剪力传感器在铁路计轴领域的应用

王亚鹏， 徐海贤， 何承刚， 黄彬武

(1.广西科技大学 电气与信息工程学院，广西 柳州 545006；2.南宁铁路局科学技术研究所，广西 南宁 530000)



剪力传感器在铁路计轴领域的应用

王亚鹏1， 徐海贤2， 何承刚1， 黄彬武2

(1.广西科技大学 电气与信息工程学院，广西 柳州 545006；2.南宁铁路局科学技术研究所，广西 南宁 530000)

提出了一种在铁路计轴领域运用剪力传感器实现计轴的方法，由于剪力传感器具有灵敏度高、精确性好等优点，该方法能运用剪力传感器感应车轮的重力转换为检测信号计算车轴数量，可有效排除不利因素对计轴设备造成的干扰，保证计轴设备检测数据的准确性，提高计轴设备的安全可靠性，保障铁路系统的运输安全。

剪力传感器； 计轴； 运输安全

0　引　言

当前铁路系统中，普遍采用电磁感应式计轴设备来解决轨道电路分路不良、红光带等问题[1]。电磁感应式计轴设备使用的电磁传感器紧贴式安装在钢轨的轨腰上，常年受到车轮经过时震动的影响，会引起装置的松动或脱落等问题，这些因素会引起传感器参数发生漂移，使检测数据的准确性、可靠性降低，影响计轴设备的正常工作，另外,该设备还容易受到非轮轴金属物体和单轨车等因素的影响[2]。在计轴设备中采用剪力传感器，利用其灵敏度高、精确性好等优点，以及将传感器轴销式插入道轨的安装办法，可以有效地消除以上不利因素对计轴设备的影响，保证检测数据的准确性，提高计轴设备的安全可靠性，保障运输安全。

本文提出了一种在铁路计轴领域应用的剪力传感器实现计轴的方法，实验结果证明：该方法计轴数据准确，计轴

设备运行安全可靠。

1　剪力传感器的输出与移动载荷的关系

根据力学原理分析，钢轨在车轮重力载荷作用下会发生弹性应力变化，剪力传感器安装在钢轨中，用来感知应力变化，产生与应力变化相对应的信号值[3]。为了方便论述，将两根轨枕A和B之间的一段钢轨视为一段简支梁(以下称为检测区)，在梁的正中间C点位置安装剪力传感器，如图1所示。

图1　剪力传感器力学模型Fig 1　Mechanical model for shearing force sensor

当车轮沿着不同方向行驶通过检测区，C点横截面的剪力Q的力学分析也不相同。

当车轮在钢轨上从A端向B端方向行驶(以下简称正向行驶)，根据工程实际中梁的力学原理可知，当车轮行驶未通过C点位置，C点横截面的剪力Q与移动载荷P之间的关系为

(1)

车轮行驶通过C点位置后，C点横截面的剪力Q与移动载荷P之间的关系为

(2)

剪力传感器感应的信号值U与C点横截面的剪力Q之间的关系为

U=KQ

(3)

式中L为轨枕A和B之间钢轨的长度,m；X为车轮中轴线至轨枕A的距离,m；K为剪力传感器的信号值U与C点横截面的剪力Q之间的正比例系数[4]。

分析可知，在检测区内随着车轮正向行驶，X值不断增大。当车轮行驶未通过C点位置时，由式(1)可知C点横截面的剪力Q为负值，且随着车轮的行驶不断地减小，当车轮行驶至车轮中轴线临界C点位置时，C点横截面的剪力Q达到负的最小值。车轮行驶通过C点位置后，由式(2)可知C点横截面的剪力Q为正值，且随着车轮的行驶也是不断减小。当车轮中轴线刚通过C点位置且临界C点位置时，C点横截面的剪力Q值达到正的最大值。在车轮中轴线通过C点位置时，C点横截面的剪力Q值发生从负值到正值的跳变。

由此得出，车轮正向行驶通过检测区，剪力传感器的信号曲线如图2(a)所示。

(a)　正向行驶

(b)　反向行驶图2　车轮正向/反向行驶剪力传感器的信号曲线Fig 2　Signal curve of shearing force sensor when wheel is running in forward diredction/opposite direction

当车轮在钢轨上从B端向A端方向行驶(以下简称反向行驶)，根据工程实际中梁的力学原理可知，当车轮行驶未通过C点位置，C点横截面的剪力Q与移动载荷P之间的关系为

(4)

当车轮行驶通过剪力C点位置，C点横截面的剪力Q与移动载荷P之间的关系为

(5)

剪力传感器感应的信号值U与C点横截面的剪力Q之间的关系为

U=KQ

(6)

式中L为轨枕A和B之间钢轨的长度,m；X为车轮中轴线至轨枕A的距离,m；K为剪力传感器的信号值U与C点横截面的剪力Q之间的正比例系数[4]。

同理分析，在检测区内随着车轮反向行驶，X值不断减小。当车轮行驶未通过C点位置时，由式(3)可知C点横截面的剪力Q为正值，且随着车轮的行驶不断的增大，当车轮行驶至车轮中轴线临界C点位置时，C点横截面的剪力Q达到正的最大值。车轮行驶通过C点位置后，由式(4)可知C点横截面的剪力Q为负值，且随着车轮的行驶也是不断增大。当车轮中轴线刚通过C点位置且临界C点位置时，C点横截面的剪力Q值达到负的最小值。在车轮中轴线通过C点位置时，C点横截面的剪力Q值发生从正值到负值的跳变。

由此得出，车轮反向行驶通过检测区，剪力传感器的信号曲线如图2(b)所示。

2　剪力传感器计轴应用原理

车轮沿不同的方向行驶通过检测区，剪力传感器检测信号有着明显的特点与区别，利用其信号特点，可以采用差分运算的方法，得到计轴应用原理。

由车轮正向行驶通过检测区时剪力传感器的信号曲线(图2)可以看出:随着车轮的正向行驶，剪力传感器的检测信号值U直线性的不断减小，并且在车轮中轴线通过C位置时，剪力传感器的检测信号值U发生一次从负值到正值的跳变。对传感器的检测信号值进行差分运算处理，由此时检测信号值U直线性的不断减小，可知差分运算所得数据为恒定负值。由于在车轮中轴线通过C位置时，剪力传感器的检测信号值U发生一次从负值到正值的跳变，此时差分所得数据曲线中将会出现一次正脉冲信号，如图3(a)所示。

由车轮反向行驶通过检测区时剪力传感器的信号曲线(图2(b))可以看出:随着车轮的反向行驶，剪力传感器的检测信号值U直线性的不断增大，并且在车轮中轴线通过C位置时，剪力传感器的检测信号值U发生一次从正值到负值的跳变。对传感器的检测信号值进行差分运算处理，由此时检测信号值U直线性的不断增大，可知差分运算所得数据为恒定正值。由于在车轮中轴线通过C位置时，剪力传感器的检测信号值U发生一次从正值到负值的跳变，此时差分所得数据曲线中将会出现一次负脉冲信号，如图3(b)所示。

(a)　正向行驶

(b)　反向行驶图3　车轮正向/反向行驶剪力传感器信号差分数据曲线Fig 3　Signal differential data curve of shearing force sensor when the wheel is running in forward direction/positive direction

综上所述，不论车轮沿着任何方向行驶通过检测区，剪力传感器检测信号值U经过差分运算后所得到的数据曲线中都能形成一个脉冲信号，此脉冲信号即代表着通过检测区一个车轴。对剪力传感器检测信号值U经过差分运算后所得到的数据曲线中脉冲信号出现的次数计数，就可以得到行驶通过检测区的轴数。另外，也可根据剪力传感器检测信号值U经过差分运算后所得到的数据曲线中脉冲信号的不同来判定车轮的运行方向，如果出现正脉冲信号，那么,车轮为正向行驶；反之，车轮为反向行驶。

3　实际传感器信号示例

通过搭建实验测试平台，采集列车行驶通过检测区时剪力传感器的检测信号值，得到如图4、图5所示实测剪力传感器的信号曲线。

图4　实测列车正向/反向行驶剪力传感器的信号曲线Fig 4　Signal curve of shearing force sensor when train is running in forward direction/opposite direction

由图中实测剪力传感器的信号曲线可以看出，车轮行驶通过检测区，剪力传感器的信号曲线变化过程与理论分析基本一致，当车轮中轴线通过传感器安装位置时，剪力传感器的检测信号值发生跳变。但在实验测试过程中，由于不规范的人工操作、复杂的测试环境以及传感器系统内部噪声等不利因素都对实验测试系统产生了不良影响[5]。因此，实验采集到的传感器检测数据中包含着干扰噪声，实测剪力传感器的信号曲线呈现出非直线性。实测剪力传感器的信号必须通过处理，去除噪声，方能准确应用[6]。对实测的剪力传感器信号进行滤波、差分运算处理之后得到如图所示实测剪力传感器信号差分数据曲线。

图5　实测列车正向/反向行驶剪力传感器信号差分数据曲线Fig 5　Signal differential data curve of shearing force sensor when train is running in forward direction/opposite direction

由图中实测剪力传感器信号差分数据曲线可以看出，在车轮行驶通过检测区，车轮中轴线通过传感器位置时，实测列车正向行驶剪力传感器信号差分数据曲线上出现上凸型的曲线，即出现正脉冲信号；实测列车反向行驶剪力传感器信号差分数据曲线上出现下凹型的曲线，即出现负脉冲信号。图中脉冲信号代表了车轴通过检测区。对图中实测剪力传感器信号差分数据曲线上出现脉冲信号的次数计数，即可得到行驶通过检测区的轴数。

4　结束语

本文详细阐述了一种在铁路计轴领域应用剪力传感器实现计轴的方法，从理论分析入手并加以实验检验，验证了该方法的可行性。该方法凭借剪力传感器灵敏度高、精确度高、可靠性好等优点，能够有效排除不利因素对计轴设备所造成的干扰，提高铁路计轴设备的安全可靠性，保障铁路系统的运输安全[7]。

[1]武夫，陈明军，邹波，等.重力感应式计轴系统的研究[J].中国铁路，2010(7)：60-63.

[2]孟磊.单侧计轴传感器电磁系统的分析与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[3]郑录社.剪力传感器性能分析[J].传感器技术，1999，18(8)：5-7.

[4]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011：141-149.

[5]刘九卿.轴销式称重传感器及其应用[J].科技应用，2008，37 (2)：6-8，14.

[6]刘为婷.单侧计轴传感器系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[7]陈智磊.新型剪力传感器在轨道衡计量中的研究和应用[D].武汉：武汉理工大学，2011.

徐海贤，通讯作者，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

王亚鹏(1988-)，男，河南平顶山人，硕士研究生，主要研究方向为智能控制与智能自动化。

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