高精度標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)內(nèi)距尺*

/ .上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；.廣西柳州科路測(cè)量?jī)x器有限責(zé)任公司

0 引言

輪對(duì)內(nèi)距尺是測(cè)量鐵路車(chē)輛輪對(duì)內(nèi)側(cè)距離的專(zhuān)用量具，按示值形式分為標(biāo)尺式和數(shù)顯式兩種，測(cè)量范圍為 1 345～1 365 mm，分辨力不大于 0.1 mm。如圖1所示。

圖1 普通輪對(duì)內(nèi)距尺

而對(duì)于軌道交通標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)，上海地鐵車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)尺寸變化范圍通常為 1 353～1 380 mm，由于測(cè)量范圍變化大，準(zhǔn)確度要求高等問(wèn)題，使用普通輪對(duì)內(nèi)距尺無(wú)法滿(mǎn)足檢測(cè)要求。隨著軌道交通的迅猛發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)數(shù)量日益增多，檢測(cè)需求也日益提高，因此，研究設(shè)計(jì)高精度標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)內(nèi)距尺用于標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)的內(nèi)側(cè)距檢測(cè)成為亟需解決的重要課題。

上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院設(shè)計(jì)研發(fā)了一種高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)內(nèi)距尺，通過(guò)與柳州科路集團(tuán)合作制造完成了該尺，用于測(cè)量鐵路標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)兩車(chē)輪內(nèi)側(cè)面的距離。該尺具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、操作方便、易攜帶、數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通輪對(duì)內(nèi)側(cè)距檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)

高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)內(nèi)距尺主要由尺身、限位鉤、固定測(cè)砧、活動(dòng)測(cè)桿、高精度位移傳感器、測(cè)桿鎖緊螺釘、測(cè)量按鈕、液晶顯示裝置、隔熱套、電控箱等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)內(nèi)距尺

尺身主體結(jié)構(gòu)采用GCr15材料，該材料是一種合金含量較少的高碳鉻軸承鋼，經(jīng)過(guò)淬火加低溫回火，具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能，其良好的材料性能滿(mǎn)足本尺的工作要求。

限位鉤用于控制車(chē)輪徑向自由度，使尺身只能沿軸向測(cè)量，提高測(cè)量重復(fù)性。

由于上海地鐵車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)尺寸變化范圍較大，為 1 353～1 380 mm，如果采用大量程位移傳感器，則無(wú)法保證測(cè)量的高準(zhǔn)確度，因此本裝置針對(duì)不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)設(shè)計(jì)了三個(gè)不同尺寸的固定測(cè)砧，分別為 25 mm、33 mm、50 mm，根據(jù)測(cè)量范圍選用對(duì)應(yīng)的測(cè)砧。

活動(dòng)測(cè)桿與高精度位移傳感器相連，安裝于尺身內(nèi)部，位移傳感器的測(cè)量范圍為12 mm，為保證測(cè)量準(zhǔn)確度，將整體安裝誤差控制在0.3 mm以?xún)?nèi)。

測(cè)桿鎖緊螺釘用于固定或松開(kāi)活動(dòng)測(cè)桿，與測(cè)量按鈕等裝置配合實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)距的檢測(cè)。

檢測(cè)時(shí)，手應(yīng)抓取在隔熱套上，避免直接與尺身接觸而引入誤差。

通過(guò)顯示裝置可直接讀取檢測(cè)數(shù)值，顯示屏自動(dòng)顯示每把標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)內(nèi)距尺的拐點(diǎn)數(shù)值，并將該數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)器中保存。

2 測(cè)量原理

將固定測(cè)砧端的限位鉤落在車(chē)輪輪緣上，測(cè)砧與車(chē)輪內(nèi)側(cè)面接觸。松開(kāi)測(cè)桿鎖緊螺釘使測(cè)桿處于自由狀態(tài)及最長(zhǎng)狀態(tài)，按住測(cè)量按鈕。將活動(dòng)端限位鉤落在另一車(chē)輪輪緣上，輕輕壓縮活動(dòng)端測(cè)桿使測(cè)頭與另一車(chē)輪內(nèi)側(cè)面接觸，此時(shí)內(nèi)距尺量測(cè)頭距離非最小，由外向車(chē)軸平行方向（車(chē)輪圓周方向）移動(dòng)，當(dāng)活動(dòng)測(cè)桿離開(kāi)車(chē)輪內(nèi)側(cè)面時(shí)松開(kāi)測(cè)量按鈕，內(nèi)距尺顯示裝置中顯示的數(shù)值即為被測(cè)輪對(duì)內(nèi)距，然后再按一次測(cè)量按鈕，即可將測(cè)量數(shù)據(jù)保存在SD卡中（見(jiàn)圖3）。

圖3 測(cè)量實(shí)景

如更換了33 mm測(cè)砧，測(cè)量輪對(duì)內(nèi)距時(shí)，顯示屏顯示數(shù)值加上8 mm即為測(cè)量結(jié)果；如果更換了50 mm測(cè)砧，測(cè)量輪對(duì)內(nèi)距時(shí)，顯示屏顯示數(shù)值加上25 mm即為測(cè)量結(jié)果。

3 不確定度評(píng)定

參照J(rèn)JG（鐵道）173-2004《內(nèi)距尺檢定規(guī)程》和JJG 22-2014《內(nèi)徑千分尺》檢定規(guī)程，在規(guī)定條件下采用測(cè)長(zhǎng)機(jī)配激光干涉儀直接測(cè)量高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺的示值誤差。以分度值為0.000 1 mm 、三段測(cè)量范圍中的三個(gè)點(diǎn)（1 353.2、1 364.5、1 384.8）為例，在（20+1）℃條件下評(píng)定示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度。

3.1 測(cè)量模型

由示值誤差等于標(biāo)稱(chēng)值Im減儀器測(cè)得值I0即e=Im-I0可得公式：

式中：Im—— 被檢高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺標(biāo)稱(chēng)值（20 ℃條件下），mm；

I0—— 測(cè)量?jī)x器測(cè)得值（20 ℃條件下），mm；

Imm—— 測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米示值，mm；

αm和α0—— 高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺和測(cè)長(zhǎng)機(jī)的線(xiàn)脹系數(shù)，℃-1；

Δtm—— 高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺偏離參考溫度（20 ℃）的數(shù)值，℃；

Δt0—— 測(cè)長(zhǎng)機(jī)偏離參考溫度（20 ℃）的數(shù)值，℃；

Δt1—— 激光干涉儀偏離參考溫度（20 ℃）的數(shù)值，℃

3.2 靈敏系數(shù)

在式（1）中，令I(lǐng)m≈Im-Imm

為使輸入量獨(dú)立，舍去括號(hào)內(nèi)微小量，令：

則由（1）可得：

靈敏系數(shù)：

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

選用高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺三段測(cè)量范圍中的三個(gè)點(diǎn)（1 353.2 mm、1 364.5 mm、1384.8 mm），在重復(fù)測(cè)量條件下，用測(cè)長(zhǎng)機(jī)連續(xù)測(cè)量10次，由貝塞爾公式計(jì)算單次測(cè)量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s=u(lm)。

測(cè)量?jī)x器示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(l0)：

1）激光干涉儀測(cè)長(zhǎng)機(jī)分米示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(l01)

使用激光干涉儀的讀數(shù)值作為分米的示值，根據(jù)JJG 739-2005《激光干涉儀》檢定規(guī)程已知，最大允許誤差為：±0.03 μm + 1.5×10-6L。在其分布范圍內(nèi)服從正態(tài)分布，k= 2，u(l01) =（0.03 μm + 1.5×10-6L）/2。

2）測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米分度尺示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(l02)

測(cè)量高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺時(shí)測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米值只用到12 mm，引用測(cè)長(zhǎng)機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范中毫米分度尺的示值誤差：±0.06 μm + 5×10-6L，在其分布范圍內(nèi)服從均勻分布，實(shí)際采用測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)證書(shū)：（0.8 +L/700）/k，k= 2，則：

3）測(cè)長(zhǎng)機(jī)微米分度尺示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(l03)

引用測(cè)長(zhǎng)機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范中微米分度尺示值誤差為±0.25 μm，其半?yún)^(qū)間寬度為0.25 μm，其分布服從均勻分布

將測(cè)量?jī)x器引入的不確定度分量合成：

4）由于溫度偏離20 ℃，高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺與測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米分度尺線(xiàn)脹系數(shù)差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(δα)

高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺線(xiàn)脹系數(shù)為(11.5±1)×10-6℃-1，測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米分度尺線(xiàn)脹系數(shù)為(10±1)×10-6℃-1，兩者之差為 (1.5±2)×10-6℃-1，在其半寬 2×10-6℃-1分布區(qū)間內(nèi)近似取均勻分布，則：

最大偏離溫度按Δt= 1 ℃，測(cè)量高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺測(cè)長(zhǎng)機(jī)毫米值最大用到 12 mm，則：lmm= 12 mm，則：

5）激光干涉儀材料溫度傳感器測(cè)溫誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(δt1)

實(shí)際測(cè)量時(shí)高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺和激光干涉儀的偏離溫度均由激光干涉儀的溫度傳感器測(cè)量，激光干涉儀自動(dòng)計(jì)算材料溫度進(jìn)行修正補(bǔ)償，其材料溫度傳感器的溫度測(cè)量時(shí)的最大允許誤差為±0.1 ℃，近似取均勻分布，則：

高準(zhǔn)確度內(nèi)距尺線(xiàn)脹系數(shù)按α= 11.5×10-6℃-1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 激光干涉儀材料溫度傳感器測(cè)溫誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(δt1)

3.4 合成不確定度

用u(lm)、u(l0)、u(δα)、u(δt)和u(δt1)分別表示由lm、l0、δα、δt和δt1引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。由于各分量彼此獨(dú)立，按不確定度傳播律合成，其輸出量估計(jì)值e的方差為

3.5 擴(kuò)展不確定度

取k= 2，于是U= 2u(e)

詳見(jiàn)表3。

表3 擴(kuò)展不確定度匯總表

3.6 測(cè)量不確定度報(bào)告

本測(cè)量裝置的最小尺寸和最大尺寸的測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U為0.005 3 mm 小于目標(biāo)不確定度Umb= 0.006 mm，達(dá)到了技術(shù)開(kāi)發(fā)合同的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案的重要特點(diǎn)是采用了三個(gè)不同測(cè)量測(cè)砧，不同測(cè)砧的使用避免了測(cè)桿采用螺紋拼接而影響其直線(xiàn)性和重復(fù)性，有利于提高檢測(cè)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；采用了高精度光柵傳感器，分辨力可達(dá) 0.000 1 mm，示值誤差為 ±0.018 mm，有利于提高輪對(duì)及標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)的檢測(cè)準(zhǔn)確度；安裝了存儲(chǔ)功能和數(shù)據(jù)調(diào)用功能，有利于在軌道交通一線(xiàn)場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)便捷快速檢測(cè)。

[1]莫炎燕.鐵路輪對(duì)內(nèi)距尺檢測(cè)使用中問(wèn)題的分析及改進(jìn)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2017（8）：123-125.

[2]謝澄宇.鐵路貨車(chē)車(chē)輛輪對(duì)故障分析及改進(jìn)措施[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（15）：2186.

[3]吳建超，高石明，肖佳滿(mǎn).鐵路貨車(chē)車(chē)輛輪對(duì)故障分析及改進(jìn)措施研究[J].河南科技，2015（10）：94-95.

[4]陳文奎.鐵路貨車(chē)車(chē)輛輪對(duì)故障分析及改進(jìn)對(duì)策研究[J].科技展望，2017，27（7）：66.

[5]馬浩慧.端度類(lèi)量具接觸法測(cè)量的要點(diǎn)[J].上海計(jì)量測(cè)試，2010（02）：25-26.

[6]付云霞，曾燕華，石紅，等.基于激光三角法的厚度在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2014，35（6A）：72-75.

[7]李源，吳俊杰.用于微納米尺寸幾何量測(cè)量的三維微接觸式測(cè)頭研究[J].上海計(jì)量測(cè)試，2014（5）：2-5.