CN106965830A - 一种多功能智能信息弹性垫板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能智能信息弹性垫板，包括弹性基体(41)及弹性体(42)，在弹性基体(41)内设有传感器芯片(51)以及柔性信号线(71)，传感器芯片(51)通过柔性信号线(71)连接外部的信号采集处理***；传感器芯片(51)探测多功能智能信息弹性垫板受到静态压力后产生应变信号，和/或受到额外的正压力或额外的负压力产生额外的动态应变信号，并通过柔性信号线(71)输出至外部的信号采集处理***，进行分析处理。与现有技术相比，本发明能够及时全面了解轨道零部件的工作状态及质量，了解轨道受载条件下的动态工作状态及动态响应水平，保证了轨道运营安全，具有结构简单、安装快捷、调节方便等优点。

Description

一种多功能智能信息弹性垫板

技术领域

本发明涉及轨道安全技术领域，尤其是涉及一种多功能智能信息弹性垫板。

背景技术

近年来轨道交通的快速发展，轨道公里数成倍增长，随之带来的是轨道检修维护工作量的大量增加，常规的线路维修主要靠人工目测而且在线路无载荷条件下进行，一方面不能及时全面了解轨道零部件的工作状态及质量，另外线路静态检测也无法了解轨道受载条件下的动态工作状态及动态响应水平，包括钢轨的疲劳应力、扣件的扣压力等零部件安全性能，因而轨道线路实时安全状态监控及预警等要求变得更加紧迫，本发明旨在利用现代传感器和通讯技术建立一套实时轨道线路状态信息在线信号采集监控***，实时反映轨道及其零部件的动态工作状态及动态响应水平，为线路质量监控及线路维护保养提供高效可靠的准确数据。

轨道交通铁路轨道***中，扣件***是连接及固定钢轨的关键部件，其中的弹性垫板是提供弹性、车辆舒适性、隔振及保护钢轨承载面等的主要元件之一。在制造弹性垫板时将传感器芯片植入其中，可以实时反映轨道运营载荷条件下的工作状态，测试及记录在轨道车辆运行过程中，弹性垫板所受到的动态力和应力应变的实时变化。通过对采集到的信号进行分析，可以了解轨道应力应变、载荷的变化及轨道变形和振动水平等，如果扣件***有变化，例如扣件零部件断裂失效、钢轨疲劳损伤、轨距扩大等都会反映出来，可以使线路的维护维修能够更精准有效，确保运营安全，并降低维护保养成本。

网络、计算机、微型传感器和有线及无线通讯技术的发展使多点实时在线检测、快速分析计算在技术实施和费用考虑方面都不再是问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、安装快捷、调节方便的多功能智能信息弹性垫板。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多功能智能信息弹性垫板，包括弹性基体及弹性体，在所述的弹性基体内设有传感器芯片以及柔性信号线，所述的传感器芯片通过柔性信号线连接外部的信号采集处理***；

多功能智能信息弹性垫板的刚度主要由弹性基体和弹性体提供，多功能智能信息弹性垫板在受到载荷时，弹性基体及弹性体因变形而产生应变。传感器芯片探测多功能智能信息弹性垫板受到静态压力后产生应变信号，和/或在车辆轮载作用下，轮轨力通过钢轨对钢轨下弹性垫板加载，使得传感器芯片受到额外的正压力或额外的负压力产生额外的动态应变信号，通过柔性信号线输出至外部的信号采集处理***，进行分析处理。

所述的传感器芯片设有至少两个，分散布置在弹性基体内，以获得弹性基体所受到的压力分布及多方向的应变信息。

所述的弹性基体是一个整体，内有植入的传感器芯片，植入方式为加工法，包括硫化法或复合法在内的各种现有加工方法。

所述的弹性基体底部设有弹性基体预留凹槽，所述的传感器芯片可拆卸式安装于所述弹性基体预留凹槽内，并在所述弹性基体底部设置一可拆卸式弹性基体覆盖薄层保护传感器芯片。可以拆下弹性基体覆盖薄层对弹性基体预留凹槽内的传感器芯片进行更换。

所述的弹性体包括若干弹性凸体，若干弹性凸体间隔设置在弹性基体上。

所述的弹性凸体的截面形状为圆形、椭圆形、长圆形或多边形；所述的弹性凸体的上、下表面的几何中心重合；所述的弹性凸体与弹性基体连接，所述的弹性体的厚度≥2mm。

所述的传感器芯片的数量≥1，传感器芯片所测的类型为力载荷或/和应变。

所述的传感器芯片是带有无线发射器传递信号的主动型，或者是通过引线传递信号的被动型。

所述的柔性信号线直接连接信号采集处理***，或通过置入弹性基体的接线连接器连接。

所述的信号采集处理***包括信号调节器、数据采集器和数据分析***，所述的传感器芯片通过柔性信号线连接信号调节器，所述的信号调节器及数据采集器和数据分析***之间的数据传递通过有线或无线方式，数据分析***实现现场分析或数据发射到远程分析站远程分析。

所述的传感器芯片的材料是金属或非金属压电材料；弹性基体和弹性体的材质为天然橡胶、氯丁二烯橡胶、高衰减橡胶或复合弹性材料。

所述的多功能智能信息弹性垫板放在钢轨轨脚下方，或多层底板式扣件的上铁板上方或上铁板下方，或轨枕承轨台上或道床板承轨台上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、能够及时全面了解轨道零部件的工作状态及质量，了解轨道受载条件下的动态工作状态及动态响应水平，保证了轨道运营安全。

2、在弹性垫板内设有分散的多个传感器芯片，能够获得弹性基体所受到的压力分布及多方向的应变信息，可以保证测量数据的可信度，又能在其中某个芯片损坏的情况下继续工作。

3、传感器芯片以植入方式设于弹性垫板内，使得传感器芯片密封在弹性基体内，可以保护传感器在运输、安装及使用中不受环境因素的影响而损坏。

4、传感器芯片可拆卸式安装于弹性基体底部的预留凹槽内，并在弹性基体底部设置一可拆卸式弹性基体覆盖薄层保护传感器芯片，方便对损坏的传感器芯片进行更换。

5、弹性基体上间隔设有若干弹性凸体，增强了弹性垫板的弹性、减振性。

6、传感器芯片既可以通过引线传递信号，也可以通过无线发射器传递信号，通信方式灵活，适于不同的实际应用环境。

7、检测信号传输到信号采集处理***判断轨道的工作状态，解决了常规线路维修时主要靠人工目测的缺陷，节省了人力和时间，降低了轨道维护保养成本。

8、安装时不会改变现有轨道***的设计，只需用本发明多功能智能信息弹性垫板更换普通弹性垫板，安装方便。

9、能够通过对应力的检测发现包括钢轨的疲劳应力、扣件的扣压力等零部件安全性能方面的问题，实现了轨道多方面的安全防护。

附图说明

图1为本发明多功能智能信息弹性垫板的主视图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明实施例一的多功能智能信息弹性垫板示意图；

图4为本发明实施例二的多功能智能信息弹性垫板示意图；

图5为本发明实施例四的多功能智能信息弹性垫板主视图；

图6为图5的A-A剖视图；

图7为图5的B-B剖视图。

图中：40、多功能智能信息弹性垫板，41、弹性基体，42、弹性体，43、弹性凸体，51、传感器芯片，51a、压力传感器芯片，51b、应变传感器芯片，52、信号调节器，53、数据采集器，54、数据分析***，61、弹性基体覆盖薄层，62、弹性基体预留凹槽，63、弹性基体覆盖薄层定位扣，71、柔性信号线，72、接线连接器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明旨在利用现代传感器和通讯技术建立一套实时轨道线路状态信息在线信号采集监控***，实时反映轨道及其零部件的动态工作状态及动态响应水平，为线路质量监控及线路维护保养提供高效可靠的准确数据。

如图1、图2所示，一种多功能智能信息弹性垫板40，包括弹性基体41及弹性体42，在的弹性基体41内设有传感器芯片51以及柔性信号线71，传感器芯片51通过柔性信号线71连接外部的信号采集处理***；

多功能智能信息弹性垫板40的刚度主要由弹性基体41和弹性体42提供，多功能智能信息弹性垫板40在受到载荷时，弹性基体41及弹性体42因变形而产生应变。传感器芯片51探测多功能智能信息弹性垫板40受到静态压力后产生应变信号，和/或在车辆轮载作用下，轮轨力通过钢轨对钢轨下弹性垫板加载，传感器芯片51受到额外的正压力或额外的负压力产生额外的动态应变信号，通过柔性信号线71输出至外部的信号采集处理***，进行分析处理。

传感器芯片51所测的信号类型为力载荷或/和应变，其数量为1个或者多个，多个传感器芯片51分散布置在弹性基体41内，以获得弹性基体41所受到的压力分布及多方向的应变信息。传感器芯片51是带有无线发射器传递信号的主动型，或者是通过引线传递信号的被动型。传感器芯片51的材料是金属或非金属压电材料。

弹性基体41可以是一个整体，通过硫化法或复合法等其他加工方法植入传感器芯片51，如图2所示。另外，也可以在弹性基体41底部设有弹性基体预留凹槽62，传感器芯片51可拆卸式安装于弹性基体预留凹槽62内，并在弹性基体41底部设置一可拆卸式弹性基体覆盖薄层61。弹性基体41底部是相对于弹性体表面的另一面。弹性基体41和弹性体42的材质为天然橡胶、氯丁二烯橡胶、高衰减橡胶或复合弹性材料等。

弹性体42包括若干弹性凸体43，若干弹性凸体43间隔设置在弹性基体41上。弹性凸体43的截面形状为圆形、椭圆形、长圆形或多边形；弹性凸体43的上、下表面的几何中心重合；弹性凸体43与弹性基体41连接，弹性体42的厚度≥2mm。

柔性信号线71直接连接信号采集处理***，或通过置入弹性基体41的接线连接器72连接。柔性信号线71的弹性不小于弹性基体41的弹性或波纹状不受弹性基体41变形影响其强度及信号的传递。

图1、图2中，弹性垫板由弹性基体41和具有圆柱型弹性凸体43的弹性体42组成，在弹性基体41内植入了四个传感器芯片51，四个应变传感器分别分布于四个位置。弹性垫板安装后，在轨道扣件扣压力和在钢轨等重力作用下产生静态变形，列车通过时因为车轮对轨道的载荷力而产生动态应变。当轨道***包括轨枕、扣件、轮轨等发生变化时，弹性垫板所受的载荷会使应变相应变化，对应的应变及其变化反应对应的轨道静态及动态状况，通过分析监测轨道***的运行正常与否及维护保养需求。弹性垫板中植入传感器芯片51的数量视实际需要而定。

信号采集处理***包括信号调节器52、数据采集器53和数据分析***54，传感器芯片51通过柔性信号线71连接信号调节器52，信号调节器52及数据采集器53和数据分析***54之间的数据传递通过有线或无线方式，数据分析***54可实现现场分析或数据发射到远程分析站远程分析。数据采集器53数字化的数据输入后续的数据分析***54获得轨道在载荷下的动态状况信息。

本发明多功能智能信息弹性垫板40放在钢轨轨脚下方，或多层底板式扣件的上铁板上方或上铁板下方，或轨枕承轨台上或道床板承轨台上。

实施例一

在轨道***的运行中，轨道扣件弹条松动甚至断裂的情况都有可能发生，这会造成行车安全隐患。

图3所示为用多功能智能信息弹性垫板40对轨道运行状况进行监控的***设置示意图。每块多功能智能信息弹性垫板40中植入4个传感器芯片51：即植入式应变片。该应变片带有预先接好的柔性信号线71，在制造弹性垫片时用硫化方式植入弹性基体41。使用植入式的传感器芯片51的优点是传感器芯片51密封在弹性基体41内，可以保护传感器在运输、安装及使用中不受环境因素的影响而损坏。植入多个传感器芯片51既可以保证测量数据的可信度，又能在其中某个芯片损坏的情况下继续工作。

应变片的柔性信号线71与预设在轨道边或轨道专用连接线连接，将应变片输出的信号输入到便携式或布置在轨道附近的多通道信号调节和数据采集设备，然后将采集后的数字化的数据输送到现场分析仪或到远程的轨道检测中心进行分析。

一旦出现扣件弹条松动甚至断裂的情况，钢轨的变形就会出现变异，会直接反映在应变片输出的信号中，数据分析***54就会给维护人员发出警告，以便及时做出处理。

多功能智能信息弹性垫板40在一条线路中安装的密度可以根据线路的具体情况进行相应的设置。

实施例二

在轨道***运行中，由于车轮表面的粗糙度和对轨道的冲击力，轨道表面会出现波浪式的磨损痕迹，即“波磨”现象，这一现象在轨道弯道部分尤其明显。波磨的出现，不仅直接威胁轨道及车辆零部件的安全及寿命，也会增加轮轨间的振动噪声水平，同时影响到车辆运行时的舒适型和平稳性。

使用多功能智能信息弹性垫板40可以监视波磨的产生过程和波磨的严重性，合理安排轨道表面打磨的周期，也为研究波磨形成的机理和减少或消除波磨出现提供大量的实际运行数据。

如图4所示，多功能智能信息弹性垫板40的弹性基体41内同时植入两种传感器芯片51，即2个压力传感器芯片51a和2个应变传感器芯片51b。随着波磨的产生，轮轨对轨道的冲击力会出现变化，测量的压力信号中产生额外的与波磨平率相对应的峰值，而峰值的变化则是波磨发展程度的指标。通过对压力传感器的信号进行实时分析，就可以了解并监视波磨的发展状况。

同时对应变传感器芯片51b的信号进行分析，监控轨道***的变形状态，从而了解扣件、轨道及车轮等的工作状况。

实施例三

多功能智能信息弹性垫板40更适合在空间有限或环境不佳的隧道里使用，特别是对实验人员和设备有限制的区域。使用的多功能智能信息弹性垫板40中植入的传感器芯片51外接无线发射功器，无线发射器可通过外接电源或电池驱动。无线发射器的数据发射频率可以按需要设置，同时在数据发射的间歇段，发射器自动进入休眠状态以降低电池能耗延长长电池使用寿命。

信号发射器的信号可以用便携式接受分析仪器接受分析储存。

实施例四

图5～7所示为嵌入有可拆卸式传感器芯片51的多功能智能信息弹性垫板40。如图6所示，本实施例中的传感器芯片51是安放在弹性垫板的弹性基体41的非弹性体表面的弹性基体预留凹槽62内；传感器芯片51由弹性基体覆盖薄层61覆盖，起到保护作用。

如图7所示，多功能智能信息弹性垫板40的弹性基体41本体和弹性基体覆盖薄层61通过垫板四角的弹性基体覆盖薄层定位扣63连接定位。需要更换传感器芯片51时只需打开垫板四角的弹性基体覆盖薄层定位扣63，而不需要更换整个弹性垫板。

如图5所示，在多功能智能信息弹性垫板40的4角安放了4个应变传感器芯片51b，通过这4个应变传感器的测量数据，不仅可以了解轨道的弯曲变形还可以得到轨道的扭转变形。在中心同时有一压力传感器芯片51a来测量轨道所受到的动态力。

以上所述，仅为本发明的几个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，实施方式中提到了压力传感器芯片51a和应变传感器芯片51b，但并不仅限于这两种形式，各类适用的传感器都可以使用。在实际应用中所述的多功能智能信息弹性垫板40具有多种实施方式和应用范围，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种多功能智能信息弹性垫板，包括弹性基体(41)及弹性体(42)，其特征在于，在所述的弹性基体(41)内设有传感器芯片(51)以及柔性信号线(71)，所述的传感器芯片(51)通过柔性信号线(71)连接外部的信号采集处理***；

所述的传感器芯片(51)探测多功能智能信息弹性垫板(40)受到静态压力后产生应变信号，和/或受到额外的正压力或额外的负压力产生额外的动态应变信号，并通过柔性信号线(71)输出至外部的信号采集处理***，进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的传感器芯片(51)设有至少两个，分散布置在弹性基体(41)内，以获得弹性基体(41)所受到的压力分布及多方向的应变信息。

3.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的弹性基体(41)是一个整体，内有植入的传感器芯片(51)，植入方式为加工法，包括硫化法或复合法。

4.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板(40)，其特征在于，所述的弹性基体(41)底部设有弹性基体预留凹槽(62)，所述的传感器芯片(51)可拆卸式安装于所述弹性基体预留凹槽(62)内，并在所述弹性基体(41)底部设置一可拆卸式弹性基体覆盖薄层(61)。

5.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的弹性体(42)包括若干弹性凸体(43)，若干弹性凸体(43)间隔设置在弹性基体(41)上。

6.根据权利要求5所述的一种多功能智能信息弹性垫板(40)，其特征在于，所述的弹性凸体(43)的截面形状为圆形、椭圆形、长圆形或多边形；所述的弹性凸体(43)的上、下表面的几何中心重合；所述的弹性凸体(43)与弹性基体(41)连接，所述的弹性体(42)的厚度≥2mm。

7.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的传感器芯片(51)的数量≥1，传感器芯片(51)所测的类型为力载荷或/和应变。

8.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的传感器芯片(51)是带有无线发射器传递信号的主动型，或者是通过引线传递信号的被动型。

9.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的柔性信号线(71)直接连接信号采集处理***，或通过置入弹性基体(41)的接线连接器(72)连接。

10.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的信号采集处理***包括信号调节器(52)、数据采集器(53)和数据分析***(54)，所述的传感器芯片(51)通过柔性信号线(71)连接信号调节器(52)，所述的信号调节器(52)及数据采集器(53)和数据分析***(54)之间的数据传递通过有线或无线方式，数据分析***(54)实现现场分析或数据发射到远程分析站远程分析。

11.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的传感器芯片(51)的材料是金属或非金属压电材料；弹性基体(41)和弹性体(42)的材质为天然橡胶、氯丁二烯橡胶、高衰减橡胶或复合弹性材料。

12.根据权利要求1所述的一种多功能智能信息弹性垫板，其特征在于，所述的多功能智能信息弹性垫板(40)放在钢轨轨脚下方，或多层底板式扣件的上铁板上方或上铁板下方，或轨枕承轨台上或道床板承轨台上。