吳元良 上海鐵路局科研所

手推式鋼軌平直度測(cè)量?jī)x的研制

吳元良 上海鐵路局科研所

研制一種手推式鋼軌平直度測(cè)量?jī)x，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙軌頂面連續(xù)快速的檢測(cè)，并介紹其主要結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理。測(cè)量?jī)x采用三點(diǎn)弦測(cè)法與機(jī)械濾波相結(jié)合的形式，測(cè)量鋼軌各種不平順波形，通過數(shù)學(xué)算法計(jì)算處理，得到被測(cè)鋼軌真實(shí)平直度數(shù)據(jù)，其結(jié)果以圖表方式展現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)，驗(yàn)證測(cè)量?jī)x檢測(cè)效率高，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確。

平直度；測(cè)量?jī)x；弦測(cè)法；機(jī)械濾波

鋼軌的作用是直接承受列車車輪巨大壓力并引導(dǎo)車輪運(yùn)行方向，因此為了保證列車按照規(guī)定速度安全、平穩(wěn)和不間斷地運(yùn)行它必須具備足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐磨性。平直度是鋼軌各項(xiàng)指標(biāo)中的一項(xiàng)，它特指沿鋼軌縱向軌頂面不平順的指標(biāo)，研究其意義在于最大限度地降低列車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，減輕輪軌磨耗，為乘客提供舒適感和安全感。鋼軌不平順會(huì)嚴(yán)重影響列車運(yùn)行質(zhì)量，一方面直接影響高速行車的安全與平穩(wěn)，另一方面由于鋼軌不平順引起的動(dòng)荷載將進(jìn)一步加速鋼軌的惡化和不平順的發(fā)展。因此，在有限的天窗時(shí)間內(nèi)對(duì)鋼軌不平順進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)是當(dāng)前工務(wù)部門急需解決的問題。

目前在線路上測(cè)量鋼軌平直度的方法主要有使用基于慣性基準(zhǔn)法的大型軌檢車，但其檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)復(fù)雜且價(jià)格昂貴，檢測(cè)精度也受到軌檢車運(yùn)行速度的影響；其次是工務(wù)養(yǎng)護(hù)人員最常使用的人工靠尺法，主要利用SECRC電子平直尺或同類檢測(cè)儀器檢測(cè)，其缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的連續(xù)檢測(cè)，效率較低。

針對(duì)上述不足，研制一種方便現(xiàn)場(chǎng)使用的鋼軌平直度測(cè)量?jī)x，具有使用方便，檢測(cè)速度快且精度高的特點(diǎn)。

1 測(cè)量?jī)x研制方案

測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)為一種可以在鋼軌上推行的小車，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)雙軌頂面的非接觸式連續(xù)測(cè)量，使用方便且便于運(yùn)輸；由測(cè)量?jī)x上安裝的各種傳感器采集數(shù)據(jù)并上傳存儲(chǔ)，通過濾波以及數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算展現(xiàn)被測(cè)鋼軌不平順狀態(tài)的實(shí)際情況；對(duì)鋼軌頂面不平順波長(zhǎng)、幅值、周期性等進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果以波形圖、報(bào)表等形式展現(xiàn)，為鋼軌打磨參數(shù)設(shè)置及鋼軌銑磨修理質(zhì)量分析評(píng)估等工務(wù)養(yǎng)護(hù)作業(yè)起參考作用。

2 主要結(jié)構(gòu)

測(cè)量?jī)x由走行系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三個(gè)主要模塊組成。

2.1 走行系統(tǒng)

走行系統(tǒng)由連接架和走行架組成，使用時(shí)兩者組裝呈工字型架在軌道上，平時(shí)可拆卸成單獨(dú)部件方便運(yùn)輸。設(shè)備整體采用鋁合金材料制成，如圖1所示。

圖1 測(cè)量?jī)x走行系統(tǒng)

連接架用于連接左右走行架，其中間的主軸可以自由旋轉(zhuǎn)使兩個(gè)走行架在各自測(cè)量過程中相互獨(dú)立不受干擾。主軸同時(shí)安裝了氣體支撐桿向兩邊施加壓力，可讓走行架緊貼鋼軌，確保檢測(cè)傳感器始終測(cè)量在鋼軌軌頂?shù)耐晃恢谩?/p>

走行架底部安裝具有機(jī)械濾波功能的排輪組，側(cè)邊安裝有側(cè)導(dǎo)向輪，兩端安裝有走行輪，如圖1所示。當(dāng)測(cè)量?jī)x處于工作狀態(tài)時(shí)，走行輪上翻，并不與鋼軌相接觸，此時(shí)測(cè)量?jī)x與鋼軌之間的滑動(dòng)主要通過排輪組完成。同時(shí)，側(cè)導(dǎo)向輪緊貼鋼軌內(nèi)側(cè)予以提高走行的順暢性。當(dāng)測(cè)量?jī)x處于非工作狀態(tài)時(shí)，走行輪下放，此時(shí)測(cè)量?jī)x會(huì)被略微抬起，排輪組與鋼軌之間處于懸空狀態(tài)，此時(shí)測(cè)量?jī)x的走行主要依靠走行輪，走行速度快。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光位移傳感器，里程記錄儀，數(shù)據(jù)采集器等組成。他們的關(guān)系如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)

激光位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸快速測(cè)量且精度高，將其三個(gè)一組構(gòu)成三點(diǎn)弦測(cè)法方式分別安裝在測(cè)量?jī)x左右走行架上，測(cè)量其與鋼軌軌頂之間的距離，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器采集并上傳至上位機(jī)。三點(diǎn)弦測(cè)中間的激光位移傳感器位置可調(diào)，可根據(jù)具體測(cè)量需求將其調(diào)整為三點(diǎn)等弦或不同弦比的三點(diǎn)偏弦。

里程記錄儀根據(jù)傳統(tǒng)計(jì)米輪設(shè)計(jì)，使用已知直徑的測(cè)量輪和編碼器組成。它可以精確的記錄測(cè)量?jī)x在工作過程中走過的距離，里程數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器采集并上傳至上位機(jī)處理。同時(shí)里程記錄儀通過數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部指令控制，等距給激光位移傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，確保測(cè)量?jī)x在不同的測(cè)量速度下依然能夠等距離的采集鋼軌平直度數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、波形回放、濾波分析、拉弦分析這幾個(gè)模塊組成。

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)完成測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集。在測(cè)量工作開始前，可輸入被測(cè)線路名稱、上下行線路以及三點(diǎn)弦側(cè)法弦比等信息以便數(shù)據(jù)處理和存檔歸類。數(shù)據(jù)采集開始后，六個(gè)激光位移傳感器和里程記錄儀將同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并上傳至上位機(jī)。

測(cè)量工作結(jié)束后，使用三點(diǎn)弦測(cè)法和機(jī)械濾波法疊加處理采集數(shù)據(jù)，得到被測(cè)鋼軌真實(shí)平直度數(shù)據(jù)。

波形回放功能可將鋼軌平直度數(shù)據(jù)以波形的方式展現(xiàn)，形象的表現(xiàn)被測(cè)鋼軌軌頂?shù)膸缀涡螒B(tài)，如圖3所示。

圖3 波形回放

濾波分析主要對(duì)平直度數(shù)據(jù)按不同波長(zhǎng)段進(jìn)行分析。采用快速傅里葉變換將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，在頻域內(nèi)提取相關(guān)頻率范圍，再利用傅里葉逆變換將該頻率范圍內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)段的濾波。圖4為對(duì)某一段檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

圖4 濾波分析

拉弦分析主要模擬人工靠尺法原理。在被測(cè)鋼軌平直度數(shù)據(jù)擬合的波形圖中通過計(jì)算機(jī)人工“拉弦”，得到對(duì)應(yīng)被拉弦位置的峰值和谷值，并將這些數(shù)據(jù)列表篩選，以供工務(wù)養(yǎng)護(hù)人員參考。弦長(zhǎng)可設(shè)定為1 m，2 m不等，拉弦位置也可根據(jù)需要設(shè)定。

3 測(cè)量原理

采用三點(diǎn)弦測(cè)法與機(jī)械濾波相結(jié)合的形式，分別測(cè)量軌道長(zhǎng)波不平順和短波不平順，并將其分別進(jìn)行處理后疊加，得到被測(cè)鋼軌真實(shí)平直度數(shù)據(jù)。

3.1 長(zhǎng)波不平順檢測(cè)

測(cè)量?jī)x采用三點(diǎn)弦測(cè)法對(duì)鋼軌軌頂平直度進(jìn)行檢測(cè)。左右走行架分別安裝三個(gè)激光位移傳感器構(gòu)成三點(diǎn)弦測(cè)法，檢測(cè)其與鋼軌軌頂之間的距離，中間的位移傳感器位置可調(diào)，根據(jù)需要將弦測(cè)法模型改為不同弦比的偏弦法或等弦法。

圖5 弦測(cè)法原理圖

如圖5所示為弦測(cè)法原理圖A，B，C，三處為激光位移傳感器安裝位置，m，n代表三者之間的距離。設(shè)l為總弦長(zhǎng)，即l=m+n，f為測(cè)量值，那么通過如圖所示幾何關(guān)系以及根據(jù)傅里葉變換的線性性質(zhì)及時(shí)移性質(zhì)，可以得到：

其中，ω為空間域角頻率，ω=2π/λ；λ為軌道不平順波長(zhǎng)。F(ω)和Y(ω)分別為測(cè)量值f和軌道不平順值y的傅立葉變換。

三點(diǎn)弦測(cè)法傳遞函數(shù)為：

將軌道不平順頻譜Y(ω)進(jìn)行傅立葉逆變換即可得到軌道不平順的時(shí)域波形y。

由公式2可知三點(diǎn)弦測(cè)法其相頻特性沒有畸變，測(cè)量值不受測(cè)量?jī)x檢測(cè)速度的影響，但是其幅值增益隨軌道不平順波長(zhǎng)的變化而在0～2之間變化。由此可見，弦測(cè)法在復(fù)原某些特定波長(zhǎng)特別是短波長(zhǎng)的情況下存在缺陷，為了減小幅值增益誤差需要通過單獨(dú)測(cè)量短波不平順予以彌補(bǔ)。

3.2 短波不平順檢測(cè)

走行架底部安裝有小直徑高精度輥?zhàn)咏M成具有機(jī)械濾波功能的排輪組，輥?zhàn)佣疾贾迷谕凰矫嫔辖朴谝粭l直線，方便測(cè)量?jī)x在鋼軌上自由滑動(dòng)的同時(shí)，也有效減小了鋼軌不平順對(duì)車體帶來的影響。

設(shè)軌道不平順波長(zhǎng)為λ，測(cè)量?jī)x總長(zhǎng)為L(zhǎng)，排輪長(zhǎng)度為x。當(dāng)不平順波長(zhǎng)小于排輪組長(zhǎng)度，即λ＜x，排輪與鋼軌不平順波形的最大波峰相接觸，此時(shí)測(cè)量?jī)x檢測(cè)值是長(zhǎng)度為L(zhǎng)弦的弦高，即被測(cè)鋼軌短波不平順實(shí)測(cè)值。因?yàn)檐壍赖牟黄巾槻ㄐ问强臻g分布的隨機(jī)變量，長(zhǎng)波與短波不平順總是復(fù)合存在，因此需對(duì)測(cè)量值進(jìn)行頻譜分析，濾除長(zhǎng)波的影響，即可得到軌道短波不平順的數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)分析

4.1 平直度測(cè)量?jī)x測(cè)試平臺(tái)校驗(yàn)

使用測(cè)試平臺(tái)校驗(yàn)平直度測(cè)量?jī)x。平直度測(cè)量?jī)x測(cè)試平臺(tái)是一種適用于校驗(yàn)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x功能及精度的平臺(tái)，它基于計(jì)量原理設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)模擬真實(shí)軌道，配有不同波長(zhǎng)及波幅的可更換式軌面波形模擬條用來模擬鋼軌不平順波。通過對(duì)比分析波形模擬條的設(shè)計(jì)波形和平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)波形，予以校驗(yàn)平直度測(cè)量?jī)x。校驗(yàn)結(jié)果表明，平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)結(jié)果正確，如圖6所示。

圖6 測(cè)量?jī)x與測(cè)試平臺(tái)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

4.2 何楊線K1-250路段試驗(yàn)

對(duì)何楊線軍工路陳家宅道口K1-250路段進(jìn)行平直度的檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象為某100 m長(zhǎng)的直線段，使用平直度測(cè)量?jī)x在同一路段多次檢測(cè)后其重復(fù)性結(jié)果表現(xiàn)良好，如圖7所示。

在同一直線段上選取一段25 m左右的長(zhǎng)度，用SEC-RC電子平直尺進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果作為1 m以下軌面短波不平順真實(shí)值的參考值，以此評(píng)價(jià)平直度測(cè)量?jī)x檢測(cè)結(jié)果的精度。對(duì)電子平直尺拼接而成的25 m數(shù)據(jù)進(jìn)行（10~1 000）mm帶通濾波，并與對(duì)應(yīng)段三點(diǎn)弦測(cè)法（10~1 000）mm帶通濾波的波形對(duì)比，可見兩者吻合度較高，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，如圖7所示。

圖7 何楊線K1-250路段試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

手推式鋼軌平直度測(cè)量?jī)x具有檢測(cè)速度快，精度高以及便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。彌補(bǔ)了大型軌檢車造價(jià)昂貴以及電子平直尺人工靠尺法效率低下等不足。通過其對(duì)雙軌軌頂面的連續(xù)非接觸式測(cè)量，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型濾波計(jì)算，復(fù)原被測(cè)鋼軌真實(shí)平直度數(shù)據(jù)，以波形圖和列表的方式予以展現(xiàn)，為鋼軌打磨作業(yè)參數(shù)設(shè)置及對(duì)鋼軌修理質(zhì)量的分析評(píng)估提供依據(jù)和建議。大量試驗(yàn)證明手推式鋼軌平直度測(cè)量?jī)x使用方便，檢測(cè)效率高且結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確，對(duì)指導(dǎo)高速鐵路和客運(yùn)專線線路養(yǎng)護(hù)維修具有重要意義。

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責(zé)任編輯：許耀元

來稿日期：2016-11-23