张二永 张茂轩 吴奇永 牛留斌 夏承亮 孙善超

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；2.北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081）

轨道的质量状态直接决定车辆运行的平稳性和舒适性。轨道短波不平顺能够引起车辆剧烈振动，但其幅值小、波长短，既有检测手段难以有效地检测出轨道短波病害。轴箱直接与轮对相连，轨道短波不平顺引起的轮轨剧烈振动可通过轮对直接传递到轴箱上，因此轴箱加速度能直接反映轨道短波不平顺对车辆动力学带来的影响。因此，轴箱加速度可以辅助评判轨道短波不平顺［1-4］。

利用轴箱加速度可以在早期诊断轨道短波病害，有助于铁路工务人员制订针对性养护措施，精准消除病害，抑制轨道短波病害进一步发展。中国国家铁路集团基础设施检测中心在综合检测列车上安装了车辆加速度检测系统，是利用轴箱加速度检测轨道短波状态的专业设备［5］，定期对我国高速铁路线路进行检测，评价轨道短波状态。铁路工务人员根据评判结果对轨道病害进行现场复核、整治，取得了良好的应用效果［6］。

现有的轴箱加速度检测系统固定安装在专业检测车上，根据检测车的调度安排周期性检测，不能灵活地满足一些临时或试验性测试的需求。因此，研究一种可搭载在运营车上的便携式轴箱加速度检测系统有着重要的意义。本文主要介绍了便携式轴箱加速度检测系统的设计拓扑结构、人机交互数据处理平台、功能验证、应用实践等。

1 系统整体设计框架

便携式轴箱加速度检测系统（简称检测系统）主要由便携式采集装置、数据处理平台、传感器单元组成，整体设计框架如图1所示。

图1 便携式轴箱加速度检测系统整体设计框架

检测系统的主要工作流程是：传感器单元将测量的响应信号传输至数据采集装置，采集装置经过信号预处理后按照设定的配置参数对检测数据进行采样，最终传输到数据处理平台进行数据运算处理和波形显示，并按照指定的格式进行数据存储，在线或离线运用数据处理平台进行检测数据分析，从而实现对轨道短波状态的动态检测，精准地识别出短波不平顺缺陷。

2 便携式采集装置

便携式采集装置的主要功能是在高速动态条件下实现加速度传感器信号的高速高精度采集和信号预处理，获取轴箱高频振动响应数据。

便携式采集装置采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、数 字 信 号 处 理（Digital Signal Processing，DSP）和进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine，ARM）三个处理器协同工作，具有嵌入式操作系统和16 GB数据存储空间，集成度高。模拟信号通道能够实现多路振动信号同步测量及存储，脉冲通道能够实现高精度编码器脉冲信号的高速采集与计算。

通过自动组网功能，实现在检测系统局域网内的设备通讯，将信息传输到数据处理平台进行轨道短波不平顺特性分析。采集装置为一体化设计，满足工业级标准的设计要求，减少非焊接式连接件的应用。设备内各独立采样通道相互隔离，可靠性强，适合恶劣的现场工作环境，具有防风、防尘、防电磁干扰等特点。便携式采集装置主要技术指标见表1。

表1 便携式采集装置主要技术指标

3 数据处理平台

3.1 软件功能

数据处理平台的主要功能包括基础配置、测量过程、信息显示三大模块，如图2所示。

图2 数据处理平台主要功能

基础配置模块的功能是在检测任务开始前进行数据采集任务的信息配置，实现检测系统参数设置、测量数据文件设置、测量通道参数设置、存储设置以及车辆与线路信息设置等，界面如图3所示。

图3 数据处理平台的参数设置功能

测量过程模块执行任务交互控制，对检测数据进行实时计算处理，并进行检测信号的存储。

信息显示模块实现测量任务进度、实时波形数据、设备通讯状态、日志信息等的显示。数据处理平台主界面能够实时显示波形信号。

3.2 软件工作流程

数据处理平台工作流程为：设置检测基础信息→系统建立相关数据文件→运行程序→系统自动进行检测过程的数据计算、存储输出、界面显示，如图4所示。

图4 数据处理平台工作流程

4 功能验证

为验证便携式轴箱加速度检测系统的功能，对试验线路进行检测。将检测系统搭载在25T 型轨检车上，用传感器测量两侧轴箱垂向振动，并按照自定义数据格式（Comprehensive Inspection Train，CIT）格式存储检测数据，如图5所示。

图5 便携式轴箱加速度检测系统检测现场

数据采集完毕后，得到轴箱垂向振动响应的波形和频域分析特性曲线，见图6。可知：轴箱垂向振动加速度响应信号符合钢轨接头缺陷造成的响应特征［7-8］，波形中可以明显地看出有砟轨道线路上轴箱垂向加速度对线路25 m 间隔接头短波不平顺响应特征与理论一致；轴箱垂向振动信号的主频在635 Hz 附近，符合线路短波不平顺所激起的轴箱垂向振动响应特征。可见，便携式轴箱加速度检测系统的检测功能符合预期。

图6 轴箱垂向振动响应检测结果

5 便携式轴箱加速度检测系统的应用

5.1 接头不良检测分析

利用便携式轴箱加速度检测系统对某线路进行检测，用测得的轴箱加速度数据计算轨道冲击指数，结果见图7。根据检测数据分析，推断该处短波病害为接头不良。现场复核如图8所示。可以看出该处绝缘接头有灼伤现象，测得其平直度最大值为0.2 mm，最小值为-0.1 mm。

图7 轨道冲击指数

图8 绝缘接头灼伤

5.2 钢轨波磨区段数据分析

利用便携式轴箱加速度检测系统测得的某一区段的轴箱加速度波形，并得出其波磨指数曲线，如图9所示。可知，在振动幅值较大处存在钢轨波磨，其波磨指数峰值为5.285。

图9 轴箱加速度动态检测结果

对现场进行复测，区段长度恰好是两块轨道板对应的长度，约10 m。现场（图10）可以看出有明显的波磨。波磨区段表面平直度及其空间频谱见图11。可知，波磨特征明显。

图10 钢轨波磨区段

图11 钢轨波磨区段表面平直度及其空间频谱

6 结语

便携式轴箱加速度检测系统通过便携式采集装置实现了小型化设计，集成度高，实现了轴箱加速度信号的同步采集、数据预处理、波形显示、存储分析等。该系统易于安装维护，检测精度高，可以有效地进行轴箱加速度检测并对轨道短波不平顺进行评判。

现场试验及复核结果表明，检测平台易于快速搭建，检测系统能准确地完成轴箱加速度的数据检测，有效识别接头不良、钢轨波磨等轨道短波病害，实现对轨道短波不平顺的检测和评判。便携式轴箱加速度检测系统丰富了相关领域检测装备种类，具有良好的应用前景。