構(gòu)架式光電伺服軌距測(cè)量裝置的應(yīng)用

陳建國(guó) 吳興華 上海鐵路局工務(wù)處

1 GJ-4型軌檢車檢測(cè)系統(tǒng)組成

GJ-4型軌檢車的檢測(cè)系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)兩部分組成。模擬信號(hào)處理系統(tǒng)由各路傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視裝置、信號(hào)處理裝置、功率放大裝置、調(diào)制/解調(diào)裝置和電源等五個(gè)單元構(gòu)成。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)由主電腦、編輯電腦、打印機(jī)等組成。

2 構(gòu)架式光電伺服軌距測(cè)量裝置

構(gòu)架式光電伺服軌距測(cè)量裝置是GJ-4型軌檢車安裝于檢測(cè)梁上主要測(cè)量軌距、軌向的裝置。檢測(cè)梁上安裝有伺服機(jī)構(gòu)、左右光電傳感器、左右軌距位移計(jì)、軌向加速度計(jì)、地面標(biāo)志傳感器等設(shè)備。

我局GJ-4型軌檢車（DJ997759）上的構(gòu)架式光電伺服軌距測(cè)量裝置是2011年在原有軸箱式測(cè)量裝置的基礎(chǔ)上改造而成的，采用了構(gòu)架與軸箱間的側(cè)滾和垂向位移量修正的技術(shù)，保證了跟蹤軌距點(diǎn)的穩(wěn)定性，消除了軸箱式軌距測(cè)量的不安全隱患。

2.1 構(gòu)架式軌距測(cè)量裝置基本結(jié)構(gòu)

構(gòu)架式軌距測(cè)量裝置由原理和結(jié)構(gòu)完全相同的左右兩部分組成。它們各自測(cè)量左軌及右軌的軌距變化分量。兩個(gè)軌距分量之和可得到軌距值。左右軌距測(cè)量裝置包括八個(gè)部分：左右軌距光電傳感器、調(diào)制解調(diào)器Ⅰ、左右軸頭光電傳感器、調(diào)制解調(diào)器Ⅱ、信號(hào)處理器、功放、伺服機(jī)構(gòu)和左右位移計(jì)。

檢測(cè)梁吊掛在四位軸后方的轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架上，如圖1所示。調(diào)制解調(diào)器Ⅰ、調(diào)制解調(diào)器Ⅱ、信號(hào)處理器及功放安裝在車內(nèi)。左右軸頭光電傳感器安裝在四位軸左右軸箱正上方的構(gòu)架上，如圖2所示。

圖 1 構(gòu)架式軌距檢測(cè)梁構(gòu)造

圖 2 軸頭光電傳感器

2.2 軌距點(diǎn)的跟蹤方法

軌檢車動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，由于軌道存在著各種不平順，使構(gòu)架產(chǎn)生上下浮動(dòng)、左右搖擺，使軌距光電傳感器發(fā)出的光束不能保持在軌距點(diǎn)（軌面下16mm）處。為了解決這一難題，在四位軸左（右）軸箱正上方的構(gòu)架上，分別安裝了兩個(gè)軸頭光電傳感器，用于測(cè)量構(gòu)架相對(duì)于輪軸的相對(duì)位置，和軌距光電傳感器一起，通過數(shù)學(xué)模型，確保光電傳感器發(fā)出的光束打在軌距點(diǎn)處。

3 測(cè)量裝置的應(yīng)用

3.1 軌距的計(jì)算方法

如圖3所示，左右軸頭光電傳感器之間的距離為L(zhǎng),該傳感器測(cè)得構(gòu)架相對(duì)應(yīng)輪軸的距離為HL和HR,檢測(cè)梁與軌道之間的夾角為θ：

圖 3 構(gòu)架式軌距測(cè)量裝置軌距的計(jì)算

左右伺服電機(jī)間距為D（定值），軌距光電傳感器光束與檢測(cè)梁之間的夾角為α(DJ997759軌檢車α=45°)，傳感器與鋼軌軌距點(diǎn)的距離為IL、IR,與檢測(cè)梁上伺服電機(jī)的水平距離為DL、DR（它們由軌距位移計(jì)測(cè)得），與軌距點(diǎn)的水平距離為KL、KR。

構(gòu)架式光電伺服軌距的計(jì)算公式為：

當(dāng)檢測(cè)梁與軌道平行時(shí)，θ=0°cosθ=1

3.2 軌距測(cè)量

上面已經(jīng)計(jì)算了軌距是軌距測(cè)量裝置的左右軌的軌距分量值之和。軌距光電傳感器位于軌頂面斜上方的檢測(cè)梁內(nèi)，分別投射到左右軌內(nèi)側(cè)面的軌距點(diǎn)處，漫反射光被光電接收器接收。

軌檢車動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，鋼軌產(chǎn)生位移使軌距發(fā)生變化，光電傳感器非常敏感軌距的變化，及時(shí)輸出相關(guān)的電信號(hào)，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器處理后變成與軌距變化成線性比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)處理器、功放，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。光電傳感器在伺服機(jī)構(gòu)的作用下跟蹤鋼軌位移，測(cè)得不同的軌距值。

在鋼軌軌形完好和磨耗小的區(qū)段動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，軌距的重復(fù)性良好。測(cè)量值通過對(duì)地面的復(fù)合，數(shù)值基本一致，動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)反映了軌距的實(shí)際情況。但是在鋼軌側(cè)磨嚴(yán)重的小半徑曲線區(qū)段光點(diǎn)上下稍有變化，橫向軌距的變化就較大，軌距變化率數(shù)值也較大。在道岔區(qū)域和鋼軌接頭部位，軌檢車快速運(yùn)行中車體上下振動(dòng)加劇，受伺服機(jī)構(gòu)靈敏度影響，光點(diǎn)跟蹤延時(shí)，軌距測(cè)量值就有誤差，軌距變化率超限值將變大。

3.3 軌向測(cè)量

軌向的測(cè)量采用的是慣性基準(zhǔn)法。軌向測(cè)量包括兩個(gè)部分，一部分是安裝于軌距檢測(cè)梁中央位置的軌向加速度計(jì)，來(lái)測(cè)量軌距檢測(cè)梁中央部位的橫向慣性位移。另一部分是左右軌距測(cè)量裝置所測(cè)得的左右軌距分量。由慣性位移和左右軌距分量計(jì)算得到左右軌的軌向。

軌檢車動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，軌向加速度計(jì)輸出的信號(hào)經(jīng)過頻率響應(yīng)為二階模擬濾波器進(jìn)行預(yù)處理，處理后的信號(hào)被采樣進(jìn)入計(jì)算機(jī)解編后，再由與水平測(cè)量子系統(tǒng)中相同的數(shù)字濾波器來(lái)濾波，得到加速度信號(hào)的短弦中支距。由于加速度輸出信號(hào)中包含有重力加速度、離心加速度以及振動(dòng)等影響，因此還必須對(duì)其補(bǔ)償或?yàn)V除。

在鋼軌軌形完好和磨耗小的區(qū)段動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，軌向的重復(fù)性良好，測(cè)量值較準(zhǔn)確。同樣在鋼軌側(cè)磨嚴(yán)重的小半徑曲線區(qū)段，道岔區(qū)域軌向測(cè)量值要比實(shí)際的大。在直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)和緩直點(diǎn)等曲線特征點(diǎn)部位，系統(tǒng)會(huì)判成直線段的軌向，尤其是長(zhǎng)波軌向，我們?cè)诰庉嫵迗?bào)告中必須要注意。

3.4 波形圖分析

圖4所示為曲線區(qū)段的波形圖，右股為上股，側(cè)磨較大。從波形圖上可以看出，在圓曲線和部分緩和曲線區(qū)段軌距和軌距變化率的波動(dòng)大，鋼軌右股的短波和長(zhǎng)波軌向波動(dòng)也大，左、右股的長(zhǎng)波軌向在特征點(diǎn)處的峰值明顯變大。

圖 4 曲線區(qū)段軌距軌向波形圖

圖5所示為道岔區(qū)域的波形圖，軌距、軌距變化率、軌向波形上象針一樣上下分布的為道岔岔心有害空間部位，是因光束打在此部位而形成的。岔區(qū)右側(cè)的小曲線區(qū)段的70m軌向較大，是把曲線判成了軌向。

圖 5 道岔區(qū)域軌距軌向波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

我局GJ-4型軌檢車改造后的構(gòu)架式軌距測(cè)量裝置，通過一年來(lái)的使用，由于測(cè)量裝置安裝在轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架上，由原軸箱式的幾十個(gè)g甚至上百個(gè)g的垂向振動(dòng)加速度改小為僅有幾個(gè)g的垂向振動(dòng)加速度，安裝在檢測(cè)梁上的伺服機(jī)構(gòu)的插頭、導(dǎo)線、伺服電機(jī)、光電傳感器、位移計(jì)等零部件完好無(wú)損，且有利于維護(hù)和修理。采用的全新封閉式檢測(cè)梁設(shè)計(jì)，使軌道檢查在寒冷和雨雪天氣保證正常工作。