便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)研制與應(yīng)用

張二永 張茂軒 吳奇永 牛留斌 夏承亮 孫善超

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081）

軌道的質(zhì)量狀態(tài)直接決定車輛運行的平穩(wěn)性和舒適性。軌道短波不平順能夠引起車輛劇烈振動，但其幅值小、波長短，既有檢測手段難以有效地檢測出軌道短波病害。軸箱直接與輪對相連，軌道短波不平順引起的輪軌劇烈振動可通過輪對直接傳遞到軸箱上，因此軸箱加速度能直接反映軌道短波不平順對車輛動力學(xué)帶來的影響。因此，軸箱加速度可以輔助評判軌道短波不平順［1-4］。

利用軸箱加速度可以在早期診斷軌道短波病害，有助于鐵路工務(wù)人員制訂針對性養(yǎng)護措施，精準(zhǔn)消除病害，抑制軌道短波病害進一步發(fā)展。中國國家鐵路集團基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心在綜合檢測列車上安裝了車輛加速度檢測系統(tǒng)，是利用軸箱加速度檢測軌道短波狀態(tài)的專業(yè)設(shè)備［5］，定期對我國高速鐵路線路進行檢測，評價軌道短波狀態(tài)。鐵路工務(wù)人員根據(jù)評判結(jié)果對軌道病害進行現(xiàn)場復(fù)核、整治，取得了良好的應(yīng)用效果［6］。

現(xiàn)有的軸箱加速度檢測系統(tǒng)固定安裝在專業(yè)檢測車上，根據(jù)檢測車的調(diào)度安排周期性檢測，不能靈活地滿足一些臨時或試驗性測試的需求。因此，研究一種可搭載在運營車上的便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)有著重要的意義。本文主要介紹了便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)的設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)、人機交互數(shù)據(jù)處理平臺、功能驗證、應(yīng)用實踐等。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計框架

便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)（簡稱檢測系統(tǒng)）主要由便攜式采集裝置、數(shù)據(jù)處理平臺、傳感器單元組成，整體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)整體設(shè)計框架

檢測系統(tǒng)的主要工作流程是：傳感器單元將測量的響應(yīng)信號傳輸至數(shù)據(jù)采集裝置，采集裝置經(jīng)過信號預(yù)處理后按照設(shè)定的配置參數(shù)對檢測數(shù)據(jù)進行采樣，最終傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺進行數(shù)據(jù)運算處理和波形顯示，并按照指定的格式進行數(shù)據(jù)存儲，在線或離線運用數(shù)據(jù)處理平臺進行檢測數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)對軌道短波狀態(tài)的動態(tài)檢測，精準(zhǔn)地識別出短波不平順缺陷。

2 便攜式采集裝置

便攜式采集裝置的主要功能是在高速動態(tài)條件下實現(xiàn)加速度傳感器信號的高速高精度采集和信號預(yù)處理，獲取軸箱高頻振動響應(yīng)數(shù)據(jù)。

便攜式采集裝置采用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、數(shù) 字 信 號 處 理（Digital Signal Processing，DSP）和進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，ARM）三個處理器協(xié)同工作，具有嵌入式操作系統(tǒng)和16 GB數(shù)據(jù)存儲空間，集成度高。模擬信號通道能夠?qū)崿F(xiàn)多路振動信號同步測量及存儲，脈沖通道能夠?qū)崿F(xiàn)高精度編碼器脈沖信號的高速采集與計算。

通過自動組網(wǎng)功能，實現(xiàn)在檢測系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備通訊，將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺進行軌道短波不平順特性分析。采集裝置為一體化設(shè)計，滿足工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求，減少非焊接式連接件的應(yīng)用。設(shè)備內(nèi)各獨立采樣通道相互隔離，可靠性強，適合惡劣的現(xiàn)場工作環(huán)境，具有防風(fēng)、防塵、防電磁干擾等特點。便攜式采集裝置主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 便攜式采集裝置主要技術(shù)指標(biāo)

3 數(shù)據(jù)處理平臺

3.1 軟件功能

數(shù)據(jù)處理平臺的主要功能包括基礎(chǔ)配置、測量過程、信息顯示三大模塊，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理平臺主要功能

基礎(chǔ)配置模塊的功能是在檢測任務(wù)開始前進行數(shù)據(jù)采集任務(wù)的信息配置，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、測量數(shù)據(jù)文件設(shè)置、測量通道參數(shù)設(shè)置、存儲設(shè)置以及車輛與線路信息設(shè)置等，界面如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理平臺的參數(shù)設(shè)置功能

測量過程模塊執(zhí)行任務(wù)交互控制，對檢測數(shù)據(jù)進行實時計算處理，并進行檢測信號的存儲。

信息顯示模塊實現(xiàn)測量任務(wù)進度、實時波形數(shù)據(jù)、設(shè)備通訊狀態(tài)、日志信息等的顯示。數(shù)據(jù)處理平臺主界面能夠?qū)崟r顯示波形信號。

3.2 軟件工作流程

數(shù)據(jù)處理平臺工作流程為：設(shè)置檢測基礎(chǔ)信息→系統(tǒng)建立相關(guān)數(shù)據(jù)文件→運行程序→系統(tǒng)自動進行檢測過程的數(shù)據(jù)計算、存儲輸出、界面顯示，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理平臺工作流程

4 功能驗證

為驗證便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)的功能，對試驗線路進行檢測。將檢測系統(tǒng)搭載在25T 型軌檢車上，用傳感器測量兩側(cè)軸箱垂向振動，并按照自定義數(shù)據(jù)格式（Comprehensive Inspection Train，CIT）格式存儲檢測數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)檢測現(xiàn)場

數(shù)據(jù)采集完畢后，得到軸箱垂向振動響應(yīng)的波形和頻域分析特性曲線，見圖6?？芍狠S箱垂向振動加速度響應(yīng)信號符合鋼軌接頭缺陷造成的響應(yīng)特征［7-8］，波形中可以明顯地看出有砟軌道線路上軸箱垂向加速度對線路25 m 間隔接頭短波不平順響應(yīng)特征與理論一致；軸箱垂向振動信號的主頻在635 Hz 附近，符合線路短波不平順?biāo)て鸬妮S箱垂向振動響應(yīng)特征?？梢?，便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)的檢測功能符合預(yù)期。

圖6 軸箱垂向振動響應(yīng)檢測結(jié)果

5 便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 接頭不良檢測分析

利用便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)對某線路進行檢測，用測得的軸箱加速度數(shù)據(jù)計算軌道沖擊指數(shù)，結(jié)果見圖7。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析，推斷該處短波病害為接頭不良?，F(xiàn)場復(fù)核如圖8所示?？梢钥闯鲈撎幗^緣接頭有灼傷現(xiàn)象，測得其平直度最大值為0.2 mm，最小值為-0.1 mm。

圖7 軌道沖擊指數(shù)

圖8 絕緣接頭灼傷

5.2 鋼軌波磨區(qū)段數(shù)據(jù)分析

利用便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)測得的某一區(qū)段的軸箱加速度波形，并得出其波磨指數(shù)曲線，如圖9所示。可知，在振動幅值較大處存在鋼軌波磨，其波磨指數(shù)峰值為5.285。

圖9 軸箱加速度動態(tài)檢測結(jié)果

對現(xiàn)場進行復(fù)測，區(qū)段長度恰好是兩塊軌道板對應(yīng)的長度，約10 m?，F(xiàn)場（圖10）可以看出有明顯的波磨。波磨區(qū)段表面平直度及其空間頻譜見圖11?？芍?，波磨特征明顯。

圖10 鋼軌波磨區(qū)段

圖11 鋼軌波磨區(qū)段表面平直度及其空間頻譜

6 結(jié)語

便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)通過便攜式采集裝置實現(xiàn)了小型化設(shè)計，集成度高，實現(xiàn)了軸箱加速度信號的同步采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、波形顯示、存儲分析等。該系統(tǒng)易于安裝維護，檢測精度高，可以有效地進行軸箱加速度檢測并對軌道短波不平順進行評判。

現(xiàn)場試驗及復(fù)核結(jié)果表明，檢測平臺易于快速搭建，檢測系統(tǒng)能準(zhǔn)確地完成軸箱加速度的數(shù)據(jù)檢測，有效識別接頭不良、鋼軌波磨等軌道短波病害，實現(xiàn)對軌道短波不平順的檢測和評判。便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)豐富了相關(guān)領(lǐng)域檢測裝備種類，具有良好的應(yīng)用前景。