朱洪濤，王 昆，王志勇

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

軌道檢查儀(以下稱軌檢儀)是既有線平順性靜態(tài)檢測(cè)的專用儀器［1］。作為一種高精度的軌道幾何參數(shù)檢測(cè)儀，得到了各鐵路局的廣泛使用。其能夠檢測(cè)到的軌道幾何參數(shù)包括:軌距，里程，水平，軌向及高低。軌距是指鋼軌頭部踏面下16 mm處［2］，兩股鋼軌工作邊之間的距離。軌檢儀分為0級(jí)、1級(jí)兩個(gè)準(zhǔn)確度等級(jí)，0級(jí)軌檢儀用于測(cè)量線路允許速度不大于350 km/h的鐵路，其軌距的測(cè)量誤差要求在0.3 mm以內(nèi)，1級(jí)軌檢儀用于線路允許速度不大于200 km/h的普通鐵路，其軌距的測(cè)量誤差要求在0.5 mm以內(nèi)［3］。

由于軌檢儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件較差，誤差傳遞復(fù)雜，影響軌距測(cè)量的因素很多，其中溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響尤為顯著，特別的當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)溫度與軌距傳感器的標(biāo)定時(shí)溫度相差很大的情況下，測(cè)量誤差更加明顯，通常這類問(wèn)題的解決辦法有2種［4］:一種是嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量溫度，使其保持軌檢儀標(biāo)定時(shí)候的溫度;二是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量溫度與軌距傳感器標(biāo)定溫度的溫差進(jìn)行溫度補(bǔ)償。由于第一種方法需要高精度的測(cè)量環(huán)境，經(jīng)濟(jì)代價(jià)過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)。而采用溫差補(bǔ)償方法只需要在上位機(jī)軟件上進(jìn)行修正即可，方法簡(jiǎn)單可行，而溫補(bǔ)因子的準(zhǔn)確設(shè)定是軌檢儀在溫度環(huán)境變化的情況下準(zhǔn)確測(cè)量的保障。溫補(bǔ)因子是指測(cè)量時(shí)候環(huán)境溫度與軌距傳感器標(biāo)定時(shí)候環(huán)境溫度相差1℃所需要進(jìn)行的測(cè)量補(bǔ)償量。

現(xiàn)行的軌檢儀在軌距測(cè)量當(dāng)中尚無(wú)對(duì)溫補(bǔ)因子進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)及相關(guān)計(jì)算，制定準(zhǔn)確的溫補(bǔ)因子可以提高軌檢儀的軌距測(cè)量準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

1 溫補(bǔ)因子實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算

軌檢儀主要由側(cè)臂及大梁兩部分組成，主要的傳感器及電路板都安裝在大梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中，軌距測(cè)量采用了直線位移傳感器，是一種將直線位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，固定在軌檢儀的大梁一端，通過(guò)運(yùn)行過(guò)程中傳感器位移的變化量測(cè)量軌距［5］，上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)為軌距值與標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm的差值，工作過(guò)程中大梁始終與軌道踏面16 mm處保持接觸，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量軌距，其測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌檢儀測(cè)量簡(jiǎn)圖

軌檢儀在使用前都需要對(duì)各傳感器進(jìn)行標(biāo)定，主要用來(lái)提高軌檢儀的測(cè)量準(zhǔn)確度［6］。標(biāo)定溫度與測(cè)量溫度的溫差將會(huì)給軌距測(cè)量帶來(lái)影響，選取2臺(tái)合格的0級(jí)軌檢儀產(chǎn)品分別在不同的溫度下進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后將軌檢儀降溫然后置于室內(nèi)環(huán)境溫度恒定的標(biāo)定器上，記錄軌檢儀升溫至環(huán)境溫度時(shí)軌距測(cè)量數(shù)據(jù)，得到表1數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)2臺(tái)不同標(biāo)定溫度下軌檢儀的軌距測(cè)量數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)軌距測(cè)量值都是隨著溫度的上升而減小的，這是符合溫度對(duì)軌距測(cè)量的影響變化規(guī)律的，測(cè)量最大誤差達(dá)到了0.2 mm，這是不符合軌檢儀要求的。當(dāng)溫度回到標(biāo)定溫度時(shí)，軌距示值接近0，傳感器零點(diǎn)存在小范圍的漂移是傳感器參數(shù)決定的，在可接受范圍內(nèi)［7］。利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步擬合分析，軌距測(cè)量數(shù)據(jù)與溫度變化之間存在線性關(guān)系，而且2臺(tái)軌檢儀的線性程度一致，如圖2所示。

表1 未做補(bǔ)償軌距偏差

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

擬合后的兩條直線分別為

(1)式和(2)式斜率相當(dāng)，也就意味著溫度變化1℃，軌距測(cè)量的變化量一致，截距不同是因?yàn)闃?biāo)定溫度的不同而引起的，由此設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫補(bǔ)因子

式中，k1，k2為前兩條直線斜率絕對(duì)值。

2 溫補(bǔ)因子理論計(jì)算

對(duì)物體長(zhǎng)度而言，當(dāng)只存在簡(jiǎn)單的熱變形誤差，而沒(méi)有彎曲、扭曲等復(fù)雜變形時(shí)，由于溫度對(duì)20℃有偏差而產(chǎn)生的尺寸變化通?？梢杂孟率奖硎荆?］

式中 Δl——尺寸變化;

L——物體尺寸;

α——物體線性膨脹系數(shù);

t——物體溫度。

當(dāng)測(cè)量件和量具的溫度對(duì)20℃都有溫差時(shí)，溫度所引起的測(cè)量誤差為兩者的尺寸變化之差，即有如下計(jì)算公式［9］

式中 Δl——測(cè)量尺寸變化;

L——測(cè)量件尺寸;

α1、α2——分別為量具、測(cè)量件材料的線性膨脹系數(shù);

t1、t2——分別為量具、測(cè)量件的溫度。

由于測(cè)量件為標(biāo)定器，其一直處于環(huán)境室溫為16.5℃當(dāng)中，有效測(cè)量長(zhǎng)度為1 435 mm，材料為鑄鐵，軌檢儀處于標(biāo)定器上的測(cè)量長(zhǎng)度為1 435 mm，軌檢儀大梁使用的材料主要為鋁合金及45號(hào)鋼，其溫度逐漸上升至室內(nèi)環(huán)境溫度。軌檢儀與標(biāo)定器組成的測(cè)量尺寸鏈如圖3所示。

圖3 軌距測(cè)量尺寸鏈(單位:mm)

圖3中①為標(biāo)定器長(zhǎng)度為1 435 mm，②、③、④組成軌檢儀大梁，其中②為45號(hào)鋼，③為軌距傳感器，④為鋁合金。熱膨脹系數(shù)是指物質(zhì)在熱脹冷縮效應(yīng)作用之下，幾何特性隨著溫度的變化而發(fā)生變化的規(guī)律性系數(shù)，各材料的膨脹系數(shù)如表2所示［10］。

表2 各材料膨脹系數(shù) 10－6/℃

查閱軌距傳感器型號(hào)［7］及參數(shù)可知傳感器本身的膨脹系數(shù)非常小，幾乎為0，在此忽略不計(jì)，由此計(jì)算出軌距測(cè)量誤差

代入相關(guān)尺寸及系數(shù)可得

上式中的斜率為－0.025 2，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)，截距的不同是由標(biāo)定溫度的不同引起的。實(shí)驗(yàn)及理論結(jié)果計(jì)算表明，溫度上升1℃，軌距測(cè)量減小0.025 mm左右。因此設(shè)定軌檢儀軌距測(cè)量的溫度補(bǔ)償因子為

假設(shè)軌檢儀的標(biāo)定溫度為tb，通常標(biāo)定之后軟件都自動(dòng)認(rèn)為該溫度下的零點(diǎn)和增益是標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)量的時(shí)候環(huán)境溫度為tc，軌檢儀只由于自身膨脹變化造成的軌距測(cè)量誤差，需要增加的補(bǔ)償量為

按照鐵道部門(mén)對(duì)軌檢儀設(shè)計(jì)的最新要求［1］，軌檢儀的標(biāo)定需要在環(huán)境溫度為20℃時(shí)進(jìn)行，因此，此時(shí)的誤差補(bǔ)償量則變得更加簡(jiǎn)單

3 增加溫補(bǔ)因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)定的溫補(bǔ)因子k，對(duì)軌檢儀的軌距測(cè)量進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，兩臺(tái)合格樣機(jī)的標(biāo)定溫度與之前的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定溫度一致，置于標(biāo)定器上進(jìn)行測(cè)量，得到如圖4所示的軌距隨溫度變化誤差曲線。

圖4 溫度補(bǔ)償后誤差

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算出2臺(tái)軌檢儀軌距測(cè)量平均值和均方差分別為［11］

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2臺(tái)軌檢儀的最大測(cè)量誤差都在0.03 mm以內(nèi)，平均值均在0.004 mm以內(nèi)，均方差均在0.02以內(nèi)，溫度補(bǔ)償效果明顯，較沒(méi)有做溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果有了很大的改善，明顯減少了溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

大尺寸量具的測(cè)量誤差受溫度變化較為明顯，這一特點(diǎn)在軌檢儀上體現(xiàn)得更加突出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了溫度變化對(duì)軌檢儀的測(cè)量誤差的影響，當(dāng)測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度與軌檢儀標(biāo)定時(shí)環(huán)境溫度相差很大時(shí)，誤差更加明顯，并從實(shí)驗(yàn)和理論上分析計(jì)算了溫度變化對(duì)測(cè)量的影響程度，兩者結(jié)果基本一致，由此設(shè)定了軌距的溫補(bǔ)因子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度補(bǔ)償提高了軌距測(cè)量的準(zhǔn)確性，使其不再受標(biāo)定溫度與測(cè)量溫度的溫差影響，大大改善了軌檢儀的軌距測(cè)量穩(wěn)定性。

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