CN112046555B - 一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕，通过在轨枕本体下设置第一压力感应装置，在轨枕本体中设置位于钢轨下的第二压力感应装置，以及轨枕本体上设置信号记录装置，实现轨枕全生命周期实时监测功能。该智慧轨枕采用自储备电能的钢轨机械能储电装置和太阳能储电装置，将太阳能及钢轨微小位移产生的机械能转化为电能，解决了轨枕监测时的供电问题；利用无线传输将轨枕状态信息传输到远程设备上，远程设备将轨枕动态信息数据进行处理，以动态二维码的形式传至轨枕接收装置，实现轨枕信息实时更新，有利于及时了解线路状况，及时调整养护维修计划；还实现运营列车充当线路警察的功能，通过无线传感技术及时获得线路质量状态，有利于列车安全运营。

Description

一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕

技术领域

本发明涉及铁道工程线路状态智能监测技术领域，尤其涉及一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕。

背景技术

近年来，随着我国铁路的不断提速,铁路运量的不断增大。作为铁路轨道结构主要部件的混凝土轨枕裂纹、掉块、暗坑等多种形态的伤损不断加剧。轨枕空吊是有砟轨道最普遍的病害之一。由于基础不均匀沉降，道砟捣固不足，列车长期冲击作用，雨水对道砟的洗刷等均会导致道床下沉，从而出现道砟与轨枕接触面积减小，产生轨枕空吊现象。轨枕空吊将引起轨道支撑刚度不均匀，轮轨冲击作用会增大，加快轨枕破坏，道砟粉化，钢轨、扣件伤损，甚至会影响列车运行安全性。

铁路线路长期处于一个动态变化的过程，轨枕作为铁路线路的组成部分，承受着钢轨传来的反复荷载，受力状态复杂，轨枕的伤损是不可避免的，而且我国铁路线路里程长，混凝土枕用量较大，在繁忙的工作状态下，很难做到发现线路小病害、轨枕小伤损就立即整治，这样将会使轨枕的伤损累积，最后导致轨枕的失效。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕，能够实时监控轨枕服役状态，并记录轨枕在整个服役期内的动态变化过程，有利于及时处理轨枕损伤及轨枕空吊等现象，来保证整个线路的平顺性和列车运行的安全性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕，包括轨枕本体、钢轨位移机械能转化储电装置、第一压力感应装置、第二压力感应装置、信号记录装置、太阳能储电装置和通信装置；

钢轨架设在轨枕本体上，第一压力感应装置位于轨枕本体底部，第二压力感应装置位于钢轨的底部；钢轨位移机械能转化储电装置设置在相邻轨枕本体之间并位于钢轨正下方，与第一压力感应装置、第二压力感应装置和通信装置电性连接；信号记录装置分别与第一压力感应装置、第二压力感应装置和通信装置电路连接，通信装置还与外部系统通信连接；钢轨位移机械能转化储电装置和太阳能储电装置为第一压力感应装置、第二压力感应装置、信号记录装置和通信装置供电；

钢轨位移机械能转化储电装置包括钢轨位移获取机构、第一传动机构、第二传动机构和电感装置；钢轨位移获取机构具有与钢轨相接触的探杆，并通过该探杆与第一传动机构驱动连接；第一传动机构还与第二传动机构驱动连接；电感装置具有相互电性连接的感应线圈和第五转轮，并通过第五转轮与第二传动机构驱动连接；当钢轨发生位移，探杆竖向运动并通过第一传动机构和第二传动机构驱动第五转轮做切割磁感线运动，产生感应电流，该感应电流传输至第一压力感应装置和第二压力感应装置。

优选地，钢轨位移获取机构包括：探杆竖向布置，为螺杆结构，探杆顶部具有螺帽，用于与钢轨相接触，该螺帽顶部具有绝缘层；与探杆相套接，并且与螺帽间隔布置的垫片；螺帽与垫片之间的间隔内套装有弹簧，用于使螺帽紧密接触钢轨，并保证螺帽可恢复初始位置；

第一传动机构包括：依次铰接的第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆和第四传动杆；该第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆和第四传动杆分别通过设置第一转铰、第二转铰、第三转铰和第四转铰固定安装，并可分别以该第一转铰、第二转铰、第三转铰和第四转铰为轴摆动；第一传动杆还通过另一侧与探杆底端相接触；第二传动杆分别与第一传动杆和第三传动杆相互垂直，第四传动杆与第三传动杆相互垂直；

第二传动机构包括相互驱动连接的第一转轮对和第二转轮对；该第一转轮对包括第一轮轴，以及分别位于该第一轮轴两侧的第一转轮和第二转轮，第一转轮与第四传动杆相互拉绳驱动连接；第二转轮对包括第二轮轴，以及分别位于该第二轮轴两侧的第三转轮和第四转轮，第二转轮与第三转轮驱动连接，第四转轮与第五转轮驱动连接。

优选地，第四传动杆与第一转轮之间还设有滚筒，第四传动杆与第一转轮通过该滚筒相互拉绳驱动连接。

优选地，探杆与第一传动杆的接触点至第一转铰的距离小于第一转铰至第一传动杆与第二传动杆铰接端的距离，第一传动杆与第二传动杆铰接端至第二转铰的距离小于第二转铰至第二传动杆与第三传动杆铰接端的距离，第二传动杆与第三传动杆铰接端至第三转铰的距离小于第三转铰至第三传动杆与第四传动杆铰接端的距离，第三传动杆与第四传动杆铰接端至第四转铰的距离小于第四转铰至第四传动杆的拉绳连接端的距离；滚筒至第四传动杆的拉绳连接端的距离小于滚筒至第一转轮的距离；

第一转轮的直径小于第二转轮的直径；第二转轮的直径大于第三转轮的直径；第三转轮的直径小于第四转轮的直径；第四转轮的直径大于第五转轮的直径。

优选地，钢轨的位移量与第五转轮做切割磁感线运动产生的感应电流的关系通过如下公式计算：

式中，F_压为钢轨向下的压力；X₀为钢轨位移；X_b为第一传动杆的力输出端的位移；X_c为第二传动杆的力输入端的位移；X_d为第二传动杆的力输出端的位移；X_e为第三传动杆的力输入端的位移；X_f为第三传动杆的力输出端位移；X_g为第四传动杆的力输入端的位移；X_h为第四传动杆的力输出端的位移；R10表示第一转轮、第三转轮、第五转轮的转动有效半径为10mm；R65表示第二转轮、第四转轮转动有效半径为65mm；ω₁为第一转轮的角速度；ω₂为第三转轮的角速度；ω₃为第五转轮的角速度；t为作用时间；N为第五转轮的转动周次。

优选地，探杆底端具有凹部，第一传动杆的一端伸入该凹部内并与该凹部紧密接触。

优选地，第二压力感应装置用于获取轨枕本体压力时程曲线信息和第二压力感应装置绝对位移曲线信息，并发送至信号记录装置；信号记录装置基于该轨枕本体压力时程曲线信息和第二压力感应装置绝对位移曲线信息进行处理，具体过程包括：

C1导入轨枕本体压力时程曲线信息和第二压力感应装置绝对位移曲线信息；

C2设置初始时间为t₀，搜索时间步长h＝1e-6s，任意搜索时间为t_i＝t₀+ih；

C3初始时间为t₀所对应的轨枕本体压力值记为m₀，任意搜索时间记为t_i，则t_i时刻所对应的轨枕本体压力值记为m_i，位移值记为o_i，t_i+1时刻所对应的轨枕本体压力值记为m_i+1，t_i+2时刻所对应的轨枕本体压力值记为m_i+2；

C4当检索t_i+1时刻时，以搜索时间步长h为半径检索t_i时刻及第t_i+2时刻所对应的压力值，判断m_i、m_i+1、m_i+2的绝对值大小，如果m_i<m_i+1，且m_i+1>m_i+2时，则m_i+1为峰值荷载，需同时记录时间t_i+1和m_i+1，否则不记录；搜索下一时刻，重复执行该步骤；

C5将所获得的轨枕本体峰值荷载根据时间依次排列，相邻时间相减所得时间间隔记为d_i，获得S＝min{d_i}；

C6通过设置固定轴距l并与S相比，获得列车运行速度v＝l/S×3.6；

C7将峰值荷载所对应的时间按照增序方式排列，并依次编号，任意轨枕本体峰值荷载所对应的时间序号记为N_a，则N_a为累计通过轨枕的轴次，N_a轴次所对应的轨枕本体荷载压力值记为m_a，获得轨枕本体累计峰值压力

C8基于m_i和o_i获得任意一侧钢轨支座动刚度k＝m_i/o_i；

第一压力感应装置具有多个感应分区，用于信号记录装置判断轨枕本体的空吊等级，该判断过程包括：

D1根据行列关系，设置A_ij用于表示第i行、第j列的感应分区的面积；

D2计算每个感应分区的道砟与第一压力感应装置的相互作用力f_ij，利用式p_ij×A_ij＝f_ij计算获得每个感应分区的平均应力p_ij，按照最不利荷载组合下的最大应力p的倍数进行分级着色，获得轨枕接触应力状态的不同分区；

D3统计无接触应力区的数量n，利用式E＝n/J×100％计算的到空吊率E，式中，J为感应分区的数量；若20％≤E≤40％，则轨枕本体为轻度空吊；若40％<E≤60％，则轨枕本体中度空吊；若60％<E≤80％，则轨枕本体为严重空吊；若80％<E<100％，则轨枕本体为完全空吊；

D4基于每个感应分区的平均应力p_ij值，可获得轨枕本体的空吊位置。

优选地，信号记录装置还基于步骤C1-C8和D1-D4获取的结果，获得轨枕本体受力分布图，用于判断轨枕病害，具体包括如下步骤：

E1设置相似度ρ，用于判断轨枕本体所处的运营阶段；

E2将第一压力感应装置的受力进行简化，获得合成到轨枕本体中间截面上的合力P_j，根据该P_j获得轨枕本体压力分布图，还利用截面法获得轨枕本体弯矩分布图，其中轨枕本体弯矩值用M表示；

E3通过式(4)～(9)计算相似系数，

式中，P_j初期为运营初期预设轨枕压力分布图第j个压力值；P_j中期为运营中期预设轨枕压力分布图第j个压力值；P_j后期为运营后期预设轨枕压力分布图第j个压力值；M_j初期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；M_j中期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；M_j后期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；P_j为所测轨枕压力分布图第j个压力值；M_j为所测轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；

E4若max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]≥0.9，将ρ_p初期、ρ_p中期、ρ_p后期、ρ_M初期、ρ_M中期、ρ_M后期的下标输出，判断轨枕本体所处的运营阶段；

若0.7≤max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.9，则怀疑轨枕本体出现病害，需根据相似系数值与轨枕本体压力分布图和轨枕本体弯矩分布图来判断轨枕本体所处的服役状态；

若0.5≤max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.7，则轨枕本体存在病害，需根据相似系数值与轨枕本体压力分布图和轨枕本体弯矩分布图来判断轨枕本体所处的服役状态，并输出黄色警告；

若max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.5，则轨枕本体存在病害，需根据相似系数值与轨枕本体压力分布图和轨枕本体弯矩分布图来判断轨枕本体所处的服役状态，并输出红色警告。

优选地，轨枕本体内还具有预埋线管及输电通道，钢轨位移机械能转化储电装置和太阳能储电装置通过该预埋线管及输电通道为第一压力感应装置、第二压力感应装置、信号记录装置和通信装置供电。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕，通过在轨枕本体下设置第一压力感应装置，在轨枕本体中设置位于钢轨下的第二压力感应装置，以及在轨枕本体上设置的信号记录装置，实现了轨枕全生命周期的实时监测功能。该智慧轨枕还采用了自储备电能的钢轨位移机械能转化储电装置和太阳能储电装置，将钢轨微小位移产生的机械能及太阳能转化为电能，解决了轨枕监测时的供电问题。还利用无线传输技术，将轨枕状态信息传输到远程设备上，然后远程设备将轨枕动态信息数据进行处理，并以动态二维码的形式传输给轨枕接收装置，实现了轨枕信息的实时更新，有利于现场工作人员及时了解线路状况，及时调整线路养护维修计划。同时也实现了客运或货运列车充当线路警察的功能，通过无线传感技术及时获得线路的质量状态，有利于列车平稳安全的运营。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的俯视图；

图2为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的主视图；

图3为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的钢轨位移机械能转化储电装置的俯视图；

图4为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的钢轨位移机械能转化储电装置的主视图；

图5为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的第一传动机构和第一传动机构的俯视图；

图6为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的钢轨位置获取机构的主视图；

图7为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的第二传动机构的原理图；

图8为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的第二传动机构的主视图；

图9为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的第二压力感应装置的力与位移曲线样图；

图10为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的第一压力感应装置分区方法示意图；

图11为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的第一压力感应装置受力示意图；

图12为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的第一压力感应装置的受力转化原理图；

图13为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的轨枕铺设初期轨底压力分布及弯矩分布示意图；

图14为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的铺设中期轨底压力分布及弯矩分布示意图；

图15为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的铺设后期轨底压力分布及弯矩分布示意图；

图16为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的中部开裂、折断轨底压力分布及弯矩分布示意图；

图17为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的空吊轨底压力分布及弯矩分布示意图；

图18为本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕的轨枕本体动态信息二维码显示样图。

图中：

1.轨枕本体2.钢轨位移机械能转化储电装置3.第一压力感应装置4.第二压力感应装置5.信号记录装置6.太阳能储电装置7.通信装置8.预埋线管及输电通道9.轨枕槽10.外部系统；

211.探杆212.螺帽213.绝缘层214.垫片215.弹簧216.稳定套筒217.防弹扣板218.凹部；

221.第一传动杆222.第一转铰223.第二传动杆224.第二转铰225.第三传动杆226.第三转铰227.第四传动杆228.第四转铰；

231.第一轮轴232.第一转轮233.第二转轮234.第二轮轴235.第三转轮236.第四转轮237.轮轴固定支座238.传动带；

24.电感装置241.第五转轮2411.第三轮轴242.输电端；

25.滚筒26.高强度拉绳27.外壳；

a.第一传动杆的力输入端b.第一传动杆的力输出端c.第二传动杆的力输入端d.第二传动杆的力输出端e.第三传动杆的力输入端f.第三传动杆的力输出端g.第四传动杆的力输入端h.第四传动杆的力输出端。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

参见图1至8，本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕，包括轨枕本体1、钢轨位移机械能转化储电装置2、第一压力感应装置3、第二压力感应装置4、信号记录装置5、太阳能储电装置6、通信装置7、预埋线管及输电通道8和轨枕槽9。

在本发明提供的实施例中，如图1和2所示，多个该轨枕本体1相互平行间隔布置，钢轨架设在轨枕本体1顶面，第一压力感应装置3被压设在轨枕本体1底部，第二压力感应装置4位于轨枕本体1顶部并且被压设在钢轨的底部；钢轨位移机械能转化储电装置2设置在相邻轨枕本体1之间并位于钢轨下方，其还与第一压力感应装置3和第二压力感应装置4电性连接，为第一压力感应装置3、第二压力感应装置4、信号记录装置5和通信装置7供电；信号记录装置5分别与第一压力感应装置3、第二压力感应装置4和通信装置7电路连接，通信装置7还与外部系统10(用于远程控制)通信连接；太阳能储电装置6分别为第一压力感应装置3、第二压力感应装置4、信号记录装置5和通信装置7供电；

在本发明提供的实施例中，钢轨位移机械能转化储电装置2是首先采用机械结构获取钢轨的微小位移并进行放大，再通过感应线圈将机械能转化为电能获得电信号的装置。其包括外壳27以及位于该外壳27内的钢轨位移获取机构、第一传动机构、第二传动机构和电感装置24；钢轨位移获取机构具有与钢轨相接触的探杆211，并通过该探杆211与第一传动机构驱动连接；第一传动机构还与第二传动机构驱动连接；电感装置24具有相互电性连接的感应线圈和第五转轮241，并通过第五转轮241与第二传动机构驱动连接。当钢轨发生位移，探杆211竖向运动并通过第一传动机构和第二传动机构驱动第五转轮241做切割磁感线运动，产生感应电流，该感应电流被传输至第一压力感应装置3和第二压力感应装置4。

在一些优选的实施例中，如图6所示，钢轨位移获取机构包括：探杆211竖向布置，为螺杆结构，述探杆211顶部具有螺帽212，用于与钢轨相接触，并保证螺帽212的初始位置可恢复。该螺帽212与钢轨相接触的顶部具有绝缘层213；与探杆211相套接，并且与螺帽212间隔布置的垫片214；螺帽212与垫片214之间的间隔内套装有弹簧215，用于使螺帽212紧密接触钢轨；调节垫片214与螺帽212之间的间距可以调整螺帽212接触钢轨的张紧度。在本实施例中，探杆211上还套装有位于垫片214下方的稳定套筒216，用于调节垫片214的位置。以及位于稳定套筒216下方的防弹扣板217。

在本实施例中，第一传动机构采用多连杆传动机构，其包括：依次铰接的第一传动杆221、第二传动杆223、第三传动杆225和第四传动杆227；该第一传动杆221、第二传动杆223、第三传动杆225和第四传动杆227分别通过设置第一转铰222、第二转铰224、第三转铰226和第四转铰228固定安装，并可分别以该第一转铰222、第二转铰224、第三转铰226和第四转铰228为轴摆动，构成多个相互连接的杠杆；第一传动杆221还通过另一侧与探杆211底端相接触；在本实施例中，根据空间布局的需要，第二传动杆223分别与第一传动杆221和第三传动杆225相互垂直，第四传动杆227与第三传动杆225相互垂直，形成近似矩形的布置。

在本实施例中，第二传动机构采用两组传动轮机构，其包括相互驱动连接的第一转轮对和第二转轮对；该第一转轮对包括第一轮轴231，以及分别位于该第一轮轴231两侧的第一转轮232和第二转轮233，第一转轮232与第四传动杆227通过拉绳驱动连接；第二转轮对包括第二轮轴234，以及分别位于该第二轮轴234两侧的第三转轮235和第四转轮236，第二转轮233与第三转轮235同侧布置，相互通过传动带238驱动连接，第四转轮236与第五转轮241同侧布置，相互通过传动带238驱动连接。在本实施例中，第一轮轴231和第二轮轴234安装在轮轴固定支座237上。

如图4所示，作为一个优选的实施例，钢轨位移机械能转化储电装置2各机构布置方式为：位移获取机构在最上方，探杆211顶部接触钢轨，底部接触第一传动机构的第一传动杆221；第一传动机构的传动杆均未同一平面水平布置；第二传动机构中的第一转轮对临近第一传动机构，并且距地面(道砟)高度大于第二转轮对的高度，第二转轮对与电感装置24位于最下方。

在该实施例中，为了实现对钢轨的微小位移进行放大，还采用如下方式：每个传动杆上，转铰与力输入端之间的距离小于转铰与力输出端之间的距离，即，探杆211与第一传动杆221的接触点至第一转铰222的距离小于第一转铰222至第一传动杆221与第二传动杆223铰接端的距离，第一传动杆221与第二传动杆223铰接端至第二转铰224的距离小于第二转铰224至第二传动杆223与第三传动杆225铰接端的距离，第二传动杆223与第三传动杆225铰接端至第三转铰226的距离小于第三转铰226至第三传动杆225与第四传动杆227铰接端的距离，第三传动杆225与第四传动杆227铰接端至第四转铰228的距离小于第四转铰228至第四传动杆227与拉绳连接端的距离。在第二传动机构中：第一转轮232的直径小于第二转轮233的直径；第二转轮233的直径大于位于同侧的第三转轮235的直径；第三转轮235的直径小于第四转轮236的直径；第四转轮236的直径大于位于同侧的第五转轮241的直径。采用了上述设置：使传动杆构成费力杠杆结构，可以使传动杆的力输出端获得相对较大的摆动幅度；第一转轮对与第二转轮对相互之间采用减小传动比的输出方式。最终，使第五转轮241获得较大的转动幅度，在其轮轴伸入感应线圈做切割磁感线运动的幅度更大，所获得的感应电流强度较高。在该实施例中，第五转轮241具有伸入感应线圈的第三轮轴2411，第五转轮通过该第三轮轴2411做切割磁感线运动。

本领域技术人员应能理解上述传动杆的尺寸参数具体设置，以及转铰与所属传动杆之间具体的位置关系是根据实际需要适当设置的，其他现有的或今后可能出现的任何长度的传动杆类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

作为更进一步的改进，在第四传动杆227与第一转轮232之间还设有滚筒25，第四传动杆227与第一转轮232通过高强度拉绳26和该滚筒25相互驱动连接。该滚筒25被构造成定滑轮，并且第四传动杆227的力输出端至滚筒25的高强度拉绳26长度小于滚筒25至第一转轮232的高强度拉绳26长度，其作用机理与传动杆相同。

具有上述设置的钢轨位移机械能转化储电装置2工作时，首先将其安装在轨枕本体1两侧钢轨的正下方，并使弹簧215处于适量压缩状态，探杆211底端与第一传动杆221密贴，利用杠杆原理是第二传动杆223、第三传动杆225和第四传动杆227先后发生连锁反应，将钢轨中部动位移放大。同时第四传动杆227的力输出端与拉绳相连，通过滚筒25带动第一转轮232发生逆时针旋转。在第一转轮232的驱动下，第二转轮233也发生逆时针旋转，并利用传动带238带动第三转轮235发生转动，同时第四转轮236也发生同向转动。利用传动带238将第四转轮236与第五转轮241相连，并发生同向转动，同时带动第五转轮241的第三轮轴2411伸入电感装置24中的感应线圈内做切割磁感线运动产生感应电流，实现了钢轨机械能向电能的转化以及钢轨微小位移的放大捕捉。进一步通过输电端242连接线路将钢轨位移机械能转化储电装置2产生的电能输送给智慧轨枕。在一些优选实施例中，轨枕本体1的内部还具有预埋线管及输电通道8，用于穿设输电线路，钢轨位移机械能转化储电装置2和太阳能储电装置6通过该预埋线管及输电通道8为第一压力感应装置3、第二压力感应装置4、信号记录装置5和通信装置7输电。

在本实施例中，钢轨的位移量与的第五转轮241做切割磁感线运动产生的感应电流的关系通过如下公式计算：

式中，并且结合图7和8，F_压为钢轨向下的压力；X₀为钢轨位移；X_b为第一传动杆221的力输出端的位移；X_c为第二传动杆223的力输入端的位移；X_d为第二传动杆223的力输出端的位移；X_e为第三传动杆225的力输入端的位移；X_f为第三传动杆225的力输出端位移；X_g为第四传动杆227的力输入端的位移；X_h为第四传动杆227的力输出端的位移；R10表示在本实施例中第一转轮232、第三转轮235、第五转轮241的转动有效半径(本实施例中，转轮与传动带接触面为凹槽结构，防止传动带脱落，有效半径即为各转轮凹槽底面至转轮轮心的距离)为10mm，R15表示第一转轮232、第三转轮235、第五转轮241的半径为15mm；R65在本实施例中表示第二转轮233、第四转轮236转动有效半径为65mm，R70表示第二转轮233、第四转轮236的半径为70mm；ω₁为第一转轮232的角速度；ω₂为第三转轮235的角速度；ω₃为第五转轮241的角速度；t为作用时间；N为第五转轮241的转动周次。经计算可得，当钢轨位移在[0.5mm-1mm]，第五转轮241转动周次介于24.2和48.4之间，可达到快速发电的效果。

在另一些优选实施例中，为了防止探杆211与第一传动杆221之间产生滑移影响钢轨位移的捕捉精度，探杆211底部具有凹部218，该凹部218的尺寸和构型与第一传动杆221端头相适应，使该端头外表面与凹部218内壁紧密贴合。

在本发明提供的实施例中，第一压力感应装置3和第二压力感应装置4还用于获取轨枕本体1的受力数据，并将数据一并发送至信号记录装置5。信号记录装置5将数据进行处理、记录，还通过通信装置7传输到外部系统，实现对轨枕的远程监控。外部系统还可以通过通信装置7与智慧轨枕实现数据交换，例如通过发送动态二维码(如图18所示)的形式。

在一些优选实施例中，如图9至17所示，第二压力感应装置4可测量记录轨枕本体1压力时程曲线信息和第二压力感应装置4绝对位移曲线信息，并发送至信号记录装置5。信号记录装置5基于该轨枕本体1压力时程曲线信息和第二压力感应装置4绝对位移曲线信息进行处理，具体过程包括：

C1导入轨枕本体1压力时程曲线信息和第二压力感应装置4绝对位移曲线信息；

C2设置初始时间为t₀，搜索时间步长h＝1e-6s，任意搜索时间为t_i＝t₀+ih；

C3初始时间为t₀所对应的轨枕本体1压力值记为m₀，任意搜索时间记为t_i，则t_i时刻所对应的轨枕本体1压力值记为m_i，位移值记为o_i，t_i+1时刻所对应的轨枕本体1压力值记为m_i+1，t_i+2时刻所对应的轨枕本体1压力值记为m_i+2；

C4当检索t_i+1时刻时，以搜索时间步长h为半径检索t_i时刻及第t_i+2时刻所对应的压力值，判断m_i、m_i+1、m_i+2的绝对值大小，如果m_i<m_i+1，且m_i+1>m_i+2时，则m_i+1为峰值荷载，需同时记录时间t_i+1和m_i+1，否则不记录；搜索下一时刻，重复执行该步骤；

C5将所获得的轨枕本体1峰值荷载根据时间依次排列，相邻时间相减所得时间间隔记为d_i，获得S＝min{d_i}；

C6通过设置固定轴距l并与S相比，获得列车运行速度v＝l/S×3.6；

C7将峰值荷载所对应的时间按照增序方式排列，并依次编号，任意轨枕本体1峰值荷载所对应的时间序号记为N_a，则N_a为累计通过轨枕的轴次，N_a轴次所对应的轨枕本体1荷载压力值记为m_a，获得轨枕本体1累计峰值压力

C8基于m_i和o_i获得任意钢轨支座动刚度k＝m_i/o_i。

在本实施例中，如图2和13所示，轨枕本体1顶部与钢轨相对应的位置具有轨枕槽9，第二压力感应装置4安装在该轨枕槽9内，其长度宽度与钢轨下垫板相同，厚度为10mm。

在本市实施例中，第一压力感应装置3具有多个感应分区，用于所述信号记录装置5判断轨枕本体1的空吊等级。感应分区数量是根据第一压力感应装置3的底面积适当设置的，例如在本实施例中，第一压力感应装置3长度、宽度与轨枕本体1底面相同，厚度为10mm，按照小区域长度为130mm，宽度为70mm，将其等分为80份。在铺设第一压力感应装置3之前要标定各分区压力与应变，以最不利荷载情况下的轨枕压力值作为各分区最大标定压力值的峰值，0N作为各分区最小压力值。此外标定其各分区压力的关系时，需进行感应板现场预压实验后，再进行标定，使力与应变可以一一对应，并按照压力值大小分区着色。白色区域记为未接触区域，即空吊区域。可通过空吊区域个数占比判断轨枕空吊等级(如图图10和11所示)。判断程序如下：

D1根据行列关系，设置A_ij用于表示第i行、第j列的所述感应分区的面积；

D2计算每个所述感应分区的道砟与所述第一压力感应装置3的相互作用力f_ij，利用式p_ij×A_ij＝f_ij计算获得每个感应分区的平均应力p_ij，按照最不利荷载组合下的最大应力p的倍数进行分级着色，获得灰色的无接触应力区；

D3统计无接触应力区的数量n，利用式E＝n/J×100％计算的到空吊率E，式中，J为所述感应分区的数量(J＝80)；若20％≤E≤40％，则轨枕本体1为轻度空吊；若40％<E≤60％，则轨枕本体1中度空吊；若60％<E≤80％，则轨枕本体1为严重空吊；若80％<E<100％，则轨枕本体1为完全空吊；

D4基于所述每个感应分区的平均应力p_ij值，获得轨枕本体1的空吊位置。

进一步的，第一压力感应装置3和第二压力感应装置4可以实现数据共享，因此可以获得轨枕受力分布图，进而间接的判断轨枕开裂、折断、掉块等病害。具体包括如下步骤：

E1设置相似度ρ，用于判断轨枕本体1所处的运营阶段；

E2将所述第一压力感应装置3的受力进行简化，获得合成到所述轨枕本体1中间截面上的合力P_j，根据该P_j获得轨枕本体1压力分布图，还利用截面法获得轨枕本体1弯矩分布图，如图13至17所示；其中轨枕本体1弯矩值用M表示，P₁～P₂₀为轨枕长度方向单个分区长度范围内的均布力，其中数字表示轨枕长度方向的分区编号；F₁～F₂₀为轨枕长度方向单个分区长度范围内均布力的合力；M1-M3轨枕对应位置的弯矩值；W1和W2为左右钢轨下的垫板压力；

E3通过式(4)～(9)计算相似系数，

式中，P_j初期为运营初期预设轨枕压力分布图第j个压力值；P_j中期为运营中期预设轨枕压力分布图第j个压力值；P_j后期为运营后期预设轨枕压力分布图第j个压力值；M_j初期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；M_j中期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；M_j后期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；P_j为所测轨枕压力分布图第j个压力值；M_j为所测轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；ρ_p初期、ρ_p中期、ρ_p后期、ρ_M初期、ρ_M中期、ρ_M后期均为所述的相似系数；

E4若max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]≥0.9，将所述的ρ_p初期、ρ_p中期、ρ_p后期、ρ_M初期、ρ_M中期、ρ_M后期的下标输出，判断轨枕本体1所处的运营阶段；

若0.7≤max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.9，则轨枕本体1可能出现病害，需根据所述相似系数值与所述轨枕本体1压力分布图和轨枕本体1弯矩分布图来判断轨枕本体1所处的服役状态；

若0.5≤max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.7，则轨枕本体1存在病害，需根据所述相似系数值与所述轨枕本体1压力分布图和轨枕本体1弯矩分布图来判断轨枕本体1所处的服役状态，并输出黄色警告；

若max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.5，则轨枕本体1存在病害，需根据所述相似系数值与所述轨枕本体1压力分布图和轨枕本体1弯矩分布图来判断轨枕本体1所处的服役状态，并输出红色警告。

作为一种优选的实施例，信号记录装置5具有显示器，用于显示上述轨枕压力分布图、轨枕弯矩分布图以及智慧轨枕出厂信息等。

综上所述，本发明提供的一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕，通过在轨枕本体下设置第一压力感应装置，在轨枕本体中设置位于钢轨下的第二压力感应装置，以及在轨枕本体上设置的信号记录装置，实现了轨枕全生命周期的实时监测功能。该智慧轨枕还采用了自储备电能的钢轨机械能储电装置和太阳能储电装置，将钢轨微小位移产生的机械能，以及太阳能转化为电能，解决了轨枕监测时的供电问题。还利用无线传输技术，将轨枕状态信息传输到远程设备上，然后远程设备将轨枕动态信息数据进行处理，并以动态二维码的形式传输给轨枕接受装置，实现了轨枕信息的实时更新，有利于现场工作人员及时了解线路状况，及时调整线路养护维修计划。同时也实现了客运或货运列车充当线路警察的功能，通过无线传感技术及时获得线路的质量状态，有利于列车平稳安全的运行。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于检测线路质量状态的智慧轨枕，其特征在于，包括轨枕本体、钢轨位移机械能转化储电装置、第一压力感应装置、第二压力感应装置、信号记录装置、太阳能储电装置和通信装置；

钢轨架设在所述轨枕本体上，所述第一压力感应装置位于所述轨枕本体底部，所述第二压力感应装置位于钢轨的底部；所述钢轨位移机械能转化储电装置设置在相邻所述轨枕本体之间并位于钢轨正下方，与所述第一压力感应装置、第二压力感应装置和通信装置电性连接；所述信号记录装置分别与所述第一压力感应装置、第二压力感应装置和通信装置电路连接，所述通信装置还与外部系统通信连接；所述钢轨位移机械能转化储电装置和太阳能储电装置为所述第一压力感应装置、第二压力感应装置、信号记录装置和通信装置供电；

所述钢轨位移机械能转化储电装置包括钢轨位移获取机构、第一传动机构、第二传动机构和电感装置；所述钢轨位移获取机构具有与钢轨相接触的探杆，并通过该探杆与所述第一传动机构驱动连接；所述第一传动机构还与所述第二传动机构驱动连接；所述电感装置具有相互电性连接的感应线圈和第五转轮，并通过所述第五转轮与所述第二传动机构驱动连接；当钢轨发生位移，所述探杆竖向运动并通过所述第一传动机构和第二传动机构驱动所述第五转轮做切割磁感线运动，产生感应电流，该感应电流传输至所述第一压力感应装置和第二压力感应装置。

2.根据权利要求1所述的智慧轨枕，其特征在于，所述钢轨位移获取机构包括：所述探杆竖向布置，为螺杆结构，所述探杆顶部具有螺帽，用于与钢轨相接触，该螺帽顶部具有绝缘层；与所述探杆相套接，并且与所述螺帽间隔布置的垫片；所述螺帽与垫片之间的间隔内套装有弹簧，用于使螺帽紧密接触钢轨，并保证螺帽可恢复初始位置；

所述第一传动机构包括：依次铰接的第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆和第四传动杆；该第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆和第四传动杆分别通过设置第一转铰、第二转铰、第三转铰和第四转铰固定安装，并可分别以该第一转铰、第二转铰、第三转铰和第四转铰为轴摆动；所述第一传动杆还通过另一侧与所述探杆底端相接触；所述第二传动杆分别与所述第一传动杆和第三传动杆相互垂直，所述第四传动杆与所述第三传动杆相互垂直；

所述第二传动机构包括相互驱动连接的第一转轮对和第二转轮对；该第一转轮对包括第一轮轴，以及分别位于该第一轮轴两侧的第一转轮和第二转轮，所述第一转轮与所述第四传动杆相互拉绳驱动连接；所述第二转轮对包括第二轮轴，以及分别位于该第二轮轴两侧的第三转轮和第四转轮，所述第二转轮与所述第三转轮驱动连接，所述第四转轮与所述第五转轮驱动连接。

3.根据权利要求2所述的智慧轨枕，其特征在于，所述第四传动杆与所述第一转轮之间还设有滚筒，所述第四传动杆与所述第一转轮通过该滚筒相互拉绳驱动连接。

4.根据权利要求3所述的智慧轨枕，其特征在于，所述探杆与所述第一传动杆的接触点至所述第一转铰的距离小于所述第一转铰至所述第一传动杆与所述第二传动杆铰接端的距离，所述第一传动杆与所述第二传动杆铰接端至所述第二转铰的距离小于所述第二转铰至所述第二传动杆与所述第三传动杆铰接端的距离，所述第二传动杆与所述第三传动杆铰接端至所述第三转铰的距离小于所述第三转铰至所述第三传动杆与所述第四传动杆铰接端的距离，所述第三传动杆与所述第四传动杆铰接端至所述第四转铰的距离小于所述第四转铰至所述第四传动杆的拉绳连接端的距离；所述滚筒至所述第四传动杆的拉绳连接端的距离小于所述滚筒至所述第一转轮的距离；

所述第一转轮的直径小于所述第二转轮的直径；所述第二转轮的直径大于所述第三转轮的直径；所述第三转轮的直径小于所述第四转轮的直径；所述第四转轮的直径大于所述第五转轮的直径。

5.根据权利要求4所述的智慧轨枕，其特征在于，所述钢轨的位移量与所述的第五转轮做切割磁感线运动产生的感应电流的关系通过如下公式计算：

和

式中，F_压为钢轨向下的压力；X₀为钢轨位移；X_b为第一传动杆的力输出端的位移；X_c为第二传动杆的力输入端的位移；X_d为第二传动杆的力输出端的位移；X_e为第三传动杆的力输入端的位移；X_f为第三传动杆的力输出端位移；X_g为第四传动杆的力输入端的位移；X_h为第四传动杆的力输出端的位移；R10表示第一转轮、第三转轮、第五转轮的转动有效半径为10mm；R65表示第二转轮、第四转轮转动有效半径为65mm；ω₁为第一转轮的角速度；ω₂为第三转轮的角速度；ω₃为第五转轮的角速度；t为作用时间；N为第五转轮的转动周次。

6.根据权利要求2所述的智慧轨枕，其特征在于，所述探杆底端具有凹部，所述第一传动杆的一端伸入该凹部内并与该凹部紧密接触。

7.根据权利要求1所述的智慧轨枕，其特征在于，所述第二压力感应装置用于获取轨枕本体压力时程曲线信息和第二压力感应装置绝对位移曲线信息，并发送至所述信号记录装置；所述信号记录装置基于该轨枕本体压力时程曲线信息和第二压力感应装置绝对位移曲线信息进行处理，具体过程包括：

C1导入所述轨枕本体压力时程曲线信息和第二压力感应装置绝对位移曲线信息；

C2设置初始时间为t₀，搜索时间步长h＝1e-6s，任意搜索时间为t_i＝t₀+ih；

C3初始时间为t₀所对应的轨枕本体压力值记为m₀，任意搜索时间记为t_i，则t_i时刻所对应的轨枕本体压力值记为m_i，位移值记为o_i，t_i+1时刻所对应的轨枕本体压力值记为m_i+1，t_i+2时刻所对应的轨枕本体压力值记为m_i+2；

C4当检索t_i+1时刻时，以搜索时间步长h为半径检索t_i时刻及第t_i+2时刻所对应的压力值，判断m_i、m_i+1、m_i+2的绝对值大小，如果m_i<m_i+1，且m_i+1>m_i+2时，则m_i+1为峰值荷载，需同时记录时间t_i+1和m_i+1，否则不记录；搜索下一时刻，重复执行该步骤；

C5将所获得的轨枕本体峰值荷载根据时间依次排列，相邻时间相减所得时间间隔记为d_i，获得S＝min{d_i}；

C6通过设置固定轴距l并与S相比，获得列车运行速度v＝l/S×3.6；

C7将峰值荷载所对应的时间按照增序方式排列，并依次编号，任意轨枕本体峰值荷载所对应的时间序号记为N_a，则N_a为累计通过轨枕的轴次，N_a轴次所对应的轨枕本体荷载压力值记为m_a，获得轨枕本体累计峰值压力

C8基于m_i和o_i获得任意一侧钢轨支座动刚度k＝m_i/o_i；

所述第一压力感应装置具有多个感应分区，用于所述信号记录装置判断轨枕本体的空吊等级，该判断过程包括：

D1根据行列关系，设置A_ij用于表示第i行、第j列的所述感应分区的面积；

D2计算每个所述感应分区的道砟与所述第一压力感应装置的相互作用力f_ij，利用式p_ij×A_ij＝f_ij计算获得每个感应分区的平均应力p_ij，按照最不利荷载组合下的最大应力p的倍数进行分级着色，获得轨枕接触应力状态的不同分区；

D3统计无接触应力区的数量n，利用式E＝n/J×100％计算的到空吊率E，式中，J为所述感应分区的数量；若20％≤E≤40％，则轨枕本体为轻度空吊；若40％<E≤60％，则轨枕本体中度空吊；若60％<E≤80％，则轨枕本体为严重空吊；若80％<E<100％，则轨枕本体为完全空吊；

D4基于所述每个感应分区的平均应力p_ij值，可获得轨枕本体的空吊位置。

8.根据权利要求7所述的智慧轨枕，其特征在于，所述信号记录装置还基于所述步骤C1-C8和D1-D4获取的结果，获得轨枕本体受力分布图，用于判断轨枕病害，具体包括如下步骤：

E1设置相似度ρ，用于判断轨枕本体所处的运营阶段；

E2将所述第一压力感应装置的受力进行简化，获得合成到所述轨枕本体中间截面上的合力P_j，根据该P_j获得轨枕本体压力分布图，还利用截面法获得轨枕本体弯矩分布图，其中轨枕本体弯矩值用M表示；

E3通过式(4)～(9)计算相似系数，

式中，P_j初期为运营初期预设轨枕压力分布图第j个压力值；P_j中期为运营中期预设轨枕压力分布图第j个压力值；P_j后期为运营后期预设轨枕压力分布图第j个压力值；M_j初期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；M_j中期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；M_j后期运营初期预设轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；P_j为所测轨枕压力分布图第j个压力值；M_j为所测轨枕弯矩分布图第j个弯矩值；

E4若max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]≥0.9，将所述的ρ_p初期、ρ_p中期、ρ_p后期、ρ_M初期、ρ_M中期、ρ_M后期的下标输出，判断轨枕本体所处的运营阶段；

若0.7≤max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.9，则怀疑轨枕本体出现病害，需根据所述相似系数值与所述轨枕本体压力分布图和轨枕本体弯矩分布图来判断轨枕本体所处的服役状态；

若0.5≤max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.7，则轨枕本体存在病害，需根据所述相似系数值与所述轨枕本体压力分布图和轨枕本体弯矩分布图来判断轨枕本体所处的服役状态，并输出黄色警告；

若max[min{ρ_p初期，ρ_M初期}，min{ρ_p中期，ρ_M中期}，min{ρ_p后期，ρ_M后期}]<0.5，则轨枕本体存在病害，需根据所述相似系数值与所述轨枕本体压力分布图和轨枕本体弯矩分布图来判断轨枕本体所处的服役状态，并输出红色警告。

9.根据权利要求1至8任一所述的智慧轨枕，其特征在于，所述轨枕本体内还具有预埋线管及输电通道，所述钢轨位移机械能转化储电装置和太阳能储电装置通过该预埋线管及输电通道为所述第一压力感应装置、第二压力感应装置、信号记录装置和通信装置供电。

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