本發(fā)明涉及橡膠墊板監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種橡膠墊板老化程度的監(jiān)測裝置和方法。

背景技術(shù)：

鐵路軌道結(jié)構(gòu)用橡膠墊板(以下簡稱“橡膠墊板”)是軌道結(jié)構(gòu)中的重要部件，安裝在鋼軌和混凝土軌枕之間，它的主要作用是緩沖車輛通過路軌時所產(chǎn)生的高速振動和沖擊，保護(hù)路基和軌枕。橡膠墊板由于長期裸露于大氣中，受到溫度、水分、紫外線等因素影響，會不可避免的發(fā)生老化甚至失效，影響正常服役功能?，F(xiàn)有的檢測橡膠墊的老化程度的方式較為單一，通常是在安裝之前對橡膠墊板的老化性能在實驗室進(jìn)行測試，按照預(yù)測的橡膠墊的壽命周期進(jìn)行更換。這種壽命預(yù)測的方法，在多變環(huán)境下不準(zhǔn)確，存在安全隱患。因此需要一種可實時在線監(jiān)測橡膠墊板老化程度的裝置和方法。

公開號為CN103868784的中國專利介紹了一種基于接觸應(yīng)力的橡膠密封件性能退化監(jiān)測方法，選用橡膠密封件接觸應(yīng)力為橡膠密封件性能退化表征量。首先，在橡膠密封件裝入的機(jī)構(gòu)上設(shè)置壓力傳感器的安裝位置；其次，將橡膠密封件和壓力傳感器裝入機(jī)構(gòu)中，然后利用壓力傳感器測量橡膠密封件裝入機(jī)構(gòu)時間t后的接觸應(yīng)力F(t)；最后，將F(t)與機(jī)構(gòu)設(shè)計提供的密封件失效判據(jù)F進(jìn)行比較，當(dāng)F(t)大于F時橡膠密封件失效。

公開號為CN102146069A的中國專利介紹了一種橡膠彈性元件剛度特性的監(jiān)測裝置和方法，核心是采用電阻應(yīng)變片直接硫化于橡膠內(nèi)，通過應(yīng)變片采集橡膠受到的壓力，然后將采集到的信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行處理，監(jiān)測橡膠在實際使用過程中的應(yīng)力分布及大小。

以上相關(guān)專利技術(shù)提到了用壓力傳感器監(jiān)測橡膠受力情況，來判定橡膠密封失效或者剛度變化的方法。測試橡膠密封件隨時間變化的接觸應(yīng)力，是一個非常緩慢的過程，而壓電式壓力傳感器適合于動態(tài)測量，可以判定所用壓力傳感器不是壓電式的。

監(jiān)測橡膠剛度性能采用的是電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片一般應(yīng)變引起的電阻變化很小，需要外部的儀器放大器對信號進(jìn)行放大，監(jiān)測系統(tǒng)比較復(fù)雜；另外不適于長期監(jiān)測，因為時漂、溫漂較大，長時間測可能無法取得真實有效的數(shù)據(jù)。

為此，本發(fā)明通過理論分析和試驗研究，設(shè)計出一種利用柔性壓電傳感器監(jiān)測橡膠墊板老化程度的裝置和方法，以克服上述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種鐵路軌道結(jié)構(gòu)用橡膠墊板老化程度的監(jiān)測裝置和方法，其能有效監(jiān)測橡膠墊板在實際使用過程中的老化程度，實現(xiàn)對橡膠墊板老化程度的準(zhǔn)確監(jiān)測。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種鐵路軌道結(jié)構(gòu)用橡膠墊板老化程度的監(jiān)測裝置，包括監(jiān)測組件以及信號接收和處理系統(tǒng)，所述監(jiān)測組件鋪設(shè)于橡膠墊板下方；

所述監(jiān)測組件包括壓電傳感器；所述信號接收和處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、計算機(jī)，所述壓電傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的輸出端通過無線網(wǎng)絡(luò)與所述計算機(jī)連接。

進(jìn)一步的，所述壓電傳感器的輸出端連接有引出線，引出線延伸于留出橡膠墊板外，與電化學(xué)工作站連接，且露出的引出線設(shè)有防水防腐蝕保護(hù)層。

進(jìn)一步的，所述壓電傳感器設(shè)置在高分子柔性基底上。

進(jìn)一步的，所述高分子柔性基底為聚對苯二甲酸或聚苯乙烯。

進(jìn)一步的，所述壓電傳感器的壓電材料為壓電納米纖維、碳納米管、聚二甲基硅氧烷(PDMS)按照10：(0.5～3):100的質(zhì)量比均勻混合得到。

其中，所述壓電納米短纖維是由金屬醇鹽經(jīng)過溶膠凝膠、靜電紡絲、熱處理之后再磨碎得到的。

進(jìn)一步的，所述壓電傳感器為矩形，具體尺寸為長16、寬14.5、厚0.15cm。

一種上述裝置的橡膠墊老化程度的監(jiān)測方法，將壓電傳感器在鐵軌扣件系統(tǒng)安裝過程中鋪設(shè)于橡膠墊的下方，采集高速火車駛過時產(chǎn)生的瞬時沖擊力轉(zhuǎn)化的電壓信號，然后將采集到的電壓信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行處理，通過對比未老化橡膠的電信號輸出，分析得出橡膠墊的老化程度。

有益效果：本發(fā)明提供的鐵路軌道結(jié)構(gòu)用橡膠墊板老化程度的監(jiān)測裝置和方法，首次采用柔性壓電傳感器實時監(jiān)測橡膠墊板老化程度。在鐵路用橡膠墊板安裝過程中，將柔性壓電傳感器鋪設(shè)于橡膠墊板下部，采集高鐵壓過時透過橡膠墊板產(chǎn)生的瞬時沖擊力轉(zhuǎn)化的電壓信號，然后將采集到的電壓信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行處理，通過對比未老化橡膠的電信號輸出，實現(xiàn)對橡膠墊板老化程度的實時在線準(zhǔn)確監(jiān)測，及時更換老化程度高的橡膠墊板，保護(hù)混凝土軌枕，保證長期服役。

本發(fā)明采用柔性壓電傳感器，優(yōu)勢在于壓電復(fù)合相為壓電納米短纖維、碳納米管(CNT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合，其中壓電納米短纖維是金屬醇鹽經(jīng)過溶膠凝膠、靜電紡絲、熱處理再磨碎后得到的壓電短纖維?，F(xiàn)有技術(shù)中制備的柔性壓電傳感器采用的壓電相為燒結(jié)研磨得到的壓電陶瓷粉。而本發(fā)明以短纖維復(fù)合的，由于受力時形變大于球形的陶瓷粉，壓電效應(yīng)更顯著，器件電壓輸出更高，同時可承受大形變、大沖擊，特別適合于監(jiān)測列車行進(jìn)時對橡膠的動態(tài)沖擊力；由于柔性壓電傳感器靈敏度高，產(chǎn)生的電壓信號還可通過外接負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)，無需任何放大電路即可直接用于監(jiān)測，相對于需要接放大電路的電阻應(yīng)變片等簡單方便得多。

本發(fā)明所制備柔性壓電傳感器所用電極為導(dǎo)電碳膠粘貼而成的宏觀叉指電極，電極的面積不受磁控濺射腔體和接收臺大小的限制，同時壓電復(fù)合材料通過刮涂法涂到基底上也無面積限制，因此柔性壓電傳感器的尺寸可根據(jù)實際需要進(jìn)行任意匹配。整個制備工藝非常簡單，價格低廉。且輸出信號為純的壓電信號，不會受到電容式傳感器輸出信號的干擾，準(zhǔn)確度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的橡膠墊板老化程度的監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的橡膠墊板老化程度的監(jiān)測裝置的另一實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例橫坐標(biāo)為電壓乘以作用時間，縱坐標(biāo)為v₁+v2即的曲線關(guān)系。

附圖標(biāo)記：1、計算機(jī)；2、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；3、橡膠墊板；4、壓電傳感器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示為一種鐵路軌道結(jié)構(gòu)用橡膠墊板老化程度的監(jiān)測裝置，包括監(jiān)測組件以及信號接收和處理系統(tǒng)，監(jiān)測組件鋪設(shè)于橡膠墊板3下方；

監(jiān)測組件包括壓電傳感器4；信號接收和處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)2和計算機(jī)1，壓電傳感器4的輸出端與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)2的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)2的輸出端通過無線網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)1連接。

壓電傳感器的輸出端連接有引出線，引出線延伸于留出橡膠墊板外，與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接，且露出的引出線設(shè)有防水防腐蝕保護(hù)層。

壓電傳感器設(shè)置在高分子柔性基底上，高分子柔性基底為聚對苯二甲酸(PET)、聚苯乙烯(PS)等。

壓電傳感器的壓電材料為壓電納米纖維和碳納米管以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)按照10：(0.5～3):100的質(zhì)量比均勻混合得到，其中壓電納米短纖維經(jīng)過靜電紡絲、熱處理再磨碎后得到。

壓電傳感器為矩形，具體尺寸為長16、寬14.5、厚0.15cm。

一種上述裝置的橡膠墊老化程度的監(jiān)測方法，將壓電傳感器在鐵軌扣件系統(tǒng)安裝過程中鋪設(shè)于橡膠墊板的下方，采集高速火車駛過時產(chǎn)生的瞬時沖擊力轉(zhuǎn)化的電壓信號，然后將采集到的電壓信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，通過對比未老化橡膠的電信號輸出，分析得出橡膠墊板的老化程度。

電壓信號大小與橡膠墊板的老化程度呈線性關(guān)系，且電壓信號越大，則橡膠墊板的老化程度越高。

壓電傳感器耐受溫度低溫達(dá)零下35℃，高溫可達(dá)40℃，適合在中國絕大范圍內(nèi)安裝使用。

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。下列實施例僅用小球自由下落裝置來說明本發(fā)明，但并不用來限定發(fā)明的實施范圍。

實施例

本實施例采用實驗的方法對本發(fā)明的裝置及方法進(jìn)行說明。

如圖2所示，將壓電傳感器4鋪設(shè)于不同老化程度橡膠墊板3下方，壓電傳感器4引線連接數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)2，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)2與計算機(jī)相連。利用小球下落裝置，使小球從同一高度同一位置自由下落砸向橡膠墊板，在此同時，用高速攝像機(jī)拍攝小球下落及反彈過程，在計算機(jī)1上觀察記錄壓電傳感器4輸出的電壓信號。

壓電傳感器4采用柔性PZT壓電傳感器。

利用烘箱加速老化方法，在不同溫度和時間下加熱一批尺寸固定的的橡膠墊，制得一批不同老化程度的橡膠墊。

將不同老化程度的橡膠墊板一一放置于柔性壓電傳感器的上方，重復(fù)上述步驟，記錄小球下落和反彈高度，在計算機(jī)中觀察記錄柔性壓電傳感器輸出的電壓信號。

整個小球下落裝置受到的合外力為0，滿足動量守恒，即在小球下落至反彈過程中，F(xiàn)t＝mv₂+mv₁，其中F為小球下落至橡膠墊板時對橡膠墊板產(chǎn)生的沖擊力，t為作用時間，m為小球的質(zhì)量，設(shè)向上的速度為正，v₁為小球剛下落到橡膠墊板時的速度，方向向下，v₂為小球離開橡膠墊板時的速度，方向向上。根據(jù)能量守恒其中h為小球下落高度，h為小球反彈高度。結(jié)合動量守恒和能量守恒得出Ft正比于又由于壓電傳感器壓電效應(yīng)，力與電壓信號成正比。最終得出Vt正比于其中V為鋪于橡膠墊板下部的柔性壓電傳感器受到?jīng)_擊時產(chǎn)生的電壓信號。

當(dāng)小球從同一高度(本實施例中為30.1cm)下落時，由于不同老化程度的橡膠，吸振功效不同，導(dǎo)致傳遞到柔性壓電傳感器上的力不同，根據(jù)上一步驟的理論分析和公式推導(dǎo)，直接可觀測的是不同的反彈高度，表1為統(tǒng)計的不同老化程度橡膠的反彈高度、力的作用時間、相對應(yīng)的壓電傳感器輸出電壓以及電壓和作用時間的乘積Vt。

表1為實施例統(tǒng)計的不同老化程度橡膠的反彈高度、力的作用時間、相對應(yīng)的壓電傳感器輸出電壓以及電壓和作用時間的乘積Vt。

表1

為了檢驗加入傳感器后是否影響橡膠墊板的力學(xué)性能，我們做了同一塊未老化橡膠加不加柔性壓電傳感器的靜剛度對比試驗。根據(jù)我國的鐵道行業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)TB/T3395.1-2015中的關(guān)于彈性墊層的剛度測試方法和剛度計算公式得出表2結(jié)果。

表2為實施例1的橡膠墊板加不加傳感器的剛度對比結(jié)果。

表2

在試驗機(jī)上從下至上按照順序放置支撐鋼板、砂布(有砂面朝上)、橡膠墊板、砂布(有砂面朝下)、荷載分布板、加載鋼板，各部件對齊放置，使幾何中心對準(zhǔn)試驗機(jī)的支撐臺的中心。

測試方法為將萬能試驗機(jī)的力以及位移置零，以60±10KN/min的加載速度加載至80KN，并記錄當(dāng)荷載為別為F₁＝20KN和F₂＝70KN時的加載鋼板的位移D₁、D₂，并按照如下公式進(jìn)行計算橡膠墊板的剛度：

圖3給出了橫坐標(biāo)為電壓乘以作用時間，縱坐標(biāo)為v₁+v₂即的曲線關(guān)系。結(jié)合表1分析，小球下落到橡膠墊板時，未老化橡膠阻尼性能最強，作用時間最長，傳遞到柔性壓電傳感器上的力最小，因此電壓輸出最小。同時未老化橡膠墊板吸收能量最多，反彈高度最小，即v₁+v₂值最??；隨著老化程度的增加，小球反彈高度逐漸增加，傳遞到柔性壓電傳感器上的力逐漸增大，因此電壓信號逐漸增大。考慮極端情況，即橡膠墊板老化至完全失效，即沒有任何吸振能力，作用于橡膠墊板上的力全部傳遞到柔性壓電傳感器上，此時反彈高度最大，電壓信號也最大。由于短時間無法做到使橡膠墊板老化至完全失效。因此，我們撤去橡膠墊板，讓小球下落時直接作用于柔性壓電傳感器上，模擬橡膠墊板老化失效的狀態(tài)。此時，得到最大反彈高度和最大輸出電壓，這個點定義為橡膠墊板老化失效點。對這些點進(jìn)行線性擬合，線性度為0.97。

顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發(fā)明的公開內(nèi)容、應(yīng)用或使用。雖然已經(jīng)在實施例中描述過并且在附圖中描述了實施例，但本發(fā)明不限制由附圖示例和在實施例中描述的作為目前認(rèn)為的最佳模式以實施本發(fā)明的教導(dǎo)的特定例子，本發(fā)明的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權(quán)利要求的任何實施例。