基于IEPE型加速度传感器的钢轨变形监测设计

金天 栗一鸣 孟元成 陈传虎

摘  要：保障高铁的安全运行是维持我国轨道交通铁路系统高效稳定发展的重要组成部分。本文以高性能振动传感器作为监测器件，通过监测高铁运行过程中车轮与钢轨间应力变化的波形参数，结合轨道路况的改变，来分析非路况变化条件下轮轨间的异常摩擦形成原因，达到维护高铁安全通行和分担轨道检查复杂工作的双重目的。该设计将协助地面探测设备掌握轨道路况的细微变化，辅助日常轨检工作高效化进行。

关键词：高铁轨道  应力变化监测  不平顺指数  压电式传感器

中图分类号：G712           文献标识码：A 文章编号：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

我国铁路轨道状况检查工作复杂而繁重。通常路段平均每月两次使用轨检车进行轨道的全区段动态检查，日常则采用轨旁地面设备进行静态探测检查。在实现高效利用轨检车层面上，我国轨道检查工作面临两方面问题：第一，相比于白天在钢轨上驶过的数辆高铁列车车次，轨检车进行轮轨间应力测试的次数占比较小，测试结果普适性不足;第二，由于轨检车在每次检测中所得的轮轨间应力参数特别庞大，对数据进行详细分析的效率是极低下的[1]。往往会抛弃大量一般性结果，只研究频谱中维持时间较长的特异性结果，数据利用程度欠缺。

在高铁列车运行控制系统中，使用各种类型的传感器探测设备是车载设备里有效保障列车安全平稳运行及列车关键部件正常工作的主要测控手段。其中，配置的振动传感器主要用于防范各车轮所受压力不平衡、车轮与轨道不密贴或车轮脱轨等重大危险灾害。该传感器并不负责传输轮轨间应力变化波形，其本身仍具有开发价值。

1  高铁轮轨间应力波形检测总体设计

1.1 传感器测量电路

本文选用以压电陶瓷为敏感元件的IEPE型加速度传感器EA-192为例，根据传感器探测所得的轮轨间振动变化参数，EA-192传感器自动将轮轨间振动的幅值-时间信号转为电压信号，并通过电压放大电路（如图1），记录于单片机处理器中以便分析处理。

1.2 信号处理单元模块

以单片机为核心构件，搭建包含信号滤波、数字化显示、过电压报警、干扰信号识别、车—地设备通信多功能一体的信号处理模块（如图2）。由此绘制出监测模块的主体，传感器电压信号处理电路（如图3）。

1.3 过电压报警电路

鉴于本设计进行声光报警时，无需立即对报警信息加以处理。故在满足基本的提醒功能前提下，按照节约材料的原则，设置简易、低能耗、稳定的声光报警处理电路（如图4），仅采用单个的LED发光二极管和扬声器，达到提醒和指示工作人员的目的。

1.4 车—地无线通信

作为连结车载设备与地面设备之间密切交互的重要手段，车—地无线通信的信号传输要求地面设备在接收列车传来的轮轨间应力变化异常信息时，设备记录该异常，并在地面设备再次监测高铁轨道路况后，判断是否存储或忽略该异常信号。借此形成以下逻辑框图（如图5）。

2  实验总结

2.1 硬件选型

目前市面上广泛采用IEPE型压电式加速度传感器来满足宽频率振动检测要求[2]。本设计采用EA-192 IEPE型压电加速度传感器（如图6），其内部结构（如图7）与一般压电陶瓷类的加速度传感器并无不同，但其低噪声、抗干扰能力較好，特别是耐温范围广泛，在应对检测高速列车轮轨应力变化的复杂条件上占有优势。

该传感器工作在12～24V直流电压下，输出最大电压为5V。对于列车运行控制系统供电压力的影响微乎其微。不仅兼具体积小、重量轻和密封防水的特点，而且它的适应温度范围为-50℃～120℃，在中国各气候条件下均能无障碍工作[3]。

在轨检车检测高铁轨道过程中，轨道不平顺质量指数（TQI）是衡量轨道区段是否存在钢轨表面变形的主要指标[4]。其测量原理是利用更加精密稳定的加速度传感器及其配套设备，由探测结果生成不平顺指数数据波形，判断钢轨质量是否仍然可靠稳固。

使用该传感器虽无法做到如同轨检车上精密探测设备的准确程度，但其利用率更高，异常信号分析判断工作将弥补轨检车海量探测数据的低效益处理。

2.2 结果分析

本设计从模拟试验角度，阐述了高铁轨道存在发生钢轨变形的可能时，通过高铁车载加速度传感器设备可探测出故障位置。真实运行情况下，0.1mm级的钢轨变形程度，都会使高速运行的高铁承受重大风险。可预见的，在速度尤其高、质量尤其大的现代高铁运输中，钢轨极细微的变形对于通用加速度传感器来说，也会测量到非常巨大的异常变化。模拟试验表明在高铁上加装该功能传感器用于监测高铁轨道情况有很多益处。

3  成果展望

目前，以美国诺福克南方铁路公司（NS）为代表的多家I级铁路公司一直在试验性使用无人机遥控检测铁路轨道路面状态，并且已经在一次自然灾害侵袭铁路时通过无人机勘测铁轨，从而进一步设计了更精确的铁轨修复计划，为其应用无人机技术提供了丰厚经验。我国同样有优异的无人机机器视觉航测技术，国内许多研究学者也在进行基于无人机的轨道状态勘测测试，但实际上还未能在铁路检测中发挥作用[5-6]。

相比于对钢轨质量标准要求高得多的高铁列车所使用的轨道，普通铁路轨道在轨面发生极小程度偏移或形变时，不会对普通中低速列车的安全运行造成干扰。通过非接触式的无人机视觉勘测就能满足评估自然灾害或其他破坏因素导致的铁轨路面损坏情况。然而，我们现在面对的是：对高速铁路所用的无缝钢轨进行监测。显然，凭借无人机的机器视觉分辨能力，无人机勘测轨道的方式在较长一段时间内都难以替代人工驾驶的轨检车探测轨道参数的检测方式。

4  结语

本设计根据得出的初步成果，下一步将收集高铁运行中实际的轮轨间应力参数。同时借助学校实训平台提供的机会，运用相关车载及地面设备，使用传感器探测设备衡量高铁所用钢轨发生微小变形前后的质量指数。寻找该设计的不足，验证模拟试验的可实践性。

参考文献

[1] 刘潇潇.基于轨检车检测数据的高速铁路桥梁竖向动态变形评估分析[D].成都：西南交通大学，2019.

[2] 宋先进，王志.基于IEPE加速度传感器的振动测试系统研究[J].安徽职业技术学院学报，2019（1）：19-22.

[3] 朱守金，倪江利，孙权海，等.功能陶瓷材料研究进展概述[J].科技创新与应用，2019（23）：89-90.

[4] 楊友涛，刘国祥，刘成龙，等.高速铁路轨道不平顺参数多尺度相关性分析[J].吉林大学学报：工学版，2019（2）：416-425.

[5] 管岭.基于无人机的轨道交通线路环境实时感知技术研究[D].北京：北京交通大学，2018.

[6] 刘成，任利惠，左建勇.无人机轨道跟踪控制模型[J].城市轨道交通研究，2018（5）：170-173.

[7] 王占友， 何琳. IEPE型智能加速度传感器的设计[J]. 舰船电子工程， 2017（5）.