高速鐵路軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

袁 玫

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 高速鐵路軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x研制的必要性

時(shí)速200～300 km高速鐵路的平穩(wěn)、安全運(yùn)營(yíng)，必然要求竣工線路的軌道具有高平順性。高速鐵路在軌道鋪設(shè)、長(zhǎng)軌精調(diào)、軌道驗(yàn)收及運(yùn)營(yíng)軌道檢測(cè)等都必須采用軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x進(jìn)行作業(yè)。為了使我國(guó)在高速鐵路軌道靜態(tài)精密檢測(cè)及精調(diào)領(lǐng)域有所創(chuàng)新，提高我國(guó)軌道檢測(cè)技術(shù)水平，更好地為高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道的鋪設(shè)施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)服務(wù)，迫切需要研制出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速鐵路軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x(以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)量?jī)x)。

2 設(shè)計(jì)總體思路

測(cè)量?jī)x是用于無(wú)列車(chē)輪載作用時(shí)，對(duì)軌道靜態(tài)不平順性進(jìn)行檢測(cè)的輕型便捷工具，由機(jī)械構(gòu)架、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、專(zhuān)用測(cè)量及分析軟件等組成。以1～2名人員進(jìn)行上下道操作為宜，采用人工推行方式，滿(mǎn)足走行速度2～3 km/h，逐點(diǎn)精密測(cè)量要求。測(cè)量?jī)x作業(yè)時(shí)，以建站后的智能全站儀為基準(zhǔn)，由無(wú)線通訊模塊保持智能全站儀與測(cè)量?jī)x兩者之間的聯(lián)絡(luò)，實(shí)時(shí)進(jìn)行軌距、水平、里程、溫度等多參數(shù)的數(shù)據(jù)交換，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取線路的軌道信息。

為不影響軌道電路，整車(chē)采用了縱梁、橫梁可拼裝的絕緣T形框架結(jié)構(gòu)，走行采用三點(diǎn)絕緣并具有制動(dòng)功能的滾輪結(jié)構(gòu)，內(nèi)置數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的方案。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，測(cè)量?jī)x計(jì)量的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1;要達(dá)到此測(cè)量精度要求，機(jī)械構(gòu)架的強(qiáng)度、剛度、整車(chē)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的保證。

2.1 機(jī)械構(gòu)架設(shè)計(jì)

根據(jù)三點(diǎn)共面原理及考慮運(yùn)輸方便等因素，整體設(shè)計(jì)為縱梁、橫梁可拼裝的T形絕緣結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。作為精密測(cè)量?jī)x器的基準(zhǔn)體，受力后的細(xì)微變形值都直接影響測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確性，所以金屬框架結(jié)構(gòu)體既要輕便又要滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、整車(chē)穩(wěn)定性的要求，金屬材料的選取以密度低、彈性模量大為原則，選用航空鋁合金為主體結(jié)構(gòu);按第Ⅱ類(lèi)載荷組合對(duì)本結(jié)構(gòu)體進(jìn)行零部件的靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性及整車(chē)抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算，以及制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核。本實(shí)例載荷組合由整車(chē)重量、風(fēng)載荷和坡度載荷構(gòu)成，重量G=40 kg，風(fēng)壓按風(fēng)速為20m/s(工作風(fēng)速≤5m/s)、qⅡ=250 N/m2，坡度按35‰考慮，根據(jù)第四強(qiáng)度理論即復(fù)合應(yīng)力，在沿線路方向和垂直線路方向上分別校核A-A、C-C截面，通過(guò)反復(fù)驗(yàn)算，得出既經(jīng)濟(jì)合理又能保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的截面。剛度計(jì)算按f=PL3/48EI≤［f］，其中［f］按精密級(jí)測(cè)量考慮，取值［f］=L/10000=0.143 5 mm，求得本設(shè)計(jì)中f=0.0097mm，此值對(duì)于水平示值誤差0.3 mm精度要求，幾乎沒(méi)有影響，剛度完全滿(mǎn)足要求。通過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算，2GB/3(∑P風(fēng)h)≥1.4，可以得出軸距B值，確保整車(chē)的穩(wěn)定性要求。

表1 測(cè)量?jī)x主要性能指標(biāo)表

圖1 測(cè)量?jī)x

由三點(diǎn)(輪)組成的等腰三角形，它的垂直平分幾何關(guān)系是構(gòu)成測(cè)量?jī)x計(jì)算模型的基準(zhǔn)，同時(shí)金屬框架結(jié)構(gòu)體也是電子元器件的載體，即使按精密級(jí)的要求來(lái)控制T形梁體的等分垂直度關(guān)系，組裝后也要進(jìn)行偏差值補(bǔ)償，這樣才能確保軌距、水平測(cè)量對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

測(cè)量?jī)x應(yīng)用于野外的工作環(huán)境溫度是-10℃～+40℃，夏天軌面溫度可高達(dá)50℃以上，環(huán)境溫度的變化以及測(cè)量?jī)x內(nèi)部電子元器件的發(fā)熱都可能引起梁體的熱變形。若溫度變化1℃時(shí)，梁長(zhǎng)相對(duì)變化為22×10-6，即 1.435m 長(zhǎng)的變化為0.031 6 mm，這對(duì)軌距示值誤差0.3 mm精度值引起的測(cè)量誤差將是十分可觀的。因此，除在測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)中選用膨脹系數(shù)小和導(dǎo)熱性好的材料以及采取必要的熱隔離措施外，更重要的是對(duì)溫度引起的變形誤差給予修正。

測(cè)量輪和走行輪不僅只是滿(mǎn)足在軌道上連續(xù)滾動(dòng)的要求，更是直接影響軌距和水平測(cè)量精度的重要因素，材料選取以高強(qiáng)度、絕緣性好、耐磨強(qiáng)的材料為原則，壓縮彈性變形量以不影響測(cè)量精度為準(zhǔn);考慮風(fēng)載、超高及縱向坡度等因素對(duì)穩(wěn)定測(cè)量的影響，走行輪須具備制動(dòng)功能，通過(guò)計(jì)算作用在走行輪上的轉(zhuǎn)矩，選取合適的制動(dòng)器。

由于道床及軌面50℃以上的高溫會(huì)引起周?chē)h(huán)境中溫度場(chǎng)的變化，它會(huì)改變測(cè)量場(chǎng)中光線的軌跡，從而影響智能全站儀激光測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，故測(cè)量?jī)x上反光棱鏡要高于軌面一段距離。

通過(guò)以上的設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、幾何要素關(guān)系都得到充分的保證，在機(jī)械構(gòu)架上確保了測(cè)量?jī)x的精度。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x是多參數(shù)、多傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)量、布線及美觀的需要，所有傳感器的安裝、信號(hào)傳輸及處理功能都必須在測(cè)量?jī)x狹長(zhǎng)梁體內(nèi)完成，為解決梁體內(nèi)部布線空間受限制的為題，設(shè)計(jì)采用了將嵌入式微處理器、智能化傳感器技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合的方案。

測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由里程傳感器、軌距傳感器、傾角傳感器、無(wú)線通信模塊及全站儀、嵌入式微處理器、上位機(jī)(數(shù)據(jù)處理及分析計(jì)算機(jī))等部件組成。

(1)測(cè)量原理及傳感器選型

安裝在走行輪軸頭的里程傳感器，采用了具有性能可靠、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、成本低等特點(diǎn)的增量式光電編碼器，按每0.125m等距離空間采集脈沖數(shù)。編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一周，發(fā)出固定的脈沖數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪的外徑確定后，每個(gè)脈沖就代表了一段確定的長(zhǎng)度，根據(jù)脈沖數(shù)就可以確定測(cè)量?jī)x所走過(guò)的空間里程。

軌距指鋼軌頂面下16 mm處兩股鋼軌作用邊之間的最小距離。它的實(shí)際距離是兩鋼軌間的設(shè)計(jì)距離與鋼軌偏移量的代數(shù)和，通過(guò)測(cè)量鋼軌的偏移量就可以得到軌距值。將帶有復(fù)位功能的彈簧測(cè)量觸頭密貼于踏面下方16 mm處，通過(guò)直線位移傳感器來(lái)獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)軌距的檢測(cè)性能指標(biāo)要求，選用行程為70 mm、分辨率為≤2μm高精度直線位移傳感器作為軌距傳感器。

軌道水平指線路橫斷斷面內(nèi)左右兩股鋼軌頂面的相對(duì)高差，通過(guò)檢測(cè)與水平面的夾角，利用三角關(guān)系計(jì)算得到。高低指鋼軌頂面沿線路方向的豎向起伏變化量，反映軌道在豎直平面內(nèi)的不平順，其測(cè)量原理同軌道水平的測(cè)量。根據(jù)直角三角函數(shù)關(guān)系，以?xún)射撥壷行木€距離1 505 mm為斜邊，取±200 mm為極限超高，零位正確性±0.15 mm為測(cè)量精度，則可通過(guò)下式估算傾角傳感器的量程及分辨率

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用測(cè)量范圍為±10°、分辨率為±0.001°、帶溫度輸出的雙軸傾角傳感器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌道水平和高低的測(cè)量。

無(wú)線通訊選用抗干擾能力強(qiáng)、通訊距離≥200m的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

智能全站儀用于測(cè)量軌道的實(shí)際空間位置，從而計(jì)算出軌道的軌向。全站儀通過(guò)無(wú)線通信模塊與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)連接。

(2)嵌入式微處理器

嵌入式微處理器為測(cè)量?jī)x的核心部件，通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與外設(shè)傳感器的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步采集與數(shù)據(jù)處理，并將各數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算。本設(shè)計(jì)采用TI公司最新推出的DSP處理器TMS320F2812，它是目前國(guó)際市場(chǎng)上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它具有數(shù)字信號(hào)處理能力，強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，同時(shí)其內(nèi)核具有高效的C/C++性能，并且具有虛擬浮點(diǎn)編程能力，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)采集與處理的測(cè)控場(chǎng)合。

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

(3)接口電路設(shè)計(jì)

里程傳感器采用正交編碼脈沖輸出增量式光電編碼器，可以輸出相位差為90°的A、B兩相信號(hào)(如圖3所示)，A、B兩相的相位決定了編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，兩相信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)和決定位置量。編碼器采用RS422差分信號(hào)傳輸，電平轉(zhuǎn)換后輸入給DSP處理器。采用TMS320F2812時(shí)間管理器中的正交編碼解碼模塊實(shí)現(xiàn)里程編碼器數(shù)據(jù)的解碼。

圖3 增量式光電編碼器輸出波形

傾角傳感器和無(wú)線通信模塊采用異步串行通信接口形式，信號(hào)采用 RS232電平傳輸。采用TMS320F2812內(nèi)置的兩路串行通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)同傾角傳感器及無(wú)線通信模塊的通信，采用MAX3232實(shí)現(xiàn)RS232與TTL電平的轉(zhuǎn)換。

軌距傳感器采用磁致伸縮線位移傳感器，接口形式采用同步串行接口(SSI)。DSP處理器沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊，采用SSI208P模塊將SSI串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位并行接口數(shù)據(jù)，通過(guò)DSP處理器的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)實(shí)現(xiàn)軌距傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

采用CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)同上位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信。CAN總線具有通信速率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。為對(duì)測(cè)量?jī)x的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用TMS320F2812內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(ADC)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的工作溫度及電源電壓。采用TMS320F2812的串行設(shè)備接口(SPI)擴(kuò)展EEPROM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)測(cè)量?jī)x的各種配置參數(shù)信息。

3 測(cè)試結(jié)果

為檢驗(yàn)測(cè)量?jī)x的綜合性能，對(duì)整車(chē)進(jìn)行了包含結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量、計(jì)量性能檢驗(yàn)、絕緣性檢驗(yàn)、工作輪的允許彈性變形及其壽命試驗(yàn)、恒定濕熱試驗(yàn)、高低溫環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)等多項(xiàng)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。在工作輪正上方施加150 N的壓力下，保持8 km/h的速度，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)62.5 h，工作輪直徑變化量均小于2‰;恒定濕熱試驗(yàn)、高低溫環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)均在有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果，絕緣電阻值大于1mΩ，在-10℃～+40℃溫度變化下，軌距和水平值的變化量小于0.25 mm，在接觸放電值4 kV、空氣放電值84 kV、射頻電磁場(chǎng)輻射值10 V/m、工頻磁場(chǎng)值30 A/m的干擾環(huán)境下，測(cè)量?jī)x均能正常工作;其中在專(zhuān)用零級(jí)檢定臺(tái)上進(jìn)行的計(jì)量性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

在某線先導(dǎo)段500m的測(cè)試線路(含直線、緩和曲線和圓曲線段)上進(jìn)行了室外重復(fù)檢核和一致性檢核，符合示值誤差要求的結(jié)果數(shù)都大于95%，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

表2 主要性能指標(biāo)及檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

高速鐵路軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x融合了精密級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)制造、新材料應(yīng)用、分散式工業(yè)控制等多方面技術(shù)，經(jīng)過(guò)多種測(cè)試證明:本方案設(shè)計(jì)完全達(dá)到工業(yè)環(huán)境下的使用要求，其計(jì)量準(zhǔn)確性、重復(fù)性、一致性均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范，并已成功運(yùn)用于多條高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道的鋪設(shè)、精調(diào)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)，可以在我國(guó)高鐵建設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)中推廣應(yīng)用。

［1］張質(zhì)文，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1998

［2］蘇奎峰，呂強(qiáng)，等.TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:1-3

［3］靳紅濤，趙勇進(jìn)，陳朝基，等.一種SSI光電編碼器數(shù)據(jù)并行采集設(shè)計(jì)方法［J］.電子技術(shù)，2008(5):23-25