高速鐵路軌道幾何狀態(tài)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(tài)測量儀研制的必要性

時速200～300 km高速鐵路的平穩(wěn)、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(tài)測量儀進行作業(yè)。為了使我國在高速鐵路軌道靜態(tài)精密檢測及精調領域有所創(chuàng)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(tài)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(tài)不平順性進行檢測的輕型便捷工具，由機械構架、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、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(yè)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(lián)絡，實時進行軌距、水平、里程、溫度等多參數(shù)的數(shù)據(jù)交換，通過上位機進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的方案。根據(jù)相關規(guī)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(wěn)定性、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設計是至關重要的保證。

2.1 機械構架設計

根據(jù)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(wěn)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(wěn)定性及整車抗傾覆穩(wěn)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(jù)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(jīng)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(wěn)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(wěn)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(huán)境溫度是-10℃～+40℃，夏天軌面溫度可高達50℃以上，環(huán)境溫度的變化以及測量儀內部電子元器件的發(fā)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(shù)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(xù)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(wěn)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(huán)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(wěn)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(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件設計

測量儀是多參數(shù)、多傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，根據(jù)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(xiàn)場總線技術相結合的方案。

測量儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)。編碼器轉動一周，發(fā)出固定的脈沖數(shù)，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(jù)脈沖數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)。根據(jù)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(jù)直角三角函數(shù)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(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)總線、控制總線與外設傳感器的聯(lián)接，實現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的實時同步采集與數(shù)據(jù)處理，并將各數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)采集與處理的測控場合。

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件結構見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)里程編碼器數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)同傾角傳感器及無線通信模塊的通信，采用MAX3232實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集模塊，采用SSI208P模塊將SSI串行數(shù)據(jù)轉換成8位并行接口數(shù)據(jù)，通過DSP處理器的外部存儲器接口(EMIF)實現(xiàn)軌距傳感器的實時數(shù)據(jù)采集。

采用CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)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(yōu)點，被廣泛應用在汽車電子、工業(yè)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(shù)轉換單元(ADC)實時采集系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(huán)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(xù)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(huán)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(huán)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(shù)都大于95%，滿足相關規(guī)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(tài)測量儀融合了精密級工業(yè)設計制造、新材料應用、分散式工業(yè)控制等多方面技術，經(jīng)過多種測試證明:本方案設計完全達到工業(yè)環(huán)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(guī)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。

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