翟文革,鄭培珍,江海川,任同群

(1.西安鐵路信號有限責(zé)任公司,陜西 西安710100;2.大連理工大學(xué) 微納米技術(shù)及系統(tǒng)遼寧省重點(diǎn)實驗室,遼寧大連116024)

0 引言

道岔是機(jī)車從一股軌道轉(zhuǎn)換到另一股軌道的線路設(shè)備,是軌道交通線路中的重要組成部分,其構(gòu)造復(fù)雜、狀態(tài)多變、病害繁多,是高速鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié)[1-2]。然而,在道岔運(yùn)行過程中,尖軌作為主要的被操作對象,受列車行駛過程中的動力作用以及溫差的影響,其相對于基本軌的橫向和縱向間隙會時常發(fā)生變化。一旦道岔間隙的大小超過標(biāo)準(zhǔn),不僅會限制列車過岔速度、加劇列車振動、降低列車通過道岔時的舒適性,甚至還會造成線路封閉,導(dǎo)致列車行駛方向錯誤或列車脫軌,危及列車運(yùn)營安全[3-4]。因此及時識別尖軌病害、準(zhǔn)確獲得尖軌密貼間隙和爬行量是線路故障檢測的重中之重。

轉(zhuǎn)轍機(jī)作為道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換并鎖閉道岔尖軌,也可表示和監(jiān)督道岔尖軌的位置與密貼程度[5]。根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口的結(jié)構(gòu)和工作原理,張含龍等人[6]通過在轉(zhuǎn)轍機(jī)表示桿部件上加裝相應(yīng)接觸式導(dǎo)電觸頭以實現(xiàn)對缺口大小的超限報警。該方法需要對缺口表示桿加裝檢測裝置,誤報率相對較高,且無法及時發(fā)現(xiàn)尖軌形變等問題產(chǎn)生的偏移量。在高速鐵路中檢測尖軌爬行量應(yīng)用最普遍的方法是人工定期讀取軌旁標(biāo)尺數(shù)值,這種方式很難實現(xiàn)實時監(jiān)測及報警,且由于人為不確定因素的影響,易出現(xiàn)較大誤差,并耗費(fèi)大量人力和時間[7]。

為了高效、準(zhǔn)確且及時地獲取尖軌密貼間隙和爬行量,視覺測量技術(shù)被應(yīng)用于尖軌的密貼和爬行檢測中。合安高鐵股份有限公司研發(fā)了基于圖像的道岔岔尖密貼監(jiān)測系統(tǒng),通過在軌道兩邊設(shè)置高清圖像采集設(shè)備,實時監(jiān)測道岔尖軌的密貼狀態(tài)[8]。北京交通大學(xué)劉文才利用布于尖軌側(cè)面的攝像機(jī),提出了全天候現(xiàn)場采集尖軌伸縮位移圖像的自動判讀方法[9]。但由于現(xiàn)場采集的圖像易受遮擋、部件油污、低光照、環(huán)境振動等各種降質(zhì)因素影響,造成特征點(diǎn)檢測困難,嚴(yán)重影響測量精度[10-11]。除此之外還出現(xiàn)了基于光纖光柵技術(shù)[12-13]、激光技術(shù)[14-15]的尖軌檢測設(shè)備,但由于易受環(huán)境、工況影響,增加了密封防護(hù)難度。在實際工況中,尖軌在密貼方向的最大位移約為200 mm,爬行方向的最大位移約為100 mm,且為兩方向的聯(lián)動。對道岔的安全運(yùn)營而言,兩方向?qū)嶋H位移量的連續(xù)實時測量更有意義。此時,直接采用兩直線位移傳感器組合測量的方案,將不可避免地帶來安裝干涉的問題,且軌旁安裝方式也必將導(dǎo)致測量某一方向位移時會產(chǎn)生較大的阿貝誤差。

綜上所述,道岔工作環(huán)境復(fù)雜、干擾因素多,對尖軌檢測設(shè)備的防護(hù)要求高。若同時檢測尖軌密貼間隙和爬行量勢必會給測量系統(tǒng)帶來安裝和防護(hù)困難等問題。基于上述分析,本文開發(fā)了一種便于傳感單元安裝和防護(hù)的尖軌密貼爬行測量系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠在惡劣環(huán)境條件下長時間穩(wěn)定地檢測尖軌密貼與爬行位移量。通過開展相關(guān)測量實驗,對該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行驗證,為提升高鐵建設(shè)能力提供技術(shù)支撐。

1 測量方案及原理

1.1 測量方案

本文提出了一種利用動作引導(dǎo)桿引入尖軌密貼和爬行位移變化的測量方案,如圖1所示,該系統(tǒng)利用動作引導(dǎo)桿與尖軌鉸接,將尖軌的正交運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閯幼饕龑?dǎo)桿的伸縮和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,由系統(tǒng)內(nèi)的核心傳感元件檢測動作引導(dǎo)桿的線位移和角位移增量,并代入解算模型求解尖軌密貼間隙和爬行量。該方案使系統(tǒng)核心元件全部置于保護(hù)箱體內(nèi),僅通過箱體端口引出動作引導(dǎo)桿,有效減小了系統(tǒng)防護(hù)面積,能夠在惡劣環(huán)境下工作。

圖1 測量方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement scheme

1.2 測量原理

1.2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

依照測量方案,設(shè)計了位移、角度測量和數(shù)據(jù)采集處理三個主要單元。如圖2所示,磁致伸縮位移傳感器、動作引導(dǎo)桿以及直線軸承共同構(gòu)成位移測量單元。直線軸承與動作引導(dǎo)桿配合,起到了很好的導(dǎo)向作用,有效地保持了動作引導(dǎo)桿作用的準(zhǔn)確性。選用CARLEN生產(chǎn)的CPM3/200S001-1B02型磁致伸縮位移傳感器,其測量行程為200 mm,分辨力為1 μm,直線度小于0.01%。磁致伸縮位移傳感器通過磁塊與動作引導(dǎo)桿連接,用于獲取線位移增量值。角度測量單元的旋轉(zhuǎn)部分由芯軸、旋轉(zhuǎn)軸承及軸承底座等軸系零件組成。選用禹衡光學(xué)生產(chǎn)的JKW-6-H35-23PFG05RS422-A-1m型角度編碼器,其角分辨力為0.15″,準(zhǔn)確度為±15″,角度編碼器與芯軸配合,用于獲取角度增量值。動作引導(dǎo)桿末端的接頭連件通過銷軸與尖軌端鉸接,一定程度上限制了動作引導(dǎo)桿繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)自由度,且銷軸連接的軸孔間隙可能使動作引導(dǎo)桿發(fā)生微小轉(zhuǎn)動,但并不影響磁致伸縮位移傳感器的正常使用。

圖2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of measurement system

1.2.2 解算模型

測量系統(tǒng)得到動作引導(dǎo)桿的線位移增量Δli和角位移增量Δθi。如圖3所示,設(shè)遠(yuǎn)軌端回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O到近軌端鉸接點(diǎn)A的初始距離為l0,其連線(動作引導(dǎo)桿)繞回轉(zhuǎn)中心O順時針旋轉(zhuǎn)時Δθi＞0,此時線位移增量Δli和角位移增量Δθi共有四種組合形式,每種組合下尖軌運(yùn)動范圍不同。其中,s為爬行位移,t為密貼位移。現(xiàn)以Δθi＞0,Δli＜0為例,給出具體解算模型。

圖3 Δθi和Δli四種組合下尖軌運(yùn)動區(qū)域分析Fig.3 Analysis of the motion region of switch rail under four combinations ofΔθi andΔli

由圖3(b)可知,當(dāng)Δθi＞0,Δli＜0時,尖軌可能移動至第一象限或第二象限,為確定尖軌移動后的實際位置,可進(jìn)行以下判斷。

若l0cosβ＞(l0+Δli)cos(Δθi-β),則尖軌運(yùn)動至第一象限,如圖4所示。

圖4 第一象限解算模型Fig.4 Solution model in first quadrant

此時可得

其中,∠ACD需分情況計算。

當(dāng)l0+Δli＜l0cosΔθi,∠ACO為鈍角,∠ACD為銳角,則

當(dāng)l0+Δli＞l0cosΔθi,∠ACO為銳角,∠ACD為鈍角,則

若l0cosβ＜(l0+Δli)cos(Δθi-β),則尖軌運(yùn)動至第二象限,如圖5所示。

圖5 第二象限解算模型Fig.5 Solution model in second quadrant

此時式(1)~式(3)依然成立,∠ACB計算公式為

其中,∠ACD同樣需要分情況計算。

當(dāng)l0+Δli＞l0cosΔθi時,∠ACD為銳角,則

當(dāng)l0+Δli＜l0cosΔθi時,∠ACD為鈍角,則

圖3 中其他三組情況下的解算模型,可參照上述公式構(gòu)建,此處不再贅述。

1.2.3 標(biāo)定模型

在解算過程中,初始位置參數(shù)l0(初始桿長)和β(初始安裝偏轉(zhuǎn)角度)是未知的,需通過標(biāo)定獲得。

首先,由標(biāo)定平臺給定一組已知的密貼間隙t和爬行量s數(shù)值。由圖4可得

其中,∠CAO也需分情況計算而得。

但在實際安裝中,系統(tǒng)所采用的連接件可能使圖4模型中的A點(diǎn)不在動作引導(dǎo)桿軸線上,而是存在偏移量a,如圖6虛線所示,此時a,l0′和β為所需標(biāo)定的初始位置參數(shù)。

圖6 標(biāo)定模型Fig.6 Calibration model

由圖6可知

β仍可由式(6)、式(7)計算。但因存在偏移量a,式(7)中的變量l0,Δli,Δθi變?yōu)閳D6模型中的l0′,Δli′,Δθi′,其中

此時根據(jù)余弦定理可構(gòu)建關(guān)于a,l0的二元方程f(a,l0)=0,即

則

每給定一組密貼和爬行位移值,則可提供一個如公式(13)所示的函數(shù)f(a,l0)=0。提供多組密貼和爬行位移值,構(gòu)建超定方程組,給定迭代初值a0及為連接件設(shè)計尺寸為初始安裝狀態(tài)下粗測的動作引導(dǎo)桿長度),迭代求解該方程組得到(a,l0),再代入式(6)~式(12)計算l0′和β的值。

2 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送

2.1 電路總體框圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理單元選用STM32F103CBT6芯片作為微控制單元,內(nèi)部集成防雷擊浪涌的電源模塊、溫度檢測模塊、USB程序下載模塊以及J-LINK仿真器接口,配有RS422,SSI,CAN以及無線WiFi等多種通信接口。如圖7所示,數(shù)據(jù)采集處理單元分別通過RS422,SSI傳輸協(xié)議獲取角度編碼器和磁致伸縮位移傳感器數(shù)據(jù),利用溫度檢測模塊獲取當(dāng)前溫度值以補(bǔ)償動作引導(dǎo)桿的變形。上述數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后通過CAN通信方式上傳給上位機(jī),在上位機(jī)監(jiān)視程序中顯示密貼間隙和爬行量數(shù)值及曲線圖,同時也可采用WiFi無線傳輸方式發(fā)送至遠(yuǎn)端。

圖7 電路總體框圖Fig.7 Overall block diagram of circuit

2.2 供電電路

如圖8所示,接線端接入220 V交流電后,經(jīng)過三個用于浪涌防護(hù)的TVS管和一個保險絲后接入濾波器FC-LXID,濾波器能夠有效防止電網(wǎng)雜波干擾本電路。濾波器輸出端接入AC轉(zhuǎn)DC電壓轉(zhuǎn)換模塊LHE25-20B,降壓后雙向TVS管吸收開關(guān)電壓尖峰,最終輸出24 V直流電壓。一部分直流電壓經(jīng)過濾波電路用于向磁致伸縮位移傳感器供電,另一部分直流電壓經(jīng)過兩個降壓模塊后分別輸出5 V和3.3 V電壓,用于向后續(xù)電路供電。

圖8 供電電路圖Fig.8 Power supply circuit diagram

2.3 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送電路

系統(tǒng)采用角度編碼器和磁致伸縮位移傳感器采集動作引導(dǎo)桿的角位移和線位移,數(shù)據(jù)采集處理單元分別通過RS422、SSI傳輸協(xié)議與角度編碼器和磁致伸縮位移傳感器通訊。如圖9(a),圖(b)所示,角位移和線位移采集電路均使用MAX490ESA芯片,經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)與微控制單元通訊。數(shù)據(jù)采集處理單元獲取的數(shù)據(jù)可通過CAN總線或無線WiFi傳輸給用戶。如圖9(c)所示,微控制單元引出CAN接收和發(fā)送引腳,經(jīng)過光耦合器6N137接入通用CAN收發(fā)器PCA82C250以收發(fā)信號。無線WiFi電路采用USRWIFI232-A2模塊,可實現(xiàn)串口到WiFi數(shù)據(jù)包的雙向透明傳發(fā),從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的控制與管理。

圖9 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送電路Fig.9 Data acquisition and transmission circuit

2.4 測量實驗

尖軌密貼爬行測量系統(tǒng)實物圖如圖10所示,在精度實驗中,系統(tǒng)采用正交精密位移滑臺模擬尖軌密貼、爬行動作,利用光柵尺測量滑臺準(zhǔn)確位移,準(zhǔn)確度為±3 μm,在上位機(jī)監(jiān)控界面上顯示系統(tǒng)測量值。首先,給定多組爬行與密貼量(si,ti),參照1.2.3節(jié)標(biāo)定模型進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。然后滑臺從(10,10)位置處開始測量,滑臺沿兩個方向每次各向前移動10 mm,共測量10次,實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 尖軌密貼爬行測量系統(tǒng)實物圖Fig.10 Picture of measurement system for closing and creeping of switch rail

在表1精度實驗數(shù)據(jù)中,密貼誤差極值為0.162 mm,爬行誤差極值為0.187 mm,均在±0.2 mm范圍以內(nèi),滿足尖軌測量設(shè)備的測量精度要求,可實現(xiàn)精確測量功能。

表1 精度實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Data from precision experiments

3 結(jié)論

提出了一種綜合檢測尖軌密貼與爬行位移的方法,并研制了相應(yīng)系統(tǒng),建立了求解密貼間隙和爬行量的解算模型,給出了標(biāo)定系統(tǒng)初始位置參數(shù)的標(biāo)定方法,設(shè)計了基于STM32F103CBT6主控芯片的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送電路。對該系統(tǒng)開展精度實驗,結(jié)果表明密貼和爬行測量誤差均小于0.2 mm,滿足尖軌測量的精度要求,能夠可靠地完成尖軌密貼爬行測量工作。該系統(tǒng)為保障鐵路的安全運(yùn)營提供了準(zhǔn)確、可靠的技術(shù)手段,為促進(jìn)高鐵建設(shè)能力的提升提供了有力支撐,具有重要技術(shù)借鑒意義和工程應(yīng)用價值。