王亞鵬， 徐海賢， 何承剛， 黃彬武

(1.廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.南寧鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，廣西 南寧 530000)

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剪力傳感器在鐵路計(jì)軸領(lǐng)域的應(yīng)用

王亞鵬1， 徐海賢2， 何承剛1， 黃彬武2

(1.廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.南寧鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，廣西 南寧 530000)

提出了一種在鐵路計(jì)軸領(lǐng)域運(yùn)用剪力傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)軸的方法，由于剪力傳感器具有靈敏度高、精確性好等優(yōu)點(diǎn)，該方法能運(yùn)用剪力傳感器感應(yīng)車輪的重力轉(zhuǎn)換為檢測(cè)信號(hào)計(jì)算車軸數(shù)量，可有效排除不利因素對(duì)計(jì)軸設(shè)備造成的干擾，保證計(jì)軸設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高計(jì)軸設(shè)備的安全可靠性，保障鐵路系統(tǒng)的運(yùn)輸安全。

剪力傳感器； 計(jì)軸； 運(yùn)輸安全

0　引　言

當(dāng)前鐵路系統(tǒng)中，普遍采用電磁感應(yīng)式計(jì)軸設(shè)備來解決軌道電路分路不良、紅光帶等問題[1]。電磁感應(yīng)式計(jì)軸設(shè)備使用的電磁傳感器緊貼式安裝在鋼軌的軌腰上，常年受到車輪經(jīng)過時(shí)震動(dòng)的影響，會(huì)引起裝置的松動(dòng)或脫落等問題，這些因素會(huì)引起傳感器參數(shù)發(fā)生漂移，使檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性降低，影響計(jì)軸設(shè)備的正常工作，另外,該設(shè)備還容易受到非輪軸金屬物體和單軌車等因素的影響[2]。在計(jì)軸設(shè)備中采用剪力傳感器，利用其靈敏度高、精確性好等優(yōu)點(diǎn)，以及將傳感器軸銷式插入道軌的安裝辦法，可以有效地消除以上不利因素對(duì)計(jì)軸設(shè)備的影響，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高計(jì)軸設(shè)備的安全可靠性，保障運(yùn)輸安全。

本文提出了一種在鐵路計(jì)軸領(lǐng)域應(yīng)用的剪力傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)軸的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該方法計(jì)軸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，計(jì)軸

設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

1　剪力傳感器的輸出與移動(dòng)載荷的關(guān)系

根據(jù)力學(xué)原理分析，鋼軌在車輪重力載荷作用下會(huì)發(fā)生彈性應(yīng)力變化，剪力傳感器安裝在鋼軌中，用來感知應(yīng)力變化，產(chǎn)生與應(yīng)力變化相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值[3]。為了方便論述，將兩根軌枕A和B之間的一段鋼軌視為一段簡(jiǎn)支梁(以下稱為檢測(cè)區(qū))，在梁的正中間C點(diǎn)位置安裝剪力傳感器，如圖1所示。

圖1　剪力傳感器力學(xué)模型Fig 1　Mechanical model for shearing force sensor

當(dāng)車輪沿著不同方向行駛通過檢測(cè)區(qū)，C點(diǎn)橫截面的剪力Q的力學(xué)分析也不相同。

當(dāng)車輪在鋼軌上從A端向B端方向行駛(以下簡(jiǎn)稱正向行駛)，根據(jù)工程實(shí)際中梁的力學(xué)原理可知，當(dāng)車輪行駛未通過C點(diǎn)位置，C點(diǎn)橫截面的剪力Q與移動(dòng)載荷P之間的關(guān)系為

(1)

車輪行駛通過C點(diǎn)位置后，C點(diǎn)橫截面的剪力Q與移動(dòng)載荷P之間的關(guān)系為

(2)

剪力傳感器感應(yīng)的信號(hào)值U與C點(diǎn)橫截面的剪力Q之間的關(guān)系為

U=KQ

(3)

式中L為軌枕A和B之間鋼軌的長(zhǎng)度,m；X為車輪中軸線至軌枕A的距離,m；K為剪力傳感器的信號(hào)值U與C點(diǎn)橫截面的剪力Q之間的正比例系數(shù)[4]。

分析可知，在檢測(cè)區(qū)內(nèi)隨著車輪正向行駛，X值不斷增大。當(dāng)車輪行駛未通過C點(diǎn)位置時(shí)，由式(1)可知C點(diǎn)橫截面的剪力Q為負(fù)值，且隨著車輪的行駛不斷地減小，當(dāng)車輪行駛至車輪中軸線臨界C點(diǎn)位置時(shí)，C點(diǎn)橫截面的剪力Q達(dá)到負(fù)的最小值。車輪行駛通過C點(diǎn)位置后，由式(2)可知C點(diǎn)橫截面的剪力Q為正值，且隨著車輪的行駛也是不斷減小。當(dāng)車輪中軸線剛通過C點(diǎn)位置且臨界C點(diǎn)位置時(shí)，C點(diǎn)橫截面的剪力Q值達(dá)到正的最大值。在車輪中軸線通過C點(diǎn)位置時(shí)，C點(diǎn)橫截面的剪力Q值發(fā)生從負(fù)值到正值的跳變。

由此得出，車輪正向行駛通過檢測(cè)區(qū)，剪力傳感器的信號(hào)曲線如圖2(a)所示。

(a)　正向行駛

(b)　反向行駛圖2　車輪正向/反向行駛剪力傳感器的信號(hào)曲線Fig 2　Signal curve of shearing force sensor when wheel is running in forward diredction/opposite direction

當(dāng)車輪在鋼軌上從B端向A端方向行駛(以下簡(jiǎn)稱反向行駛)，根據(jù)工程實(shí)際中梁的力學(xué)原理可知，當(dāng)車輪行駛未通過C點(diǎn)位置，C點(diǎn)橫截面的剪力Q與移動(dòng)載荷P之間的關(guān)系為

(4)

當(dāng)車輪行駛通過剪力C點(diǎn)位置，C點(diǎn)橫截面的剪力Q與移動(dòng)載荷P之間的關(guān)系為

(5)

剪力傳感器感應(yīng)的信號(hào)值U與C點(diǎn)橫截面的剪力Q之間的關(guān)系為

U=KQ

(6)

式中L為軌枕A和B之間鋼軌的長(zhǎng)度,m；X為車輪中軸線至軌枕A的距離,m；K為剪力傳感器的信號(hào)值U與C點(diǎn)橫截面的剪力Q之間的正比例系數(shù)[4]。

同理分析，在檢測(cè)區(qū)內(nèi)隨著車輪反向行駛，X值不斷減小。當(dāng)車輪行駛未通過C點(diǎn)位置時(shí)，由式(3)可知C點(diǎn)橫截面的剪力Q為正值，且隨著車輪的行駛不斷的增大，當(dāng)車輪行駛至車輪中軸線臨界C點(diǎn)位置時(shí)，C點(diǎn)橫截面的剪力Q達(dá)到正的最大值。車輪行駛通過C點(diǎn)位置后，由式(4)可知C點(diǎn)橫截面的剪力Q為負(fù)值，且隨著車輪的行駛也是不斷增大。當(dāng)車輪中軸線剛通過C點(diǎn)位置且臨界C點(diǎn)位置時(shí)，C點(diǎn)橫截面的剪力Q值達(dá)到負(fù)的最小值。在車輪中軸線通過C點(diǎn)位置時(shí)，C點(diǎn)橫截面的剪力Q值發(fā)生從正值到負(fù)值的跳變。

由此得出，車輪反向行駛通過檢測(cè)區(qū)，剪力傳感器的信號(hào)曲線如圖2(b)所示。

2　剪力傳感器計(jì)軸應(yīng)用原理

車輪沿不同的方向行駛通過檢測(cè)區(qū)，剪力傳感器檢測(cè)信號(hào)有著明顯的特點(diǎn)與區(qū)別，利用其信號(hào)特點(diǎn)，可以采用差分運(yùn)算的方法，得到計(jì)軸應(yīng)用原理。

由車輪正向行駛通過檢測(cè)區(qū)時(shí)剪力傳感器的信號(hào)曲線(圖2)可以看出:隨著車輪的正向行駛，剪力傳感器的檢測(cè)信號(hào)值U直線性的不斷減小，并且在車輪中軸線通過C位置時(shí)，剪力傳感器的檢測(cè)信號(hào)值U發(fā)生一次從負(fù)值到正值的跳變。對(duì)傳感器的檢測(cè)信號(hào)值進(jìn)行差分運(yùn)算處理，由此時(shí)檢測(cè)信號(hào)值U直線性的不斷減小，可知差分運(yùn)算所得數(shù)據(jù)為恒定負(fù)值。由于在車輪中軸線通過C位置時(shí)，剪力傳感器的檢測(cè)信號(hào)值U發(fā)生一次從負(fù)值到正值的跳變，此時(shí)差分所得數(shù)據(jù)曲線中將會(huì)出現(xiàn)一次正脈沖信號(hào)，如圖3(a)所示。

由車輪反向行駛通過檢測(cè)區(qū)時(shí)剪力傳感器的信號(hào)曲線(圖2(b))可以看出:隨著車輪的反向行駛，剪力傳感器的檢測(cè)信號(hào)值U直線性的不斷增大，并且在車輪中軸線通過C位置時(shí)，剪力傳感器的檢測(cè)信號(hào)值U發(fā)生一次從正值到負(fù)值的跳變。對(duì)傳感器的檢測(cè)信號(hào)值進(jìn)行差分運(yùn)算處理，由此時(shí)檢測(cè)信號(hào)值U直線性的不斷增大，可知差分運(yùn)算所得數(shù)據(jù)為恒定正值。由于在車輪中軸線通過C位置時(shí)，剪力傳感器的檢測(cè)信號(hào)值U發(fā)生一次從正值到負(fù)值的跳變，此時(shí)差分所得數(shù)據(jù)曲線中將會(huì)出現(xiàn)一次負(fù)脈沖信號(hào)，如圖3(b)所示。

(a)　正向行駛

(b)　反向行駛圖3　車輪正向/反向行駛剪力傳感器信號(hào)差分?jǐn)?shù)據(jù)曲線Fig 3　Signal differential data curve of shearing force sensor when the wheel is running in forward direction/positive direction

綜上所述，不論車輪沿著任何方向行駛通過檢測(cè)區(qū)，剪力傳感器檢測(cè)信號(hào)值U經(jīng)過差分運(yùn)算后所得到的數(shù)據(jù)曲線中都能形成一個(gè)脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)即代表著通過檢測(cè)區(qū)一個(gè)車軸。對(duì)剪力傳感器檢測(cè)信號(hào)值U經(jīng)過差分運(yùn)算后所得到的數(shù)據(jù)曲線中脈沖信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)計(jì)數(shù)，就可以得到行駛通過檢測(cè)區(qū)的軸數(shù)。另外，也可根據(jù)剪力傳感器檢測(cè)信號(hào)值U經(jīng)過差分運(yùn)算后所得到的數(shù)據(jù)曲線中脈沖信號(hào)的不同來判定車輪的運(yùn)行方向，如果出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，那么,車輪為正向行駛；反之，車輪為反向行駛。

3　實(shí)際傳感器信號(hào)示例

通過搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，采集列車行駛通過檢測(cè)區(qū)時(shí)剪力傳感器的檢測(cè)信號(hào)值，得到如圖4、圖5所示實(shí)測(cè)剪力傳感器的信號(hào)曲線。

圖4　實(shí)測(cè)列車正向/反向行駛剪力傳感器的信號(hào)曲線Fig 4　Signal curve of shearing force sensor when train is running in forward direction/opposite direction

由圖中實(shí)測(cè)剪力傳感器的信號(hào)曲線可以看出，車輪行駛通過檢測(cè)區(qū)，剪力傳感器的信號(hào)曲線變化過程與理論分析基本一致，當(dāng)車輪中軸線通過傳感器安裝位置時(shí)，剪力傳感器的檢測(cè)信號(hào)值發(fā)生跳變。但在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，由于不規(guī)范的人工操作、復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境以及傳感器系統(tǒng)內(nèi)部噪聲等不利因素都對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生了不良影響[5]。因此，實(shí)驗(yàn)采集到的傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)中包含著干擾噪聲，實(shí)測(cè)剪力傳感器的信號(hào)曲線呈現(xiàn)出非直線性。實(shí)測(cè)剪力傳感器的信號(hào)必須通過處理，去除噪聲，方能準(zhǔn)確應(yīng)用[6]。對(duì)實(shí)測(cè)的剪力傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波、差分運(yùn)算處理之后得到如圖所示實(shí)測(cè)剪力傳感器信號(hào)差分?jǐn)?shù)據(jù)曲線。

圖5　實(shí)測(cè)列車正向/反向行駛剪力傳感器信號(hào)差分?jǐn)?shù)據(jù)曲線Fig 5　Signal differential data curve of shearing force sensor when train is running in forward direction/opposite direction

由圖中實(shí)測(cè)剪力傳感器信號(hào)差分?jǐn)?shù)據(jù)曲線可以看出，在車輪行駛通過檢測(cè)區(qū)，車輪中軸線通過傳感器位置時(shí)，實(shí)測(cè)列車正向行駛剪力傳感器信號(hào)差分?jǐn)?shù)據(jù)曲線上出現(xiàn)上凸型的曲線，即出現(xiàn)正脈沖信號(hào)；實(shí)測(cè)列車反向行駛剪力傳感器信號(hào)差分?jǐn)?shù)據(jù)曲線上出現(xiàn)下凹型的曲線，即出現(xiàn)負(fù)脈沖信號(hào)。圖中脈沖信號(hào)代表了車軸通過檢測(cè)區(qū)。對(duì)圖中實(shí)測(cè)剪力傳感器信號(hào)差分?jǐn)?shù)據(jù)曲線上出現(xiàn)脈沖信號(hào)的次數(shù)計(jì)數(shù)，即可得到行駛通過檢測(cè)區(qū)的軸數(shù)。

4　結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了一種在鐵路計(jì)軸領(lǐng)域應(yīng)用剪力傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)軸的方法，從理論分析入手并加以實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。該方法憑借剪力傳感器靈敏度高、精確度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效排除不利因素對(duì)計(jì)軸設(shè)備所造成的干擾，提高鐵路計(jì)軸設(shè)備的安全可靠性，保障鐵路系統(tǒng)的運(yùn)輸安全[7]。

[1]武夫，陳明軍，鄒波，等.重力感應(yīng)式計(jì)軸系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)鐵路，2010(7)：60-63.

[2]孟磊.單側(cè)計(jì)軸傳感器電磁系統(tǒng)的分析與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]鄭錄社.剪力傳感器性能分析[J].傳感器技術(shù)，1999，18(8)：5-7.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011：141-149.

[5]劉九卿.軸銷式稱重傳感器及其應(yīng)用[J].科技應(yīng)用，2008，37 (2)：6-8，14.

[6]劉為婷.單側(cè)計(jì)軸傳感器系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[7]陳智磊.新型剪力傳感器在軌道衡計(jì)量中的研究和應(yīng)用[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

徐海賢，通訊作者，E—mail:932492614@qq.com。

Application of shearing force sensor in field of railway axle counting

WANG Ya-peng1, XU Hai-xian2, HE Cheng-gang1, HUANG Bin-wu2

(1.College of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China;2.Science and Technology Research Institute of Nanning Railway Administration,Nanning 530000,China)

Propose a method of using shearing force sensor to realize axle counting in the field of railway axle counting.With the advantages of high sensitivity and good accuracy,the method can use shearing force sensor to sense gravity of wheel and converts to detecting signal for calculating number of axles.The method can effectively eliminate interference of adverse factors on axle counting equipment,so it can ensure the accuracy of the axle counting equipment testing data ,improve the safety and reliability of the axle counting equipment and ensure transportation safety of the railway system.

shearing force sensor; axle counting; transportation safety

2015—10—21

TP 212.9

A

1000—9787(2016)08—0158—03

王亞鵬(1988-)，男，河南平頂山人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c智能自動(dòng)化。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0158—03