一种基于车轴动态扭矩释放的钢轨波磨监测方法及装置与流程

本发明涉及钢轨波磨监测，特别涉及一种基于车轴动态扭矩释放的钢轨波磨监测方法及装置。

背景技术：

1、钢轨波浪形磨耗(简称钢轨波磨)会加剧轮轨间相互作用，引发轮轨接触高频振动，长期的轮轨高频振动会缩短轨道、车辆零部件的疲劳寿命，甚至引发轨道板、扣件、路基病害，危害行车安全，是轨道交通领域的难题。同时，钢轨波磨会导致车辆、轨道系统振动噪声过大，影响乘车及线路沿线居民舒适度，每年因钢轨波磨导致的轨道交通经济损失巨大。钢轨波磨常采用打磨的方法治理，然而打磨后继续使用仅几个月后波磨又会再次出现钢轨波磨，极易反复发作。可见，目前所采用机械的打磨整治方法并不能从根本上消除钢轨波磨产生的影响因素。因此，从钢轨波磨的成因机理出发，消除钢轨波磨的诱因，是解决钢轨波磨问题的有效途径。

2、钢轨波磨的成因十分复杂，关于钢轨波磨的成因尚无统一定论，其中轮轨间的相对滑动和轮对不对称扭转振动是钢轨波磨主要成因之一，轮轨间的相对滑动是轮轨间接触黏滑自激振动所致，即轮轨间蠕滑力达到饱和，轮轨间存在黏滑接触状态，形成摩擦自激振动，在黏着区域轮轨磨损较轻，在滑动区域轮轨磨损严重，从而引起了周期性的钢轨磨耗。车辆的车体上设置有转向架，转向架上转动连接有轮对，轮对包括车轴和车轮，转向架可通过车轮在钢轨线路上移动，轮对不对称扭转振动是由于现有车轮轮对为刚性连接结构，左右两个车轮的转速理论上应该是相同的，但当车辆在轨道上出现转弯等状态时，因为两侧轨道半径不同，导致左右轮对的线速度存在差异，这就导致两侧车轮的实际转速并不完全相同，此时车轴便会出现一定的扭转，此外实际情况中轨道并非完全平直，而是由半径不同的曲线构成，当车辆在曲线轨道上运行时，这种线速度差异会导致左右车轮出现转速差持续增加。而车轴上形成的扭矩，实际上是由两侧车轮和轨道之间的不同方向的摩擦力形成的，当该扭矩达到一定数值时(与车轴及车轮的刚度、弹性模量等有关)，摩擦力的大小就会超出车轮与轨道之间的最大静摩擦力，出现打滑并释放扭矩。这个打滑的过程，就是最容易导致车轮与轨道之间形成滑动摩擦，最终形成钢轨波磨。

3、目前针对钢轨波磨的获取手段主要有两种，一种是采用事后检测，即人工抽样或利用钢轨波磨检测小车检测波磨形成后的轨道表面损伤程度，此种方式检测速度慢、效率较低且人力成本较高；另一种是根据安装在车辆上的振动或噪声传感器采集的振动和噪声信号来识别钢轨的波磨情况，而车体振动、噪声信号干扰较多，一定程度上会影响钢轨波磨识别准确性。为了探明钢轨波磨的形成机制，需要对车辆行驶过程中轮对的不对称扭转情况进行检测，从而判断是否有钢轨波磨发生，但现有技术中缺少能监测钢轨波磨的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有钢轨波磨事后监测方法速度慢、效率较低，以及仅通过车下振动信号识别波磨准确性不高的问题，提供一种基于车轴动态扭矩释放的钢轨波磨监测方法及装置。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明一方面提供了一种基于车轴动态扭矩释放的钢轨波磨监测方法，包括：获取车辆的车轴动态扭矩数据和车辆运行速度数据；对所述车轴动态扭矩数据进行分析，当车轴扭矩发生突变时，说明车轮出现扭矩释放，判定存在钢轨波磨，结合所述车辆运行速度数据和车辆运行时间，确定车辆运行过程中钢轨波磨区段。

4、在本发明的技术方案中，当车辆的轮对在运行中存在左右车轮转速差时，会导致车轴上产生微幅扭转的趋势并形成扭矩，该扭矩的存在需要左右车轮上的不对称摩擦力来维持；当左右车轮转速差达到某个极值时，或车轮上的产生摩擦力的正压力达到某个极值时，或车轮与钢轨之间的摩擦系数出现变化时，需要的摩擦力大于车轮能够提供的最大静摩擦力，则车轮便会出现打滑现象，此时，车轴上的扭矩被释放，通过车轴动态扭矩数据的变化来反映车轮是否出现滑动摩擦，也就是通过实时监测轮对在运转过程中是否存在因轮对扭转而产生车轴上加大的扭矩并存在扭矩周期性释放，从而判断钢轨波浪型磨耗的产生和发展，当监测到车轴扭矩发生突变时，说明车轮出现扭矩释放，即车轮出现滑动摩擦，轮轨间的滑动摩擦是钢轨波磨的形成条件，然后结合车辆运行速度数据和车辆运行时间，从而确定车辆运行过程中发生钢轨波磨的区段，实现对钢轨波磨的监测。本发明的技术方案是通过轮对两侧的不对称扭转来监测两侧的车轮是否发生滑动摩擦，从而确定是否发生钢轨波磨，这样监测方法准确性较高，能实时地对车辆运行过程中是否发生钢轨波磨进行判断，监测速度快、效率高。

5、需要说明的是，车轴扭矩发生突变是指扭矩在短时间内明显增大或减小，后恢复初始幅值的变化过程。由于车轴扭矩的累积释放过程是逐渐累积快速释放，后又重复这一过程，扭矩积累过程不发生运动，或运动的幅度比扭矩释放小得多得多；扭矩释放过程在短时间内发生扭转运动，表现为扭矩即为短时间内明显增大或减小，后恢复初始幅值的变化过程。

6、作为本发明的优选方案，所述车轴动态扭矩数据是通过车轴感生电动势数据来进行记录，车轴扭矩发生突变为车轴感生电动势发生突变。车轴感生电动势数据是感生电动势的电压随时间变化情况，车轴动态扭矩数据不方便进行测量，为了测量在车轴上设置磁性材料体和与线圈，当车轴上产生微幅扭转的趋势并形成扭矩，磁性材料体和与线圈相对运动会产生感生电动势，通过记录感生电动势的变化用于表征车轴扭矩的变化。车轴扭矩的累积释放过程是逐渐累积快速释放，感生电动势变化规律上表现为电压随时间在扭矩积累过程中电压为零或微幅波动，扭矩释放过程中电压变化相对累积过程较为明显，相比累积过程呈短时间内明显增大或减小，后恢复初始幅值的变化过程。因此车轴感生电动势发生突变是指感生电动势电压在短时间内明显增大或减小，后恢复初始幅值的变化过程。通过车轴感生电动势变化数据可以获得车轴的扭矩积累和释放信息随时间变化情况，即得到车轮与钢轨何时出现打滑并出现滑动摩擦。

7、作为本发明的优选方案，所述监测方法还包括获取车体垂向加速度数据，对所述车体垂向加速度数据进行分析，当垂向加速度发生大幅度持续性高频率波动变化时，同时车轴扭矩发生突变，判定存在钢轨波磨，结合所述车辆运行速度数据和车辆运行时间，确定车辆运行过程中钢轨波磨区段，垂向加速度发生大幅度持续性高频率波动变化是指垂向加速度突然基于初始幅值大幅度增大或减小的波浪形变化，波动变化的频率高，表现出波动曲线密集的情况。

8、在上述的技术方案中，监测方法包括获取车辆的车轴动态扭矩数据、车体垂向加速度数据和车辆运行速度数据；对所述车轴动态扭矩数据和所述车体垂向加速度数据进行分析，当垂向加速度发生大幅度持续性高频率波动变化且车轴扭矩发生突变时，判定存在钢轨波磨，结合所述车辆运行速度数据和车辆运行时间，确定车辆运行过程中存在钢轨波磨的区段。

9、钢轨波磨是钢轨不平顺的一种，钢轨不平顺的存在会导致车辆出现较大的垂向振动，可通过监测车辆的垂向振动来判断此时的轨道是否存在钢轨不平顺。当车辆垂向加速度突然增大时，说明轨道出现不平顺，此不平顺包括但不限于钢轨波磨、钢轨焊缝等。钢轨波磨为钢轨表面连续性磨耗，其引发的车体垂向加速度响应时间上呈持续性；钢轨焊缝为间断性不平顺，其引发的车体垂向加速度响应时间上呈脉冲性。而本技术的技术方案同时获取了车轴动态扭矩数据和车体垂向加速度数据，当车轴扭矩发生突变时，说明两侧车轮出现扭矩释放，即车轮出现滑动摩擦，这是满足钢轨波磨的形成条件，如果同时监测到车辆的垂向加速度发生突然大幅波动并持续一定时间后恢复初始水平，就能判断当前所处的位置是否满足钢轨不平顺的评判指标，进一步证实钢轨波磨的发生，就是满足了垂向加速度变化时间与车轴扭矩变化时间同步，即发生了钢轨波磨，则认定此时车辆正通过钢轨波磨区段，或监测到该区段出现钢轨波磨。本技术方案同时监测车轮与钢轨间的滑动摩擦和车体垂向加速度是否发生剧烈变化，通过车轴动态扭矩数据可以判断是否发生钢轨波磨，采用垂向加速度变化数据能够进一步证实钢轨波磨的发生，综合这两个条件来判断钢轨波磨的形成，能够准确地判断区段是否存在钢轨波磨。

10、本发明的另一方面还提供了一种基于车轴动态扭矩释放的钢轨波磨监测装置，所述监测装置包括扭矩监测单元、速度监测单元；

11、所述扭矩监测单元用于获取车轴感生电动势数据，所述扭矩监测单元包括套筒、磁性材料体、感应线圈和电压传感器；所述套筒套设在车轴的正中间，所述套筒包括第一端和第二端，所述第一端与车轴固定连接，所述第二端通过轴承套接在车轴上，所述第二端的端面上安装有所述磁性材料体，所述感应线圈安装在所述磁性材料体位置对应的车轴上，所述感应线圈设置有所述电压传感器；

12、所述速度监测单元用于实时获取车辆运行速度数据。

13、在本发明的技术方案中，监测装置包括扭矩监测单元和速度监测单元，扭矩监测单元通过获取车轴感生电动势数据来记录车轴动态扭矩数据，速度监测单元用于实时获取车辆运行速度数据，通过车轴动态扭矩数据的变化来反映车轮是否出现滑动摩擦，当车轴扭矩发生突变时，说明车轮出现扭矩释放，即车轮出现滑动摩擦，轮轨间的滑动摩擦是钢轨波磨的形成条件，然后结合车辆运行速度数据，从而确定车辆运行过程中发生钢轨波磨的区段，实现钢轨波磨的监测。

14、本发明监测装置的扭矩监测单元包括套筒、磁性材料体、感应线圈和电压传感器，套筒的一端与车轴刚性固定连接，另一端通过轴承套在车轴上，轴承作为套筒与车轴间的支撑，车轴、套筒、磁性材料体、感应线圈是采用同轴设置，通过这样的连接方式，能够释放套筒第二端的转动自由度，实现套筒第二端与车轴间微幅相对转动；在车轴扭矩的产生与释放过程中，套筒由于左端与车轴刚性固定，右端与车轴通过轴承连接，释放了转动自由度，故套筒本身不产生扭矩，左右两端也不会产生扭转差异。套筒整体与车轴左端保持相对静止，而与车轴右端做相对微幅扭转运动，此时固定于套筒自由端的磁性材料体与对应的固定于车轴上感应线圈间便会产生扭转，磁体与线圈间便会产生线性切割运动，从而产生感生电动势，电压传感器记录下感生电动势时域信号。

15、作为本发明的优先方案，所述磁性材料体为永磁材料体，具体为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。

16、作为本发明的优先方案，所述速度监测单元包括光电转速传感器和反光带，所述反光带设置在车轮上，所述光电转速传感器固定于车体转向架上，所述光电转速传感器垂直于车轮安装且指向所述反光带。光电转速传感器通过发射光信号并采集反光带的反光信号记录车轮转速，进而计算车辆运行速度，结合运行时间可实时掌握车辆所处位置。

17、作为本发明的优先方案，所述监测装置还包括垂向加速度监测单元，所述垂向加速度监测单元设置在车辆的转向架上，用于实时获取车体垂向加速度数据。

18、作为本发明的更优先方案，所述垂向加速度监测单元包括垂向加速度传感器，所述垂向加速度传感器安装在车辆的转向架上，所述垂向加速度传感器的主轴方向垂直于地面方向安装。垂向加速度传感器记录转向架垂向加速度随时间的变化情况。

19、通过上述的技术方案，通过以上装置获得的车轴感生电动势数据、车体垂向加速度数据和车辆运行速度数据，通过车轴感生电动势数据能够分析车辆在线路上何位置出现车轴扭矩的累积和释放，即车轮与钢轨的滑动摩擦；通过车体垂向加速度数据能够分析车辆在线路上何位置出现车体垂向加速度发生大幅度持续性高频率波动变化，即发生了钢轨的波浪形磨耗；进而推断钢轨波浪形磨耗在何位置产生或发展。

20、作为本发明的优选方案，所述监测装置还包括控制单元，所述控制单元与所述扭矩监测单元、所述速度监测单元均电性连接，用于将所述扭矩监测单元和所述速度监测单元采集的数据发送至所述控制单元，以分别获得所述车轴感生电动势数据和所述车辆运行速度数据。更进一步地，当所述监测装置还包括垂向加速度监测单元时，所述控制单元与所述扭矩监测单元、所述垂向加速度监测单元和所述速度监测单元均电性连接，用于将所述扭矩监测单元、所述垂向加速度监测单元和所述速度监测单元采集的数据发送至所述控制单元，以分别获得所述车轴感生电动势数据、车体垂向加速度数据和所述车辆运行速度数据。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果：

22、1、本发明通过车轴动态扭矩数据的变化来反映车轮是否出现滑动摩擦，当车轴扭矩发生突变时，说明车轮出现扭矩释放，即车轮出现滑动摩擦，轮轨间的滑动摩擦是钢轨波磨的形成条件，然后结合车辆运行速度数据，从而确定车辆运行过程中发生钢轨波磨的区段，判断钢轨波浪型磨耗的产生和发展。上述放入技术方案是通过轮对两侧的不对称扭转来监测两侧的车轮是否发生滑动摩擦，从而确定是否发生钢轨波磨，这样监测方法准确性较高，能实时地对车辆运行过程中是否发生钢轨波磨进行判断，监测速度快、效率高。

23、2、本发明同时获取了车轴动态扭矩数据和车体垂向加速度数据，当车轴扭矩发生突变时，车轮出现滑动摩擦，满足钢轨波磨的形成条件，如果同时监测到车辆的垂向加速度发生大幅度持续性高频率波动变化时，进一步证实钢轨波磨的发生，通过同时监测车轮与钢轨间的滑动摩擦和车体垂向加速度是否发生剧烈变化，车轴动态扭矩数据可以判断是否发生钢轨波磨，垂向加速度变化数据能够进一步证实钢轨波磨的发生，综合这两个条件来判断钢轨波磨的形成，能够准确地判断区段是否存在钢轨波磨。

24、3、本发明针对轮对的不对称扭转情况以及轮轴扭矩积累释放效应，结合车体垂向加速度变化，设计了一种基于车轴动态扭矩释放的钢轨波磨监测装置，监测装置包括扭矩监测单元、垂向加速度监测单元和速度监测单元，能够准确获取轮对的扭矩释放数据和车体转向架垂向加速度数据，从而监测车轮滑动摩擦与钢轨波浪形磨耗间的关系，为验证轮对扭转引发钢轨波磨理论提供直接的数据支撑，为钢轨波磨的治理方向提供参考。