朱洪濤,劉啟陽

(南昌大學(xué)機電工程學(xué)院,南昌 330031)

引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，城市軌道交通也在高速發(fā)展。地鐵與其他交通工具相比，能很好地解決城市地面交通擁堵問題，其有快捷、準時、運量大、污染少等優(yōu)點，是人們出行的主要交通工具。截止2017年底，全國運營中的地鐵總里程已超過4 000 km[1]。

地鐵列車的供電方式主要是接觸網(wǎng)供電和接觸軌(又稱第三軌)供電[2]。地鐵接觸網(wǎng)供電主要是采用柔性或剛性懸掛方式，對空間要求較高，安裝精度要求較高，車速高時可能會出現(xiàn)離線現(xiàn)象[3]。接觸軌供電系統(tǒng)有穩(wěn)定性好、安裝簡便、架設(shè)成本低、對空間的要求小等特點[4-6]。因此氣候適宜的城市一般采用接觸軌供電方式。

根據(jù)接觸軌與集電靴的位置關(guān)系，接觸軌的安裝方式可分為3種[7]：上接觸式、下接觸式、側(cè)接觸式，其中以下接觸式使用較多。接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)直接影響到機車正常運行，以下接觸式為例，其拉出值有偏差會對集電靴與接觸軌造成機械傷害，導(dǎo)高有偏差會導(dǎo)致接觸軌與集電靴發(fā)生離線[8]，嚴重時會使集電靴與接觸軌相撞，造成安全事故。

目前，國內(nèi)地鐵接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)檢測主要采用類似支距尺的接觸軌專用檢測尺進行檢測，工人需要頻繁地進行下蹲作業(yè)，勞動強度大、工作量大、效率低、精度低，在天窗期內(nèi)能夠一次完成的檢測點少[9]，且測量記錄采用手工記錄簿，不利于實時掌握接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)變化[10]，數(shù)字化程度低。

接觸軌的智能檢測包括機械與電子結(jié)合的接觸式測量和利用光電技術(shù)的非接觸測量[11]。接觸式接觸軌幾何參數(shù)智能檢測采用在集電靴上安裝檢測器[12]進行，增大了集電靴復(fù)雜程度并會對集電靴與接觸軌之間的壓力產(chǎn)生不利影響，同時檢測精度受檢測器安裝距離影響較大。國外接觸軌幾何參數(shù)智能檢測主要采用光電技術(shù)非接觸式測量，系統(tǒng)成本高，計算工作量大且復(fù)雜，在需要考慮端部彎頭檢測時對激光傳感器的量程要求高，并存在受光照環(huán)境及氣象影響大、受防護罩遮擋影響可能無法完成測量等問題。

設(shè)計一種臂式接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)檢測小車(以下簡稱“檢測小車”)，測量機構(gòu)直接與接觸軌接觸，屬接觸式測量，測量臂(圖1)直接與1級軌檢儀擴展搭接，測量精度參照1級軌距尺要求進行設(shè)計[13-14]，能對接觸軌拉出值、導(dǎo)高進行高精度、數(shù)字化、連續(xù)快速檢測并對超限處進行實時報警，并對樣機進行了標定與重復(fù)性精度測試。本檢測小車適用于下接觸式接觸軌檢測。

圖1 接觸軌測量臂結(jié)構(gòu)

1 接觸軌檢測小車機構(gòu)

檢測小車由小車本體、接觸軌測量機構(gòu)、數(shù)據(jù)處理終端等三大部分組成，如圖2所示。

圖2 接觸軌檢測小車結(jié)構(gòu)

小車本體和數(shù)據(jù)處理終端設(shè)計或選型參照軌道檢查儀，且可實際由軌檢儀經(jīng)增加接觸軌測量機/電/軟件接口擴展而來，為接觸軌測量機構(gòu)提供穩(wěn)定的走行及其姿態(tài)控制、測量基準、供電和數(shù)據(jù)采集處理，本系統(tǒng)即采用軌檢儀擴展搭載。

接觸軌測量機構(gòu)設(shè)計充分考慮了下接觸式接觸軌下部空間障礙物、測量機構(gòu)質(zhì)量與尺寸等，采用一個由垂向接觸輪和一個橫向測量輪共同構(gòu)成的接觸軌測量用輪式測量爪，實現(xiàn)與接觸軌內(nèi)側(cè)面及底面的密貼；采用一個由帶連桿擺角指示桿的平行四邊形機構(gòu)組成的測量臂，帶動輪式測量爪做平行運動，在垂向張緊彈簧、橫向張緊彈簧的共同作用下，始終保持輪式測量爪與接觸軌內(nèi)側(cè)面及底面的密貼；采用傳感器1實時檢測橫向測量輪相對于輪式測量爪基體的位移量，采用與連桿擺角指示桿連接的傳感器2實時檢測四連桿機構(gòu)連桿擺角的角位移量，如圖3所示。

圖3 接觸軌測量機構(gòu)

2 測量原理及建模

2.1 接觸軌測量參數(shù)及要求

接觸軌拉出值與導(dǎo)高定義如下[15]：

接觸軌拉出值—接觸軌接觸面中點到走行軌軌道左右鋼軌搭軌面連線的中點的橫向偏距；

接觸軌導(dǎo)高—接觸軌接觸面中點到走行軌軌道左右鋼軌搭軌面連線的垂向偏距。

目前，綜合上海地鐵與廣州地鐵的情況，接觸軌導(dǎo)高設(shè)計值都是200 mm，拉出值設(shè)計值有1 510 mm和1 550 mm兩種，本檢測小車采用設(shè)置測量臂基體加長塊來適應(yīng)兩種拉出值的測量需求(本文只分析拉出值為1 550 mm的情況)。接觸軌測量參數(shù)如表1所示，其中導(dǎo)高測量時考慮了端部彎頭的抬高。

表1 接觸軌測量參數(shù) mm

2.2 接觸軌測量機構(gòu)檢測原理及算法

因機構(gòu)學(xué)關(guān)系影響，接觸軌測量機構(gòu)的2個傳感器并不是分別與拉出值、導(dǎo)高項目對應(yīng)，而是存在相互耦合的非線性關(guān)系。測量臂基體與軌檢儀固聯(lián)且基體頂面與軌檢儀走行輪左右搭軌面平行，以平行四邊形機構(gòu)擺動至上連桿與測量臂基體平行為接觸臂的機構(gòu)學(xué)零點，此時接觸軌所處位置為理想位置，其與設(shè)計位置之間的偏差可作為系統(tǒng)恒定偏值在計算模型中自動消除(如：為適應(yīng)拉出值設(shè)計值可能為1 510 mm或1 550 mm的差異)。

如圖2所示測量臂處于機構(gòu)學(xué)零點時，上連桿擺角指示桿水平角α為連桿初角，上連桿擺角指示桿長度H、連桿長度L、傳感器2下支點橫距b和垂距d等機構(gòu)學(xué)參數(shù)均為已知參數(shù)，由機械加工按完全互換性加工來保證。當被測接觸軌橫向偏離理想位置(向左偏移為正)時，將引起傳感器1的輸出值發(fā)生Δx的變化；當被測接觸軌垂向偏離理想位置(向上偏移為正)時，上連桿產(chǎn)生附加角位移Δγ(順時針方向旋轉(zhuǎn)為正)并同時帶動輪式測量爪整體發(fā)生向右的橫向位移，傳感器1與傳感器2的輸出值分別發(fā)生Δx和Δy的變化。

則傳感器2拉桿的初始值長度

D0=

接觸軌測量機構(gòu)學(xué)建模，得到拉出值X與導(dǎo)高Y計算公式(機構(gòu)學(xué)正解)

2.3 接觸軌測量機構(gòu)標定方法及算法

接觸軌測量機構(gòu)的標定可從傳感器直接標定或機構(gòu)學(xué)標定二種思路入手。傳感器直接標定時，每個傳感器均可視為線性傳感器，其標定方法和算法均簡單易行，但傳感器標定因制造、裝配等帶來的誤差會體現(xiàn)在最終的測量成果中，只適合現(xiàn)場臨時性使用，本文不贅述。

機構(gòu)學(xué)標定的目標是在完成各傳感器標定的同時，能有效消除制造、裝配誤差對測量精度的影響，但需要使用專門設(shè)計制作的標定臺架，且涉及的算法模型比較復(fù)雜。接觸軌測量機構(gòu)標定算法如下(機構(gòu)學(xué)逆解)。

3 電子與軟件設(shè)計

本系統(tǒng)通過對軌檢儀原有電子和軟件協(xié)議進行擴展，來實現(xiàn)接觸軌檢測的2路傳感器信號的采集與傳輸。其中：信號采集啟用軌檢儀下位機備用的2路12bit AD通道并受軌檢儀計程輪脈沖控制觸發(fā)，采樣里程間隔125 mm；采樣結(jié)果通過擴充的軌檢儀上下位機通信協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)處理終端，以“地鐵第三軌測量功能模塊”的形式集成于軌檢儀應(yīng)用軟件中；新增功能模塊軟件主要接觸軌拉出值和導(dǎo)高的實測值/設(shè)計值/偏差值顯示、拉出值變化率和導(dǎo)高變化率顯示、超限報警、接觸軌預(yù)定義/自定義缺陷或特征標志打點等內(nèi)容，以及圖4所示測量機構(gòu)標定/檢定等。

圖4 接觸軌標定/檢定界面

4 樣機標定與檢定

4.1 接觸軌測量機構(gòu)標定

接觸軌檢測小車樣機經(jīng)機械裝配與調(diào)校后，水平放置于左側(cè)軌檢儀標定器上，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)標定

調(diào)節(jié)圖5右側(cè)帶模擬接觸軌的雙坐標數(shù)顯標定/檢定臺(以下簡稱：數(shù)顯臺)可提供接觸軌零位以及接觸軌偏離零位的橫、垂向位移，并將該位移量的實際值顯示在雙坐標數(shù)顯表上。

接觸軌測量機構(gòu)標定分兩步進行：(1)零點標定。調(diào)節(jié)數(shù)顯臺使之處于接觸軌零位，選擇“標定零點”按鈕，完成2路傳感器零點的標定；(2)調(diào)節(jié)數(shù)顯臺使接觸軌拉出值、導(dǎo)高分別偏離零位約2/3量程，點擊“標定增益”按鈕，輸入雙坐標數(shù)顯表顯示的實際偏移量，完成2路傳感器增益的標定。

4.2 接觸軌測量機構(gòu)檢定

標定完成后，將接觸軌檢測小車反復(fù)裝拆3次以模擬正常使用時的搬運情況，再次組裝，仍使用數(shù)顯臺，在各自測量范圍內(nèi)按拉出值3 mm、導(dǎo)高12 mm的間隔進行6次重復(fù)測量(作為重復(fù)性檢驗數(shù)據(jù))，并記錄雙坐標數(shù)顯表顯示值(作為準確性檢驗的參考值)，對小車的測量范圍、重復(fù)測量精度、示值誤差進行檢定，其中，重復(fù)性誤差為6次測量值的標準差計算。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2、表3所示。

表2 拉出值測量數(shù)據(jù)與處理 mm

表3 導(dǎo)高測量數(shù)據(jù)與處理 mm

分別計算12個測量位置各6次測量值與其對應(yīng)的標準值之差為每次測量的示值誤差，其拉出值與導(dǎo)高示值誤差分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 拉出值示值誤差分布

圖7 導(dǎo)高示值誤差分布

結(jié)果表明：(1)拉出值和導(dǎo)高示值誤差都是在±0.5 mm以內(nèi)；(2)拉出值的重復(fù)性總體標準差為0.031 3 mm，導(dǎo)高的重復(fù)性總體標準差為0.034 1 mm，均在0.2 mm以內(nèi);(3)分辨率在0.05 mm以內(nèi)；(4)拉出值的量程在1 535～1 565 mm，導(dǎo)高的量程在185～305 mm；(5)拉出值和導(dǎo)高零位正確性都是±0.15 mm。測量示值誤差、測量重復(fù)性、測量分辨率、測量范圍、零位正確性均滿足設(shè)計的測量技術(shù)指標要求。

因接觸軌測量機構(gòu)是與1級軌檢儀搭接對接觸軌進行檢測，測量精度需考慮軌檢儀軌距、水平的影響(標準要求重復(fù)性誤差≤0.20 mm)。其中：測量拉出值時，需將軌距分中至線路中線，軌距測量引入的分項誤差可取軌距誤差的一半，即±0.10 mm；測量導(dǎo)高時，水平誤差的影響正比于測量臂懸長[按(1 550 mm-1 435 mm)/2=835.5 mm]與1 435 mm的比例，水平測量引入的分項誤差約為±0.17 mm。引入拉出值測量的軌距分項誤差、引入導(dǎo)高測量的水平分項誤差均可視為獨立誤差項，拉出值綜合精度S與導(dǎo)高綜合精度C的計算可采用誤差合成方法[16]根據(jù)式(1)計算

(1)

其中，Δ為測量結(jié)果總的標準差；e、δ為分項誤差的標準差。

則導(dǎo)高與拉出值的綜合精度計算如下

5 結(jié)論

臂式地鐵接觸軌幾何狀態(tài)檢測小車采用接觸法測量，能有效避讓接觸軌下部支架及電纜、交叉道口路面和上部防護罩等障礙物，并有效跨越膨脹接口、端部彎頭，實現(xiàn)接觸軌拉出值及其變化率、導(dǎo)高及其變化率等參數(shù)的高精度、連續(xù)檢測，顯著降低檢測工人的勞動強度，提高接觸軌檢測的數(shù)字化水平，各項性能指標均滿足預(yù)定的設(shè)計目標。采用與軌檢儀集成搭載同步測量的方式時，能一次性完成工電聯(lián)合檢測，進一步降低人工投入數(shù)量和天窗占用時間，提高檢測效率。