高速鐵路軌道幾何狀態測量儀設計關鍵技術研究

袁 玫

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 高速鐵路軌道幾何狀態測量儀研制的必要性

時速200～300 km高速鐵路的平穩、安全運營，必然要求竣工線路的軌道具有高平順性。高速鐵路在軌道鋪設、長軌精調、軌道驗收及運營軌道檢測等都必須采用軌道幾何狀態測量儀進行作業。為了使我國在高速鐵路軌道靜態精密檢測及精調領域有所創新，提高我國軌道檢測技術水平，更好地為高速鐵路客運專線無砟軌道的鋪設施工和運營維護服務，迫切需要研制出具有我國自主知識產權的高速鐵路軌道幾何狀態測量儀(以下簡稱測量儀)。

2 設計總體思路

測量儀是用于無列車輪載作用時，對軌道靜態不平順性進行檢測的輕型便捷工具，由機械構架、數據采集與處理系統、專用測量及分析軟件等組成。以1～2名人員進行上下道操作為宜，采用人工推行方式，滿足走行速度2～3 km/h，逐點精密測量要求。測量儀作業時，以建站后的智能全站儀為基準，由無線通訊模塊保持智能全站儀與測量儀兩者之間的聯絡，實時進行軌距、水平、里程、溫度等多參數的數據交換，通過上位機進行數據處理，獲取線路的軌道信息。

為不影響軌道電路，整車采用了縱梁、橫梁可拼裝的絕緣T形框架結構，走行采用三點絕緣并具有制動功能的滾輪結構，內置數據采集與處理系統的方案。根據相關規范，測量儀計量的主要性能指標見表1;要達到此測量精度要求，機械構架的強度、剛度、整車穩定性、數據采集與處理系統設計是至關重要的保證。

2.1 機械構架設計

根據三點共面原理及考慮運輸方便等因素，整體設計為縱梁、橫梁可拼裝的T形絕緣結構，見圖1。作為精密測量儀器的基準體，受力后的細微變形值都直接影響測量儀的準確性，所以金屬框架結構體既要輕便又要滿足強度、剛度、整車穩定性的要求，金屬材料的選取以密度低、彈性模量大為原則，選用航空鋁合金為主體結構;按第Ⅱ類載荷組合對本結構體進行零部件的靜強度、穩定性及整車抗傾覆穩定性校核計算，以及制動器制動轉矩的校核。本實例載荷組合由整車重量、風載荷和坡度載荷構成，重量G=40 kg，風壓按風速為20m/s(工作風速≤5m/s)、qⅡ=250 N/m2，坡度按35‰考慮，根據第四強度理論即復合應力，在沿線路方向和垂直線路方向上分別校核A-A、C-C截面，通過反復驗算，得出既經濟合理又能保證結構強度要求的截面。剛度計算按f=PL3/48EI≤［f］，其中［f］按精密級測量考慮，取值［f］=L/10000=0.143 5 mm，求得本設計中f=0.0097mm，此值對于水平示值誤差0.3 mm精度要求，幾乎沒有影響，剛度完全滿足要求。通過穩定性計算，2GB/3(∑P風h)≥1.4，可以得出軸距B值，確保整車的穩定性要求。

表1 測量儀主要性能指標表

圖1 測量儀

由三點(輪)組成的等腰三角形，它的垂直平分幾何關系是構成測量儀計算模型的基準，同時金屬框架結構體也是電子元器件的載體，即使按精密級的要求來控制T形梁體的等分垂直度關系，組裝后也要進行偏差值補償，這樣才能確保軌距、水平測量對應測量點的準確性。

測量儀應用于野外的工作環境溫度是-10℃～+40℃，夏天軌面溫度可高達50℃以上，環境溫度的變化以及測量儀內部電子元器件的發熱都可能引起梁體的熱變形。若溫度變化1℃時，梁長相對變化為22×10-6，即 1.435m 長的變化為0.031 6 mm，這對軌距示值誤差0.3 mm精度值引起的測量誤差將是十分可觀的。因此，除在測量儀的結構中選用膨脹系數小和導熱性好的材料以及采取必要的熱隔離措施外，更重要的是對溫度引起的變形誤差給予修正。

測量輪和走行輪不僅只是滿足在軌道上連續滾動的要求，更是直接影響軌距和水平測量精度的重要因素，材料選取以高強度、絕緣性好、耐磨強的材料為原則，壓縮彈性變形量以不影響測量精度為準;考慮風載、超高及縱向坡度等因素對穩定測量的影響，走行輪須具備制動功能，通過計算作用在走行輪上的轉矩，選取合適的制動器。

由于道床及軌面50℃以上的高溫會引起周圍環境中溫度場的變化，它會改變測量場中光線的軌跡，從而影響智能全站儀激光測量結果的準確性，故測量儀上反光棱鏡要高于軌面一段距離。

通過以上的設計，主體結構的強度、剛度、穩定性、幾何要素關系都得到充分的保證，在機械構架上確保了測量儀的精度。

2.2 數據采集與處理系統硬件設計

測量儀是多參數、多傳感器的數據采集與處理系統，根據測量、布線及美觀的需要，所有傳感器的安裝、信號傳輸及處理功能都必須在測量儀狹長梁體內完成，為解決梁體內部布線空間受限制的為題，設計采用了將嵌入式微處理器、智能化傳感器技術和現場總線技術相結合的方案。

測量儀數據采集與處理系統由里程傳感器、軌距傳感器、傾角傳感器、無線通信模塊及全站儀、嵌入式微處理器、上位機(數據處理及分析計算機)等部件組成。

(1)測量原理及傳感器選型

安裝在走行輪軸頭的里程傳感器，采用了具有性能可靠、響應速度快、測量精度高、成本低等特點的增量式光電編碼器，按每0.125m等距離空間采集脈沖數。編碼器轉動一周，發出固定的脈沖數，當轉動輪的外徑確定后，每個脈沖就代表了一段確定的長度，根據脈沖數就可以確定測量儀所走過的空間里程。

軌距指鋼軌頂面下16 mm處兩股鋼軌作用邊之間的最小距離。它的實際距離是兩鋼軌間的設計距離與鋼軌偏移量的代數和，通過測量鋼軌的偏移量就可以得到軌距值。將帶有復位功能的彈簧測量觸頭密貼于踏面下方16 mm處，通過直線位移傳感器來獲得測量數據。根據軌距的檢測性能指標要求，選用行程為70 mm、分辨率為≤2μm高精度直線位移傳感器作為軌距傳感器。

軌道水平指線路橫斷斷面內左右兩股鋼軌頂面的相對高差，通過檢測與水平面的夾角，利用三角關系計算得到。高低指鋼軌頂面沿線路方向的豎向起伏變化量，反映軌道在豎直平面內的不平順，其測量原理同軌道水平的測量。根據直角三角函數關系，以兩鋼軌中心線距離1 505 mm為斜邊，取±200 mm為極限超高，零位正確性±0.15 mm為測量精度，則可通過下式估算傾角傳感器的量程及分辨率

根據計算結果，選用測量范圍為±10°、分辨率為±0.001°、帶溫度輸出的雙軸傾角傳感器，同時實現軌道水平和高低的測量。

無線通訊選用抗干擾能力強、通訊距離≥200m的模塊進行數據傳輸。

智能全站儀用于測量軌道的實際空間位置，從而計算出軌道的軌向。全站儀通過無線通信模塊與數據采集與處理系統連接。

(2)嵌入式微處理器

嵌入式微處理器為測量儀的核心部件，通過地址總線、數據總線、控制總線與外設傳感器的聯接，實現各傳感器數據的實時同步采集與數據處理，并將各數據傳輸給上位機進行數據分析計算。本設計采用TI公司最新推出的DSP處理器TMS320F2812，它是目前國際市場上最先進、功能最強大的32位定點DSP芯片。它具有數字信號處理能力，強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，同時其內核具有高效的C/C++性能，并且具有虛擬浮點編程能力，特別適用于有大批量數據采集與處理的測控場合。

數據采集與處理系統硬件結構見圖2。

圖2 數據采集與處理系統的硬件結構

(3)接口電路設計

里程傳感器采用正交編碼脈沖輸出增量式光電編碼器，可以輸出相位差為90°的A、B兩相信號(如圖3所示)，A、B兩相的相位決定了編碼器的旋轉方向，兩相信號脈沖個數和決定位置量。編碼器采用RS422差分信號傳輸，電平轉換后輸入給DSP處理器。采用TMS320F2812時間管理器中的正交編碼解碼模塊實現里程編碼器數據的解碼。

圖3 增量式光電編碼器輸出波形

傾角傳感器和無線通信模塊采用異步串行通信接口形式，信號采用 RS232電平傳輸。采用TMS320F2812內置的兩路串行通信接口實現數據采集與處理系統同傾角傳感器及無線通信模塊的通信，采用MAX3232實現RS232與TTL電平的轉換。

軌距傳感器采用磁致伸縮線位移傳感器，接口形式采用同步串行接口(SSI)。DSP處理器沒有相應的數據采集模塊，采用SSI208P模塊將SSI串行數據轉換成8位并行接口數據，通過DSP處理器的外部存儲器接口(EMIF)實現軌距傳感器的實時數據采集。

采用CAN總線實現數據采集與處理系統同上位機之間的實時通信。CAN總線具有通信速率高、可靠性好等優點，被廣泛應用在汽車電子、工業控制等領域。為對測量儀的工況進行實時檢測，采用TMS320F2812內置的模數轉換單元(ADC)實時采集系統的工作溫度及電源電壓。采用TMS320F2812的串行設備接口(SPI)擴展EEPROM存儲器，用于存儲測量儀的各種配置參數信息。

3 測試結果

為檢驗測量儀的綜合性能，對整車進行了包含結構參數測量、計量性能檢驗、絕緣性檢驗、工作輪的允許彈性變形及其壽命試驗、恒定濕熱試驗、高低溫環境試驗、電磁兼容性試驗等多項內容的實驗。在工作輪正上方施加150 N的壓力下，保持8 km/h的速度，連續運轉62.5 h，工作輪直徑變化量均小于2‰;恒定濕熱試驗、高低溫環境試驗、電磁兼容性試驗均在有資質的實驗室進行，試驗結果，絕緣電阻值大于1mΩ，在-10℃～+40℃溫度變化下，軌距和水平值的變化量小于0.25 mm，在接觸放電值4 kV、空氣放電值84 kV、射頻電磁場輻射值10 V/m、工頻磁場值30 A/m的干擾環境下，測量儀均能正常工作;其中在專用零級檢定臺上進行的計量性能檢驗結果見表2。

在某線先導段500m的測試線路(含直線、緩和曲線和圓曲線段)上進行了室外重復檢核和一致性檢核，符合示值誤差要求的結果數都大于95%，滿足相關規范要求。

表2 主要性能指標及檢驗結果

4 結論

高速鐵路軌道幾何狀態測量儀融合了精密級工業設計制造、新材料應用、分散式工業控制等多方面技術，經過多種測試證明:本方案設計完全達到工業環境下的使用要求，其計量準確性、重復性、一致性均滿足相關規范，并已成功運用于多條高速鐵路客運專線無砟軌道的鋪設、精調及運營維護，可以在我國高鐵建設及運營維護中推廣應用。

［1］張質文，等.起重機設計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1998

［2］蘇奎峰，呂強，等.TMS320F2812原理與開發［M］.北京:電子工業出版社，2005:1-3

［3］靳紅濤，趙勇進，陳朝基，等.一種SSI光電編碼器數據并行采集設計方法［J］.電子技術，2008(5):23-25