一种车轮踏面温度在线动态检测方法及系统与流程

本发明涉及轨道车辆车轮踏面温度测量技术领域，尤其涉及一种车轮踏面温度在线动态检测方法及系统。

背景技术：

车轮踏面是指车轮与钢轨顶面的接触部分，当车轮踏面温度升高到一定温度时，有可能会导致车轮磨耗加剧、表面剥离或裂纹，对车轮的使用寿命造成很大影响，所以监测车轮在行进过程中的温度，对提升车轮使用使用寿命有非常积极的作用。踏面温度测量需要在列车运行过程中进行测量，传统的温度测量方式采用接触式测量，由于热传导需要时间，所以无法满足瞬时测量要求，难以测量得到车轮踏面的实时温度，因此对于车轮踏面温度的测量需要采用非接触方式的红外测温，红外测温仍有一定的局限性，如被测物材质、表面粗糙等，对于金属材料而言，表面粗糙度对发射率有较大影响，直接影响红外测温的准确性，轨道车辆长期运行，车轮踏面由于制动、与钢轨摩擦等原因，其表面非常光亮，红外测温仪难以直接准确测量得到温度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种车轮踏面温度在线动态检测系统，解决目前技术中难以对车轮踏面温度进行在线动态测量，测量准确低的问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：

一种车轮踏面温度在线动态检测方法，采用红外测温探头实时测量行进中的车轮的轮辋侧面温度，再通过轮辋侧面与车轮踏面的温度关系数学模型推算出车轮踏面温度。本发明所述的车轮踏面温度在线动态检测方法采用非接触的红外测温方式，并且通过测量车轮轮辋侧面温度来间接计算获得车轮踏面温度，车轮轮辋侧面的表面不光亮，从而通过红外测温的方式可以准确的测量得到轮辋侧面温度，并且车轮的材质为稳态、内部无热源的各向同性材质，从而车轮踏面产生的热量是以固定规律向其周围扩散，进而可以通过计算建立轮辋侧面与车轮踏面的温度关系数学模型，在实测得到轮辋侧面温度后即可计算得到车轮踏面温度，测量准确度高，并且不妨碍轨道车辆的正常运行，实现在线动态测量，确保轨道车辆的运行安全性。

进一步的，在轨道旁设置沿轨道方向间隔分布的若干红外测温探头，并且所述若干红外测温探头沿轨道方向覆盖的长度大于等于车轮的圆周长度。通过间隔分布的若干红外测温探头可测量得到车轮圆周方向上不同位置处的轮辋侧面温度，从而能计算得到在车轮圆周方向上不同位置处的车轮踏面温度，例如在刹车或其他一些特殊情况下会导致车轮在圆周方向上不同位置处的车轮踏面温度存在差别，从而采用若干间隔设置的红外测温探头来覆盖车轮的整个圆周，提高检测全面性。

进一步的，所述的轮辋侧面与车轮踏面的温度关系数学模型为f(x)0＝a×e^(b×x)+c×e^(d×x)，其中x为实测轮辋侧面温度，f(x)0为车轮踏面温度，a、b、c、d为通过仿真数据求解得到的系数，由于车轮的材质为稳态、内部无热源的各向同性材质，车轮踏面产生的热量是以固定规律向其周围扩散，热量在三维方向均匀介质里的传播可通过公式进行计算，进行推导可得到轮辋侧面与车轮踏面的温度关系，通过仿真可以得到所求温度的数值解，再对数值解进行曲线拟合得到温度变化曲线。

一种车轮踏面温度在线动态检测系统，包括温度采集模组和主机，所述的温度采集模组包括设置在轨道旁的用于测量行进中的车轮的轮辋侧面温度的红外测温探头，主机接收红外测温探头得到的实测轮辋侧面温度并计算得到车轮踏面温度。本发明通过红外测温的方式准确的测量得到轮辋侧面温度，然后通过实测得到的轮辋侧面温度推算得到车轮踏面温度，测量准确度高，并且不妨碍轨道车辆的正常运行，实现在线动态测量，确保轨道车辆的运行安全性。

进一步的，所述温度采集模组还包括与主机连接的在轨道旁设置的由经过的车轮触发的车轮传感器，车轮传感器与红外测温探头配合工作，确保红外测温探头能精确的测量得到轮辋侧面温度，而且利用车轮传感器可以对车轮进行计数，确保红外测温探头测量得到轮辋侧面温度与车轮一一对应。

进一步的，所述的红外测温探头持续工作得到测温曲线，所述的车轮传感器由车轮触发后向主机发送触发时刻信息，测温曲线上对应于触发时刻的温度即为实测轮辋侧面温度，红外测温探头不间断的工作进行测温，当轨道车辆沿着轨道运行时，车轮会经过红外测温探头的测温区域，从而红外测温探头得到的测温曲线包含车轮轮辋测量的温度值，结合车轮传感器触发得到的车轮经过时的精确时间，进一步从测温曲线上获取轮辋侧面的实测温度，该系统测量精度高，红外测温探头无需频繁开启关闭，确保能实现高速、精确的测温。

进一步的，所述的温度采集模组沿着轨道方向间隔设置有若干个，可测量得到车轮圆周方向上不同位置处的轮辋侧面温度，从而能计算得到在车轮圆周方向上不同位置处的车轮踏面温度。

进一步的，所述若干温度采集模组沿轨道方向覆盖的长度大于等于车轮的圆周长度，采用若干间隔设置的红外测温探头来覆盖车轮的整个圆周，提高检测全面性。

进一步的，所述温度采集模组包含若干个测量车轮轮辋侧面不同位置温度的红外测温探头，测量车轮轮辋侧面不同位置得到多个实测轮辋侧面温度，再通过反向推导得到与轨道接触处的车轮踏面温度，提高反推得到的车轮踏面温度的准确度。

进一步的，所述的主机还连接有报警模块，在车轮踏面温度超过预设值时进行报警，避免因车轮踏面温度过高导致轨道车辆出现运行事故。

与现有技术相比，本发明优点在于：

本发明所述的车轮踏面温度在线动态检测方法及系统采用非接触的红外测温方式，通过测量车轮轮辋侧面温度来间接计算获得车轮踏面温度，不受车轮踏面表面状况的影响，测量准确度高，不妨碍轨道车辆的正常运行，实现在线动态测量，准确掌握轨道车辆工作时踏面的温度值，为进一步研究车轮踏面温升对车轮踏面状态的影响提供依据，避免因车轮踏面温度过高导致的列车运行事故，确保轨道车辆的运行安全性。

附图说明

图1为车轮踏面温度在线动态检测系统的结构示意图；

图2为温度采集模组的安装结构示意图；

图3为温度采集模组沿轨道方向的布置结构示意图；

图4为红外测温探头得到的测温曲线与车轮传感器触发时序的对照示意图。

具体实施方式

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。

本发明实施例公开的一种车轮踏面温度在线动态检测系统，可以实时动态的测量轨道车辆的车轮踏面温度，不影响轨道车辆的正常行驶，测量准确度高，在温度过高时进行报警，避免因车轮踏面温度过高导致轨道车辆出现运行事故。

由于车轮的材质为稳态、内部无热源的各向同性材质，车轮踏面产生的热量是以固定规律向其周围扩散，热量在三维方向均匀介质里的传播可用如下方程表达：

其中，u＝u(t，x，y，z)为温度，它是时间变数t与空间坐标(x，y，z)的函数；是空间中一点的温度对时间的变化率；uxx，uyy与uzz是温度对三个空间坐标轴的二次导数；k是热扩散率，决定于材料的热传导率、密度与热容。对于车轮而言，可以认为，车轮踏面为发热点，热量从车轮踏面沿三维方向均匀传播，车轮上某一点的温度与车轮踏面温度具有规律的关系，从而可以通过测量车轮其他位置处的温度来反向推导出车轮踏面的实际温度。

车轮轮辋外侧面表面相比于踏面更为粗糙，适合红外测温方法获取车轮轮辋外侧的温度，然后反向推导热源处实际温度，即车轮踏面温度。在本实施例中，车轮踏面温度在线动态检测方法，即是采用红外测温探头实时测量行进中的车轮的轮辋侧面温度，再通过轮辋侧面与车轮踏面的温度关系数学模型推算出车轮踏面温度。

通过仿真可以得到所求温度的数值解，再对数值解进行曲线拟合得到温度变化曲线。所述的轮辋侧面与车轮踏面的温度关系数学模型为f(x)0＝a×e^(b×x)+c×e^(d×x)，其中x为实测轮辋侧面温度，f(x)0为车轮踏面温度，a、b、c、d为待定系数，根据材料的热传导率、密度与热容等参数再通过仿真数据求解得到a、b、c、d的具体值，进而在实测到轮辋侧面温度后可计算得到车轮踏面温度。

如图1至图3所示，基于上述车轮踏面温度在线动态检测方法的系统，其主要包括温度采集模组和主机，所述的温度采集模组包括设置在轨道旁的用于测量行进中的车轮的轮辋侧面温度的红外测温探头11，主机接收红外测温探头11得到的实测轮辋侧面温度并计算得到车轮踏面温度。

并且，所述温度采集模组还包括与主机连接的在轨道旁设置的由经过的车轮触发的车轮传感器12，所述的红外测温探头11持续工作得到测温曲线，所述的车轮传感器12由车轮触发后向主机发送触发时刻信息，测温曲线上对应于触发时刻的温度即为实测轮辋侧面温度。如图4所示，红外测温探头不间断的工作得到测温曲线，当轨道车辆沿着轨道运行时，车轮会经过红外测温探头的测温区域，从而红外测温探头得到的测温曲线会存在温度变化，具体的，测温曲线呈现波浪形结构，波峰区域即为车轮经过红外测温探头测温区域的时段，由于轨道车辆进行速度不一致，难以精确的从测温曲线定位到准确的轮辋侧面温度，因此本实施例中利用车轮传感器来精确获得车轮经过红外测温探头的时间节点，将车轮传感器的触发时序与红外测温探头得到的测温曲线对照起来，车轮传感器被触发的时刻即为红外测温探头正对轮辋侧面的时刻，测温曲线上在该时刻的温度即为所需的实测轮辋侧面温度，有效保障测量精度，红外测温探头持续工作无需频繁开启关闭，确保能实现高速、精确的测温。

温度采集模组包含若干个测量车轮轮辋侧面不同位置温度的红外测温探头11，在本实施例中，一个温度采集模组中设置有3个红外测温探头11，相邻红外测温探头11的间距为200mm，测量车轮轮辋侧面不同位置得到多个实测轮辋侧面温度，再通过反向推导得到与轨道接触处的车轮踏面温度，提高反推得到的车轮踏面温度的准确度。

并且，温度采集模组沿着轨道方向间隔设置有若干个，相邻温度采集模组的间距小于车轮的圆周长度，而若干温度采集模组沿轨道方向覆盖的长度大于等于车轮的圆周长度，通过间隔分布的若干红外测温探头可测量得到车轮圆周方向上不同位置处的轮辋侧面温度，从而能计算得到在车轮圆周方向上不同位置处的车轮踏面温度，并且能有效覆盖车轮的整个圆周，提高对车轮踏面温度检测的全面性，为进一步研究车轮踏面温升对车轮踏面状态的影响提供依据。所述的主机还连接有报警模块，在车轮踏面温度温度超过预设值时进行报警，避免因车轮踏面温度过高导致轨道车辆出现运行事故，提高轨道车辆运行安全性。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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