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(tuán)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(yùn)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(dòng)，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(duì)相連，軌道短波不平順引起的輪軌劇烈振動(dòng)可通過輪對(duì)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(duì)車輛動(dòng)力學(xué)帶來的影響。因此，軸箱加速度可以輔助評(píng)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(duì)性養(yǎng)護(hù)措施，精準(zhǔn)消除病害，抑制軌道短波病害進(jìn)一步發(fā)展。中國國家鐵路集團(tuán)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(duì)我國高速鐵路線路進(jìn)行檢測，評(píng)價(jià)軌道短波狀態(tài)。鐵路工務(wù)人員根據(jù)評(píng)判結(jié)果對(duì)軌道病害進(jìn)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(shí)或試驗(yàn)性測試的需求。因此，研究一種可搭載在運(yùn)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(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、功能驗(yàn)證、應(yīng)用實(shí)踐等。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(tái)、傳感器單元組成，整體設(shè)計(jì)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(jì)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(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集裝置，采集裝置經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理后按照設(shè)定的配置參數(shù)對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，最終傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和波形顯示，并按照指定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在線或離線運(yùn)用數(shù)據(jù)處理平臺(tái)進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道短波狀態(tài)的動(dòng)態(tài)檢測，精準(zhǔn)地識(shí)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(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)加速度傳感器信號(hào)的高速高精度采集和信號(hào)預(yù)處理，獲取軸箱高頻振動(dòng)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(hào) 處 理（Digital Signal Processing，DSP）和進(jìn)階精簡指令集機(jī)器（Advanced RISC Machine，ARM）三個(gè)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(chǔ)空間，集成度高。模擬信號(hào)通道能夠?qū)崿F(xiàn)多路振動(dòng)信號(hào)同步測量及存儲(chǔ)，脈沖通道能夠?qū)崿F(xiàn)高精度編碼器脈沖信號(hào)的高速采集與計(jì)算。

通過自動(dòng)組網(wǎng)功能，實(shí)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(tái)進(jìn)行軌道短波不平順特性分析。采集裝置為一體化設(shè)計(jì)，滿足工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，減少非焊接式連接件的應(yīng)用。設(shè)備內(nèi)各獨(dú)立采樣通道相互隔離，可靠性強(qiáng)，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(diǎn)。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(tái)

3.1 軟件功能

數(shù)據(jù)處理平臺(tái)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(tái)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)的信息配置，實(shí)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(chǔ)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(tái)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(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算處理，并進(jìn)行檢測信號(hào)的存儲(chǔ)。

信息顯示模塊實(shí)現(xiàn)測量任務(wù)進(jìn)度、實(shí)時(shí)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(tái)主界面能夠?qū)崟r(shí)顯示波形信號(hào)。

3.2 軟件工作流程

數(shù)據(jù)處理平臺(tái)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(yùn)行程序→系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行檢測過程的數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)輸出、界面顯示，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)工作流程

4 功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證便攜式軸箱加速度檢測系統(tǒng)的功能，對(duì)試驗(yàn)線路進(jìn)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(dòng)，并按照自定義數(shù)據(jù)格式（Comprehensive Inspection Train，CIT）格式存儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)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(duì)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(dòng)信號(hào)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(dòng)響應(yīng)特征?？梢姡銛y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(dòng)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(duì)某線路進(jìn)行檢測，用測得的軸箱加速度數(shù)據(jù)計(jì)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?？芍?，在振動(dòng)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(dòng)態(tài)檢測結(jié)果

對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行復(fù)測，區(qū)段長度恰好是兩塊軌道板對(duì)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(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)，集成度高，實(shí)現(xiàn)了軸箱加速度信號(hào)的同步采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、波形顯示、存儲(chǔ)分析等。該系統(tǒng)易于安裝維護(hù)，檢測精度高，可以有效地進(jìn)行軸箱加速度檢測并對(duì)軌道短波不平順進(jìn)行評(píng)判。

現(xiàn)場試驗(yàn)及復(fù)核結(jié)果表明，檢測平臺(tái)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(shí)別接頭不良、鋼軌波磨等軌道短波病害，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道短波不平順的檢測和評(píng)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。