橋梁振幅檢測儀校正臺研發(fā)設計

楊金鋒　馮漢卿

摘要：橋梁振幅檢測儀校正臺是某公司自行開發(fā)研制的對橋梁振幅檢測儀幅值和頻率校正的儀器。采用合理的機械結構和先進的加工工藝，保證了校正系統(tǒng)具有較高的運轉精度，校正臺控制部分采用PWM脈寬調制技術，實現(xiàn)了對直流電機的無級平滑調速，提高了對橋梁振幅檢測儀的校正效率，結合實際情況，思路新穎，對橋梁振幅檢測儀應及時校正的需求開展了研究。

關鍵詞：橋梁振幅檢測儀；校正臺；檢測儀幅值；頻率校正

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）10-0024-03

1 概述

鐵路橋梁振幅檢測是橋梁專項檢查工作。隨著鐵路運量、列車速度的快速增長及重載列車的大量開行等因素，橋梁振動的幅度和頻率不斷加劇，橋梁振幅的檢測更迫切需要，橋梁振幅檢測儀的使用頻率更高，這就要求橋梁振幅儀具有較高的準確度和精度，但是，由于使用過程中，經常對其進行搬運以及受周圍環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，會使橋梁振幅檢測儀測量結果偏離真實值，造成測量誤差增大。因此，需要經常對該儀器進行標定，確保儀器的測量精度。

目前，橋梁振幅檢測儀標定主要有兩個途徑：一是儀器返回廠家，由廠家進行標定；二是將儀器送到鐵路局橋檢隊進行標定。無論是儀器返回廠家還是送鐵路局橋檢隊進行標定，都需要花費較長時間，不方便。況且有些路局橋檢隊未配標定臺或因其他原因標定臺無法使用，只能將儀器返回廠家標定。因此，研發(fā)一種操作簡潔、標定快速、精度高、運輸方便、價位低廉的橋梁振幅檢測儀標定臺很有必要。

2 技術方案

2010年初，確定了“橋梁振幅檢測儀校正臺”項目科研成果研究小組，并得到上級專業(yè)技術部門和有關廠家的支持。經多方查尋資料和設計方案，確定了技術方案。

2.1 設計要求

根據(jù)橋梁檢測要求，該標定臺具備以下功能特點：

2.1.1 標定臺系統(tǒng)采用合理的機械結構和先進的加工工藝，保證標定系統(tǒng)具有較高的運轉精度。

2.1.2 標定臺控制部分采用PWM脈寬調制技術，實現(xiàn)對直流電機的無級平滑調速。

2.1.3 采用先進的計算機測控技術，開發(fā)友好的人機交互平臺，使標定臺不僅具有較高的精度，而且具有良好的可操作性。

2.2 基本原理

2.2.1 系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要由振動臺本體、直流調速電機、直流電機調速控制器、數(shù)顯式百分表以及百分表磁性支座五部分組成。

2.2.2 振動臺工作原理。

（1）工作狀態(tài)。工作時，通過調節(jié)電動機調速器的旋鈕按鈕設定直流電機的轉速。直流電動機通過皮帶，帶動固定在支架上的主軸進行轉動。主軸的兩端各安裝了偏心輪機構，偏心輪機構與滑塊機構相連。主軸的轉動將帶動偏心輪機構進行轉動，同時偏心輪的轉動將帶動滑塊在滑槽內作往復運動。當滑槽進行縱向安裝時，振動臺將橫向進行振動，形成橫向振動標定臺；反之，當滑槽橫向安裝時，振動臺將豎向進行振動，形成豎向振動標定臺，如圖1所示。

（2）標定狀態(tài)。標定時，可根據(jù)實際需要，通過調節(jié)偏心輪上的固定螺絲在偏心輪上的位置來調節(jié)振幅的大小。振幅調整好后，將數(shù)顯式百分表的頂針以適宜的力量頂在振動臺的振動臺面上，將百分表指針調整在零點。然后，手動轉動標定臺的主軸，振動體往復振動過程中，記下百分表上正向位移和負向位移之最大值并取其平均值的一半，該值便為振動臺振幅的最大值。接著，將需標定的測振儀器的拾振器固定于振動體上。連接正確后，啟動測振儀并使其處于工作狀態(tài)，觀察振動檢測儀上的實測數(shù)據(jù)。將實測數(shù)據(jù)與振動臺標準值進行比較，便獲得振動檢測儀的修正系數(shù)。將該修正系數(shù)輸入振動測試儀，便完成了振動檢測儀的標定工作。

2.2.3 電動機調速器工作原理。為了獲得可調的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調制技術，直接將恒定的直流電壓調制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電樞端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調速，這種調速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調速系統(tǒng)，即PWM調速系統(tǒng)，如圖2所示：

工作時，單片機對通過轉速調節(jié)電位器設定的轉速值進行模數(shù)轉換，并讀取轉換后的數(shù)值，由單片機形成驅動電動機轉動的相應的PWM信號，同時顯示電機的轉速和電動機的控制電壓。直流電動機驅動器，將以一定的占空比控制直流電動機在一定的轉速下運轉，這樣就達到了PWM技術對直流電動機無級調速的目的。

2.2.4 主要技術參數(shù)：

（1）振動臺標定范圍：0.5～15mm。

（2）分辨率：0.01mm。

（3）振動頻率：0.5～30Hz。

（4）輸出電壓：0～24V可調。

（5）振動方向：橫向、豎向。

（6）電源：交流220V/50Hz。

（7）使用條件：溫度范圍：-10°C，相對濕度≤85%。

3 研制和試驗

3.1 研制過程

按照預定的實施計劃，科研小組于2010年5月開始調研，首先對全路工務段和橋檢隊橋梁振幅檢測儀的使用情況及存在的問題進行了詳細的調查，經過論證和深入分析，確定了“橋梁振幅檢測儀標定臺”的設計方案及要實現(xiàn)的功能：

3.1.1 橋梁振幅檢測儀標定臺由一套振動臺本體、一臺直流電機、一臺直流電機調速控制器、一個數(shù)顯式百分表和一個磁性支座組成。振動臺本體起支撐作用并實現(xiàn)最大振幅可調節(jié)；直流電動機帶動偏心輪機構做圓周運動，然后由偏心輪機構帶動滑塊機構做往復直線運動從而實現(xiàn)橫向或豎向運動；電機調速器對振動臺的振動頻率進行調節(jié)；數(shù)顯式百分表對振動臺的最大振幅進行測量，并利用該測量值對振動測試儀所測得的數(shù)據(jù)進行標定、校核。

3.1.2 調速控制器利用PWM調速方式能夠實現(xiàn)振動臺在0.5～30Hz頻率范圍內平滑無級可調?？刂破鞑僮鹘缑嬗押?，能夠實現(xiàn)電動機轉速及電壓的數(shù)字顯示，調速操作方便。

3.1.3 振動臺標定范圍：0.5～15mm。

3.1.4 振動臺分辨率：0.01mm。

3.1.5 振動臺調速控制器采用交流220V/50Hz進行供電。

3.1.6 振動標定臺系統(tǒng)工作穩(wěn)定性好，可靠性高，可重復性好。

3.1.7 振動標定臺操作簡單，安裝方便、快捷。

3.1.8 振動臺通過拆裝可實現(xiàn)豎向振幅的標定。

3.2 制造階段

根據(jù)設計方案及要實現(xiàn)的功能，我們結合市場調研情況，汲取了目前先進的機械和電子技術，首先完成了機械結構設計、調速控制器電路原理圖設計和PCB板設計以及直流電機的選型，而后進入北京、西安等地采購了適用的機械、電子元件，通過多次性能試驗，確定了最終所需的機械、電子元件，制作橋梁振幅檢測儀標定臺樣機一臺并進行了試驗。

3.2.1 試驗方法。

首先，試驗條件：

（1）環(huán)境溫度：20±5°C。

（2）電源電壓：220VAC±10%。

其次，試驗設備：

（1）振動測試標定臺一套。

（2）調速控制器一臺。

（3）百分表一只，最小刻度0.01mm。

（4）磁性表座一只。

再次，試驗線路連接，如圖3所示：

3.2.2 功能測試。

（1）幅值確認。將數(shù)字百分表的觸頭與振動臺臺面的側面接觸，手動轉動主軸上的飛輪，讀取百分表正向幅值與負向幅值的絕對值之和即是全振幅，全振幅的1/2為單振幅，該振動臺的振幅值已整定為3.88mm（單振幅正向或負向幅值）。

（2）振動頻率調整。調整驅動電機的轉速來調整振動頻率，通過調整振動臺控制器上的頻率調節(jié)旋鈕來實現(xiàn)，頻率值由分析軟件確定。

3.2.3 檢測規(guī)則。

（1）外觀檢查：對標定臺樣機外觀進行檢驗，應符合有關技術要求。

（2）性能試驗。

功能試驗：打開被試驗樣機電源開關，用目測的方法觀察調速器顯示是否正常，手動旋轉振動檢測標定臺系統(tǒng)的主軸，檢驗機械部分運轉是否正常。

功能測試：按照上面所述的方法進行測試。

多次重復以上試驗，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

通過試驗及在本段對橋梁振幅檢測儀標定的試用，我們發(fā)現(xiàn)標定臺存在兩個問題：第一，系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，即開始運轉時，運行比較平穩(wěn)，但連續(xù)運行一段時間后比如一個小時以后，運行就出現(xiàn)不平穩(wěn)現(xiàn)象。表現(xiàn)在波形上就是正旋波最大值在變化，這意味著標定臺的幅值在變化，這是絕對不允許的；第二，標定臺精度達不到設計要求。

針對這兩個問題，課題組多次召開專題會議進行分析研究并反復試驗，最終一致認為：運行不穩(wěn)定是控制線路的問題，精度不夠是加工精度不夠及裝配精度不夠造成的。為此對線路控制方案進行改進，重新制作控制板；對關鍵運行部件重新加工并嚴格裝配工藝，又制作了一臺樣機，如圖4所示：

2010年9月，我們再次用標定臺樣機對橋梁振幅檢測儀進行標定試用，達到了設計要求，滿足了橋梁振幅檢測儀現(xiàn)場標定的需求。至此，研制過程結束。

4 應用

橋梁振幅檢測儀標定臺樣機于2010年9月至今在侯馬北工務段翼東橋隧車間進行了試用，認為：

（1）該標定臺是針對鐵路橋梁振動檢測頻率的具體特點和要求，采用先進的機械結構設計和加工工藝，運用先進的計算機測控技術，使本系統(tǒng)達到了路內先進水平，具有極高的推廣價值和良好的市場前景。

（2）該標定臺在我段經過半年的振幅檢測儀標定證明，性能穩(wěn)定、操作簡潔、標定快速、精度高，能夠滿足工務段橋梁振幅檢測儀標定工作的實際需要。歸納起來，有如下兩個特點：

第一，該標定臺采用了PWM脈寬調制技術，實現(xiàn)了對標定臺的無級平滑調速，操作簡單，使用方便，調高了標定的效率和準確度。

第二，該標定臺機械結構設計合理，體積小，便于運輸，維護簡單，適合各工務段及橋梁檢測車間使用。

5 效果

橋梁振幅檢測儀標定臺樣機于2010年9月至今在侯馬北工務段翼東橋隧車間進行了試用，取得了明顯良好的安全效果，表現(xiàn)為：

（1）該標定臺系統(tǒng)采用合理的機械結構和先進的加工工藝，保證了標定系統(tǒng)具有較高的運轉精度。

（2）標定臺控制部分采用PWM脈寬調制技術，實現(xiàn)了對直流電機的無級平滑調速。

（3）采用先進的計算機測控技術，開發(fā)了友好的人機交互平臺，使標定臺不僅具有較高的精度，而且具有良好的可操作性。

（4）該標定臺的研制最大的技術難題是研制完成后的儀器設備能對振幅檢測的準確度的檢測和校正得到保證。

（5）最主要的技術難點是能將振幅檢測的準確度，通過檢測和校正問題得到控制，做到功能齊全。

6 不足

建議加強現(xiàn)場操作使用，進一步提高校正的精度，優(yōu)化外觀設計。

參考文獻

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作者簡介：楊金鋒（1971-），女，山西運城人，大秦鐵路股份有限公司侯馬北工務段橋梁科工程師，研究方向：土木工程；馮漢卿（1970-），男，山西運城人，大秦鐵路股份有限公司侯馬北工務段線路科工程師，研究方向：土木工程。

（責任編輯：黃銀芳）