一种监测铁轨结构用橡胶垫板老化程度的装置和方法与流程

本发明涉及橡胶垫板监测的技术领域，尤其涉及一种橡胶垫板老化程度的监测装置和方法。

背景技术：

铁路轨道结构用橡胶垫板(以下简称“橡胶垫板”)是轨道结构中的重要部件，安装在钢轨和混凝土轨枕之间，它的主要作用是缓冲车辆通过路轨时所产生的高速振动和冲击，保护路基和轨枕。橡胶垫板由于长期裸露于大气中，受到温度、水分、紫外线等因素影响，会不可避免的发生老化甚至失效，影响正常服役功能。现有的检测橡胶垫的老化程度的方式较为单一，通常是在安装之前对橡胶垫板的老化性能在实验室进行测试，按照预测的橡胶垫的寿命周期进行更换。这种寿命预测的方法，在多变环境下不准确，存在安全隐患。因此需要一种可实时在线监测橡胶垫板老化程度的装置和方法。

公开号为CN103868784的中国专利介绍了一种基于接触应力的橡胶密封件性能退化监测方法，选用橡胶密封件接触应力为橡胶密封件性能退化表征量。首先，在橡胶密封件装入的机构上设置压力传感器的安装位置；其次，将橡胶密封件和压力传感器装入机构中，然后利用压力传感器测量橡胶密封件装入机构时间t后的接触应力F(t)；最后，将F(t)与机构设计提供的密封件失效判据F进行比较，当F(t)大于F时橡胶密封件失效。

公开号为CN102146069A的中国专利介绍了一种橡胶弹性元件刚度特性的监测装置和方法，核心是采用电阻应变片直接硫化于橡胶内，通过应变片采集橡胶受到的压力，然后将采集到的信号传输到计算机中进行处理，监测橡胶在实际使用过程中的应力分布及大小。

以上相关专利技术提到了用压力传感器监测橡胶受力情况，来判定橡胶密封失效或者刚度变化的方法。测试橡胶密封件随时间变化的接触应力，是一个非常缓慢的过程，而压电式压力传感器适合于动态测量，可以判定所用压力传感器不是压电式的。

监测橡胶刚度性能采用的是电阻应变片，电阻应变片一般应变引起的电阻变化很小，需要外部的仪器放大器对信号进行放大，监测系统比较复杂；另外不适于长期监测，因为时漂、温漂较大，长时间测可能无法取得真实有效的数据。

为此，本发明通过理论分析和试验研究，设计出一种利用柔性压电传感器监测橡胶垫板老化程度的装置和方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种铁路轨道结构用橡胶垫板老化程度的监测装置和方法，其能有效监测橡胶垫板在实际使用过程中的老化程度，实现对橡胶垫板老化程度的准确监测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种铁路轨道结构用橡胶垫板老化程度的监测装置，包括监测组件以及信号接收和处理系统，所述监测组件铺设于橡胶垫板下方；

所述监测组件包括压电传感器；所述信号接收和处理系统包括数据采集和处理系统、计算机，所述压电传感器的输出端与数据采集和处理系统的输入端连接，数据采集和处理系统的输出端通过无线网络与所述计算机连接。

进一步的，所述压电传感器的输出端连接有引出线，引出线延伸于留出橡胶垫板外，与电化学工作站连接，且露出的引出线设有防水防腐蚀保护层。

进一步的，所述压电传感器设置在高分子柔性基底上。

进一步的，所述高分子柔性基底为聚对苯二甲酸或聚苯乙烯。

进一步的，所述压电传感器的压电材料为压电纳米纤维、碳纳米管、聚二甲基硅氧烷(PDMS)按照10：(0.5～3):100的质量比均匀混合得到。

其中，所述压电纳米短纤维是由金属醇盐经过溶胶凝胶、静电纺丝、热处理之后再磨碎得到的。

进一步的，所述压电传感器为矩形，具体尺寸为长16、宽14.5、厚0.15cm。

一种上述装置的橡胶垫老化程度的监测方法，将压电传感器在铁轨扣件系统安装过程中铺设于橡胶垫的下方，采集高速火车驶过时产生的瞬时冲击力转化的电压信号，然后将采集到的电压信号传输到计算机中进行处理，通过对比未老化橡胶的电信号输出，分析得出橡胶垫的老化程度。

有益效果：本发明提供的铁路轨道结构用橡胶垫板老化程度的监测装置和方法，首次采用柔性压电传感器实时监测橡胶垫板老化程度。在铁路用橡胶垫板安装过程中，将柔性压电传感器铺设于橡胶垫板下部，采集高铁压过时透过橡胶垫板产生的瞬时冲击力转化的电压信号，然后将采集到的电压信号传输到计算机中进行处理，通过对比未老化橡胶的电信号输出，实现对橡胶垫板老化程度的实时在线准确监测，及时更换老化程度高的橡胶垫板，保护混凝土轨枕，保证长期服役。

本发明采用柔性压电传感器，优势在于压电复合相为压电纳米短纤维、碳纳米管(CNT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合，其中压电纳米短纤维是金属醇盐经过溶胶凝胶、静电纺丝、热处理再磨碎后得到的压电短纤维。现有技术中制备的柔性压电传感器采用的压电相为烧结研磨得到的压电陶瓷粉。而本发明以短纤维复合的，由于受力时形变大于球形的陶瓷粉，压电效应更显著，器件电压输出更高，同时可承受大形变、大冲击，特别适合于监测列车行进时对橡胶的动态冲击力；由于柔性压电传感器灵敏度高，产生的电压信号还可通过外接负载进行调节，无需任何放大电路即可直接用于监测，相对于需要接放大电路的电阻应变片等简单方便得多。

本发明所制备柔性压电传感器所用电极为导电碳胶粘贴而成的宏观叉指电极，电极的面积不受磁控溅射腔体和接收台大小的限制，同时压电复合材料通过刮涂法涂到基底上也无面积限制，因此柔性压电传感器的尺寸可根据实际需要进行任意匹配。整个制备工艺非常简单，价格低廉。且输出信号为纯的压电信号，不会受到电容式传感器输出信号的干扰，准确度高。

附图说明

图1是本发明的橡胶垫板老化程度的监测装置的结构示意图。

图2是本发明的橡胶垫板老化程度的监测装置的另一实施例的装置结构示意图。

图3是本发明实施例横坐标为电压乘以作用时间，纵坐标为v₁+v2即的曲线关系。

附图标记：1、计算机；2、数据采集和处理系统；3、橡胶垫板；4、压电传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种铁路轨道结构用橡胶垫板老化程度的监测装置，包括监测组件以及信号接收和处理系统，监测组件铺设于橡胶垫板3下方；

监测组件包括压电传感器4；信号接收和处理系统包括数据采集和处理系统2和计算机1，压电传感器4的输出端与数据采集和处理系统2的输入端连接，数据采集和处理系统2的输出端通过无线网络与计算机1连接。

压电传感器的输出端连接有引出线，引出线延伸于留出橡胶垫板外，与数据采集和处理系统连接，且露出的引出线设有防水防腐蚀保护层。

压电传感器设置在高分子柔性基底上，高分子柔性基底为聚对苯二甲酸(PET)、聚苯乙烯(PS)等。

压电传感器的压电材料为压电纳米纤维和碳纳米管以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)按照10：(0.5～3):100的质量比均匀混合得到，其中压电纳米短纤维经过静电纺丝、热处理再磨碎后得到。

压电传感器为矩形，具体尺寸为长16、宽14.5、厚0.15cm。

一种上述装置的橡胶垫老化程度的监测方法，将压电传感器在铁轨扣件系统安装过程中铺设于橡胶垫板的下方，采集高速火车驶过时产生的瞬时冲击力转化的电压信号，然后将采集到的电压信号传输到计算机中，通过对比未老化橡胶的电信号输出，分析得出橡胶垫板的老化程度。

电压信号大小与橡胶垫板的老化程度呈线性关系，且电压信号越大，则橡胶垫板的老化程度越高。

压电传感器耐受温度低温达零下35℃，高温可达40℃，适合在中国绝大范围内安装使用。

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释。下列实施例仅用小球自由下落装置来说明本发明，但并不用来限定发明的实施范围。

实施例

本实施例采用实验的方法对本发明的装置及方法进行说明。

如图2所示，将压电传感器4铺设于不同老化程度橡胶垫板3下方，压电传感器4引线连接数据采集和处理系统2，数据采集和处理系统2与计算机相连。利用小球下落装置，使小球从同一高度同一位置自由下落砸向橡胶垫板，在此同时，用高速摄像机拍摄小球下落及反弹过程，在计算机1上观察记录压电传感器4输出的电压信号。

压电传感器4采用柔性PZT压电传感器。

利用烘箱加速老化方法，在不同温度和时间下加热一批尺寸固定的的橡胶垫，制得一批不同老化程度的橡胶垫。

将不同老化程度的橡胶垫板一一放置于柔性压电传感器的上方，重复上述步骤，记录小球下落和反弹高度，在计算机中观察记录柔性压电传感器输出的电压信号。

整个小球下落装置受到的合外力为0，满足动量守恒，即在小球下落至反弹过程中，Ft＝mv₂+mv₁，其中F为小球下落至橡胶垫板时对橡胶垫板产生的冲击力，t为作用时间，m为小球的质量，设向上的速度为正，v₁为小球刚下落到橡胶垫板时的速度，方向向下，v₂为小球离开橡胶垫板时的速度，方向向上。根据能量守恒其中h为小球下落高度，h为小球反弹高度。结合动量守恒和能量守恒得出Ft正比于又由于压电传感器压电效应，力与电压信号成正比。最终得出Vt正比于其中V为铺于橡胶垫板下部的柔性压电传感器受到冲击时产生的电压信号。

当小球从同一高度(本实施例中为30.1cm)下落时，由于不同老化程度的橡胶，吸振功效不同，导致传递到柔性压电传感器上的力不同，根据上一步骤的理论分析和公式推导，直接可观测的是不同的反弹高度，表1为统计的不同老化程度橡胶的反弹高度、力的作用时间、相对应的压电传感器输出电压以及电压和作用时间的乘积Vt。

表1为实施例统计的不同老化程度橡胶的反弹高度、力的作用时间、相对应的压电传感器输出电压以及电压和作用时间的乘积Vt。

表1

为了检验加入传感器后是否影响橡胶垫板的力学性能，我们做了同一块未老化橡胶加不加柔性压电传感器的静刚度对比试验。根据我国的铁道行业的新标准TB/T3395.1-2015中的关于弹性垫层的刚度测试方法和刚度计算公式得出表2结果。

表2为实施例1的橡胶垫板加不加传感器的刚度对比结果。

表2

在试验机上从下至上按照顺序放置支撑钢板、砂布(有砂面朝上)、橡胶垫板、砂布(有砂面朝下)、荷载分布板、加载钢板，各部件对齐放置，使几何中心对准试验机的支撑台的中心。

测试方法为将万能试验机的力以及位移置零，以60±10KN/min的加载速度加载至80KN，并记录当荷载为别为F₁＝20KN和F₂＝70KN时的加载钢板的位移D₁、D₂，并按照如下公式进行计算橡胶垫板的刚度：

图3给出了横坐标为电压乘以作用时间，纵坐标为v₁+v₂即的曲线关系。结合表1分析，小球下落到橡胶垫板时，未老化橡胶阻尼性能最强，作用时间最长，传递到柔性压电传感器上的力最小，因此电压输出最小。同时未老化橡胶垫板吸收能量最多，反弹高度最小，即v₁+v₂值最小；随着老化程度的增加，小球反弹高度逐渐增加，传递到柔性压电传感器上的力逐渐增大，因此电压信号逐渐增大。考虑极端情况，即橡胶垫板老化至完全失效，即没有任何吸振能力，作用于橡胶垫板上的力全部传递到柔性压电传感器上，此时反弹高度最大，电压信号也最大。由于短时间无法做到使橡胶垫板老化至完全失效。因此，我们撤去橡胶垫板，让小球下落时直接作用于柔性压电传感器上，模拟橡胶垫板老化失效的状态。此时，得到最大反弹高度和最大输出电压，这个点定义为橡胶垫板老化失效点。对这些点进行线性拟合，线性度为0.97。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。