一种重载列车运行危险状态的地面监测方法

摘要

一种重载列车运行危险状态的地面监测方法，它采用应变测试模块测试出列车经过时轨道测试点的垂向轮轨力和横向轮轨力及其对应时间；再经调理器放大、滤波后由数据采集卡转换为轨道测试点的数字信号；然后经数据处理系统转化为轮对各点连续的垂向和横向轮轨力曲线；最后将垂向轮轨力曲线与数据库中车轮擦伤曲线进行比较，判断出车轮是否擦伤及擦伤车轮位置；将横向轮轨力曲线进行频域和时域分析，判断出车轮是否蛇形失稳及失稳车轮位置。并给出相应的警示信号和位置信号。该方法能够实时、可靠的识别与监测出重载车辆蛇形失稳和车轮擦伤的运行危险状态，并实时显示蛇形失稳及车轮擦伤的轮对位置信息，以确保列车运行的安全。

权利要求

1.一种重载列车运行危险状态的地面监测方法，其步骤是：

A、在连续15跨的铁路轨道直线单侧钢轨(10)上布置应变花组，每跨的轨腰上布置3组测量垂向轮轨力的应变花组，每跨的轨底边缘上布置3组测量横向轮轨力的应变花组构成应变测试模块；由应变测试模块测试出列车经过时，轨道测试点(2)的垂向轮轨力和横向轮轨力的信号及其对应的时间信号； 所述的3组测量垂向轮轨力的应变花组的具体布置为：每组应变花组由前排两个应变花、后排两个应变花共四个应变花组成，前、后两排应变花的中心相距220mm；第一组前排的应变花(11)布置于扣件(3)正上方的轨腰处，且第一组的后排应变花(12)的中心与第二组的后排应变花(22)中心相距190mm，第二组的后排应变花(22)的中心与第三组的后排应变花(32)中心相距190mm； 所述的3组测量横向轮轨力的应变花组的具体布置为：每组应变花组由前排两个应变花、后排两个应变花共四个应变花组成，前、后两排应变花的中心相距220mm；第一组前排的应变花(101)布置于扣件(3)向后40mm的轨底边缘，第三组后排的应变花(302)布置于另一扣件(3)向前40mm的轨底边缘，且第一组的后排应变花(102)的中心与第二组的后排应变花(202)中心相距150mm，第二组的后排应变花(202)的中心与第三组的后排应变花(302)中心相距150mm； B、将A步测得的轨道测试点的垂向轮轨力和横向轮轨力信号及其对应的时间信号通过信号调理器放大、滤波后由数据采集卡转换为轨道测试点的数字信号；该数字信号再经数据处理系统转化为所述的连续15跨的铁路轨道即测试区各点连续的轮轨力曲线； C、数据处理系统将被测列车的速度信号和B步得到的测试区各轮对上各 点连续的垂向轮轨力曲线与数据库中的对应速度下不同擦伤长度的车轮擦伤曲线进行比较，如比较轮对的垂向轮轨力曲线与被比较的擦伤曲线尖峰的残差平方和小于设定的阈值，则判定该轮对存在擦伤，且擦伤长度等于被比较的车轮擦伤曲线所对应的擦伤长度，并给出该列车存在车轮擦伤、列车运行处于危险状态及其擦伤轮对位置的信息； 数据处理系统将B步得到的测试区各轮对上各点连续的横向轮轨力曲线进行频域和时域分析，如有轮对曲线的主频在设定的取值范围内，且此曲线在时域上存在周期波形，则判定该轮对蛇形失稳，并给出该列车处于蛇形失稳危险状态及其蛇形失稳轮对位置的信息。

2.根据权利要求1所述的一种重载列车运行危险状态的地面监测方法，其特征在于，所述的数据库中的车轮擦伤曲线包含了(10+5n)km/h，n＝0，1，2...22的速度下重载车辆车轮存在长度为10、15、20、25、30、40、50mm擦伤时的连续垂向轮轨力曲线。

说明书

一种重载列车运行危险状态的地面监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种重载列车运行危险状态的地面监测方法。

背景技术

[0002] 铁路是交通运输的大动脉，对国民经济的发展起着十分重要的作用。发展重载运输是提高我国铁路运输能力的基本战略对策，是国情路情的必然产物，能有效缓解铁路运量与运能的矛盾，具有显著的社会经济效益。但是重载运输是对传统运输方式的重大突破，其安全形势并不乐观，重载铁路车辆蛇形失稳(左右摆动过大)及车轮擦伤现象普遍存在，前者将恶化车辆运行品质，引发车辆爬轨脱轨的严重事故，后者将恶化轮轨动态相互作用，可产生跳轨脱轨的严重事故。因此，在既有线路条件下对过往重载车辆的蛇形失稳及车轮擦伤这两种运行危险状态，实行实时高精度的监测，是铁路安全工作者和铁路研究人员多年来一直希望解决的问题，也是我国重载铁路快速发展的一个瓶颈。

[0003] 在地面测试列车运行状态，安装的设备少，成本低，能够对所有经过测试区域的列车车辆进行检测。国内外铁路管理部门都投入了大量的人力和物力进行相关设备的研究，目前都是利用道旁的监测设备对铁道车辆等移动设备的运行安全进行监控，已用的成套的列车安全检测装置有：美国交通技术中心有限公司的车辆性能检测系统、中国铁路车辆运行安全监控系统中的车辆运行品质动态监测系统、车辆安全运行检测系统。美国的车辆性能检测系统虽然在铁路安全监控方面发挥了作用，但是测试区长为0.3米的间断试测量，不能监测连续的轮轨力，包括连续的横向与垂向轮轨力，不能识别重载车辆的蛇形失稳状态，另外，安装区段线路为平坡，满足美国联邦铁路局标准5级线路以上，其按照条件非常苛刻。中国车辆运行品质动态监测系统在安装过程中需要对路基、道床枕木及扣件等做较大的更改和替换，致使轮轨系统的边界条件发生变化，测量的结果更是在这种特定的边界条件和约束条件下得到的，难以反映真实轮轨力，另外，由于采用整体道床结构，决定了该系统的监测区长度较短(目前监测区长为4.8米)，从而使得该系统也不能实现对转向架或轮对蛇行失稳识别，且车轮擦伤判断不准确。而车辆安全运行检测系统虽然采用既有线路条件，不破坏轨道路基，可真实反映轮轨实际作用力，但其应用时满足轨道坡度小于3‰的条件，实际上，铁路轨道超过3‰坡度是非常普遍，因此车辆安全运行检测系统具有相当大的应用局限性。

[0004] 综上所述，现有列车状态监测系统均不能满足应用需求，具有各自的应用缺陷和局限性，且未见重载铁路车辆蛇形失稳及车轮擦伤状态监测方法的报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是提供一种重载列车运行危险状态的地面监测方法，该方法基于轨道地面测试，能够实时、可靠的识别与监测出重载车辆蛇形失稳和车轮擦伤的运行危险状态，并实时显示蛇形失稳及车轮擦伤的轮对位置信息，以确保列车运行的安全。

[0006] 本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种重载列车运行危险状态的地面监测方法，其步骤是：

[0007] A、在连续15跨的铁路轨道直线单侧钢轨上布置应变花组，每跨的轨腰上布置3组测量垂向轮轨力的应变花组，每跨的轨底边缘上布置3组测量横向轮轨力的应变花组构成应变测试模块；由应变测试模块测试出列车经过时，轨道测试点的垂向轮轨力和横向轮轨力的信号及其对应的时间信号；

[0008] B、将A步测得的轨道测试点的垂向轮轨力和横向轮轨力信号及其对应的时间信号通过信号调理器放大、滤波后由数据采集卡转换为轨道测试点的数字信号；该数字信号再经数据处理系统转化为所述的15跨轨道即测试区各点连续的轮轨力曲线；

[0009] C、数据处理系统将被测列车的速度信号和B步得到的测试区各轮对上各点连续的垂向轮轨力曲线与数据库中的对应速度下，不同擦伤长度的车轮擦伤曲线进行比较，如比较轮对的垂向轮轨力曲线与被比较的擦伤曲线尖峰的残差平方和小于设定的阈值，则判定该轮对存在擦伤，且擦伤长度等于被比较的车轮擦伤曲线所对应的擦伤长度，并给出该列车存在车轮擦伤、列车运行处于危险状态及其擦伤轮对位置的信息；

[0010] 数据处理系统将B步得到的测试区各轮对上各点连续的横向轮轨力曲线进行频域和时域分析，如有轮对曲线的主频在设定的取值范围内，且此曲线在时域上存在周期波形，则判定该轮对蛇形失稳，并给出该列车处于蛇形失稳危险状态及其蛇形失稳轮对位置的信息。

[0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0012] 一、通过在地面轨道上布置连续15跨90组(垂向与横向各45组)应变花组，测试列车轮对经过测试区域时各轮对上的垂向和横向轮轨力，轮轨力的测试点多，信息丰富，使后期的数据分析精度高、可靠性强。

[0013] 二、通过对多点测试的垂向轮轨力和横向轮轨力的连续化处理，得出各轮对上各点连续的垂向和横向轮轨力曲线，进而将垂向轮轨力曲线与数据库中的车轮擦伤曲线进行比对，能够可靠的识别出车轮是否擦伤及其擦伤长度和所在轮对，同样，将连续的轮轨横向力曲线进行频域和时域分析，可以准确判断车辆是否存在蛇形失稳及发生蛇形失稳的轮对。并进而给出列车处于车轮擦伤和/或蛇形失稳危险状态的警示信息及危险状态发生的轮对位置信息。便于铁路人员根据显示信息进行及时的应急处理与维护，以确保列车运行的安全。

[0014] 三、本发明方法仅需要在轨腰和轨底上粘贴布置应变花，对原有轨道的结构与运行状态无影响，与真实运行的轨道几乎一致，既使测试成本低，也进一步保证了测试的精度和可靠性。应变测试模块能布置于任意坡度条件下的轨道，可广泛应用于铁路重载列车蛇形失稳、车轮擦伤状态的监控。

[0015] 上述的3组测量垂向轮轨力的应变花组的具体布置为：每组应变花组由前排两个应变花、后排两个应变花共四个应变花组成，前、后两排应变花的中心相距220mm；第一组前排的应变花布置于扣件正上方的轨腰处，且第一组的后排应变花的中心与第二组的后排应变花中心相距190mm，第二组的后排应变花的中心与第三组的后排应变花中心相距190mm。

[0016] 这种布置方式使各组应变花测量的垂向测试点在跨内是均匀分布的，并且跨间的测试点也是均匀分布的，也即整个测试区域内，测点都是均匀分布的。离散测点的均匀分布使后续的数据处理系统的连续化处理更加方便，计算速度更快，更具实时性。

[0017] 上述的3组测量横向轮轨力的应变花组的具体布置为：每组应变花组由前排两个应变花、后排两个应变花共四个应变花组成，前、后两排应变花的中心相距220mm；第一组前排的应变花布置于扣件向后40mm的轨底边缘，第三组后排的应变花布置于另一扣件向前40mm的轨底边缘，且第一组的后排应变花的中心与第二组的后排应变花中心相距150mm，第二组的后排应变花的中心与第三组的后排应变花中心相距150mm。

[0018] 这种布置方法使第一组和第三组横向测试应变花组安装时避开了轨底的扣件；并且在整个测试区域内测点也基本均匀分布，使后续的数据处理系统的连续化处理方便，计算速度快，实时性好。

[0019] 上述的数据库中的车轮擦伤曲线包含了(10+5n)km/h，n＝0，1，2...22的速度下重载车辆车轮存在长度为10、15、20、25、30、40、50mm擦伤时的连续垂向轮轨力曲线。

[0020] 这样，数据库中的曲线数据既能较好的反映现实情况下的擦伤长度状况，又使计算的复杂度较低。

[0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

附图说明

[0022] 图1是本发明实施例在一跨钢轨中的应变花的布置示意图。

[0023] 图1中：10为钢轨，2为钢轨上的轨道测试点，3为扣件，4为轨枕；

[0024] 测量垂向轮轨力的应变花组中各排应变花的编号分别为：11为第一组前排的应变花，12为第一组后排应变花，21为第二组前排应变花，22为第二组后排应变花，31为第三组前排应变花，32为第三组后排应变花；

[0025] 测量横向轮轨力的应变花组中各排应变花的编号分别为：101为第一组前排的应变花，102为第一组后排应变花，201为第二组前排应变花，202为第二组后排应变花，301为第三组前排应变花，302为第三组后排应变花。

具体实施方式

[0026] 实施例

[0027] 图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种重载列车运行危险状态的地面监测方法，其步骤是：

[0028] A、在连续15跨(相邻两轨枕4之间的钢轨为一跨)的铁路轨道直线单侧钢轨10上布置应变花组，每跨的轨腰上布置3组测量垂向轮轨力的应变花组，每跨的轨底边缘上布置3组测量横向轮轨力的应变花组构成应变测试模块；由应变测试模块测试出列车经过时，轨道测试点2的垂向轮轨力和横向轮轨力的信号及其对应的时间信号；

[0029] B、将A步测得的轨道测试点的垂向轮轨力和横向轮轨力信号及其对应的时间信号通过信号调理器放大、滤波后由数据采集卡转换为轨道测试点的数字信号；该数字信号再经数据处理系统转化为所述的15跨轨道即测试区各点连续的轮轨力曲线；转化方法可以采用各种现有的离散数据连续化方法，如：申请号为201010529935.0的“一种地面测试铁道车辆轮轨力的连续化处理方法”的专利申请所使用的方法。

[0030] C、数据处理系统将被测列车的速度信号和B步得到的测试区各轮对上各点连续的垂向轮轨力曲线与数据库中的对应速度下，不同擦伤长度的车轮擦伤曲线进行比较，如比较轮对的垂向轮轨力曲线与被比较的擦伤曲线尖峰的残差平方和小于设定的阈值，则判定该轮对存在擦伤，且擦伤长度等于被比较的车轮擦伤曲线所对应的擦伤长度，并给出该列车存在车轮擦伤、列车运行处于危险状态及其擦伤轮对位置的信息；上述的阈值在轮轨力的单位在kN时通常取3.2-5.3。

[0031] 数据处理系统将B步得到的测试区各轮对上各点连续的横向轮轨力曲线进行频域和时域分析，如有轮对曲线的主频在设定的取值范围内，且此曲线在时域上存在周期波形，则判定该轮对蛇形失稳，并给出该列车处于蛇形失稳危险状态及其蛇形失稳轮对位置的信息。上述的主频的取值范围通常为9-11Hz。

[0032] 图1还示出，本例的3组测量垂向轮轨力的应变花组的具体布置为：每组应变花组由前排两个应变花、后排两个应变花共四个应变花组成，前、后两排应变花的中心相距220mm；第一组前排的应变花11布置于扣件3正上方的轨腰处，且第一组的后排应变花12的中心与第二组的后排应变花22中心相距190mm，第二组的后排应变花22的中心与第三组的后排应变花32中心相距190mm；

[0033] 3组测量横向轮轨力的应变花组的具体布置为：每组应变花组由前排两个应变花、后排两个应变花共四个应变花组成，前、后两排应变花的中心相距220mm；第一组前排的应变花101布置于扣件3向后40mm的轨底边缘，第三组后排的应变花302布置于另一扣件3向前40mm的轨底边缘，且第一组的后排应变花102的中心与第二组的后排应变花202中心相距150mm，第二组的后排应变花202的中心与第三组的后排应变花302中心相距
150mm；

[0034] 本例的数据库中的车轮擦伤曲线包含了(10+5n)km/h，n＝0，1，2...22的速度下重载车辆车轮存在长度为10、15、20、25、30、40、50mm擦伤时的连续垂向轮轨力曲线。