羅麗萍，盧 俊，朱洪濤，，林曉峰，錢計妙

(1.南昌大學機電工程學院,南昌 330031；2.江西日月明鐵道設備開發(fā)有限公司,南昌 330029)

實現(xiàn)軌距水平直接測量的軌檢小車新結構研究

羅麗萍1，盧 俊1，朱洪濤1，2，林曉峰1，錢計妙2

(1.南昌大學機電工程學院,南昌 330031；2.江西日月明鐵道設備開發(fā)有限公司,南昌 330029)

國內外常用于檢測軌道幾何參數(shù)的”T”形結構軌檢小車在線路曲線段走行時，存在因結構原因而產(chǎn)生的假軌距、假水平問題，其原理性誤差可達10-1mm量級。相對于軌檢小車行業(yè)標準規(guī)定的軌距、水平測量允差+0.3～+0.5mm而言，該誤差不可忽略，故控制與消除該誤差的影響已成為新修訂的軌檢小車計量檢定規(guī)程的新增項目?；诖?，設計一種”工”形結構的軌檢小車，該結構直接測量左右軌作用邊，故其因結構因素造成的軌距、水平原理性誤差僅為10-4mm到10-5mm量級，可顯著提高軌距、水平測量精度。

軌檢儀；軌道檢測；軌距；水平；傳感器

隨著我國鐵路運輸朝著高速、重載、大密度方向的發(fā)展,對嚴重影響行車安全的軌道平順性的檢測與控制越來越重視和精細,在這種背景下高精度的數(shù)字化軌道檢測設備得到了廣泛的使用［1-2]。軌距和水平(超高)是表征軌道平順性的2個最基本的指標,當其存在較大的偏差時有可能引起列車的振動,以致脫軌［3-4],因此,無論是以檢測軌道內部幾何狀態(tài)為主要目的軌道檢查儀,還是以檢測軌道外部幾何狀態(tài)檢測為主要目的的軌道測量儀,都把軌距和水平(超高)檢測項目放在了最顯著的位置上［5-6]。

軌道檢查儀和軌道測量儀的外觀基本相似,可通稱為軌檢小車。目前國內常見的軌檢小車都不約而同地采用了“T”形結構,其主要目的是在維持小車沿軌道走行姿態(tài)的同時,簡化結構、減輕質量、提高便攜性,但“T”形結構隱含著一個達0.1 mm以上的原理性誤差［7-8],即假軌距、假水平問題。相對于軌道檢查儀、軌道測量儀軌距、水平檢測項目測量允差+0.3 mm［9]而言,假軌距導致的誤差不能忽略,必須在測量時采用軟件或硬件的方法對其進行適當?shù)难a償［10]。這一方面會增加軌檢小車的軟硬件復雜度,同時也不可避免地會帶來一定的新誤差。

本文提出一種軌檢小車“工”形新結構,能實現(xiàn)對軌距、水平的直接測量,從結構防止假軌距、假水平問題的產(chǎn)生。采用“工”形結構的軌道檢查儀、軌道測量儀不僅適用于正線軌道,還能適應道岔等復雜線形。

1 ”工”形結構的軌檢小車機械結構設計

1.1 ”T”形結構軌檢小車假軌距、假水平問題的產(chǎn)生

“T”形結構的軌檢小車由側臂梁和主梁組成,軌距傳感器和水平傳感器安裝于主梁中。由于T形軌檢小車的主梁一端直接與鋼軌工作邊接觸,而另一端是通過側臂與鋼軌另側工作邊接觸,單從結構上考慮,當在直線段走行時,軌距傳感器測得值為軌距的真實值；當為曲線段走行時,側臂梁在鋼軌上變成了鋼軌的一條弦,主梁的一端在此弦的中點上,由于軌距傳感器所測得的軌距值為主梁兩端的距離而非鋼軌兩作用邊的距離,因此軌距傳感器所測得的軌距值存在較大的誤差,該差值即為假軌距。如圖1所示,當軌檢小車在曲線段走行時,軌距傳感器所測得的軌距值為D,而真實的軌距值為測量軌距與假軌距之差,取曲率半徑最小值R=300 m時,現(xiàn)有產(chǎn)品中“T”形軌檢小車側臂梁長度L=750 mm,取實際軌距為標準軌距1 450 mm。軌距誤差分析有

式中,R為線路曲率半徑,mm；X為假軌距值, mm；L*為側臂梁長度,mm。

代入數(shù)據(jù)有:X=0.23 mm。

圖1 “T”形結構軌距小車軌距誤差分析

水平值的測量由式(2)得到,與測量所得的軌距值、水平傳感器所測的角度有關。

水平誤差為

式中,el為水平誤差值,mm；L1為軌檢小車測量所得的軌距,mm；L為鋼軌真實軌距,mm；θ為傾角傳感器所測的水平角,°。

根據(jù)經(jīng)驗,傾角θ所達到的角度最大值為7°。el≤0.028 mm。

通過理論推理,“T”形軌檢小車軌距誤差達到了0.1 mm以上,水平誤差達到了0.01 mm以上,即假軌距、假水平問題,實際操作中,必須采取相應的軟件或硬件進行補償。同理,“H”形軌檢小車雖可顯著減小原理性誤差,但由于其依然不是直接測量左右軌作用邊的距離,其軌距、水平測量仍是有偏的。

1.2 總體設計

“工”形結構的軌檢小車機械結構主要由前主梁、后主梁、中間回轉機構3部分組成。前、后主梁主體結構基本相同,均包含中心體和左、右對稱的翼梁等部分。前主梁橫跨左右軌,且兩端通過走行輪與導向輪分別與鋼軌踏面及作用邊接觸,主要用于安裝軌距、水平傳感器等檢測元件與機構；中間回轉機構用于實現(xiàn)前、后主梁的聯(lián)接并起到維持軌檢小車姿態(tài)的作用,后主梁外形和前主梁相同,主要用于安裝電路及起到維持軌檢小車姿態(tài)作用,如圖2所示。

圖2 “工”形結構軌檢小車總體結構

1.3 軌距、水平檢測與傳感器安裝

“工”形結構的軌檢小車主梁的左、右翼梁在內置彈簧的作用下,各自輪系分別與軌道左、右軌保持密貼。左、右走行輪同時也是水平測量輪,其下母線所決定的主梁水平姿態(tài)直接反映了鋼軌踏面的水平狀態(tài),水平傳感器安裝于主梁的中間體中,可實現(xiàn)真水平的測量；左、右導向輪同時也是軌距測量輪,其外側母線決定的主梁左、右翼梁之間的相對位置變化即反映了軌道軌距的變化,安裝于左翼梁上的位移傳感器測頭頂在右翼梁的測量探桿上,由于左右導向輪在同一橫斷面內接觸兩側鋼軌的作用邊,故可實現(xiàn)真軌距的測量。軌距傳感器安裝如圖3所示。

2 ”工”形結構的軌檢小車軌距、水平誤差分析

2.1 軌距、水平定義

圖3 軌距傳感器安裝

軌檢小車所指軌距,系指鋼軌踏面下方16 mm處左右兩股鋼軌內側作用邊之間的最小距離。我國鐵路直線軌距標準規(guī)定為1 435 mm,稱為標準軌距。軌距偏差過大,會使車輪掉道和卡軌,即使軌距尚未擴大到會使車輪掉道的程度,如果車輪錐形踏面的大坡度段已進入軌頂內側圓弧內,依然會在輪軌間產(chǎn)生較大的橫向推力［11- 12]。

軌檢小車所指水平,系指鐵路兩鋼軌面中心線之間的豎直面內高差,如圖4所示。水平(超高)不平順可能導致列車脫軌或者傾覆等危險［11- 12]。

圖4 超高分析示意

2.2 軌距、水平測量原理

當軌檢小車走行時,如果鋼軌的軌距發(fā)生變化,如上述所示,導向輪是緊貼鋼軌踏面下方16 mm處,軌距傳感器直接測量出鋼軌的軌距變化值。軌距傳感器測得的值X,鋼軌的軌距值L為“工”形結構的軌檢小車的設計軌距值L0與傳感器測量值X之和。

式中,L為鋼軌軌距真實值,mm；L0為軌檢小車設計軌距基準值,mm；X為軌距傳感器測得值,mm。

當兩鋼軌不在同一水平位置時,傾角傳感器就會顯示兩鋼軌表面中心線與水平線的夾角值。因為水平值為兩鋼軌面中心線之間在豎直面內高差。因此,水平值d為鋼軌的軌距值L與傾角θ的正弦值的乘積。

式中,d為水平值,mm；L為鋼軌軌距值,mm；θ為傾角傳感器所測的夾角,(°)。

2.3 “工”形結構的軌檢小車軌距、水平誤差分析2.3.1 軌距誤差分析

“工”形結構的軌檢小車因軌距測量輪、水平測量輪均直接與被測鋼軌密貼,從結構上消除了假軌距和假水平問題對軌距、水平測量精度的影響。直線段測量時,軌檢小車大梁與軌道處于垂直狀態(tài),但在曲線段檢測時,這種垂直關系因前、后主梁之間的距離差而發(fā)生了細微的變化,將導致一項與曲率半徑相關的原理性誤差的產(chǎn)生,如圖5所示。

如圖5所示,前主梁真實軌距L與測量軌距L1之間存在夾角a,則

圖5 “工”形結構軌檢小車軌距誤差分析

式中,a為前主梁接觸點的鋼軌內法線與前主梁的夾角,(°)；D為前主梁和后主梁中心線間的距離, mm；R為線路曲率半徑,mm。

由于R遠大于L

式中,L為鋼軌真實軌距,mm；L1為軌檢小車測量軌距,mm；a為曲率半徑與前主梁的夾角,(°)。

軌距誤差eg為

聯(lián)立(5)～(8)式,則軌距誤差

從(8)式可知,影響軌距誤差e的因素主要是軌檢小車前后主梁之間的中線距離D、軌距值L、線路的曲率半徑R等。由于D、L遠小于R,且變化較小,它們對誤差產(chǎn)生的影響較小。軌檢小車的誤差主要由曲率半徑R決定。取D=500 mm,軌距值取標準軌距值L=1 435 mm,通過分析不同的線路的曲率半徑得出相應軌距理論誤差,見表1。

表1 小車姿態(tài)引入的軌距系統(tǒng)誤差

根據(jù)《中華人民共和國鐵路技術管理規(guī)程》,通常普通鐵軌最小曲率半徑是R=300 m。從上述表中可以得知:當曲率半徑不小于300 m時,“工”形結構的軌檢小車檢測軌距的原理性誤差不大于4.98×10-4mm,且隨曲率半徑的加大而減小。

2.3.2 水平誤差分析

水平值的測量由公式(2)可知,與測量所得的軌距值、水平傳感器所測的角度有關。

水平誤差為

由軌距誤差分析可知,軌距誤差不大于4.98× 10-4mm,根據(jù)經(jīng)驗,傾角θ所達到的角度最大值為7°?？捎嬎愠鏊秸`差e1不大于6.069×10-5mm。

由于“工”形結構的軌檢小車因線路曲率半徑產(chǎn)生的軌距、水平原理性誤差分別為10-4、10-5mm量級,相對于當前軌檢產(chǎn)品的軌距、水平項目測量允差而言,完全可以忽略不計。

3 結語

針對目前軌道檢查儀、軌道測量儀多采用“T”形結構的軌檢小車結構所存在的假軌距、假水平問題及其補償所帶來的系統(tǒng)復雜度提高、測量誤差加大的情況,本文設計了一種“工”形軌檢小車結構,計算結果表明,在曲率半徑不小于300 m的情況下,其軌距、水平測量的原理性誤差分別為10-4、10-5mm量級,相對于當前最高精度等級的軌檢產(chǎn)品軌距、水平測量項目允差+0.3 mm而言,該原理性誤差完全可以忽略不計。因此,“工”形結構的軌檢小車是一種實用的對軌距、水平直接測量的結構,適用于軌道檢查儀、軌道測量儀等軌檢產(chǎn)品結構的升級換代。

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Research on a New Structure of Track InsPection Instrument That Can Directly Measure Rail Gauge and Level

LUO Li-ping1,LU Jun1,ZHU Hong-tao1,2,LIN Xiao-feng1,QIAN Ji-miao2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China；2.Jiangxi Everbright Railway Equipment Development Co.,Ltd.,Nanchang 330029,China)

There are problems of false rail gauge and level measurement values when inspecting track geometry parameters along curved railway line by using T-shaped track inspection instrument which is widely used in domestic and abroad.It is the structure itself of this kind of instrument that results in the error.This principle error may reach up to 10-1mm；then compared with the rail gauge and level measurement's permissible error values of+0.3 to+0.5mm which are stipulated in industry standard code,this error should not be neglected.So controlling and eliminating the influence of this error has become a new subject in newly revised measurement verification standard code of track inspection instrument.For this reason,this research developed an H-shaped track inspection instrument.With this new instrument,the action edges of both the left and right rails can directly be measured,so the principle error on rail gauge and level measurement caused by structure itself of the new instrument is only 10-4mm to 10-5mm；therefore the measurement accuracy of rail gauge and level can be significantly improved.

track inspection instrument；track inspection；rail gauge；rail level；sensor

U216.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.008

1004-2954(2014)07-0035-03

2013-09-07；

2013-11-12

江西省科技支撐項目(工業(yè)領域)(20112BBE50040；20132BBE50036)

羅麗萍(1956―),女,教授,碩士生導師,E-mail:xlp830@ 163.com。