具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请实施例公开了一种基于轮轨耦合剪切力检测的计轴系统，计轴系统包括光纤光栅敏感元件、弹性基片和计算单元，弹性基片，用于固定光栅敏感元件；光栅敏感元件，用于测量并获取钢轨测点处的形变数据；

计算单元，用于从光纤光栅敏感元件接收形变数据，并根据形变数据绘制轮轨耦合剪切力曲线，之后根据轮轨耦合剪切力曲线得到应变差值曲线，最后根据应变差值曲线进行计轴。

参照图1，计轴系统还包括底板3、安装在底板3上的传输光缆4、安装在底板3上的凸台5。该凸台5用于和安装光纤光栅敏感元件1的钢轨相连接，凸台5露出的端部用于安装在钢轨上，弹性基片2在底板3上安装有三处，光纤光栅敏感元件1的数量和弹性基片2相同。光纤光栅敏感元件1和弹性基片2一一对应，光纤光栅敏感元件1与弹性基片2粘接形成应变片。

凸台5在钢轨上进行固定之后，实现了应变片在钢轨上的安装。钢轨上用于安装应变片的安装位置位于钢轨的枕缝正中间及其两端对称的位置，指定钢轨上的安装位置，使得安装更加稳定。

光纤光栅敏感元件1的中间部位进行打孔或者打薄，减少光纤光栅敏感元件1之间产生的干涉。在安装时，测点处三个应变片的中心线彼此平行，并且与钢轨的长度方向呈45度的夹角。因为组成应变片之后，单片输出信号数量级较低，选择钢轨上的上述安装位置，并且将应变片倾斜45度角设置，信噪比较低，可以提升测试的灵敏度、准确度和测量精度。

参照图2（a）和图2（b），为光纤光栅敏感元件1的安装示意图，图2（a）钢轨正面的观测图，图2（b）为钢轨侧面的观测图，图2（a）和图2（b）中的测点对应用于测量的应变片。

在底板3两端开设有光缆槽，传输光缆4从底板3的光缆槽中进入到底板3的内部，与三个光纤光栅敏感元件1熔接，将三个光纤光栅敏感元件1的尾纤盘好置于不锈钢轨底板3中，注入液态硅橡胶进行灌封处理，使其固定在底板3上，只露出固定光纤光栅敏感元件1两端的凸台5，再使用凸条进行和钢轨之间的安装连接。采用这样的安装方式，与钢轨的轨腰直接接触的只是光纤光栅敏感元件1的两端，钢轨受力出现形变时直接带动光纤光栅敏感元件1形变，不易受壳体刚度的影响。因此在光纤光栅敏感元件1较为稳定安装的同时，使得光纤光栅敏感元件1的检测区域敏感性更高。

采用上述的安装方式，在使用时可以对光纤光栅敏感元件1进行较好的保护，并且使得光纤光栅敏感元件1保持较高的灵敏度和准确度，方便更好的进行轮轨耦合剪切力的测量以实现计轴作业。

本申请实施例还公开了一种基于轮轨耦合剪切力检测的计轴方法，所述方法包括以下步骤：

S1、光纤光栅敏感元件1测量并获取钢轨测点处的形变数据。

将底板和应变片通过凸台安装到钢轨的安装位置上，通过光纤光栅敏感元件进行钢轨形变数据的检测。

在进行光纤光栅敏感元件1的安装之后，当列车的车轮经过布有光纤光栅敏感元件1的监测区域时，钢轨在车厢的重力作用下产生应力变化，同时亦会发生形变，由于光纤光栅敏感元件1固化在弹性基片2上和钢轨是密贴的，没有相对位移，因此光纤光栅敏感元件1亦会随之发生形变，应变经由铁轨传输至光纤光栅敏感元件1上时，其反射光的中心波长发生偏移，波段内的连续光的反射光强随之发生规律变化。把列车经过时的钢轨形变映射到光栅反射光中心波长的变化，从而实现光纤光栅敏感元件1对轮轨耦合的感知。光纤光栅敏感元件1反映了车轮通过后的形变数据，形变数据的形变量和通过钢轨的车轮载荷Q的大小呈正相关。

S2、计算单元根据光纤光栅敏感元件1检测到的钢轨形变数据，得到轮轨耦合剪切力曲线。

将三个光纤光栅敏感元件1分为第一光纤光栅敏感元件，第二光纤光栅敏感元件以及第三光纤光栅敏感元件。随着车轮通过钢轨发生形变，使得三处光纤光栅敏感元件1测得形变数据，形变数据的形变量和测点处的车轮载重Q成正比。

车轮载重Q与所述形变数据的形变量呈正比，通过车轮载重Q来分别得到测点处的剪切力Fs，再通过剪切力Fs的变化得到轮轨耦合剪切力曲线。最终得到三条轮轨耦合剪切力曲线，分别为第一轮轨耦合剪切力曲线s1、第二轮轨耦合剪切力曲线s2和第三轮轨耦合剪切力曲线s3。

计轴系统还包括低通滤波器，低通滤波器对实时测量的轮轨耦合剪切力曲线进行低通滤波，得到较为平滑的轮轨耦合剪切力曲线，更利于计算单元进行轮轴计数（计轴），得到的轮轨耦合剪切力曲线如图3（a）和图3（b）所示。图3（a）表示了正向行驶情况下的轮轨耦合剪切力曲线，图3（b）表示了反向行驶情况下的轮轨耦合剪切力曲线。

参照图4、图5，通过车轮载重Q来得到轮轨耦合剪切力Fs的方式具体如下，

在列车通过钢轨时，检测点的受力分析如下，

将两根轨枕AB之间视为监测区域，梁的正中间位置处安装光纤光栅敏感元件一，规定此处为测点一，在光纤光栅敏感元件一的两端一定距离的对称位置处安装光纤光栅敏感元件二和光纤光栅敏感元件三，规定此两处分别为测点二和测点三,当车轮沿着不同方向行驶通过监测区，测点一、测点二和测点三处横截面的剪切力Fs的力学分析也不相同。在图4和图5中，使用S1、S2和S3来分别代表测点一、测点二和测点三。测点一、测点二和测点三处的轮轨耦合剪切力曲线，分别对应第一轮轨耦合剪切力曲线s1、第二轮轨耦合剪切力曲线s2和第三轮轨耦合剪切力曲线s3。在得到各个测点处的剪切力Fs的大小之后，计算单元根据剪切力Fs的大小随着时间的变化，来绘制图3（a）和图3（b）所示的轮轨耦合剪切力曲线。

将两根轨枕A和B之间的一段钢轨视为一段简支梁，当车轮在钢轨上从A端向B端方向行驶（以下简称正向行驶）根据梁的力学原理，首先对车轮行驶未通过测点一位置进行分析；

简支梁在车轮的外力的作用下处于平衡状态，根据静力平衡方程得求出支座反力，

由

得

其中，∑F_x为X方向合力，∑F_y为Y方向合力，∑M_A为A点力矩总和，F_AY为A点向上的支座反力，F_BY为B点向上的支座反力，Q为车轮载重，X为待检测车轮的最底部到A点的距离，L为AB两点间距。

在对测点一进行分析时，用截面在测点一处把梁切开为左、右两段，如图5所示，取左段梁为脱离体，因梁原来处于平衡状态，所以被截取的左段梁也同样保持平衡状态。左段梁上有一向上的支座反力、向下的已知力Q的作用，要使左段梁不发生竖向移动，则在截面上必定存在一个竖直方向的内力与之平衡。

其中，为测点一上的剪切力。

从上面的分析可知，用截面法将梁切开分成两段，同一截面上的内力，取左段梁为脱离体和取右段梁为脱离体所得结果虽然数值相等，但方向却是相反的，为此根据剪切力引起梁的变形情况来规定它们的正负号。在横截面处，从梁中取出一小段，若剪切力使微段顺时针方向转动，则该截面上的剪切力为正；反之为负。因此，当车轮的底部行驶未通过测点一位置，测点一横截面的剪切力F_S与车轮载重Q之间的关系为：

同理可得，当车轮行驶通过测点一位置，测点一横截面的剪切力Fs与车轮载重Q之间的关系为：

对于测点二和测点三，当车轮行驶未通过或通过测点二和测点三时，在测点二和测点三横截面处的剪切力Fs与车轮载重Q之间的关系与测点一处相同。

当车轮在钢轨上从B端向A端方向行驶(以下简称反向行驶)，先经过测点三，同理可得，当车轮行驶未通过测点三位置时，测点三横截面的剪切力Fs与车轮载重Q之间的关系为：

当车轮行驶通过测点三位置，测点三横截面的剪切力Fs与车轮载重Q之间的关系为

根据上述分析可以清楚地得到剪切力大小Fs，通过剪切力Fs的变化得到如图3（a）和图3（b）所示的三条轨耦合剪切力曲线s1、s2和s3。

S3、计算单元根据轮轨耦合剪切力曲线得到轮轨剪切力的应变差值曲线，应变差值曲线包括第一应变差值曲线v1和第二应变差值曲线v2。

第一应变差值曲线通过第一轮轨耦合剪切力曲线和第二轮轨耦合剪切力曲线差分得到，第二应变差值曲线通过第二轮轨耦合剪切力曲线和第三轮轨耦合剪切力曲线差分得到。也即，第一应变差值曲线v1=s1-s2，第二应变差值曲线v2=s2-s3。在得到轮轨耦合剪切力曲线之后，将轮轨耦合剪切力曲线进行进行两两差分，可以得到应变差值曲线。

S4、计算单元根据应变差值曲线进行计轴。

计算单元根据应变差值曲线进行计轴具体包括：

首先，将应变差值曲线分为状态0和状态1，状态0为车轮处于光纤光栅敏感元件1监测的敏感区域外，状态1表示车轮处于光纤光栅敏感元件1监测的敏感区域内。参照图6（a）和图6（b），使用阈值th1和th2来判断应变差值曲线的状态。阈值th1表示列车驶入光纤光栅敏感元件1监测的敏感区域（也即进入到测量区域），应变差值曲线进入状态1。th2表示车轮驶出光纤光栅敏感元件1监测的敏感区域（也即驶出测量区域），应变差值曲线进入状态0，其中th1>th2。图6（a）为正向行驶情况下t1到t2以及t2到t3间的应变差值曲线，图6（b）为反向行驶情况下t1到t2以及t2到t3内的应变差值曲线。

之后，列车通过光纤光栅敏感元件1的监测区域时，记录v1和v2的状态随着时间变化而改变的状态时序变化。

在列车正向行驶的情况下，0-t1时间内应变差值曲线v1、v2状态为0，其值均小于th1，此时v1的状态为0，v2的状态为0，v1、v2组合状态为00。经过t1时刻，v1的值大于th1，此时v1状态变为1，v2状态为0，t1-t2时间段内v1、v2组合状态为10。经过t2时刻，v2的值大于阈值th1，此时v2状态为1，v1的值小于阈值th2，此时v1状态变为0，t1-t2时间段内v1、v2组合状态为01。

经过t3时刻，v2的值小于阈值th2，此时v2状态为0，v1的状态为0，t3时刻后v1、v2组合状态为00。

最后，根据应变差值曲线的状态时序变化进行计轴，具体包括：当列车的车轮从第一光纤光栅敏感元件向第三光纤光栅敏感元件驶过时，v1、v2状态时序为00，10，01，00；反之，当列车从第三光纤光栅敏感元件向第一光纤光栅敏感元件驶过时，v1、v2状态时序为00，01，10，00。

若v1、v2状态时序为00，10，01，00，判断列车的车轮从第一光纤光栅敏感元件向第三光纤光栅敏感元件驶过；若v1、v2状态时序为00，01，10，00，判断列车的车轮从第三光纤光栅敏感元件向第一光纤光栅敏感元件驶过，这样就完成了列车的判向，同时记录状态时序变化的次数，可以完成计轴（也即轮轴计数）。并且，满足特定的条件时（00，10，01，00或00，01，10，00）才会完成一次轮轴计数，提升了容错能力。

通过v1和v2随着时间变化而改变的状态时序变化可以完成计轴和判向。通过双阈值可以用来提高计轴方法的准确度和稳定性，由于列车在运行时产生的震动冲击较大，光栅波长会随着外界的振动产生波动，采用单阈值的方式很可能会在震动、冲击的情况下造成错误计轴，而采用双阈值的方式，会根据两个光栅剪切力应变差值曲线的状态变化过程，满足特定的条件时（00，10，01，00或00，01，10，00）才会进行计轴，提高了容错能力和稳定准确性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。