4G型軌檢車與5型軌檢車檢測原理的對比分析

王慶偉 上海鐵路局工務(wù)處

1 概述

我國第一代軌道檢查車自1953年面世至今，經(jīng)過四次升級換代和技術(shù)的不斷改進完善，檢測原理及檢測技術(shù)日趨完善和提高?，F(xiàn)在路局正在使用的軌檢車有3輛，分別是WX999288、WX999307及DJ997759，其中前兩輛屬于最新型軌檢車，即GJ-5型軌檢車，DJ997759原為4型軌檢車，于2010年底在南京浦鎮(zhèn)廠進行A2修時對檢測梁懸掛系統(tǒng)進行了改造，同時檢測系統(tǒng)也進行了軟硬件升級，現(xiàn)在為4G（4G即俗稱的4改）型軌檢車。這兩代檢測車均包含了軌距、軌向、高低、三角坑、曲率、水平（超高）、車體加速度等基本的檢測項目，但是由于檢測方法的不同總的檢測結(jié)果也略有差別。

2 兩代軌檢車檢測原理

2.1 4G型軌檢車檢測原理

4G型軌檢車采用的是慣性基準(zhǔn)法檢測原理，應(yīng)用光電、伺服、陀螺、自動控制、數(shù)字處理、計算機等先進技術(shù)。它與改造前4型車的區(qū)別主要是軌距軌向檢測系統(tǒng)的懸掛方式的不同，以及在軸箱兩側(cè)增加了兩個垂直光電位移計對軌距軌向檢測進行補償修正。

慣性基準(zhǔn)法原理如圖1，拿軌道高低的檢測方法舉例，軌道的高低不平順Y等于質(zhì)量塊的垂向運動Z和質(zhì)量塊與軸箱間相對位移W及車輪半徑R之和。

式中：

Y(x)--軌道絕對位移；

Z--質(zhì)量塊在慣性空間的垂向運動z，可以用由加速度計檢測的加速度a經(jīng)過二次積分得到；

W--質(zhì)量塊與軸箱間的相對位移，可以用位移傳感器得到；

R--車輪輪對半徑。

圖1 慣性基準(zhǔn)法檢測原理

2.1.1 4型軌檢車的檢測梁結(jié)構(gòu)

4型軌檢車的檢測梁由兩根縱梁和一根橫梁組成，縱梁固定在轉(zhuǎn)向架的軸箱上，橫梁固定在縱梁上，傳感部件及伺服機構(gòu)安裝在橫梁上。由于縱梁與橫梁固定在軸箱上，與走行部分做同步的機械振動，這樣不但影響儀器的使用壽命，而且對行車安全產(chǎn)生很大的危害。

2.1.2 4G型軌檢車的檢測梁結(jié)構(gòu)

4G型軌檢車的檢測梁結(jié)構(gòu)安裝在車體尾部轉(zhuǎn)向架上，這樣它與輪對之間有了一個一系彈簧系統(tǒng)進行緩沖，對檢測梁及儀器使用壽命起到了一定的保護作用。但是由于安裝結(jié)構(gòu)的改變，在經(jīng)過小半徑曲線或者道岔區(qū)段時激光點容易投射到鋼軌頂面或者軌腰上，為消除此影響我們在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)各增加了一個垂直光電位移計來對其進行修正。

2.2 5型軌檢車檢測原理

5型軌檢車主要包含鋼軌斷面測量和軌道幾何測量兩種系統(tǒng)，其采用激光攝像、高速圖像處理技術(shù)，利用激光器、高頻攝像機、陀螺儀、加速度計及計算機處理系統(tǒng)來檢測線路質(zhì)量；其中加速度計及慣性陀螺被集成到位于檢測梁中間的慣性包里。激光攝像系統(tǒng)將采集到的鋼軌實際模型與鋼軌的理論模型進行對比分析，綜合慣性包得到的數(shù)據(jù)通過計算機計算得出軌道軌向、軌距、高低、水平、三角坑、垂磨、側(cè)磨等參數(shù)，而垂磨側(cè)磨參數(shù)這是4G型檢測系統(tǒng)所不能提供的。

2.3 軌檢車檢測項目

這兩代軌檢車檢測項目中均包含了基本的幾何尺寸超限、曲率、水加及垂加等項目，其中不同的是5型軌檢車增加了垂磨（左右）、側(cè)磨（左右）、波磨、表面擦傷、線路環(huán)境監(jiān)視等檢測項目，垂磨側(cè)磨數(shù)據(jù)直觀地反映了鋼軌的磨耗程度。

3 兩代檢查車檢測準(zhǔn)確度優(yōu)劣分析

這兩代軌檢車由于采用的檢測原理不同，反映出的檢測結(jié)果也略有不同。比較明顯的就是軌距、高低這兩個方面的差別。

3.1 軌距的檢測

3.1.1 4G型軌檢車軌距檢測

4G型軌檢車所采用的軌距軌向檢測系統(tǒng)為激光光電伺服跟蹤測量裝置。在檢測梁上安裝激光光電傳感器、位移計、驅(qū)動馬達及伺服機構(gòu)。當(dāng)鋼軌產(chǎn)生位移，使軌距變化時，光電傳感器感受其變化并輸出相關(guān)電信號，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器處理后，成為與軌距變化成線形比例的電壓信號，再經(jīng)過信號處理器、功放、伺服馬達驅(qū)動光電傳感器跟蹤鋼軌而移動，力圖使發(fā)出的光束投射到鋼軌頂面下16 mm處，再根據(jù)左右位移計移動距離經(jīng)計算顯示軌距。

3.1.2 5型軌檢車軌距檢測

軌距采用圖像測量原理。鋼軌內(nèi)外兩側(cè)激光器發(fā)出一扇形光帶，垂直照射在鋼軌上，在鋼軌上形成一垂直斷面，同時斷面和軌距攝像機捕捉到激光線的圖像，視頻圖像輸出到VME計算機系統(tǒng)，經(jīng)數(shù)字化后，擬合成完整的鋼軌斷面圖像，通過坐標(biāo)變換，合成和濾波處理等，得到軌道軌距及其他方面的數(shù)據(jù)。

3.1.3 兩種方法的優(yōu)劣分析

4G型軌檢車由于采用伺服機構(gòu)，系統(tǒng)響應(yīng)有一定的延時性，在遇到軌距連續(xù)變化幅度比較大的線路時不能及時反映出軌道軌距變化的真實情況；而5型軌檢車采用的激光攝像系統(tǒng)，將采集到的鋼軌斷面數(shù)據(jù)存儲在計算機中，然后利用計算機處理技術(shù)，經(jīng)計算得到線路軌距數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果受線路影響較小。圖2與圖3為兩種檢測原理在皖贛線K285處的軌距檢測對比，上下兩圖相對應(yīng)位置橢圓圈內(nèi)為軌距數(shù)據(jù)測量差距較大的地方。

可以看出，在S曲線特別是小半徑曲線段，4G型檢測系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)狀態(tài)及鋼軌側(cè)磨的影響較大，5型車相比4G型車其檢測結(jié)果與線路實際狀態(tài)較好地保持了一致。

3.2 高低的檢測

3.2.1 4G型軌檢車高低檢測

4G型軌檢車采用慣性基準(zhǔn)法原理測量軌道高低變化的實際波形，得到高低變化的空間曲線，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)的間隔距離為0.305 m，同時可換算成5 m、10 m、20 m或其它弦長之測量法測量。測量高低的傳感器除了測量曲率、水平外，另外還有2個垂直加速度計。通過車體位移，計算出軌面相對慣性空間的位移變化，通過計算機處理，得到高低數(shù)值。

圖2 4G型檢測原理檢測軌距圖

圖3 5型檢測原理檢測軌距圖

3.2.2 5型軌檢車高低檢測

5型檢測系統(tǒng)高低的測量基于慣性基準(zhǔn)原理與圖像測量原理。測量梁相對于鋼軌的位移分為兩部分，第一部分為測量梁自身的位移，這部分由位于測量梁中間部位的慣性包測量出梁的垂直加速度，并由系統(tǒng)對其修正，除去重力分量等不利因素，對加速度進行二次積分可得位移值。第二部分為測量梁移動后與鋼軌之間的距離，由圖像處理系統(tǒng)獲得。兩項位移之和為鋼軌的高低數(shù)值。

3.2.3 兩種方法的優(yōu)劣分析

兩種檢測原理對高低項檢測結(jié)果的差別主要是表現(xiàn)在線路道岔區(qū)段上。4G型軌檢車高低檢測采用的是拉弦式接觸法測量，由于車輪直徑較大，經(jīng)過道岔時有害空間對高低的檢測影響較??；而5型軌檢車采用激光攝像系統(tǒng)，由于道岔有害空間的存在，外部光線的干擾，或者掛了雜物都會對高低項目的檢測造成影響；圖4與圖5為兩種檢測原理在皖贛線K25處附近的高低檢測數(shù)據(jù)對比。

從圖4與圖5可以看出，5型軌檢車經(jīng)過道岔區(qū)段時由于有害空間的存在，會不時產(chǎn)生“刺”狀的圖像，從而對病害檢測造成一定的干擾；而4G型軌檢車采用接觸式檢測原理受此影響較小，對線路道岔區(qū)段上的高低檢測結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖4 4G型檢測原理檢測高低圖

圖5 5型檢測原理檢測高低圖

4 結(jié)束語

5型車檢測系統(tǒng)集成度較高，某個零件出了故障或受到干擾則整個系統(tǒng)的工作都會受到影響。而4型檢測系統(tǒng)檢測模塊比較獨立，高低項目的檢測與軌距軌向的檢測互不干擾，某個項目的檢測出現(xiàn)了故障而另外項目的檢測不受影響。但是這兩種軌檢車在線路檢測時只要我們排除干擾，兩種系統(tǒng)相互結(jié)合，在指導(dǎo)工程技術(shù)人員和線路養(yǎng)護方面都發(fā)揮著不可替代的作用。