120Km/h车载式在线电磁钢轨断轨检测仪器研制

Modern rail transportation with electrical power is green, environmental friendly because of its characteristics of clean, efficient, energy saving and low carbon. Nevertheless, it attracts more and more attention to safety and healthy. Rail broken is a critical threat among many problems related to safety especially for heavy haul railway. So a kind of online broken rail detection instrument is urgently needed. In this proposal, the vehicle mounted online rail broken detection instrument will be developed. It can be installed on common carriage of trains to detect rail broken and heavy crack which can cause rail broken. The instrument will use novel electromagnetic tomographic multi-frequency eddy current testing method and use FPGA to synthesis multi-frequency excitation signal. Then design low noise amplifiers to measure the boundary magnetic signal. Develop FPGA based parallel multi-frequency digital lock-in demodulation algorithm and develop image reconstruction algorithm for crack distribution on cross section of rail head. Then identify the rail broken information. The project will solve the problems including weak signal detection and lift-off effect removing on the condition of online vehicle mounted measurement. The interference of digital shift keying track circuit, power frequency traction return current and their harmonics will be decreased by using adaptive digital filter algorithms. The instrument will enhance the rail broken detection efficiency and accuracy and then promote repair to avoid severe railway accident.

现代轨道交通以电力为能源，清洁、高效、节能、低碳，是绿色环保的交通模式，但轨道交通如何安全健康发展倍受关注。在关乎安全的问题中，钢轨断轨极具威胁，特别是货运重载铁路，故迫切呼唤一种在线断轨检测仪器。本项目拟研制车载式在线断轨检测仪器，装备普通列车，在线检测断轨及潜在断轨，实现断轨报警。仪器将使用新型的电磁层析多频涡流检测方法，用FPGA直接合成多频激励信号实现同步电磁投影激励；设计低噪声多级程控放大电路检测边界磁场信号，开发检测信号的FPGA并行多频数字锁相解调算法；设计钢轨头部截面裂缝分布的图像重建算法，进而通过裂缝分布分析断轨信息。项目将解决车载在线检测情况下仪器对弱信号的检测和提离效应的抑制，并用自适应数字滤波算法滤除移频数字轨道电路和工频牵引回流及谐波的干扰。本仪器的研制将促进断轨的高效准确检测和及时修复、避免重大行车事故。

我国轨道交通飞速发展，高速铁路、城市地铁轻轨和重载货运铁路已成为国民经济发展的重要因素，钢轨损伤，特别是钢轨断轨会给列车带来巨大安全隐患。现有钢轨探伤技术难以实现车载在线断轨检测，目前正在广泛使用的超声探伤技术由于超声探头需要耦合剂与钢轨密贴而难以提高检测速度，无法实现在线检测。本项目应用电磁层析多频涡流方法研制了在线断轨检测仪器样机，可实现断轨和潜在断轨检测，实现断轨报警及预警，确保行车安全。本项目研制的车载在线电磁钢轨断轨检测仪器可装备于时速120Km/h的列车上，在线对列车经过的钢轨进行实时检测，可及时发现钢轨断轨和潜在断轨信息，当仪器检测到钢轨损伤信息时，仪器可将损伤数据连同GPS位置信息通过2/3/4G网络发送到安全检测中心，从而使钢轨得到进一步的复核检测和维护。仪器采用了多频激励信号，并进行能量分布相位优化，通过低噪声前端多级程控放大器和多频数字锁相放大器算法，实现电磁弱信号检测；仪器使用共模测距补偿和差分采样方法抑制提离效应，可在检测过程中去除列车震动对测量信号造成的影响；为实现在线快速检测和数据分析，仪器的信号激励采样控制使用FPGA设计，进行多通道数据的并行处理，并进行钢轨缺陷信息分析的流水线处理，仪器系统采用大容量动态缓冲和压缩方法确保检测实时性。研制了车载传感升降随动支撑平台及安全防护机构，完成车载仪器样机的研制，仪器样机已在大秦重载铁路茶坞工务段装车测试，实验室测试和现场测试验证了仪器的检测功能，该技术是轨道交通安全保障的一项重要新技术，预计有广阔的应用前景。项目研究内容已申请9项中国专利，已发表论文9篇，其中1篇论文发表于美国国家标准局期刊Journal of Research of NIST。