CN109282934A - 一种钢轨受力实时感知的方法和组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢轨受力检测系统，特别是涉及一种实时感知钢轨受力的方法和组件，包括传感垫板、无线通信中继器，传感垫板包括压力感受区、聚酰胺FPC柔性电路板、橡胶本体，各部分通过特殊的模压工艺硫化成型，传感垫板替换铁路钢轨下面安装的既有标准件—绝缘缓冲垫板，传感垫板与绝缘缓冲垫板具有相同的机械性能，可保持轨道结构整体刚度一致，两者在结构和机械性能上具有互换性，传感垫板使轨道自身具备实时感知外界作用力并将其转化为路感数据的能力，并以射频方式发送到无线通信中继器上，无线通信中继器安装在轨道旁的接触网支柱上，与相邻辖区的传感垫板组成短距离无线自组网，负责实时上传来自本辖区的传感垫板采集并求解的数据。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，特别是涉及一种钢轨受力实时感知的方法和组件。
背景技术
列车运行安全，特别是高速铁路运行安全是对铁路运输最基本的要求。列车运行安全主要取决于三个方面的因素，一是车辆因素，运行中的车辆是否会发生蛇形运动失稳、脱轨和倾覆；二是线路因素，无缝线路是否具有足够的稳定余量，在巨大温度力和外部合力的作用下能否保持稳固；三是铁路信号系统的充分稳定可靠，应拥有完全独立的冗余系统作为后备支持。此外，车轮多边形，踏面掉块，轨道波磨等缺陷是造成铁路设备不正常磨损，诱发事故的重要因素。经过系统的归纳分析，上述诸多影响铁路运行安全的因素均在钢轨的受力上有着不同的表现，如果能够常态化的感受钢轨的受力，即可先期发现危及列车运行安全的潜在因素，从而实现科学防控，即：通过动态感知车轮施加给钢轨的垂向力和横向力，可以实时计算运行中的列车的脱轨系数，轮重减载率和倾覆系数，有效防范列车脱轨和倾覆事故的发生。通过感知轨枕施加到钢轨上的纵向抗力，可掌握无缝线路内部温度力及其分布情况，有的放矢的开展工务作业，避免胀轨跑道及断轨事故的发生；通过钢轨受到的垂向力的感知，可获取精准的在线列车线路占用信息以及异物入侵信息，建立起基于路感技术的铁路自动闭塞信号系统和覆盖全路的钢轨及车轮缺陷跟踪监测系统。综上所述，通过钢轨受力的实时感知，能够从根本上揭示至关铁路运输安全的一系列重大技术问题，从而实现科学的主动防范事故，对提升铁路运维水平具有深远的意义。但迄今为止，从没有在真正意义上获取过钢轨受力数据。铁路部门现行的解决办法是：在铁路沿线每百余公里设置一个检测点，通过安装在轨道上的检测装置监测过往列车的运行品质，在高铁，从国外引进了专用轨检车，定期检查交路状况。在铁路工务，为掌握无缝线路内部温度力，现行做法是借助经纬仪，以观测桩为参考点，定期观测钢轨纵向爬行量来推算锁定轨温，国外有采用在轨上分布打孔安装应力传感器的应用例，以上方法均存在以点代面，以偏概全，不能全面实时的反映真实状况的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时感知钢轨受力的方法和组件，使钢轨自身具备实时感知外界作用力并将其转化为路感数据的能力，且能自主向外无线发送，形成全动态铁路神经网络平台。
通过路感数据的应用，可建立起针对高速列车的全动态、量值化的安全保障监控体系，通过感知每一时刻的轮轨横向作用力FY和垂向作用力FZ，可以得到运行中列车的实际脱轨系数，轮重减载率和倾覆系数，再通过与安全限定标准值之间的动态比对，可掌握行车安全冗余，有效防范列车脱轨和倾覆事故的发生；此外，通过大数据的积累，可以制定更为科学合理的行车规范和设计标准。
通过路感数据的应用，可获得整条无缝线路的动态温度力分布情况，有的放矢的开展工务作业，避免胀轨跑道及断轨事故的发生，实现铁路养护科学化、数据化。
通过路感数据的应用，可利用所提供的精准的在线列车线路占用信息（如位置、列车长度、运行速度、运行方向、实际载重量等），建立起基于路感技术的新一代自动闭塞系统作为后备系统，由于采用了完全不同的列车检测技术，使铁路信号系统的可靠性得到了充分强化。
通过路感数据的应用，可建立起覆盖全路的车轮及钢轨缺陷跟踪监测系统，实现对在线运行车辆车轮的擦伤，掉块，多边形以及钢轨头部发生轨道波磨等缺陷的动态检测及报警。
此外，对因山体滑坡异物占道等引起的异物压轨，本项发明具有本能性的反应，利用该特性可建立起铁路线路自然灾害实时监测防御系统。
本发明采用如下技术方案：
一种实时感知钢轨受力的方法和组件，包括传感垫板、无线通信中继器，其特征在于：所述传感垫板包括压力感受区、聚酰胺FPC柔性电路板，橡胶本体，各部分通过特殊的模压工艺硫化成型，传感垫板替换铁路钢轨下面安装的既有标准件—绝缘缓冲垫板，传感垫板与绝缘缓冲垫板具有相同的机械性能，可保持轨道结构整体刚度一致,两者在结构和机械性能上具有互换性，传感垫板可感知并求解钢轨所受的外界作用力，并以射频方式发送到无线通信中继器上，无线通信中继器安装在轨道旁的接触网支柱上，与相邻辖区的传感垫板组成短距离无线自组网，负责实时上传来自本辖区的传感垫板采集并求解的数据。
采用上述技术方案的本发明与现有技术相比，本发明使钢轨自身具备实时感知外界作用力并将其转化为数据的能力，且能自主向外发送路感数据，建立起覆盖全线路、全天时、全天候值守的低成本普及型有感铁路系统，形成全动态铁路神经网络平台。
本发明的优选方案：
本发明的传感垫板可感知并求解钢轨所受的外界作用力，并以射频方式发送到无线通信中继器上，无线通信中继器安装在轨道旁的接触网支柱上，与相邻辖区的传感垫板组成短距离无线自组网，负责实时上传来自本辖区的传感垫板采集并求解的数据，根据这些数据可准确分析钢轨及在线列车的实时状况，建立起覆盖全线路、全天时、全天候值守的低成本普及型有感铁路系统，形成全动态铁路神经网络平台。
附图说明：
图1是现场实际使用安装布置；
图2是安装示例；
图3是各部受力关系图；
图4是传感垫板。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例详述本发明：
一种实时感知钢轨受力的方法和组件，参见附图1至附图4，图中铁路钢轨1，传感垫板2，扣件3，轨枕4，无线通信中继器5，道床6，压力感受区21，聚酰胺FPC柔性电路板22，橡胶本体23，极板211，聚酰胺FPC柔性电路板的柔性射频天线221，橡胶本体裙部231。
压力感受区21、聚酰胺FPC柔性电路板22、橡胶本体23，各部分通过特殊的模压工艺硫化成型，传感垫板2替换铁路钢轨下面安装的既有标准件-绝缘缓冲垫板，传感垫板2与绝缘缓冲垫板具有相同的机械性能，可保持轨道结构整体刚度一致，两者在结构和机械性能上具有互换性，不影响原有工务作业，传感垫板2可感知并求解钢轨所受的外界作用力，并以射频方式发送到无线通信中继器上5，无线通信中继器5安装在轨道旁的接触网支柱上，与相邻辖区的传感垫板2组成短距离无线自组网，负责实时上传来自本辖区的传感垫板2采集并求解的数据，根据这些数据可准确分析钢轨及在线列车的实时状况。
所述的钢轨受力包括铁路钢轨受到的垂向作用力FZ、横向作用力FY和纵向作用力FX。
传感垫板2不仅具有与原有绝缘缓冲垫板一样的减震、绝缘隔离的功能，更重要的是可以将钢轨1底面与轨枕4之间的垂向作用力转化为数字信号，以射频方式向外发送，在电气功能上，相当于一个无源电子传感器标签，每片具有唯一的ID识别码。
传感垫板2本身是无源的，通过收集无线通信中继器5发出的无线射频能量转化为工作电源来工作，当无中继器5的外部激发时，功能上相当于绝缘缓冲垫板。
压力感受区21本质上是以橡胶本体23作为电介质层，以两片平行导电橡胶作为极板211构成的平行板电容器，在外界无作用力时，传感垫板2只受扣件3扣压力和钢轨1自重的作用，设此时电介质层的厚度为d，当传感垫板2受到来自钢轨1的法向载荷时，电介质层的厚度将产生微变量，在弹性限度内，压力感受区所受到的平均力 ，即的大小反映了载荷F的大小，同时，也将影响平行板电容器的电容量，即，显然每个压力感受区所受到的平均力，式中c为压力感受区平行板电容器的电容量，k为传感垫板的刚度，ε为橡胶基材的介电常数，S为平行板电容极板的有效面积，d为无外界作用力时的电介质层的厚度，这样，为求得轨道受力F，将不便于测量的厚度微变量转化为便于检测的平行板电容器的电容量c。
传感垫板2为薄片结构，只能直接检测到钢轨1与轨枕4之间的垂向力，为了能够求解其它方向上的力，采用了受力分区法，即将受力面划分成了4个压力感受区21（也可以采用其它分区形式），当钢轨1受到横向分力作用，或轨枕4受到纵向（轨向）抗力时，由于这两个力的作用线与所述的传感垫板2的接触面之间存在法向距离h和s，因而在接触面上产生了力矩效应，使得在同一个力的作用下各感受区受到的平均压力是不同的，由此可得到钢轨1受到的垂向力，横向力，纵向力的计算公式如下：
------（1）
------（2）
------（3）
上式中的分别是对角分布的两个压力感受区21所受到的平均力，是一个与钢轨1型号和所述传感垫板2结构参数有关的已知常量，是一个与轨枕4，道床6类型和所述传感垫板2结构参数有关的常量，对于不同的道床6类型，可以通过型式试验的方法获取，各项文字符号的意义及各部受力关系见图3。
聚酰胺FPC柔性电路板22是将微处理器，射频通信电路三位一体地集成到一个电路板上并与力敏元件-平行板电容器电连接，射频通信电路的柔性射频天线221分置于传感垫板两侧的裙部231位置，主CPU置于中心位置。
本发明克服了现有技术以点带面，以偏概全，不能全面实时反应钢轨及在线列车真实状况的缺陷，本实施例使轨道自身具备实时感知外界作用力并将其转化为数据的能力，且能自主向外发送路感数据，建立起覆盖全线路的，全天时，全天候值守的，低成本普及型有感铁路系统，形成全动态铁路神经网络平台。
Claims (8)
1.一种钢轨受力实时感知系统，特别是涉及一种钢轨受力实时感知的方法和组件，包括传感垫板、无线通信中继器，其特征在于：所述传感垫板包括压力感受区、聚酰胺FPC柔性电路板、橡胶本体，各部分通过特殊的模压工艺硫化成型，传感垫板替换铁路钢轨下面安装的既有标准件—绝缘缓冲垫板，传感垫板与绝缘缓冲垫板具有相同的机械性能，可保持轨道结构整体刚度不变，两者在结构和机械性能上具有互换性，传感垫板可感知并求解钢轨所受的外界作用力，并以射频方式发送到无线通信中继器上，无线通信中继器安装在轨道旁的接触网支柱上，与相邻辖区的传感垫板组成短距离无线自组网，负责实时上传来自本辖区的传感垫板采集并求解的数据，根据这些数据可准确分析钢轨及在线列车的实时状况。
2.根据权利要求1所述的一种钢轨受力实时感知的方法和组件，其特征在于：所述的钢轨受力包括铁路钢轨受到的垂向作用力FZ、横向作用力FY和纵向作用力FX。
3.根据权利要求1所述的一种钢轨受力实时感知的方法和组件，其特征在于：所述的传感垫板不仅具有与原有绝缘缓冲垫板一样的减震、绝缘隔离的功能，更重要的是可以将钢轨底面与轨枕之间的垂向作用力转化为数字信号，以射频方式向外发送，在电气功能上，相当于一个无源电子传感器标签，每片具有唯一的ID识别码。
4.根据权利要求3所述的一种钢轨受力实时感知的方法和组件，其特征在于：所述传感垫板本身是无源的，通过收集无线通信中继器发出的无线射频能量转化为工作电源来工作，当无中继器的外部激发时，功能上相当于绝缘缓冲垫板。
5.根据权利要求1所述的一种钢轨受力实时感知的方法和组件，其特征在于：所述压力感受区本质上是以橡胶本体作为电介质层、以两片平行导电橡胶作为极板构成的平行板电容器，在外界无作用力时，传感垫板只受扣件扣压力和钢轨自重的作用，设此时电介质层的厚度为d，当传感垫板受到来自钢轨的法向载荷时，电介质层的厚度将产生微变量，在弹性限度内，压力感受区所受到的平均力 ，即的大小反映了载荷F的大小，同时，也将影响平行板电容器的电容量，即，显然每个压力感受区所受到的平均力，式中c为压力感受区平行板电容器的电容量，k为传感垫板的刚度，ε为橡胶基材的介电常数，S为平行板电容极板的有效面积，d为无外界作用力时的电介质层的厚度，这样，为求得轨道受力F，将不便于测量的厚度微变量转化为便于检测的平行板电容器的电容量c。
6.根据权利要求1所述的一种钢轨受力实时感知的方法和组件，其特征在于：所述传感垫板为薄片结构，只能直接检测到钢轨与轨枕之间的垂向力，为了能够求解其它方向上的力，采用了受力分区法，即将受力面划分成了4个压力感受区（也可以采用其它分区形式），当钢轨受到横向分力作用，或轨枕受到纵向（轨向）力时，由于这两个力的作用线与所述的传感垫板的接触面之间存在法向距离h和s，因而在接触面上产生了力矩效应，使得在同一个力的作用下各感受区受到的平均力是不同的，由此可得到钢轨受到的垂向力、横向力、纵向力的计算公式如下：
------（1）
------（2）
------（3）
上式中的分别是对角分布的两个压力感受区所受到的平均力，是一个与钢轨型号和所述传感垫板结构参数有关的已知常量，是一个与轨枕，道床类型和所述传感垫板结构参数有关的常量，对于不同的道床类型，可以通过型式试验的方法获取，各项文字符号的意义及各部受力关系见说明书附图3。
7.根据权利要求1所述的一种钢轨受力实时感知的方法和组件，其特征在于：所述的聚酰胺FPC柔性电路板是将微处理器，射频通信电路两位一体地集成到一个电路板上并与力敏元件—平行板电容器电连接，射频通信电路的柔性射频天线分置于传感垫板两侧的裙部位置，主CPU置于中心位置。
8.根据权利要求1所述的一种钢轨受力实时感知的方法和组件，其特征在于：在具体应用上既可以是覆盖全线铁路的实时检测，也可以是站点式的，无论哪种应用方式，对现行铁路养护作业均不产生任何影响。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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