便攜式軸箱加速度檢測系統研制與應用

張二永 張茂軒 吳奇永 牛留斌 夏承亮 孫善超

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081）

軌道的質量狀態直接決定車輛運行的平穩性和舒適性。軌道短波不平順能夠引起車輛劇烈振動，但其幅值小、波長短，既有檢測手段難以有效地檢測出軌道短波病害。軸箱直接與輪對相連，軌道短波不平順引起的輪軌劇烈振動可通過輪對直接傳遞到軸箱上，因此軸箱加速度能直接反映軌道短波不平順對車輛動力學帶來的影響。因此，軸箱加速度可以輔助評判軌道短波不平順［1-4］。

利用軸箱加速度可以在早期診斷軌道短波病害，有助于鐵路工務人員制訂針對性養護措施，精準消除病害，抑制軌道短波病害進一步發展。中國國家鐵路集團基礎設施檢測中心在綜合檢測列車上安裝了車輛加速度檢測系統，是利用軸箱加速度檢測軌道短波狀態的專業設備［5］，定期對我國高速鐵路線路進行檢測，評價軌道短波狀態。鐵路工務人員根據評判結果對軌道病害進行現場復核、整治，取得了良好的應用效果［6］。

現有的軸箱加速度檢測系統固定安裝在專業檢測車上，根據檢測車的調度安排周期性檢測，不能靈活地滿足一些臨時或試驗性測試的需求。因此，研究一種可搭載在運營車上的便攜式軸箱加速度檢測系統有著重要的意義。本文主要介紹了便攜式軸箱加速度檢測系統的設計拓撲結構、人機交互數據處理平臺、功能驗證、應用實踐等。

1 系統整體設計框架

便攜式軸箱加速度檢測系統（簡稱檢測系統）主要由便攜式采集裝置、數據處理平臺、傳感器單元組成，整體設計框架如圖1所示。

圖1 便攜式軸箱加速度檢測系統整體設計框架

檢測系統的主要工作流程是：傳感器單元將測量的響應信號傳輸至數據采集裝置，采集裝置經過信號預處理后按照設定的配置參數對檢測數據進行采樣，最終傳輸到數據處理平臺進行數據運算處理和波形顯示，并按照指定的格式進行數據存儲，在線或離線運用數據處理平臺進行檢測數據分析，從而實現對軌道短波狀態的動態檢測，精準地識別出短波不平順缺陷。

2 便攜式采集裝置

便攜式采集裝置的主要功能是在高速動態條件下實現加速度傳感器信號的高速高精度采集和信號預處理，獲取軸箱高頻振動響應數據。

便攜式采集裝置采用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、數 字 信 號 處 理（Digital Signal Processing，DSP）和進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，ARM）三個處理器協同工作，具有嵌入式操作系統和16 GB數據存儲空間，集成度高。模擬信號通道能夠實現多路振動信號同步測量及存儲，脈沖通道能夠實現高精度編碼器脈沖信號的高速采集與計算。

通過自動組網功能，實現在檢測系統局域網內的設備通訊，將信息傳輸到數據處理平臺進行軌道短波不平順特性分析。采集裝置為一體化設計，滿足工業級標準的設計要求，減少非焊接式連接件的應用。設備內各獨立采樣通道相互隔離，可靠性強，適合惡劣的現場工作環境，具有防風、防塵、防電磁干擾等特點。便攜式采集裝置主要技術指標見表1。

表1 便攜式采集裝置主要技術指標

3 數據處理平臺

3.1 軟件功能

數據處理平臺的主要功能包括基礎配置、測量過程、信息顯示三大模塊，如圖2所示。

圖2 數據處理平臺主要功能

基礎配置模塊的功能是在檢測任務開始前進行數據采集任務的信息配置，實現檢測系統參數設置、測量數據文件設置、測量通道參數設置、存儲設置以及車輛與線路信息設置等，界面如圖3所示。

圖3 數據處理平臺的參數設置功能

測量過程模塊執行任務交互控制，對檢測數據進行實時計算處理，并進行檢測信號的存儲。

信息顯示模塊實現測量任務進度、實時波形數據、設備通訊狀態、日志信息等的顯示。數據處理平臺主界面能夠實時顯示波形信號。

3.2 軟件工作流程

數據處理平臺工作流程為：設置檢測基礎信息→系統建立相關數據文件→運行程序→系統自動進行檢測過程的數據計算、存儲輸出、界面顯示，如圖4所示。

圖4 數據處理平臺工作流程

4 功能驗證

為驗證便攜式軸箱加速度檢測系統的功能，對試驗線路進行檢測。將檢測系統搭載在25T 型軌檢車上，用傳感器測量兩側軸箱垂向振動，并按照自定義數據格式（Comprehensive Inspection Train，CIT）格式存儲檢測數據，如圖5所示。

圖5 便攜式軸箱加速度檢測系統檢測現場

數據采集完畢后，得到軸箱垂向振動響應的波形和頻域分析特性曲線，見圖6。可知：軸箱垂向振動加速度響應信號符合鋼軌接頭缺陷造成的響應特征［7-8］，波形中可以明顯地看出有砟軌道線路上軸箱垂向加速度對線路25 m 間隔接頭短波不平順響應特征與理論一致；軸箱垂向振動信號的主頻在635 Hz 附近，符合線路短波不平順所激起的軸箱垂向振動響應特征。可見，便攜式軸箱加速度檢測系統的檢測功能符合預期。

圖6 軸箱垂向振動響應檢測結果

5 便攜式軸箱加速度檢測系統的應用

5.1 接頭不良檢測分析

利用便攜式軸箱加速度檢測系統對某線路進行檢測，用測得的軸箱加速度數據計算軌道沖擊指數，結果見圖7。根據檢測數據分析，推斷該處短波病害為接頭不良。現場復核如圖8所示。可以看出該處絕緣接頭有灼傷現象，測得其平直度最大值為0.2 mm，最小值為-0.1 mm。

圖7 軌道沖擊指數

圖8 絕緣接頭灼傷

5.2 鋼軌波磨區段數據分析

利用便攜式軸箱加速度檢測系統測得的某一區段的軸箱加速度波形，并得出其波磨指數曲線，如圖9所示。可知，在振動幅值較大處存在鋼軌波磨，其波磨指數峰值為5.285。

圖9 軸箱加速度動態檢測結果

對現場進行復測，區段長度恰好是兩塊軌道板對應的長度，約10 m。現場（圖10）可以看出有明顯的波磨。波磨區段表面平直度及其空間頻譜見圖11。可知，波磨特征明顯。

圖10 鋼軌波磨區段

圖11 鋼軌波磨區段表面平直度及其空間頻譜

6 結語

便攜式軸箱加速度檢測系統通過便攜式采集裝置實現了小型化設計，集成度高，實現了軸箱加速度信號的同步采集、數據預處理、波形顯示、存儲分析等。該系統易于安裝維護，檢測精度高，可以有效地進行軸箱加速度檢測并對軌道短波不平順進行評判。

現場試驗及復核結果表明，檢測平臺易于快速搭建，檢測系統能準確地完成軸箱加速度的數據檢測，有效識別接頭不良、鋼軌波磨等軌道短波病害，實現對軌道短波不平順的檢測和評判。便攜式軸箱加速度檢測系統豐富了相關領域檢測裝備種類，具有良好的應用前景。