CN109291954A - 一种内嵌式智能铁轨及其制备方法 - Google Patents

一种内嵌式智能铁轨及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内嵌式智能铁轨及其制备方法，所设计制备的智能铁轨集成有应变和温度传感器阵列，用于采集列车运行下的铁轨结构状态信息，特别是位于环境恶劣的区段，记录下具体数据，为预警轨道的结构健康状态提供支持，检测列车运行中的轮轨振动情况，为列车与铁轨的安全监测提供技术保证。本发明还提供一种内嵌式智能铁轨的加工制备方法，本发明内嵌式智能铁轨采用激光与微机电相结合的加工技术，得到与传统铁轨外观一致、机械强度等同的内嵌式智能铁轨，能够实时记录铁轨的结构健康状态信息，实现了传感器与铁轨之间的无缝集成，拓展了内嵌式智能铁轨的应用范围，加速轨道交通行业的智能化发展。

Description

一种内嵌式智能铁轨及其制备方法
技术领域
本发明涉及轨道交通与智能制造领域，特别涉及一种内嵌式智能铁轨及其制备方法。
背景技术
铁轨成为人们出行的重要选择方式，铁路的安全问题也日益重要，铁轨的结构健康状态对列车的行驶安全影响很大，铁路线中大量钢轨长期在动态重载荷下服役，易出现腐蚀、变形、磨损、裂纹甚至断裂等问题。目前，铁轨的结构健康监测主要将传感器安置在铁轨的底部或者侧面（CN201210502451.6），实现铁轨自身的状态监测，一种基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法选取温度传感器和压力传感器并将它们安放在铁轨上，并对铁轨信息进行在线监测和推断。但是铁轨的工作环境复杂，传感器的贴装与集成封装形式直接决定传感器采集数据的准确性，传感器在长时间的运行过程会脱落等问题对铁轨的结构健康监测带来隐患。
所发明的内嵌式智能铁轨集成温度、应变、振动等传感器，采用机械加工与微机电系统技术完成内嵌式智能铁轨的加工制备，得到与普通铁轨的机械强度一致的内嵌式智能铁轨，形成一体的内嵌式智能铁轨，在监测铁轨的状态信息过程中，减少外界的干扰，提供更高精度的列车运行下的铁轨结构状态信息。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于面向列车运行过程对铁轨和路基的振动监测需求提供一种内嵌式智能铁轨设计与制备方法，包括在铁轨上开槽，通过机械加工与微机电系统技术在槽内制备传感器，得到与普通铁轨外观完全一致的内嵌式智能铁轨，其集成有应变测量模块，温度感知模块，振动测试模块等，所提出的内嵌式智能铁轨实时监测铁轨的受力、温度等信息，实现对列车的运行状态实时监测与提升铁轨的维护管理、运行水平。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于提供一种内嵌式智能铁轨的制备方法，重点在于采用机械加工与微机电系统技术完成内嵌式智能铁轨的加工制备，并且最终制备得到的内嵌式智能铁轨与普通铁轨的外观完全一致。实现传感器与铁轨之间的无缝集成，形成一体的内嵌式智能铁轨，在监测铁轨的状态信息过程中，减少外界的干扰，提供更高精度的列车运行下的铁轨结构状态信息。
一种内嵌式智能铁轨，包括温度、应变、振动等功能测试模块，均集成到铁轨的侧面上，其设计与制备得到的外观尺寸完全与普通铁轨保持一致，具有等同的机械强度，实时获取铁轨的结构健康状态信息，特别是列车驶过时的铁轨状态信息，所得到的内嵌式智能铁轨为铁轨的实时监测、列车行驶下的铁轨安全运行提供技术支撑。
进一步地，所述内嵌式智能铁轨的制备方法，包括以下步骤：
（1）设计内嵌式智能铁轨上传感器的结构，集成不同功能传感器，保证传感器的外观尺寸与普通铁轨一致；
（2）利用数控加工技术按照步骤1中的结构布局完成铁轨上传感器凹槽的加工；
（3）利用激光加工技术提高凹槽的表面平整度，为后续的传感器加工制备提供支持；
（4） 利用等离子增强气相沉积薄膜装置在铁轨金属凹槽表面制备一层氮化硅绝缘层；
（5）利用微机电加工技术（薄膜沉积、光刻图案化）分别依次完成不同功能传感器薄膜的加工制备；
（6）制备一层绝缘层用于传感器封装；
（7）将金属引线与传感器的引脚固连，方便传感器的信号的引出，用于轨道的振动测试；
（8）传感器性能校准与标定，扩大内嵌式轨道的应用范围。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明一种内嵌式智能铁轨，外观与普通铁轨一致，并且机械强度也完全相同，铁轨侧面内嵌有多种传感器（应变、温度、振动等），实时监测铁轨以及列车运行下的铁轨信息；内嵌式智能铁轨嵌入在铁轨内部，与铁轨无缝集成，记录铁轨的运行状态过程中受到外加的干扰相对较少，从而提高记录铁轨结构健康状态信息的精度。进一步地，本发明内嵌式智能铁轨采用金属薄膜沉积、激光加工图案化和胶带转印工艺制备，其设计加工简单易操作，简化内嵌式智能铁轨的制备工艺过程，考虑到规模化生产。
本发明内嵌式智能铁轨，采用机械与微机电系统技术加工制备，具有与普通铁轨同等的机械强度的同时，还具有实时记录铁轨结构健康的能力，传感器与铁轨之间的无缝集成，拓展了内嵌式智能铁轨在结构健康监测与列车运行水平评估等方面的应用范围。
综上所述，本发明内嵌式智能铁轨的设计与制备方法，具有普通铁轨的机械性能，同时具有实时监测铁轨状态的能力，为列车运行下的轨道与路基实时监测提供技术支持。
附图说明
图1内嵌式智能铁轨的结构布局，多功能传感器内嵌在铁轨侧面的凹槽里。
图2 内嵌式智能铁轨原理与功能模块设计。（a）为温度测量模块；（b）为热电偶测量温度的工作原理；（c）为基于金属应变片的振动测量模块；（d）为金属应变片的工作原理。
图3 内嵌式智能铁轨的加工工艺。主要包括金属薄膜的沉积与图案化过程。
图4为内嵌式智能铁轨的具体实施方式。
图5为内嵌式智能铁轨在列车驶过下的铁轨结构状态信息。
图中符号意义说明如下：
11-金属铁轨；12-金属凹槽；13-绝缘层薄膜；14-金属薄膜传感器；15-金属引线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1，给出了内嵌式智能铁轨的结构与工作原理，所设计加工制备的内嵌式智能铁轨包括基于金属应变片的铁路噪声测量模块和基于热电偶的铁轨温度监测模块。其中，基于金属应变片的铁路噪声测量模块（图1（16）），列车经过铁轨时，造成铁轨发生周期性形变，金属应变片感知到这一振动信息，为分析铁轨与列车状态提供支撑；基于热电偶的铁轨温度监测模块（图1（15）），用于感知铁轨的温度变化，特别是列车行驶经过内嵌式智能铁轨时，列车车轮与铁轨相互作用，造成局部温度升高，内嵌到铁轨中的热电偶感知到这一状态信息，为列车车轮以及铁轨的状态评估提供技术支持。
参见图2，所设计、制备的内嵌式智能铁轨为人体提供高精度的列车振动以及铁轨温度状态信息，内嵌式智能铁轨的原理为：基于热电偶的温度感知模块（图2（a）），以及对应的热电偶原理图（图2（b））；基于金属应变片的列车振动噪声监测模块（图2（c）），以及全桥金属应变片的工作原理图（图2（d））.内嵌式金属薄膜传感器嵌入到铁轨的侧面中，与其他路段的铁轨外观形状完全一致，具有等同的金属刚度（机械性能），同时具有良好的电学性能，能够实时感知铁轨的振动与温度信息。内嵌式智能铁轨的工作状态主要取决于装置结构、功能材料、工作环境和列车的行驶速度等。
参见图1和图2，所设计的内嵌式智能铁轨在外界环境下没有列车驶过的输出信号以及与列车驶过时内嵌式智能铁轨记录到的电信号相比较，为分析列车行驶过程的铁轨工作状态以及列车和铁轨之间的作用关系提供数据来源。
图3中为内嵌式智能铁轨的制备工艺过程，主要包括机械加工铁轨凹槽模具过程和微机电系统技术加工制备智能传感器过程。本发明给出内嵌式智能铁轨的制备方法，参见图4，包括以下步骤：
（1）设计内嵌式智能铁轨上传感器的结构，集成不同功能传感器，保证传感器的外观尺寸与普通铁轨一致；
（2）利用数控加工技术按照步骤1中的结构布局完成铁轨上传感器凹槽的加工；
（3）利用激光加工技术提高凹槽的表面平整度，为后续的传感器加工制备提供支持；
（4）利用等离子增强气相沉积薄膜装置在铁轨金属凹槽表面制备一层氮化硅绝缘层；
（5）利用微机电加工技术（薄膜沉积、光刻图案化）分别依次完成不同功能传感器薄膜的加工制备；
（6）制备一层绝缘层用于传感器封装；
（7）将金属引线与传感器的引脚固连，方便传感器的信号的引出，用于轨道的振动测试；
（8）传感器性能校准与标定，扩大内嵌式轨道的应用范围。
制备方法实例：下面结合具体实例和图4对本发明作进一步说明。图4为本发明内嵌式智能铁轨制备流程图，其中，（1）在计算机绘图软件上设计内嵌式智能铁轨上传感器的几何结构，包括不同功能传感器的尺寸以及绝缘层等的厚度，保证传感器的外观尺寸与普通铁轨一致；
（2）利用数控加工技术在铣床上按照步骤1中的结构布局在铁轨的侧面上铣出传感器凹槽，粗糙度控制在2微米以内；
（3）利用激光加工技术提高凹槽的表面平整度，粗糙度控制在0.2微米以内，为后续的传感器加工制备提供支持；
（4）利用等离子增强气相沉积薄膜装备（沉积时间为20分钟）在铁轨金属凹槽表面制备一层100纳米厚度的氮化硅绝缘层；
（5）利用微机电加工技术（薄膜沉积、光刻图案化）分别依次完成不同功能传感器薄膜的加工制备，保证金属薄膜的厚度为200微米；
（6）制备一层绝缘层二氧化硅用于传感器封装；
（7）将金属引线与传感器的引脚固连，引出传感器的信号，记录轨道的振动和温度信号；
（8） 完成内嵌式传感器的振动信号与温度信号的标定工作，将内嵌式智能铁轨应用到具体的铁轨中，提高整个铁轨的数据采集精度，为铁轨的维护管理提供技术支持。
轨道噪声测试与应用实例说明：
将内嵌式智能铁轨放入轨道交通试验台上，列车驶过时铁轨上的内嵌传感器记录到的列车振动以及铁轨温度状态信息，如图5所示，内嵌式智能铁轨记录到到的振动信息（a），以及铁轨的温度信息在列车驶过铁轨后有所提高，列车离开内嵌式智能铁轨时，温度会下降（b）。所制备的内嵌式智能铁轨方便对列车的运动状态进行监测，支持列车技术快速发展。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种内嵌式智能铁轨，包括应变传感器、热阻传感器、热电偶等功能模块；在列车经过嵌入式传感器的铁轨时，记录铁轨的振动、温度等状态信息；在外界环境突变时，同样记录铁轨的结构健康状态信息。
2.根据权利要求1所述的内嵌式智能铁轨，其特征在于，所述传感器模块均是内嵌在铁轨的侧面里，并且不影响铁轨的机械强度，能够实时感知、记录和传输铁轨的状态信息。
3.根据权利要求2所述的内嵌式智能铁轨，其特征在于，所述内嵌式智能铁轨同时产生轨道振动、铁轨温度等结构健康信息。
4.一种内嵌式智能铁轨的制备方法，包括以下步骤：
（1）设计内嵌式智能铁轨上传感器的结构，集成不同功能传感器，保证传感器的外观尺寸与普通铁轨一致；
（2）利用数控加工技术按照步骤1中的结构布局完成铁轨上传感器凹槽的加工；
（3）利用激光加工技术提高凹槽的表面平整度，为后续的传感器加工制备提供支持；
（4）利用等离子增强气相沉积薄膜装置在铁轨金属凹槽表面制备一层氮化硅绝缘层；
（5）利用微机电加工技术（薄膜沉积、光刻图案化）分别依次完成不同功能传感器薄膜的加工制备；
（6）制备一层无机绝缘层用于传感器封装；
（7）将金属引线与传感器的引脚固连，方便传感器的信号的引出，用于轨道的振动测试；
（8）内嵌式传感器性能校准与标定，扩大内嵌式轨道的应用范围。
5.根据权利要求4所述的内嵌式智能铁轨的制备方法，其特征在于，所述内嵌式智能铁轨采用机械加工与微机电技术加工制备得到，与工业化、批量化生产兼容。
6.根据权利要求4所述的内嵌式智能铁轨的制备方法，其特征在于，所述内嵌式智能铁轨与普通铁轨的外观结构完全一致，并且具有等同的机械强度。
7.按照权利要求4~6任意一项所述的制备方法制备的内嵌式智能铁轨。
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