機車車輛限界量值溯源方式創(chuàng)新研究

馬宇龍，柳興，杜耀鵬

（中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

目前鐵道行業(yè)機車車輛限界量值溯源鏈如圖1（以上部規(guī)為例）所示，車輛限界檢查裝置采用限界規(guī)，限界規(guī)的檢定依據(jù)JJG（鐵道）180-2004《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機車車輛限界規(guī)檢定規(guī)程》[1]。該方式基于單一機車車型，對應(yīng)的限界規(guī)也單一。隨著行業(yè)的發(fā)展，城軌車輛及工程車輛項目越來越多，且限界規(guī)尺寸精度也較JJG（鐵道）180-2004中規(guī)定的允許誤差有所提高，因而傳統(tǒng)機車車輛限界量值溯源方式存在兩個弊端：第一，鋼卷尺讀數(shù)引入誤差大，造成溯源鏈難以滿足規(guī)定的測量不確定度；第二，限界規(guī)通用性差，在多個項目需要多種規(guī)格限界規(guī)的條件下造成其制造、安裝、校準(zhǔn)、存儲成本高[2]?；诖?，本文探索了一種全新的機車車輛限界量值溯源方式，以期為同行業(yè)提供一種參考。

圖1 傳統(tǒng)機車車輛限界量值溯源鏈

1 限界檢查方法

1.1 傳統(tǒng)限界檢查方法

傳統(tǒng)的限界檢查方法如圖1所示，技術(shù)人員根據(jù)車輛限界設(shè)計尺寸設(shè)計限界規(guī)，關(guān)鍵參數(shù)為安裝后的限界規(guī)內(nèi)輪廓尺寸。如圖2所示，校準(zhǔn)人員利用水準(zhǔn)儀/經(jīng)緯儀建立考水平面/兩軌對稱平面，用1級鋼卷尺測量限界規(guī)內(nèi)輪廓尺寸。限界規(guī)內(nèi)輪廓尺寸符合設(shè)計圖紙尺寸要求即可進行限界檢查試驗，車輛限界檢查試驗以車輛通過限界規(guī)時不發(fā)生碰撞作為通過的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 車輛限界檢查（a）及限界規(guī)校準(zhǔn)（b）

1.2 新型限界檢查方法

機車車輛限界采用激光限界作為檢查設(shè)備，激光限界采用Ⅱ級激光器作為數(shù)據(jù)采集部件。激光限界示值最大允許誤差±1mm。在車輛行進過程中通過4組激光器對車輛截面頂部底部及左右2個側(cè)面進行全方位高頻數(shù)據(jù)采集。主機程序根據(jù)激光器采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合激光器相對于軌道的安裝位置及安裝角度計算出車輛輪廓。由于安裝誤差，激光限界安裝調(diào)試時會根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)修正，標(biāo)定方法與后續(xù)介紹的校準(zhǔn)方法相同[3-7]。主機程序根據(jù)計算出的車輛輪廓與理論輪廓進行比較，對異常部位進行標(biāo)記并統(tǒng)計和報警。

圖3 激光限界（a）及其現(xiàn)場標(biāo)定（b）

2 激光限界校準(zhǔn)方法

2.1 校準(zhǔn)方案的確定

激光限界的示值校準(zhǔn)理論上有2個方向：一是直接測量標(biāo)準(zhǔn)器，比較設(shè)備示值與標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)稱值的差異；二是激光限界與另一個精度更高的標(biāo)準(zhǔn)器同時同條件下測量同一個輔助工裝，比較二者的示值。由于用于幾何量校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器對環(huán)境及存貯搬運的要求都非常高，直接把一個大型標(biāo)準(zhǔn)器搬到現(xiàn)場這個方案不可行，便排除第一種方案，選擇第二種方案。

從現(xiàn)有常用的標(biāo)準(zhǔn)器中選擇了3D激光掃描儀和激光跟蹤儀作為標(biāo)準(zhǔn)器嘗試測量輔助工裝的尺寸。3D激光掃描儀由于需要貼片及掃描區(qū)域的限制（未實現(xiàn)對車輛軌道的掃描）未能完成以軌道為基準(zhǔn)對工裝坐標(biāo)尺寸的測量，而激光跟蹤儀則滿足要求。

2.2 校準(zhǔn)方案

（1）坐標(biāo)系構(gòu)建：①在合適位置架設(shè)好激光跟蹤儀并接通電源預(yù)熱后，完成激光跟蹤儀重力水平調(diào)整及初始化等設(shè)備執(zhí)行測量的必要操作；②移動靶球，在軌道頂面采集一定數(shù)量的點擬合成平面O；③移動靶球，在軌道2內(nèi)側(cè)面分別采集一定數(shù)量的點（靶球中心約在軌道頂面往下16mm），將采集的點投影在平面O上擬合成2條直線，再以2條直線為元素構(gòu)造出中線；④在中線上取一點（盡量靠近輔助工裝）作為原點o（可以靠近工裝采一點垂射到中線上）；⑤垂直于平面O確定Z向，平行于中線確定X向，同時確定Y向（垂直于Z、X），平移坐標(biāo)系原點至點o完成新坐標(biāo)系的構(gòu)建。

（2）輔助工裝尺寸采集：①如圖4所示，對輔助工裝外輪廓所采點含上下左右4個方向，每個方向根據(jù)測量范圍均勻地采3排數(shù)據(jù)，每排均勻地采集不少于5個點；②移動靶球貼合輔助工裝外輪廓進行采點，記錄所采點的Y坐標(biāo)及Z坐標(biāo)，如第i坐標(biāo)點（Yi，Zi）。

圖4 校準(zhǔn)示意圖

（3）示值誤差計算：①首先利用激光限界對工裝4個方向輪廓進行掃描；②根據(jù)（2）所采集的頂部底部的坐標(biāo)點。以Y坐標(biāo)作為自變量，通過激光限界輔助工裝外輪廓坐標(biāo)點Yi對應(yīng)Zi值，則第i點示值誤差：

③根據(jù)2.2.2所采集的左右2側(cè)的坐標(biāo)點。以Z坐標(biāo)作為自變量，通過新型車輛限界檢查裝置輔助工裝外輪廓坐標(biāo)點Zj對應(yīng)Yj’值。則第j點示值誤差：

3 可行性分析

3.1 激光限界示值校準(zhǔn)測量不確定度評定

根據(jù)示值誤差計算公式（1）（2），影響示值校準(zhǔn)測量不確定度的分量主要包括測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1，激光跟蹤儀示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2（引入2次），溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3，其他如新型車輛限界檢查裝置的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量較小，可以忽略。計算過程如表1。

表1 激光限界示值校準(zhǔn)測量不確定度評定過程表

3.2 量值溯源鏈有效性評價

全新機車車輛限界量值溯源鏈如圖5所示，通過采用激光限界作為車輛限界檢查裝置，測量精度優(yōu)于采用限界規(guī)；經(jīng)評定，激光限界示值校準(zhǔn)測量不確定度U95=0.12mm＜1/3激光限界的最大允許示值誤差絕對值（MPEV）=1/3×1mm=0.33mm。新的車輛限界量值溯源鏈符合規(guī)定的測量不確定度要求。

圖5 全新機車車輛限界量值溯源鏈

4 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合實際，對一種全新的機車車輛量值溯源方式進行了探究，提供了使用激光限界作為車輛限界檢查試驗測量工具的參考方案，并介紹了激光限界校準(zhǔn)方法。該方式能夠提高車輛限界檢查的精度與效率，降低了限界規(guī)制造、安裝及校準(zhǔn)的成本。