用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟及数据处理方法

1.本发明涉及用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟及数据处理方法，属于数据处理及土木工程技术领域。


背景技术：

2.铁路有砟轨道具有造价低、弹性好、养护维修方便等优点，因此在世界范围内广泛应用。然而，有砟道床作为有砟轨道的主体结构，具有显著的散体介质特征，在列车循环荷载、捣固作业、稳定作业等外部荷载作用下，有砟道床内部力学机制极其复杂，易产生过大的应力，进而引发道砟颗粒发生破碎、磨耗等劣化现象，大大增加了有砟轨道养护的维修工作量。因此，获取有砟道床内部应力特征是探明有砟轨道劣化机理，进而有针对性的提出延缓道床劣化措施的关键。
3.目前尚无有效的技术方案对有砟道床内部应力特征进行实时监测。专利申请号201620016952.7通过在外壳内部安装运动探测仪，可实时监测外部荷载作用下道砟颗粒振动响应，但难以反映有砟道床内部应力特征，不足以为探明有砟道床破碎、磨耗等劣化机理并提出有效的延缓劣化措施提供直接的技术支持。
4.现有的技术方案仅能监测外部荷载作用下有砟道床内部道砟颗粒的振动响应。然而，外部荷载作用下有砟道床内部应力过大才是引发道砟颗粒发生破碎、磨耗等劣化现象的直接因素。因此，现有技术方案不足以为揭示有砟道床劣化机理提供直接的技术支持。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足,本发明提供用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟及数据处理方法。
6.用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟，可实时监测外部荷载作用下有砟道床内部应力特征，为揭示有砟道床劣化机理并提出有效延缓劣化措施提供技术基础，可大大减少有砟轨道养护维修工作量，延长有砟轨道使用寿命，降低有砟轨道养护维修成本。
7.用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟，阵列式压力传感器粘贴于硬质外壳上面，质薄膜粘贴于阵列式压力传感器上面，含有在硬质外壳内部组装的数据采集模块、处理器、数据存储模块、数据处理模块、无线通讯模块以及电源模块，数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、无线通讯模块以及电源模块均与处理器相连，数据采集模块还与阵列式压力传感器相连，数据存储模块还与数据处理模块相连。
8.用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟数据处理方法,含有以下步骤：
9.数据采集模块用于采集压阻传感单元的电压变化及空间位置信息，并通过处理器将信息发送给数据存储模块。
10.数据存储模块存储10小时的测试数据量，用于对测试数据的备份，并将数据信息实时传输给数据处理模块。
11.数据处理模块用于对所采集的数据信息进行实时处理，获取智慧道砟表面不同位
置的压力分布，同时对不同表面的压力值进行求和处理，在此基础上，计算不同表面压力值之和与表面面积的比值，可得智慧道砟不同表面应力，即有砟道床内部不同方向应力，计算完成后，将数据处理结果发送给处理器。
12.处理器将数据处理结果发送给无线通讯模块。
13.无线通讯模块用于将数据处理结果实时发送给计算机终端。
14.电源模块用于为智慧道砟各个模块供电。
15.本发明的优点是：本发明基于阵列式压力传感器首创提出一种能够实时监测外部荷载作用下有砟道床内部应力的智慧道砟。
16.本发明率先实现对有砟道床内部应力的实时检测，解决了既有技术方案不足为揭示有砟道床劣化机理提供直接技术支持的难题。此外，本发明结构简单，外观小巧，测量精度高，实际操作过程中直接将本发明提出的智慧道砟埋至于有砟道床内部，便可实现对有砟道床内部应力的实时监测，操作极其简单方便。
17.本发明提出的智慧道砟可对有砟道床内部应力信息进行实时采集、存储、处理及发送。
附图说明
18.当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
19.图1为本发明的外观示意图。
20.图2为本发明的阵列式压力传感器空间位置关系示意图。
21.图3为本发明的内部结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
23.显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
24.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
25.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
26.为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。
27.实施例1：如图1、图2及图3所示，一种用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟，图1
示意智慧道砟外观特征，主要用于描述阵列式压力传感器2在硬质外壳1表面的分布。
28.图2示意阵列式压力传感器空间位置关系，主要用于描述硬质外壳1、阵列式压力传感器2、软质薄膜3之间的粘贴关系。需要说明的是，阵列式压力传感器2粘贴于硬质外壳1上面，两者紧密连接；软质薄膜3粘贴于阵列式压力传感器2上面，两者紧密连接。
29.图3示意智慧道砟内部结构，用于描述智慧道砟内部不同模块之间的连接关系。需要说明的是，数据采集模块4，处理器5，数据存储模块6、数据处理模块7、无线通讯模块8、以及电源模块9均组装于硬质外壳1内部；数据采集模块4，数据存储模块6、数据处理模块7、无线通讯模块8、以及电源模块9均与处理器5相连；数据采集模块4还与阵列式压力传感器2相连；数据存储模块6还与数据处理模块7相连。
30.一种用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟，阵列式压力传感器2粘贴于硬质外壳1上面，两者紧密连接；软质薄膜3粘贴于阵列式压力传感器2上面，两者紧密连接，数据采集模块4，处理器5，数据存储模块6、数据处理模块7、无线通讯模块8、以及电源模块9均组装于硬质外壳1内部；数据采集模块4，数据存储模块6、数据处理模块7、无线通讯模块8、以及电源模块9均与处理器5相连；数据采集模块4还与阵列式压力传感器2相连；数据存储模块6还与数据处理模块7相连。
31.一种能够实时监测外部荷载作用下有砟道床内部应力的智慧道砟，有砟轨道道砟颗粒粒径对有砟道床力学性能产生极大影响，道砟粒径范围为22.4～63mm。
32.为使智慧道砟粒径满足规范要求，同时便于安装阵列式压力传感器，本发明选取边长为50mm的硬质正方体作为智慧道砟的外壳，在硬质外壳的六个表面上分别粘贴7*7阵列的压力传感器，如图1所示。各个表面阵列式压力传感器由49个直径为5.5mm的圆形压阻传感单元组成，单元间的间距为6.25mm。压阻传感单元内部含有纳米压阻层，在外力作用下，纳米压阻层的微粒会发生一定的迁移，进而引发导电通路电阻的变化，经过电路变换后便可获取电压的变化。
33.实施例2：如图1、图2及图3所示，用于测试有砟道床内部应力的智慧道砟数据处理方法,含有在硬质外壳1内部组装数据采集模块4，处理器5，数据存储模块6、数据处理模块7、无线通讯模块8、以及电源模块9，数据采集模块4，数据存储模块6、数据处理模块7、无线通讯模块8、以及电源模块9均与处理器5相连，数据采集模块4还与阵列式压力传感器2相连，数据存储模块6还与数据处理模块7相连，含有以下步骤：
34.数据采集模块4用于采集压阻传感单元的电压变化及空间位置信息，并通过处理器5将信息发送给数据存储模块6。
35.数据存储模块6可存储10小时的测试数据量，用于对测试数据的备份，并将数据信息实时传输给数据处理模块7。
36.数据处理模块7用于对所采集的数据信息进行实时处理，获取智慧道砟表面不同位置的压力分布，同时对不同表面的压力值进行求和处理，在此基础上，计算不同表面压力值之和与表面面积的比值，可得智慧道砟不同表面应力，即有砟道床内部不同方向应力，计算公式如式(1)。计算完成后，将数据处理结果发送给处理器5。
37.38.式中，pj为智慧道砟第j个表面的应力，f
ij
为智慧道砟第j个表面第i个压阻传感单元承受的外力，sj为智慧道砟第j个表面的面积。
39.处理器5将数据处理结果发送给无线通讯模块8。
40.无线通讯模块8用于将数据处理结果实时发送给计算机终端，便可实时显示智慧道砟不同表面压力分布特征以及有砟道床内部不同方向的应力。
41.电源模块9用于为智慧道砟各个模块供电，续航时间10小时。
42.如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。