高速鐵路軌枕定位技術(shù)的研究

朱洪濤,劉廣路

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,南昌 330031)

軌道檢查儀(以下簡稱軌檢儀)是既有線平順性靜態(tài)檢測(cè)的專用儀器。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其準(zhǔn)確度分為0級(jí)、1級(jí)2個(gè)等級(jí)。0級(jí)軌檢儀用于測(cè)量速度不大于350 km/h的高速鐵路,里程允差為1‰；1級(jí)軌檢儀用于普通鐵路,里程允差為2‰[2]。

目前,軌檢儀的軌道幾何形位是以推行里程為自變量進(jìn)行描述的,由于累積誤差,在長距離的測(cè)量中超限處所標(biāo)識(shí)的里程可能會(huì)與實(shí)際里程相差幾米,這將給病害的準(zhǔn)確定位造成困難。而無砟軌道的養(yǎng)護(hù)工藝不同于散粒體的有砟軌道,比如,軌道幾何形位的恢復(fù)只能借助于扣件系統(tǒng)而無法通過整理道床來實(shí)現(xiàn)。此即意味著其調(diào)整規(guī)劃需以軌枕ID關(guān)聯(lián)而非現(xiàn)有的以里程定位。為適應(yīng)無砟軌道的特點(diǎn),新修訂的軌檢儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出“鼓勵(lì)測(cè)量點(diǎn)與扣件節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)[3]。

現(xiàn)行軌檢儀在測(cè)量成果與軌枕的對(duì)應(yīng)性方面尚無具體的硬件保障措施。增加基于硬件檢測(cè)的軌枕定位功能可以實(shí)現(xiàn)軌檢儀測(cè)量信息的精確定位,使軌檢儀更適用于高速鐵路的精確、快速測(cè)量。

1 軌枕定位功能實(shí)現(xiàn)的基本途徑

鋼軌和軌枕間的聯(lián)結(jié)是通過扣件實(shí)現(xiàn)的,因此扣件應(yīng)保持齊全,位置正確,作用良好[4]。鑒于此,可考慮通過識(shí)別軌道扣件來實(shí)現(xiàn)軌檢數(shù)據(jù)與軌枕ID的關(guān)聯(lián)。扣件硬件檢測(cè)可考慮接觸式、非接觸式2種方案。與接觸式檢測(cè)軌枕相比,非接觸式檢測(cè)軌枕可以防止機(jī)械磨損、碰撞等的產(chǎn)生,且不會(huì)對(duì)軌道造成損傷。

非接觸式檢測(cè)可以利用圖像傳感器實(shí)現(xiàn),但技術(shù)相對(duì)復(fù)雜,成本較高。也可以利用接近開關(guān)實(shí)現(xiàn),簡單易行。根據(jù)軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本設(shè)計(jì)采用了電渦流式接近開關(guān)對(duì)扣件的緊固螺栓進(jìn)行檢測(cè),間接檢測(cè)軌枕的非接觸式檢測(cè)方案。

2 軌枕定位功能實(shí)現(xiàn)的基本原理

電渦流式接近開關(guān)與被檢測(cè)金屬導(dǎo)體之間的距離在一定范圍內(nèi)變化時(shí),不需要接觸就能發(fā)出高低電平信號(hào),它是一種在一定距離內(nèi)檢測(cè)金屬導(dǎo)體有無的傳感器[5],用途廣泛。接近開關(guān)識(shí)別軌枕的原理如圖1所示。

圖1 接近開關(guān)識(shí)枕原理

當(dāng)扣件緊固螺栓在接近這個(gè)能夠產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí),螺栓內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流,這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān),會(huì)使得接近開關(guān)振蕩能力衰減,從而使內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化,并由此識(shí)別出有扣件接近,進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷[6],產(chǎn)生的信號(hào)可被單片機(jī)PCA功能模塊[7]獲取,從而判斷是否有軌枕。

設(shè)計(jì)采用圖爾克接近開關(guān)Ni30U-M30-AP6X,其測(cè)量距離達(dá)到30 mm[8],能夠充分利用扣件緊固螺栓高于扣件彈條的這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使系統(tǒng)可以可靠的識(shí)別緊固螺栓而避免了彈條對(duì)硬件識(shí)別的干擾。

3 軌枕定位的技術(shù)難點(diǎn)及技術(shù)解決方案

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

首先,鐵路軌道所處環(huán)境惡劣,自然因素或人為因素可能導(dǎo)致軌道扣件的損壞或缺失,造成軌枕的漏識(shí)別；其次,軌道上傳感器作用范圍內(nèi)的任何金屬雜物金屬量超過一定時(shí)都會(huì)使其產(chǎn)生開關(guān)信號(hào),造成軌枕的誤識(shí)別。由于線路實(shí)際情況復(fù)雜,漏識(shí)、誤識(shí)在所難免,因此,防止和消除漏識(shí)、誤識(shí)對(duì)測(cè)量成果定位的影響是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.2 軌枕誤識(shí)漏識(shí)的解決方案

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2009)規(guī)定,扣件節(jié)點(diǎn)間距不宜大于650 mm,道岔區(qū)扣件間距宜為600 mm。鑒于扣件節(jié)點(diǎn)的節(jié)距特征,可以采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?消除誤識(shí)、漏識(shí)的影響。即通過判斷某次捕獲的軌枕信號(hào)與上一次有效信號(hào)之間的里程差(每根軌枕處的里程均取軌枕信號(hào)獲取后第一次里程中斷處的里程值,即圖 2中A、B兩處的里程),并結(jié)合軌檢儀采樣間隔125 mm的特點(diǎn)[9]來確定采集的有效性。

圖2 里程差值確定示意(單位：mm)

即當(dāng)差值小于500 mm時(shí),認(rèn)為是誤識(shí)的軌枕信號(hào),判定此次捕獲信號(hào)無效；當(dāng)差值介于500 mm和750 mm之間時(shí),認(rèn)為是正常的軌枕信號(hào),判定此次捕獲信號(hào)有效；當(dāng)差值大于750 mm時(shí),認(rèn)為發(fā)生了漏識(shí)現(xiàn)象,需進(jìn)行漏識(shí)處理。軌枕信號(hào)處理軟件流程如圖3所示。

對(duì)漏識(shí)處理的基本思路是：根據(jù)既有測(cè)試數(shù)據(jù)確定軌枕間距的數(shù)值,即得到先驗(yàn)軌枕間距[10],可經(jīng)公式(1)求得

(1)

式中D——先驗(yàn)軌枕間距,m；

M——線路始端的軌枕ID號(hào)；

N——本次捕獲的軌枕ID號(hào)；

Lm——線路始端軌枕處的里程值,m；

Ln——本次捕獲軌枕處的里程值,m。

軟件設(shè)計(jì)每次捕獲軌枕后都對(duì)D值按上式進(jìn)行

圖3 軌枕信號(hào)處理軟件流程

更新,當(dāng)相鄰2次捕獲的里程間距大于750 mm時(shí),經(jīng)公式(2)可以確定漏識(shí)的軌枕個(gè)數(shù)。然后按照得到的先驗(yàn)軌枕間距,由軟件在適當(dāng)?shù)奈恢米芳榆壵聿杉盘?hào)X次,從而達(dá)到對(duì)軌枕漏識(shí)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

(2)

式中 ΔL——相鄰兩次軌枕捕獲的里程差；

X——漏識(shí)的軌枕個(gè)數(shù)。

考慮到1‰的里程允差,上式可寫成

(3)

由圖2可知,任意2次捕獲軌枕處的里程差值總是介于這2處軌枕實(shí)際間距的-125～+125 mm之間,故可認(rèn)為ΔL=nD±0.125,其中n為自然數(shù)。由此可以統(tǒng)計(jì)出軌枕丟失數(shù)目,如表1所示。

表1 漏識(shí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)在京津城際高速鐵路上進(jìn)行,用增添了軌枕定位功能的軌檢儀測(cè)量軌道線路,根據(jù)得到的軌道參數(shù)給出調(diào)整量(以軌距為例),最后再次測(cè)量調(diào)軌后的軌道參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)可以可靠地識(shí)別軌枕,不存在丟漏現(xiàn)象,由此證明設(shè)計(jì)提出的算法解決了硬件上不可避免的漏識(shí)與誤識(shí)問題。通過對(duì)比調(diào)軌前后的軌道參數(shù),可以證實(shí)軌枕定位功能可以對(duì)軌道超限部位起到準(zhǔn)確定位與查找以及便捷調(diào)軌的作用。

5 結(jié)語

本文提出對(duì)軌檢儀增加軌枕識(shí)別功能予以改進(jìn),并就軌枕識(shí)別中必然存在的誤識(shí)、漏識(shí)現(xiàn)象進(jìn)行分析,且給出了解決方案,最后通過實(shí)驗(yàn)證明,軌枕識(shí)別功能可以輔助現(xiàn)行軌檢儀準(zhǔn)確高效的查找軌道超限部位,既降低了鐵路維護(hù)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度,又提高了工作效率。

[1] 魏祥龍，張智慧.高速鐵路無砟軌道主要病害(缺陷)分析與無損檢測(cè)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(3)：38-40.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB/T3147—2001 鐵路軌道檢查儀[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB 10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)[2006]146號(hào) 鐵路線路修理規(guī)則[S]. 北京：中國鐵道出版社，2006.

[5] 楊宏，鄧佳.磁感應(yīng)接近開關(guān)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2008(7)：95.

[6] 周睛，李文旭.接近開關(guān)的原理及應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用，2007(6)：18-20.

[7] STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[DB/OL].www.STCMCU.com，2012.

[8] 圖爾克傳感器全系產(chǎn)品手冊(cè)[DB/OL].www.turck.com，2012.

[9] 朱洪濤，魏輝.弦測(cè)法檢測(cè)軌向不平順的研究[J].鐵道建筑，2005(10)：23-24.

[10] 趙爾寧，邵高平.基于先驗(yàn)預(yù)知的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003(12)：9-11.