易产生误差信号，所以输出信号中仍然有干扰存在。

国内外断轨检测技术发展的现状与研究（10.6）

史宏章1，任远2，张友鹏3，田铭兴3

摘要：综述了国内断轨检测设备发展现状及国外采用力学、光学、声学等先进技术用于断轨检测的最新研究成果。从目前对断轨检测的应用需求出发，对钢轨预预埋应力传感器、光导纤维、牵引回流不平衡度分析、超声导波检测技术进行了类比分析与可行性研究。

关键词：断轨检测；探伤车；轨道电路；应力传感器；光导纤维；牵引回流不平衡度；超声导波

手推式探伤车，在现场使用时，通常采用检测仪对回波信号进行数字化处理与人工经验相结合的检测方法。含有微处理器的信号处理设备，可以对超声波回波进行实时信号处理、分析、记录，具有常见伤损判断、伤损类型确定、计算裂纹的大小及位置等功能。

大型钢轨探伤车，若钢轨存在伤损，则超声波束将被轨伤裂纹所反射，探头内的超声换能器接收反射回来的超声波束，并将其转换为电信号，即得到伤损回波信号。超声接收装置将微弱的回波信号放大，经过检波、滤波、A/D转换等处理以及计算机分析，得到探伤数据并予以保存。

轨道电路设备断轨检测功能的最大特点，当有断轨发生时能立即向列控中心发送报警信号，满足实时动态轨况监测要求。但是，轨道电路本身受道床参数情况影响较大，在道床泄漏阻抗小和南方一些雨水充沛的地区经常会发生轨间短路、红光带误报等故障情况。同时，存在增大电气化区段回流系统复杂程度、电气绝缘轨道电路结构复杂、造价昂贵、维修困难等缺陷。在国内，断轨检测作为轨道电路的附属功能，目前仍是我国最广泛使用的在线式断轨检测方法。

文献中提出了一种利用牵引回流的不平衡度进行断轨检测的方法。该方法通过断轨发生时流向牵引变电站两轨的电流不平衡度判定断轨。在电气化轨道区段，通常会采用空芯线圈和扼流变压器来平衡两轨牵引回流。如果其中一条钢轨发生断裂，阻抗提高，则牵引回流会从阻抗较小的另一轨流回牵引变电站。因此，只要在两钢轨按一定间隔安装电流传感器检测两轨电流差异，即可实现断轨检测功能。

超声导波检测，通过接收端对所获得信号的特征判断，或在给定窗口时间内能否接收到事先设定的超声信号，来判定接收端与发射端之间

的钢轨完整情况。

本文综述了近年来国内外断轨检测技术发展现状与最新研究进展，并对各种断轨检测方法的特点和优缺点进行了分析。

我国铁路钢轨断裂事故分析及其影响因素

冯宝锐, 王元清, 石永久, 武延民(清华大学土木工程系 结构和振动教育部重点实验室)

【摘 要】 对钢轨伤损类型和原因进行了总结和探讨,同时选取几个典型的钢轨断裂事故进行了分析。分析结果表明:钢轨的断裂事故一般不是由单一因素引起的,而是多个因素共同作用的结果,这些因素包括钢轨制造方面的缺陷、焊接产生的缺陷、低温和交变荷载等,其低温和焊缝在钢轨断裂事故的发生中起着比较显著的作用,需要在钢轨的设计分析中充分重视并加以研究。

【关键词】 钢轨;伤损;断裂;低温;焊接

引起钢轨断裂的主要影响因素有:

(1)低温的影响 （2）焊接接头的影响:焊接产生的热影响使得焊缝及附近钢轨的材质变差,脆性增加,在不利条件下(超载,低温,动载等)可能引发断轨。（3）温差的影响:铁路专家经研究发现,钢轨温度每升降1℃,每1m钢轨就会伸缩1118um。假如某地一年钢轨的温度上

下相差40℃,那对于1000km长的铁路来说, 就要伸缩472m。因此,缺少了伸缩空间的无缝钢轨一旦受冷收缩就容易发生断裂。而焊缝是最薄弱环节。(4)材性的影响:钢轨材质的内部组织和机械性能,主要由钢的化学成分、压延比和轧制终了温度及冷却速度决定的。