[发明专利]一种内嵌式智能铁轨及其制备方法

说明书

本发明公开了一种内嵌式智能铁轨及其制备方法，所设计制备的智能铁轨集成有应变和温度传感器阵列，用于采集列车运行下的铁轨结构状态信息，特别是位于环境恶劣的区段，记录下具体数据，为预警轨道的结构健康状态提供支持，检测列车运行中的轮轨振动情况，为列车与铁轨的安全监测提供技术保证。本发明还提供一种内嵌式智能铁轨的加工制备方法，本发明内嵌式智能铁轨采用激光与微机电相结合的加工技术，得到与传统铁轨外观一致、机械强度等同的内嵌式智能铁轨，能够实时记录铁轨的结构健康状态信息，实现了传感器与铁轨之间的无缝集成，拓展了内嵌式智能铁轨的应用范围，加速轨道交通行业的智能化发展。

技术领域

本发明涉及轨道交通与智能制造领域，特别涉及一种内嵌式智能铁轨及其制备方法。

背景技术

铁轨成为人们出行的重要选择方式，铁路的安全问题也日益重要，铁轨的结构健康状态对列车的行驶安全影响很大，铁路线中大量钢轨长期在动态重载荷下服役，易出现腐蚀、变形、磨损、裂纹甚至断裂等问题。目前，铁轨的结构健康监测主要将传感器安置在铁轨的底部或者侧面（CN201210502451.6），实现铁轨自身的状态监测，一种基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法选取温度传感器和压力传感器并将它们安放在铁轨上，并对铁轨信息进行在线监测和推断。但是铁轨的工作环境复杂，传感器的贴装与集成封装形式直接决定传感器采集数据的准确性，传感器在长时间的运行过程会脱落等问题对铁轨的结构健康监测带来隐患。

所发明的内嵌式智能铁轨集成温度、应变、振动等传感器，采用机械加工与微机电系统技术完成内嵌式智能铁轨的加工制备，得到与普通铁轨的机械强度一致的内嵌式智能铁轨，形成一体的内嵌式智能铁轨，在监测铁轨的状态信息过程中，减少外界的干扰，提供更高精度的列车运行下的铁轨结构状态信息。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于面向列车运行过程对铁轨和路基的振动监测需求提供一种内嵌式智能铁轨设计与制备方法，包括在铁轨上开槽，通过机械加工与微机电系统技术在槽内制备传感器，得到与普通铁轨外观完全一致的内嵌式智能铁轨，其集成有应变测量模块，温度感知模块，振动测试模块等，所提出的内嵌式智能铁轨实时监测铁轨的受力、温度等信息，实现对列车的运行状态实时监测与提升铁轨的维护管理、运行水平。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于提供一种内嵌式智能铁轨的制备方法，重点在于采用机械加工与微机电系统技术完成内嵌式智能铁轨的加工制备，并且最终制备得到的内嵌式智能铁轨与普通铁轨的外观完全一致。实现传感器与铁轨之间的无缝集成，形成一体的内嵌式智能铁轨，在监测铁轨的状态信息过程中，减少外界的干扰，提供更高精度的列车运行下的铁轨结构状态信息。

一种内嵌式智能铁轨，包括温度、应变、振动等功能测试模块，均集成到铁轨的侧面上，其设计与制备得到的外观尺寸完全与普通铁轨保持一致，具有等同的机械强度，实时获取铁轨的结构健康状态信息，特别是列车驶过时的铁轨状态信息，所得到的内嵌式智能铁轨为铁轨的实时监测、列车行驶下的铁轨安全运行提供技术支撑。

进一步地，所述内嵌式智能铁轨的制备方法，包括以下步骤：

（1）设计内嵌式智能铁轨上传感器的结构，集成不同功能传感器，保证传感器的外观尺寸与普通铁轨一致；

（2）利用数控加工技术按照步骤1中的结构布局完成铁轨上传感器凹槽的加工；

（3）利用激光加工技术提高凹槽的表面平整度，为后续的传感器加工制备提供支持；

（4） 利用等离子增强气相沉积薄膜装置在铁轨金属凹槽表面制备一层氮化硅绝缘层；

（5）利用微机电加工技术（薄膜沉积、光刻图案化）分别依次完成不同功能传感器薄膜的加工制备；

（6）制备一层绝缘层用于传感器封装；