手推式鋼軌平直度測量儀的研制

吳元良 上海鐵路局科研所

手推式鋼軌平直度測量儀的研制

吳元良 上海鐵路局科研所

研制一種手推式鋼軌平直度測量儀，可實現對雙軌頂面連續快速的檢測，并介紹其主要結構與測量原理。測量儀采用三點弦測法與機械濾波相結合的形式，測量鋼軌各種不平順波形，通過數學算法計算處理，得到被測鋼軌真實平直度數據，其結果以圖表方式展現。通過實驗室與現場的試驗，驗證測量儀檢測效率高，測量結果穩定準確。

平直度；測量儀；弦測法；機械濾波

鋼軌的作用是直接承受列車車輪巨大壓力并引導車輪運行方向，因此為了保證列車按照規定速度安全、平穩和不間斷地運行它必須具備足夠的強度、穩定性和耐磨性。平直度是鋼軌各項指標中的一項，它特指沿鋼軌縱向軌頂面不平順的指標，研究其意義在于最大限度地降低列車運行時的振動，減輕輪軌磨耗，為乘客提供舒適感和安全感。鋼軌不平順會嚴重影響列車運行質量，一方面直接影響高速行車的安全與平穩，另一方面由于鋼軌不平順引起的動荷載將進一步加速鋼軌的惡化和不平順的發展。因此，在有限的天窗時間內對鋼軌不平順進行快速準確的檢測是當前工務部門急需解決的問題。

目前在線路上測量鋼軌平直度的方法主要有使用基于慣性基準法的大型軌檢車，但其檢測系統和數據處理系統復雜且價格昂貴，檢測精度也受到軌檢車運行速度的影響；其次是工務養護人員最常使用的人工靠尺法，主要利用SECRC電子平直尺或同類檢測儀器檢測，其缺點是不能實現對鋼軌的連續檢測，效率較低。

針對上述不足，研制一種方便現場使用的鋼軌平直度測量儀，具有使用方便，檢測速度快且精度高的特點。

1 測量儀研制方案

測量儀設計為一種可以在鋼軌上推行的小車，可實現同時對雙軌頂面的非接觸式連續測量，使用方便且便于運輸；由測量儀上安裝的各種傳感器采集數據并上傳存儲，通過濾波以及數學模型分析計算展現被測鋼軌不平順狀態的實際情況；對鋼軌頂面不平順波長、幅值、周期性等進行分析和統計，其結果以波形圖、報表等形式展現，為鋼軌打磨參數設置及鋼軌銑磨修理質量分析評估等工務養護作業起參考作用。

2 主要結構

測量儀由走行系統，檢測系統和數據處理系統三個主要模塊組成。

2.1 走行系統

走行系統由連接架和走行架組成，使用時兩者組裝呈工字型架在軌道上，平時可拆卸成單獨部件方便運輸。設備整體采用鋁合金材料制成，如圖1所示。

圖1 測量儀走行系統

連接架用于連接左右走行架，其中間的主軸可以自由旋轉使兩個走行架在各自測量過程中相互獨立不受干擾。主軸同時安裝了氣體支撐桿向兩邊施加壓力，可讓走行架緊貼鋼軌，確保檢測傳感器始終測量在鋼軌軌頂的同一位置。

走行架底部安裝具有機械濾波功能的排輪組，側邊安裝有側導向輪，兩端安裝有走行輪，如圖1所示。當測量儀處于工作狀態時，走行輪上翻，并不與鋼軌相接觸，此時測量儀與鋼軌之間的滑動主要通過排輪組完成。同時，側導向輪緊貼鋼軌內側予以提高走行的順暢性。當測量儀處于非工作狀態時，走行輪下放，此時測量儀會被略微抬起，排輪組與鋼軌之間處于懸空狀態，此時測量儀的走行主要依靠走行輪，走行速度快。

2.2 檢測系統

檢測系統主要由激光位移傳感器，里程記錄儀，數據采集器等組成。他們的關系如圖2所示。

圖2 檢測系統

激光位移傳感器可以實現非接觸快速測量且精度高，將其三個一組構成三點弦測法方式分別安裝在測量儀左右走行架上，測量其與鋼軌軌頂之間的距離，測量得到的數據由數據采集器采集并上傳至上位機。三點弦測中間的激光位移傳感器位置可調，可根據具體測量需求將其調整為三點等弦或不同弦比的三點偏弦。

里程記錄儀根據傳統計米輪設計，使用已知直徑的測量輪和編碼器組成。它可以精確的記錄測量儀在工作過程中走過的距離，里程數據通過數據采集器采集并上傳至上位機處理。同時里程記錄儀通過數據采集器內部指令控制，等距給激光位移傳感器發出數據采集命令，確保測量儀在不同的測量速度下依然能夠等距離的采集鋼軌平直度數據。

2.3 數據處理系統

數據處理系統主要由數據采集、波形回放、濾波分析、拉弦分析這幾個模塊組成。

數據采集模塊主要負責完成測量儀的數據采集。在測量工作開始前，可輸入被測線路名稱、上下行線路以及三點弦側法弦比等信息以便數據處理和存檔歸類。數據采集開始后，六個激光位移傳感器和里程記錄儀將同步進行數據采集，并上傳至上位機。

測量工作結束后，使用三點弦測法和機械濾波法疊加處理采集數據，得到被測鋼軌真實平直度數據。

波形回放功能可將鋼軌平直度數據以波形的方式展現，形象的表現被測鋼軌軌頂的幾何形態，如圖3所示。

圖3 波形回放

濾波分析主要對平直度數據按不同波長段進行分析。采用快速傅里葉變換將檢測信號轉換到頻域，在頻域內提取相關頻率范圍，再利用傅里葉逆變換將該頻率范圍內的信號轉換到時域，實現不同波長段的濾波。圖4為對某一段檢測數據進行濾波。

圖4 濾波分析

拉弦分析主要模擬人工靠尺法原理。在被測鋼軌平直度數據擬合的波形圖中通過計算機人工“拉弦”，得到對應被拉弦位置的峰值和谷值，并將這些數據列表篩選，以供工務養護人員參考。弦長可設定為1 m，2 m不等，拉弦位置也可根據需要設定。

3 測量原理

采用三點弦測法與機械濾波相結合的形式，分別測量軌道長波不平順和短波不平順，并將其分別進行處理后疊加，得到被測鋼軌真實平直度數據。

3.1 長波不平順檢測

測量儀采用三點弦測法對鋼軌軌頂平直度進行檢測。左右走行架分別安裝三個激光位移傳感器構成三點弦測法，檢測其與鋼軌軌頂之間的距離，中間的位移傳感器位置可調，根據需要將弦測法模型改為不同弦比的偏弦法或等弦法。

圖5 弦測法原理圖

如圖5所示為弦測法原理圖A，B，C，三處為激光位移傳感器安裝位置，m，n代表三者之間的距離。設l為總弦長，即l=m+n，f為測量值，那么通過如圖所示幾何關系以及根據傅里葉變換的線性性質及時移性質，可以得到：

其中，ω為空間域角頻率，ω=2π/λ；λ為軌道不平順波長。F(ω)和Y(ω)分別為測量值f和軌道不平順值y的傅立葉變換。

三點弦測法傳遞函數為：

將軌道不平順頻譜Y(ω)進行傅立葉逆變換即可得到軌道不平順的時域波形y。

由公式2可知三點弦測法其相頻特性沒有畸變，測量值不受測量儀檢測速度的影響，但是其幅值增益隨軌道不平順波長的變化而在0～2之間變化。由此可見，弦測法在復原某些特定波長特別是短波長的情況下存在缺陷，為了減小幅值增益誤差需要通過單獨測量短波不平順予以彌補。

3.2 短波不平順檢測

走行架底部安裝有小直徑高精度輥子組成具有機械濾波功能的排輪組，輥子都布置在同一水平面上近似于一條直線，方便測量儀在鋼軌上自由滑動的同時，也有效減小了鋼軌不平順對車體帶來的影響。

設軌道不平順波長為λ，測量儀總長為L，排輪長度為x。當不平順波長小于排輪組長度，即λ＜x，排輪與鋼軌不平順波形的最大波峰相接觸，此時測量儀檢測值是長度為L弦的弦高，即被測鋼軌短波不平順實測值。因為軌道的不平順波形是空間分布的隨機變量，長波與短波不平順總是復合存在，因此需對測量值進行頻譜分析，濾除長波的影響，即可得到軌道短波不平順的數據。

4 試驗分析

4.1 平直度測量儀測試平臺校驗

使用測試平臺校驗平直度測量儀。平直度測量儀測試平臺是一種適用于校驗鋼軌平直度測量儀功能及精度的平臺，它基于計量原理設計，結構模擬真實軌道，配有不同波長及波幅的可更換式軌面波形模擬條用來模擬鋼軌不平順波。通過對比分析波形模擬條的設計波形和平直度測量儀的檢測波形，予以校驗平直度測量儀。校驗結果表明，平直度測量儀的檢測結果正確，如圖6所示。

圖6 測量儀與測試平臺檢測結果對比

4.2 何楊線K1-250路段試驗

對何楊線軍工路陳家宅道口K1-250路段進行平直度的檢測，檢測對象為某100 m長的直線段，使用平直度測量儀在同一路段多次檢測后其重復性結果表現良好，如圖7所示。

在同一直線段上選取一段25 m左右的長度，用SEC-RC電子平直尺進行檢測，其檢測結果作為1 m以下軌面短波不平順真實值的參考值，以此評價平直度測量儀檢測結果的精度。對電子平直尺拼接而成的25 m數據進行（10~1 000）mm帶通濾波，并與對應段三點弦測法（10~1 000）mm帶通濾波的波形對比，可見兩者吻合度較高，檢測結果準確，如圖7所示。

圖7 何楊線K1-250路段試驗結果

5 結束語

手推式鋼軌平直度測量儀具有檢測速度快，精度高以及便于運輸等特點。彌補了大型軌檢車造價昂貴以及電子平直尺人工靠尺法效率低下等不足。通過其對雙軌軌頂面的連續非接觸式測量，經過數學模型濾波計算，復原被測鋼軌真實平直度數據，以波形圖和列表的方式予以展現，為鋼軌打磨作業參數設置及對鋼軌修理質量的分析評估提供依據和建議。大量試驗證明手推式鋼軌平直度測量儀使用方便，檢測效率高且結果穩定準確，對指導高速鐵路和客運專線線路養護維修具有重要意義。

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責任編輯：許耀元

來稿日期：2016-11-23