跨座式軌道梁不平順檢測系統(tǒng)設計與試驗

馮濟橋 丁軍君 晉軍輝 顏永風 黃運華

(1. 西南交通大學機械工程學院 四川 成都 610031；2. 株洲中車特種裝備科技有限公司 湖南 株洲 412005)

跨座式單軌交通系統(tǒng)是一種典型的中運量交通系統(tǒng)，最早用于19世紀初的貨物運輸系統(tǒng)和旅游觀光設施，后隨著科技發(fā)展多應用于城市軌道交通運輸[1]?？缱絾诬壗煌ň哂修D彎半徑小、爬坡能力強、噪音低、占地面積小、安全性高等特點，適用于山地地形、復雜地形和高密度建筑群的城郊及城區(qū)[2]。在跨座式單軌車輛行車過程中，車輛的走行輪、導向輪、穩(wěn)定輪直接與軌道梁接觸，軌道梁表面的不平順會引起車輛系統(tǒng)的各種動態(tài)響應，從而對單軌系統(tǒng)動力學特性產生影響[3]。

跨座式單軌交通車輛的走行輪、導向輪和穩(wěn)定輪均為橡膠輪，軌道梁多為混凝土結構，其輪軌關系不同于傳統(tǒng)鋼輪鋼軌系統(tǒng)，也不完全等同于輪胎路面系統(tǒng)。由于跨座式單軌交通的車輛結構與鋼輪軌道交通類似、走行方式與公路交通類似，所以對軌道梁表面不平順的研究分析應結合軌道不平順以及路面不平度的概念和特點。

1 不平順檢測原理

目前軌道不平順檢測與路面不平度檢測的方法主要有固定基準法、弦測法與慣性基準法三種。

綜合分析各檢測方法的優(yōu)缺點，本文選用固定基準法作為軌道梁表面不平順檢測原理，使用同步帶滑臺作為檢測基準，利用激光傳感器獲取軌道梁表面高程數(shù)據(jù)，使用步進電機保證傳感器的連續(xù)穩(wěn)定運行。在保留固定基準法檢測精度高、重復特性良好等優(yōu)點的情況下，使用自動化程序控制檢測流程，以求提高檢測效率的同時，降低人為誤差對檢測結果的影響。

2 不平順檢測系統(tǒng)設計

跨座式軌道梁不平順檢測系統(tǒng)采用固定基準作為測量原理，系統(tǒng)基于Arduino和Python平臺開發(fā)，利用激光傳感器采集不平順高程數(shù)據(jù)，并利用藍牙技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的無線通信。系統(tǒng)設計主要分為主體結構設計、測控系統(tǒng)程序設計與上位機程序設計三個部分。

2.1 檢測設備主體結構設計

檢測設備主體采用長度為2 m的同步帶模組作為固定基準桿，基準桿上設有滑臺，位于端部的步進電機可帶動滑臺前后移動。同步帶模組的滑塊與導軌為零間隙配合，能夠保證檢測過程中傳感器移動的穩(wěn)定性，減小誤差；同步帶模組電機選用57式步進電機，該步進電機尺寸小巧、運行平穩(wěn)、振動幅度小，在2.8 A的額定電流下可提供1.3 N·m的最大扭矩，滿足設計要求。

由于軌道梁的結構特殊，檢測設備需要對軌道梁頂面和兩側面同時進行不平順測量，設計了一種鷗翼式結構支架安裝激光傳感器，支架整體固定在滑塊上，隨滑塊的移動而移動。設置三個激光位移傳感器分別位于支架的頂部和兩側，頂部傳感器對走行輪行駛線路不平順進行測量，兩側傳感器對導向輪行駛線路不平順進行測量。

為保證檢測設備在移動過程中不發(fā)生偏移側傾，確保激光傳感器始終在正確的檢測位置，參照跨座式轉向架的結構，在檢測設備兩側設計穩(wěn)定桿，以穩(wěn)定設備。在穩(wěn)定桿與兩側軌道接觸部位安裝預壓縮彈簧輪，確保檢測設備運行在軌道中間。為了不影響傳感器支架測量時的移動，穩(wěn)定桿部分安裝在檢測設備前后端部。檢測設備主體結構三維模型如圖1所示。

1—穩(wěn)定桿；2—基準桿；3—彈簧輪；4—激光傳感器；5—傳感器支架。圖1 檢測儀器結構三維設計圖

2.2 單片機測控系統(tǒng)程序設計

按照功能主要將測控系統(tǒng)分為兩大部分，兩部分相互獨立，分別用兩套系統(tǒng)控制，在上位機中統(tǒng)一發(fā)送命令，實現(xiàn)對兩套系統(tǒng)的控制。圖2為測控程序流程圖。

圖2 測控程序流程圖

數(shù)據(jù)采集部分整體安裝在傳感器支架上，負責采集不平順高程數(shù)據(jù)與傾角信息。電機控制部分位于設備后端位置，主要的功能是接收用戶命令，根據(jù)要求驅動步進電機以實現(xiàn)對同步帶模塊的控制，帶動數(shù)據(jù)采集模塊進行測量工作。本設計選擇Arduino Nano開發(fā)板作為數(shù)據(jù)采集部分的主控模塊，其結構小巧，質量輕，相比于其他開發(fā)板，在尺寸相同的情況下?lián)碛懈嗟腎O口以及更豐富的FLASH存儲空間，滿足采集系統(tǒng)對輕量化以及對接口數(shù)量的要求[4]。

2.3 基于Python的上位機程序設計

在常用的測試系統(tǒng)中，單片機成本較低、使用方便、實現(xiàn)功能較多，通常作為下位機完成各項工程需求；PC機運算速度快，分析能力強，通常作為上位機總體控制系統(tǒng)的運行[5]。設計采用Python作為上位機程序語言，利用pyserial庫實現(xiàn)上位機與單片機之間的串口通信。上位機程序中主要功能包含對單片機測控部分采集的不平順數(shù)據(jù)進行處理、分析、展示、保持，對步進電機轉動角度的控制，對里程計模塊發(fā)送激活命令等。

3 不平順數(shù)據(jù)預處理方法

在跨座式軌道梁不平順檢測過程中，由于外部干擾因素影響以及儀器自身結構設計原因，往往會使測量結果出現(xiàn)偏差。這些偏差通常在數(shù)據(jù)分析中有所體現(xiàn)，如果不對其進行修正和補償，將會對后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理工作造成較大的影響。因此，下文分析不平順數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)誤差的原因，并通過相應的處理方法對數(shù)據(jù)進行預操作，提高數(shù)據(jù)的精確性與完整度。

3.1 異常數(shù)據(jù)修正

采用激光傳感器采集不平順高程數(shù)據(jù)，激光傳感器基于光線反射原理進行距離檢測，在移動過程中，軌道梁上的異物往往會導致采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，本設計使用絕對值修正法對其進行判定修正。絕對值修正法在萊茵達準則的基礎上對異常數(shù)據(jù)進行修正，該方法對數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布無特殊要求，處理規(guī)則可信度較高[6]。以下為絕對值修正法計算過程。

假設一組均值不為零的數(shù)據(jù)如下所示：

(1)

x0(i)=x1，x2，…，…xi，…，xn

(2)

根據(jù)統(tǒng)計原理可得，xi的值通常在一個閾值W之間波動變化，故當xi的絕對值超出W時，判定此值為異常值。閾值W根據(jù)零均值數(shù)據(jù)序列x0(i)樣本的絕對平均值確定，計算公式如下所示：

(3)

其中：k為經驗系數(shù)，取值通常在4～5之間。

在修正過程中，異常值xi通常用絕對平均值代替，公式如下：

(4)

利用上述方法對異常數(shù)據(jù)進行處理，對尖點數(shù)據(jù)消除有較好的效果，圖3為數(shù)據(jù)處理前后對比圖。

圖3 異常數(shù)據(jù)處理前后對比圖

3.2 平滑濾波處理

在測量過程中，由于步進電機自身的轉動會引起檢測設備整體的輕微抖動，同時傳感器本身會受到溫度、天氣等影響，這些干擾因素疊加在一起往往會使檢測數(shù)據(jù)包含大量周期性振動信號，導致不平順數(shù)據(jù)在時域中的波形并不平滑，不能準確還原軌道。因此，本文對此類干擾信號進行平滑濾波處理，削弱上述因素對不平順數(shù)據(jù)造成的影響，使檢測數(shù)據(jù)更加準確。

采用Savitzky-Golay平滑濾波算法對不平順數(shù)據(jù)進行濾波處理，Savitzky-Golay平滑濾波又稱為卷積平滑濾波，是一種常用的時域平滑去噪濾波算法。S-G濾波基于區(qū)域性多項式最小二乘法擬合算法，在平滑濾波的同時又能夠保持信號的波形和寬度不變[7-8]。

在計算過程中，首先對原始曲線進行測量，定義一個窗口，窗口長度為n=2m+1。將原始曲線假設為以某一數(shù)據(jù)點為中心的n個數(shù)據(jù)，并對這一組數(shù)據(jù)進行k-1次多項式擬合，公式如下所示：

y=a0+a1·x+a2·x2+…+ak-1·xk-1

(5)

其中：一般令n大于k。由多項式原理可知，存在2m+1個數(shù)據(jù)和方程，擬合方程也可以表示為矩陣形式。方程可以寫為：

Y=X·A+ε

(6)

其中：Y為數(shù)值向量，A為系數(shù)矩陣，X為自變量矩陣，ε為殘值。

(7)

(8)

隨著窗口向右滑動，每一個數(shù)據(jù)點會得到一個擬合值，擬合后的數(shù)據(jù)被去除了高頻分量。平滑濾波前后效果對比如圖4所示。

圖4 平滑濾波前后對比圖

4 線路試驗測試結果

為檢驗設備測量效果，對軌道梁進行線路試驗測試，同時為了進行對比仿真試驗，還采集了車體與轉向架的振動加速度數(shù)據(jù)。線路試驗選在貴州省習水縣一跨座式單軌線路上一個在無風、晴朗的天氣下進行。試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 線路試驗現(xiàn)場

該線路軌道梁采用工字型鋼梁結構，單跨長度約為15 m，軌道梁之間用連接器進行連接。在分析數(shù)據(jù)時，對每跨軌道梁分別進行統(tǒng)計，以其中兩跨軌道梁為例，其軌道梁不平順數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 單跨軌道梁不平順

5 車輛動力學仿真及數(shù)據(jù)對比

使用SIMPACK軟件建立車體動力學模型，在建模過程中將車輛簡化為車體、構架、搖枕與走行輪幾大部分。該跨座式車輛轉向架為兩軸、有搖枕的結構，采用中心斜對稱布置；轉向架與搖枕間通過沙漏彈簧和斜向安裝的減振器傳遞垂向力與橫向力，通過斜對稱布置的牽引拉桿傳遞縱向力；車體通過搖枕上的回轉支承與搖枕連接；走行輪為單懸臂支撐方式，采用無內胎的橡膠充氣輪胎；導向輪和穩(wěn)定輪均采用聚氨酯實心輪。

在仿真計算中，將實測軌道梁不平順數(shù)據(jù)導入模型作為線路激勵，計算轉向架橫向與垂向加速度數(shù)據(jù)，與實測加速度數(shù)據(jù)進行頻譜分析對比，以驗證實測不平順數(shù)據(jù)的準確性。

車輛運行速度設置為15 km/h，采樣頻率設置為1 000 Hz，采集車輛運行15 s的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)后處理過程中，由于高頻振動信號通常由車輛自身或傳感器本身引起，對車輛動力學影響較小，故對加速度數(shù)據(jù)進行0.5～50 Hz帶通濾波，去除高頻信號，再對加速度數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，分析其振動頻率分布特性。轉向架振動加速度數(shù)據(jù)仿真與實測結果對比如圖7所示。

圖7 加速度頻率分布對比圖

由上圖可以看出，轉向架橫向加速度頻率分布較為均勻，在30～40 Hz部分頻率相對突出；垂向加速度振動主頻主要位于5～10 Hz之間；仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)振動頻率分布類似，證明實測不平順數(shù)據(jù)準確性良好。

6 結束語

以上利用固定基準作為測量原理，基于Arduino和Python平臺，設計了一種針對跨座式軌道梁表面不平順的檢測系統(tǒng)。設備主體以同步帶模組作為固定基準，使用步進電機帶動激光傳感器采集不平順高程數(shù)據(jù)，并利用藍牙技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的無線通信，該系統(tǒng)具有精度高、重復特性好、操作簡易、結構可靠等優(yōu)點。通過實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比，證明系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)準確性良好，能夠還原中低速跨座式軌道梁表面不平順真實情況，對于推進跨座式單軌動力學性能研究具有積極作用。