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(guó)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(dòng)傳感器作為監(jiān)測(cè)器件，通過監(jiān)測(cè)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(jì)將協(xié)助地面探測(cè)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(cè)? 不平順指數(shù)? 壓電式傳感器

中圖分類號(hào)：G712 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)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(dòng)態(tài)檢查，日常則采用軌旁地面設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)探測(cè)檢查。在實(shí)現(xiàn)高效利用軌檢車層面上，我國(guó)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(cè)試的次數(shù)占比較小，測(cè)試結(jié)果普適性不足;第二，由于軌檢車在每次檢測(cè)中所得的輪軌間應(yīng)力參數(shù)特別龐大，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析的效率是極低下的[1]。往往會(huì)拋棄大量一般性結(jié)果，只研究頻譜中維持時(shí)間較長(zhǎng)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(cè)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(cè)控手段。其中，配置的振動(dòng)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(xiǎn)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(jià)值。

1? 高鐵輪軌間應(yīng)力波形檢測(cè)總體設(shè)計(jì)

1.1 傳感器測(cè)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(cè)所得的輪軌間振動(dòng)變化參數(shù)，EA-192傳感器自動(dòng)將輪軌間振動(dòng)的幅值-時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，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(hào)處理單元模塊

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

1.3 過電壓報(bào)警電路

鑒于本設(shè)計(jì)進(jìn)行聲光報(bào)警時(shí)，無需立即對(duì)報(bào)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(jiǎn)易、低能耗、穩(wěn)定的聲光報(bào)警處理電路（如圖4），僅采用單個(gè)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(hào)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(shí)，設(shè)備記錄該異常，并在地面設(shè)備再次監(jiān)測(cè)高鐵軌道路況后，判斷是否存儲(chǔ)或忽略該異常信號(hào)。借此形成以下邏輯框圖（如圖5）。

2? 實(shí)驗(yàn)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(dòng)檢測(cè)要求[2]。本設(shè)計(jì)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(duì)檢測(cè)高速列車輪軌應(yīng)力變化的復(fù)雜條件上占有優(yōu)勢(shì)。

該傳感器工作在12～24V直流電壓下，輸出最大電壓為5V。對(duì)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(diǎn)，而且它的適應(yīng)溫度范圍為-50℃～120℃，在中國(guó)各氣候條件下均能無障礙工作[3]。

在軌檢車檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確程度，但其利用率更高，異常信號(hào)分析判斷工作將彌補(bǔ)軌檢車海量探測(cè)數(shù)據(jù)的低效益處理。

2.2 結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)從模擬試驗(yàn)角度，闡述了高鐵軌道存在發(fā)生鋼軌變形的可能時(shí)，通過高鐵車載加速度傳感器設(shè)備可探測(cè)出故障位置。真實(shí)運(yùn)行情況下，0.1mm級(jí)的鋼軌變形程度，都會(huì)使高速運(yùn)行的高鐵承受重大風(fēng)險(xiǎn)?？深A(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(duì)于通用加速度傳感器來說，也會(huì)測(cè)量到非常巨大的異常變化。模擬試驗(yàn)表明在高鐵上加裝該功能傳感器用于監(jiān)測(cè)高鐵軌道情況有很多益處。

3? 成果展望

目前，以美國(guó)諾?？四戏借F路公司（NS）為代表的多家I級(jí)鐵路公司一直在試驗(yàn)性使用無人機(jī)遙控檢測(cè)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(shí)通過無人機(jī)勘測(cè)鐵軌，從而進(jìn)一步設(shè)計(jì)了更精確的鐵軌修復(fù)計(jì)劃，為其應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)提供了豐厚經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)同樣有優(yōu)異的無人機(jī)機(jī)器視覺航測(cè)技術(shù)，國(guó)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(cè)測(cè)試，但實(shí)際上還未能在鐵路檢測(cè)中發(fā)揮作用[5-6]。

相比于對(duì)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(shí)，不會(huì)對(duì)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(cè)就能滿足評(píng)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(duì)的是：對(duì)高速鐵路所用的無縫鋼軌進(jìn)行監(jiān)測(cè)。顯然，憑借無人機(jī)的機(jī)器視覺分辨能力，無人機(jī)勘測(cè)軌道的方式在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都難以替代人工駕駛的軌檢車探測(cè)軌道參數(shù)的檢測(cè)方式。

4? 結(jié)語

本設(shè)計(jì)根據(jù)得出的初步成果，下一步將收集高鐵運(yùn)行中實(shí)際的輪軌間應(yīng)力參數(shù)。同時(shí)借助學(xué)校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提供的機(jī)會(huì)，運(yùn)用相關(guān)車載及地面設(shè)備，使用傳感器探測(cè)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(jì)的不足，驗(yàn)證模擬試驗(yàn)的可實(shí)踐性。

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