基于IEPE型加速度傳感器的鋼軌變形監(jiān)測設(shè)計

金天 栗一鳴 孟元成 陳傳虎

摘? 要：保障高鐵的安全運(yùn)行是維持我國軌道交通鐵路系統(tǒng)高效穩(wěn)定發(fā)展的重要組成部分。本文以高性能振動傳感器作為監(jiān)測器件，通過監(jiān)測高鐵運(yùn)行過程中車輪與鋼軌間應(yīng)力變化的波形參數(shù)，結(jié)合軌道路況的改變，來分析非路況變化條件下輪軌間的異常摩擦形成原因，達(dá)到維護(hù)高鐵安全通行和分擔(dān)軌道檢查復(fù)雜工作的雙重目的。該設(shè)計將協(xié)助地面探測設(shè)備掌握軌道路況的細(xì)微變化，輔助日常軌檢工作高效化進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：高鐵軌道? 應(yīng)力變化監(jiān)測? 不平順指數(shù)? 壓電式傳感器

中圖分類號：G712 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0070-03

Abstract： To ensure the safe operation of high-speed railway is an important part of maintaining the efficient and stable development of China's rail transit railway system. In this paper， the high-performance vibration sensor is used as the monitor， through monitoring the wave parameters of the stress changes between the wheel and rail during the operation of high-speed rail， combined with the changes of the track conditions， to analyze the causes of abnormal friction between the wheel and rail under the conditions of non-road conditions， so as to achieve the dual purpose of maintaining the safe passage of high-speed rail and sharing the complex work of track inspection. The design will assist the ground detection equipment to master the subtle changes of track conditions， and assist the daily track inspection work to be carried out efficiently.

Key Words： High speed rail; Stress change monitoring; Irregularity index; Piezoelectric sensor

我國鐵路軌道狀況檢查工作復(fù)雜而繁重。通常路段平均每月兩次使用軌檢車進(jìn)行軌道的全區(qū)段動態(tài)檢查，日常則采用軌旁地面設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)探測檢查。在實現(xiàn)高效利用軌檢車層面上，我國軌道檢查工作面臨兩方面問題：第一，相比于白天在鋼軌上駛過的數(shù)輛高鐵列車車次，軌檢車進(jìn)行輪軌間應(yīng)力測試的次數(shù)占比較小，測試結(jié)果普適性不足;第二，由于軌檢車在每次檢測中所得的輪軌間應(yīng)力參數(shù)特別龐大，對數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析的效率是極低下的[1]。往往會拋棄大量一般性結(jié)果，只研究頻譜中維持時間較長的特異性結(jié)果，數(shù)據(jù)利用程度欠缺。

在高鐵列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，使用各種類型的傳感器探測設(shè)備是車載設(shè)備里有效保障列車安全平穩(wěn)運(yùn)行及列車關(guān)鍵部件正常工作的主要測控手段。其中，配置的振動傳感器主要用于防范各車輪所受壓力不平衡、車輪與軌道不密貼或車輪脫軌等重大危險災(zāi)害。該傳感器并不負(fù)責(zé)傳輸輪軌間應(yīng)力變化波形，其本身仍具有開發(fā)價值。

1? 高鐵輪軌間應(yīng)力波形檢測總體設(shè)計

1.1 傳感器測量電路

本文選用以壓電陶瓷為敏感元件的IEPE型加速度傳感器EA-192為例，根據(jù)傳感器探測所得的輪軌間振動變化參數(shù)，EA-192傳感器自動將輪軌間振動的幅值-時間信號轉(zhuǎn)為電壓信號，并通過電壓放大電路（如圖1），記錄于單片機(jī)處理器中以便分析處理。

1.2 信號處理單元模塊

以單片機(jī)為核心構(gòu)件，搭建包含信號濾波、數(shù)字化顯示、過電壓報警、干擾信號識別、車—地設(shè)備通信多功能一體的信號處理模塊（如圖2）。由此繪制出監(jiān)測模塊的主體，傳感器電壓信號處理電路（如圖3）。

1.3 過電壓報警電路

鑒于本設(shè)計進(jìn)行聲光報警時，無需立即對報警信息加以處理。故在滿足基本的提醒功能前提下，按照節(jié)約材料的原則，設(shè)置簡易、低能耗、穩(wěn)定的聲光報警處理電路（如圖4），僅采用單個的LED發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器，達(dá)到提醒和指示工作人員的目的。

1.4 車—地?zé)o線通信

作為連結(jié)車載設(shè)備與地面設(shè)備之間密切交互的重要手段，車—地?zé)o線通信的信號傳輸要求地面設(shè)備在接收列車傳來的輪軌間應(yīng)力變化異常信息時，設(shè)備記錄該異常，并在地面設(shè)備再次監(jiān)測高鐵軌道路況后，判斷是否存儲或忽略該異常信號。借此形成以下邏輯框圖（如圖5）。

2? 實驗總結(jié)

2.1 硬件選型

目前市面上廣泛采用IEPE型壓電式加速度傳感器來滿足寬頻率振動檢測要求[2]。本設(shè)計采用EA-192 IEPE型壓電加速度傳感器（如圖6），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如圖7）與一般壓電陶瓷類的加速度傳感器并無不同，但其低噪聲、抗干擾能力較好，特別是耐溫范圍廣泛，在應(yīng)對檢測高速列車輪軌應(yīng)力變化的復(fù)雜條件上占有優(yōu)勢。

該傳感器工作在12～24V直流電壓下，輸出最大電壓為5V。對于列車運(yùn)行控制系統(tǒng)供電壓力的影響微乎其微。不僅兼具體積小、重量輕和密封防水的特點，而且它的適應(yīng)溫度范圍為-50℃～120℃，在中國各氣候條件下均能無障礙工作[3]。

在軌檢車檢測高鐵軌道過程中，軌道不平順質(zhì)量指數(shù)（TQI）是衡量軌道區(qū)段是否存在鋼軌表面變形的主要指標(biāo)[4]。其測量原理是利用更加精密穩(wěn)定的加速度傳感器及其配套設(shè)備，由探測結(jié)果生成不平順指數(shù)數(shù)據(jù)波形，判斷鋼軌質(zhì)量是否仍然可靠穩(wěn)固。

使用該傳感器雖無法做到如同軌檢車上精密探測設(shè)備的準(zhǔn)確程度，但其利用率更高，異常信號分析判斷工作將彌補(bǔ)軌檢車海量探測數(shù)據(jù)的低效益處理。

2.2 結(jié)果分析

本設(shè)計從模擬試驗角度，闡述了高鐵軌道存在發(fā)生鋼軌變形的可能時，通過高鐵車載加速度傳感器設(shè)備可探測出故障位置。真實運(yùn)行情況下，0.1mm級的鋼軌變形程度，都會使高速運(yùn)行的高鐵承受重大風(fēng)險。可預(yù)見的，在速度尤其高、質(zhì)量尤其大的現(xiàn)代高鐵運(yùn)輸中，鋼軌極細(xì)微的變形對于通用加速度傳感器來說，也會測量到非常巨大的異常變化。模擬試驗表明在高鐵上加裝該功能傳感器用于監(jiān)測高鐵軌道情況有很多益處。

3? 成果展望

目前，以美國諾?？四戏借F路公司（NS）為代表的多家I級鐵路公司一直在試驗性使用無人機(jī)遙控檢測鐵路軌道路面狀態(tài)，并且已經(jīng)在一次自然災(zāi)害侵襲鐵路時通過無人機(jī)勘測鐵軌，從而進(jìn)一步設(shè)計了更精確的鐵軌修復(fù)計劃，為其應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)提供了豐厚經(jīng)驗。我國同樣有優(yōu)異的無人機(jī)機(jī)器視覺航測技術(shù)，國內(nèi)許多研究學(xué)者也在進(jìn)行基于無人機(jī)的軌道狀態(tài)勘測測試，但實際上還未能在鐵路檢測中發(fā)揮作用[5-6]。

相比于對鋼軌質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高得多的高鐵列車所使用的軌道，普通鐵路軌道在軌面發(fā)生極小程度偏移或形變時，不會對普通中低速列車的安全運(yùn)行造成干擾。通過非接觸式的無人機(jī)視覺勘測就能滿足評估自然災(zāi)害或其他破壞因素導(dǎo)致的鐵軌路面損壞情況。然而，我們現(xiàn)在面對的是：對高速鐵路所用的無縫鋼軌進(jìn)行監(jiān)測。顯然，憑借無人機(jī)的機(jī)器視覺分辨能力，無人機(jī)勘測軌道的方式在較長一段時間內(nèi)都難以替代人工駕駛的軌檢車探測軌道參數(shù)的檢測方式。

4? 結(jié)語

本設(shè)計根據(jù)得出的初步成果，下一步將收集高鐵運(yùn)行中實際的輪軌間應(yīng)力參數(shù)。同時借助學(xué)校實訓(xùn)平臺提供的機(jī)會，運(yùn)用相關(guān)車載及地面設(shè)備，使用傳感器探測設(shè)備衡量高鐵所用鋼軌發(fā)生微小變形前后的質(zhì)量指數(shù)。尋找該設(shè)計的不足，驗證模擬試驗的可實踐性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉瀟瀟.基于軌檢車檢測數(shù)據(jù)的高速鐵路橋梁豎向動態(tài)變形評估分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[2] 宋先進(jìn)，王志.基于IEPE加速度傳感器的振動測試系統(tǒng)研究[J].安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019（1）：19-22.

[3] 朱守金，倪江利，孫權(quán)海，等.功能陶瓷材料研究進(jìn)展概述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（23）：89-90.

[4] 楊友濤，劉國祥，劉成龍，等.高速鐵路軌道不平順參數(shù)多尺度相關(guān)性分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2019（2）：416-425.

[5] 管嶺.基于無人機(jī)的軌道交通線路環(huán)境實時感知技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2018.

[6] 劉成，任利惠，左建勇.無人機(jī)軌道跟蹤控制模型[J].城市軌道交通研究，2018（5）：170-173.

[7] 王占友， 何琳. IEPE型智能加速度傳感器的設(shè)計[J]. 艦船電子工程， 2017（5）.