剪力傳感器在鐵路計軸領域的應用

王亞鵬， 徐海賢， 何承剛， 黃彬武

(1.廣西科技大學 電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545006；2.南寧鐵路局科學技術研究所，廣西 南寧 530000)

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剪力傳感器在鐵路計軸領域的應用

王亞鵬1， 徐海賢2， 何承剛1， 黃彬武2

(1.廣西科技大學 電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545006；2.南寧鐵路局科學技術研究所，廣西 南寧 530000)

提出了一種在鐵路計軸領域運用剪力傳感器實現計軸的方法，由于剪力傳感器具有靈敏度高、精確性好等優點，該方法能運用剪力傳感器感應車輪的重力轉換為檢測信號計算車軸數量，可有效排除不利因素對計軸設備造成的干擾，保證計軸設備檢測數據的準確性，提高計軸設備的安全可靠性，保障鐵路系統的運輸安全。

剪力傳感器； 計軸； 運輸安全

0　引　言

當前鐵路系統中，普遍采用電磁感應式計軸設備來解決軌道電路分路不良、紅光帶等問題[1]。電磁感應式計軸設備使用的電磁傳感器緊貼式安裝在鋼軌的軌腰上，常年受到車輪經過時震動的影響，會引起裝置的松動或脫落等問題，這些因素會引起傳感器參數發生漂移，使檢測數據的準確性、可靠性降低，影響計軸設備的正常工作，另外,該設備還容易受到非輪軸金屬物體和單軌車等因素的影響[2]。在計軸設備中采用剪力傳感器，利用其靈敏度高、精確性好等優點，以及將傳感器軸銷式插入道軌的安裝辦法，可以有效地消除以上不利因素對計軸設備的影響，保證檢測數據的準確性，提高計軸設備的安全可靠性，保障運輸安全。

本文提出了一種在鐵路計軸領域應用的剪力傳感器實現計軸的方法，實驗結果證明：該方法計軸數據準確，計軸

設備運行安全可靠。

1　剪力傳感器的輸出與移動載荷的關系

根據力學原理分析，鋼軌在車輪重力載荷作用下會發生彈性應力變化，剪力傳感器安裝在鋼軌中，用來感知應力變化，產生與應力變化相對應的信號值[3]。為了方便論述，將兩根軌枕A和B之間的一段鋼軌視為一段簡支梁(以下稱為檢測區)，在梁的正中間C點位置安裝剪力傳感器，如圖1所示。

圖1　剪力傳感器力學模型Fig 1　Mechanical model for shearing force sensor

當車輪沿著不同方向行駛通過檢測區，C點橫截面的剪力Q的力學分析也不相同。

當車輪在鋼軌上從A端向B端方向行駛(以下簡稱正向行駛)，根據工程實際中梁的力學原理可知，當車輪行駛未通過C點位置，C點橫截面的剪力Q與移動載荷P之間的關系為

(1)

車輪行駛通過C點位置后，C點橫截面的剪力Q與移動載荷P之間的關系為

(2)

剪力傳感器感應的信號值U與C點橫截面的剪力Q之間的關系為

U=KQ

(3)

式中L為軌枕A和B之間鋼軌的長度,m；X為車輪中軸線至軌枕A的距離,m；K為剪力傳感器的信號值U與C點橫截面的剪力Q之間的正比例系數[4]。

分析可知，在檢測區內隨著車輪正向行駛，X值不斷增大。當車輪行駛未通過C點位置時，由式(1)可知C點橫截面的剪力Q為負值，且隨著車輪的行駛不斷地減小，當車輪行駛至車輪中軸線臨界C點位置時，C點橫截面的剪力Q達到負的最小值。車輪行駛通過C點位置后，由式(2)可知C點橫截面的剪力Q為正值，且隨著車輪的行駛也是不斷減小。當車輪中軸線剛通過C點位置且臨界C點位置時，C點橫截面的剪力Q值達到正的最大值。在車輪中軸線通過C點位置時，C點橫截面的剪力Q值發生從負值到正值的跳變。

由此得出，車輪正向行駛通過檢測區，剪力傳感器的信號曲線如圖2(a)所示。

(a)　正向行駛

(b)　反向行駛圖2　車輪正向/反向行駛剪力傳感器的信號曲線Fig 2　Signal curve of shearing force sensor when wheel is running in forward diredction/opposite direction

當車輪在鋼軌上從B端向A端方向行駛(以下簡稱反向行駛)，根據工程實際中梁的力學原理可知，當車輪行駛未通過C點位置，C點橫截面的剪力Q與移動載荷P之間的關系為

(4)

當車輪行駛通過剪力C點位置，C點橫截面的剪力Q與移動載荷P之間的關系為

(5)

剪力傳感器感應的信號值U與C點橫截面的剪力Q之間的關系為

U=KQ

(6)

式中L為軌枕A和B之間鋼軌的長度,m；X為車輪中軸線至軌枕A的距離,m；K為剪力傳感器的信號值U與C點橫截面的剪力Q之間的正比例系數[4]。

同理分析，在檢測區內隨著車輪反向行駛，X值不斷減小。當車輪行駛未通過C點位置時，由式(3)可知C點橫截面的剪力Q為正值，且隨著車輪的行駛不斷的增大，當車輪行駛至車輪中軸線臨界C點位置時，C點橫截面的剪力Q達到正的最大值。車輪行駛通過C點位置后，由式(4)可知C點橫截面的剪力Q為負值，且隨著車輪的行駛也是不斷增大。當車輪中軸線剛通過C點位置且臨界C點位置時，C點橫截面的剪力Q值達到負的最小值。在車輪中軸線通過C點位置時，C點橫截面的剪力Q值發生從正值到負值的跳變。

由此得出，車輪反向行駛通過檢測區，剪力傳感器的信號曲線如圖2(b)所示。

2　剪力傳感器計軸應用原理

車輪沿不同的方向行駛通過檢測區，剪力傳感器檢測信號有著明顯的特點與區別，利用其信號特點，可以采用差分運算的方法，得到計軸應用原理。

由車輪正向行駛通過檢測區時剪力傳感器的信號曲線(圖2)可以看出:隨著車輪的正向行駛，剪力傳感器的檢測信號值U直線性的不斷減小，并且在車輪中軸線通過C位置時，剪力傳感器的檢測信號值U發生一次從負值到正值的跳變。對傳感器的檢測信號值進行差分運算處理，由此時檢測信號值U直線性的不斷減小，可知差分運算所得數據為恒定負值。由于在車輪中軸線通過C位置時，剪力傳感器的檢測信號值U發生一次從負值到正值的跳變，此時差分所得數據曲線中將會出現一次正脈沖信號，如圖3(a)所示。

由車輪反向行駛通過檢測區時剪力傳感器的信號曲線(圖2(b))可以看出:隨著車輪的反向行駛，剪力傳感器的檢測信號值U直線性的不斷增大，并且在車輪中軸線通過C位置時，剪力傳感器的檢測信號值U發生一次從正值到負值的跳變。對傳感器的檢測信號值進行差分運算處理，由此時檢測信號值U直線性的不斷增大，可知差分運算所得數據為恒定正值。由于在車輪中軸線通過C位置時，剪力傳感器的檢測信號值U發生一次從正值到負值的跳變，此時差分所得數據曲線中將會出現一次負脈沖信號，如圖3(b)所示。

(a)　正向行駛

(b)　反向行駛圖3　車輪正向/反向行駛剪力傳感器信號差分數據曲線Fig 3　Signal differential data curve of shearing force sensor when the wheel is running in forward direction/positive direction

綜上所述，不論車輪沿著任何方向行駛通過檢測區，剪力傳感器檢測信號值U經過差分運算后所得到的數據曲線中都能形成一個脈沖信號，此脈沖信號即代表著通過檢測區一個車軸。對剪力傳感器檢測信號值U經過差分運算后所得到的數據曲線中脈沖信號出現的次數計數，就可以得到行駛通過檢測區的軸數。另外，也可根據剪力傳感器檢測信號值U經過差分運算后所得到的數據曲線中脈沖信號的不同來判定車輪的運行方向，如果出現正脈沖信號，那么,車輪為正向行駛；反之，車輪為反向行駛。

3　實際傳感器信號示例

通過搭建實驗測試平臺，采集列車行駛通過檢測區時剪力傳感器的檢測信號值，得到如圖4、圖5所示實測剪力傳感器的信號曲線。

圖4　實測列車正向/反向行駛剪力傳感器的信號曲線Fig 4　Signal curve of shearing force sensor when train is running in forward direction/opposite direction

由圖中實測剪力傳感器的信號曲線可以看出，車輪行駛通過檢測區，剪力傳感器的信號曲線變化過程與理論分析基本一致，當車輪中軸線通過傳感器安裝位置時，剪力傳感器的檢測信號值發生跳變。但在實驗測試過程中，由于不規范的人工操作、復雜的測試環境以及傳感器系統內部噪聲等不利因素都對實驗測試系統產生了不良影響[5]。因此，實驗采集到的傳感器檢測數據中包含著干擾噪聲，實測剪力傳感器的信號曲線呈現出非直線性。實測剪力傳感器的信號必須通過處理，去除噪聲，方能準確應用[6]。對實測的剪力傳感器信號進行濾波、差分運算處理之后得到如圖所示實測剪力傳感器信號差分數據曲線。

圖5　實測列車正向/反向行駛剪力傳感器信號差分數據曲線Fig 5　Signal differential data curve of shearing force sensor when train is running in forward direction/opposite direction

由圖中實測剪力傳感器信號差分數據曲線可以看出，在車輪行駛通過檢測區，車輪中軸線通過傳感器位置時，實測列車正向行駛剪力傳感器信號差分數據曲線上出現上凸型的曲線，即出現正脈沖信號；實測列車反向行駛剪力傳感器信號差分數據曲線上出現下凹型的曲線，即出現負脈沖信號。圖中脈沖信號代表了車軸通過檢測區。對圖中實測剪力傳感器信號差分數據曲線上出現脈沖信號的次數計數，即可得到行駛通過檢測區的軸數。

4　結束語

本文詳細闡述了一種在鐵路計軸領域應用剪力傳感器實現計軸的方法，從理論分析入手并加以實驗檢驗，驗證了該方法的可行性。該方法憑借剪力傳感器靈敏度高、精確度高、可靠性好等優點，能夠有效排除不利因素對計軸設備所造成的干擾，提高鐵路計軸設備的安全可靠性，保障鐵路系統的運輸安全[7]。

[1]武夫，陳明軍，鄒波，等.重力感應式計軸系統的研究[J].中國鐵路，2010(7)：60-63.

[2]孟磊.單側計軸傳感器電磁系統的分析與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[3]鄭錄社.剪力傳感器性能分析[J].傳感器技術，1999，18(8)：5-7.

[4]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011：141-149.

[5]劉九卿.軸銷式稱重傳感器及其應用[J].科技應用，2008，37 (2)：6-8，14.

[6]劉為婷.單側計軸傳感器系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[7]陳智磊.新型剪力傳感器在軌道衡計量中的研究和應用[D].武漢：武漢理工大學，2011.

徐海賢，通訊作者，E—mail:932492614@qq.com。

Application of shearing force sensor in field of railway axle counting

WANG Ya-peng1, XU Hai-xian2, HE Cheng-gang1, HUANG Bin-wu2

(1.College of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China;2.Science and Technology Research Institute of Nanning Railway Administration,Nanning 530000,China)

Propose a method of using shearing force sensor to realize axle counting in the field of railway axle counting.With the advantages of high sensitivity and good accuracy,the method can use shearing force sensor to sense gravity of wheel and converts to detecting signal for calculating number of axles.The method can effectively eliminate interference of adverse factors on axle counting equipment,so it can ensure the accuracy of the axle counting equipment testing data ,improve the safety and reliability of the axle counting equipment and ensure transportation safety of the railway system.

shearing force sensor; axle counting; transportation safety

2015—10—21

TP 212.9

A

1000—9787(2016)08—0158—03

王亞鵬(1988-)，男，河南平頂山人，碩士研究生，主要研究方向為智能控制與智能自動化。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0158—03