面向軌道交通車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡夫深 湯清源 廖永鵬

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面向軌道交通車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡夫深 湯清源 廖永鵬

（廣東省江門市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所）

車輛裝配車體撓度是車體結(jié)構(gòu)性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)撓度測量方法效率低的缺陷，利用激光測量方法測量時(shí)間短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，研制面向軌道交通車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)。首先，研究基于激光測距的車輛裝配車體撓度測量方法，明確車輛裝配車體撓度測量流程；其次，研究車輛裝配車體撓度測量參數(shù)調(diào)整指示方法，建立撓度測量值與測量基準(zhǔn)面調(diào)節(jié)、撓度測量值與撓度作用力調(diào)節(jié)間的數(shù)學(xué)模型；最后，建立車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)，包括系統(tǒng)硬件配置與上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，采用無線傳感方式實(shí)現(xiàn)撓度測量數(shù)據(jù)的傳輸與通訊，解決長距離有線傳輸造成的信號(hào)衰減等問題。

軌道交通；撓度測量；激光測距；無線傳感

0 引言

先進(jìn)軌道交通裝備是《中國制造2025》大力推動(dòng)突破發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，軌道交通裝備的檢測檢驗(yàn)技術(shù)則是我國軌道交通裝備的質(zhì)量保障。車輛裝配車體撓度是軌道交通車輛的一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，車體空載時(shí)的預(yù)置撓度保證車體在承載運(yùn)行時(shí)保持水平直線運(yùn)行狀態(tài)，需要相應(yīng)的撓度測量方法對(duì)車輛裝配車體撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定。目前多采用連通管法測量車輛裝配車體撓度，該方法可以較精確地測量撓度值，但需要人工不斷重復(fù)測量和調(diào)整撓度值工序，測量效率較低，迫切需要研制非接觸的撓度快速測量系統(tǒng)改進(jìn)撓度測量技術(shù)。

目前大型裝備的撓度測量系統(tǒng)包括經(jīng)典的百分表測量系統(tǒng)[1]、連通管測量系統(tǒng)[2]和光學(xué)測量系統(tǒng)[3]。連通管法測量撓度原理是連通器中處于同一水平面上的靜止液體的壓強(qiáng)相等，連通管中撓度測量點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)間液位差即為撓度測量點(diǎn)的相對(duì)撓度值[4]。文獻(xiàn)[5]根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出基于半封閉連通管式差壓傳感器的橋梁撓度測量系統(tǒng)，并應(yīng)用于實(shí)際公路大橋靜載撓度測量中，有效反映橋梁結(jié)構(gòu)撓度狀態(tài)變化情況并具有較高測量效率與準(zhǔn)確度；文獻(xiàn)[6]以橋梁撓度狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為研究對(duì)象，在分析連通管測量原理基礎(chǔ)上，提出連通管光電撓度測量系統(tǒng)與基于支持向量機(jī)的測量系統(tǒng)自適應(yīng)修正方法，提高連通法撓度測量系統(tǒng)的自適應(yīng)性與測量精度。

光學(xué)測量具有非接觸測量、數(shù)字化輸出與實(shí)時(shí)性佳等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)在位測量，是大型裝備撓度測量領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[7]。浙江大學(xué)針對(duì)大跨橋梁的撓度測量，提出基于機(jī)器視覺技術(shù)的橋梁撓度測試方法并研發(fā)機(jī)器視覺位移測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度的結(jié)構(gòu)撓度測量與實(shí)際應(yīng)用[8]；文獻(xiàn)[9]針對(duì)大型直縫焊管的撓曲特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于激光測距的自行式撓度檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊管撓度自動(dòng)測量、數(shù)據(jù)采集、輸出與顯示，并進(jìn)行誤差分析研究；美國NASA航空研究中心在研究飛機(jī)機(jī)翼撓度值變化對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)靈活性與飛行控制的影響基礎(chǔ)上，研發(fā)生物模擬光學(xué)傳感器及其測量系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)跟蹤飛行過程中機(jī)翼撓度變化情況[10]。光學(xué)測量法可提高測量數(shù)據(jù)可溯源性與測量過程信息化程度，指導(dǎo)撓度值調(diào)整過程。

本文從機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范的測量方法入手，分析基于激光測距的車輛裝配車體撓度測量機(jī)理，研制軌道交通車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)。

1 車輛裝配車體撓度快速測量方法

車輛裝配車體撓度測量是在車體車身兩邊梁上選擇一定數(shù)量的測量點(diǎn)，通過撓度測量數(shù)據(jù)與撓度標(biāo)準(zhǔn)范圍對(duì)比，評(píng)價(jià)車輛裝配車體撓度質(zhì)量。鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2541-2010《機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范》關(guān)于撓度測試點(diǎn)布置要求包括：車體兩側(cè)邊梁對(duì)稱布置撓度測點(diǎn)；在車體支撐點(diǎn)布置撓度測點(diǎn)；車體端部布置撓度測點(diǎn)；車體中部和車體同一轉(zhuǎn)向架的同側(cè)兩個(gè)支撐點(diǎn)之間布置撓度測點(diǎn)；當(dāng)車體支撐點(diǎn)之間距離較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加撓度測試點(diǎn)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定與車輛裝配車體撓度測量實(shí)際要求，車輛裝配車體撓度基準(zhǔn)點(diǎn)與測量點(diǎn)布置方式如圖1所示，其中P1，P1，P2，P2為撓度基準(zhǔn)點(diǎn)；L1，L1，L2，L2，L3，L3，L4，L4，L5，L5為撓度測量點(diǎn)。

根據(jù)測量點(diǎn)的布置情況，設(shè)計(jì)車輛裝配車體撓度快速測量方法，如圖2所示。

圖1 車輛裝配車體撓度基準(zhǔn)點(diǎn)與測量點(diǎn)布置方式

圖2 車輛裝配車體撓度快速測量方法

車輛裝配車體撓度快速測量方法包括：

1）將車體安裝固定于車輛裝配車體撓度測量基準(zhǔn)點(diǎn)P1，P1，P2，P2；

3）以基準(zhǔn)點(diǎn)P1，P1，P2，P2撓度測量值作為零基準(zhǔn)值，測量車體長度方向上兩端（L1，L1，L5，L5）、車體中部（L3，L3）和靠近基準(zhǔn)點(diǎn)位置（L2，L2，L4，L4）共計(jì)10個(gè)撓度測量點(diǎn)相對(duì)于測量基準(zhǔn)面的相對(duì)撓度值；

4）將各測量點(diǎn)的撓度值與撓度值標(biāo)準(zhǔn)比較，以兩者差值作為車輛裝配車體撓度調(diào)節(jié)裝置作用力調(diào)整指示值，建立撓度調(diào)整指示值與車輛裝配車體撓度調(diào)節(jié)裝置作用力間關(guān)系，指導(dǎo)調(diào)整過程。

2 車輛裝配車體撓度測量參數(shù)調(diào)整指示方法

2.1 撓度測量基準(zhǔn)面調(diào)整指示方法

車輛裝配車體撓度測量過程中，需根據(jù)撓度測量基準(zhǔn)點(diǎn)的撓度測量值，定義撓度測量基準(zhǔn)面，調(diào)整車體安裝固定裝置，使所有撓度測量點(diǎn)處于同一平面上。車體安裝固定裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該裝置通過旋轉(zhuǎn)螺紋實(shí)現(xiàn)車體安裝高度調(diào)節(jié)、撓度測量基準(zhǔn)面調(diào)整。

圖3 車體安裝固定裝置結(jié)構(gòu)圖

(1)

2.2 撓度調(diào)節(jié)作用力調(diào)整指示方法

確定撓度測量基準(zhǔn)面后，利用十點(diǎn)激光測距法，在測量標(biāo)準(zhǔn)要求的撓度測量點(diǎn)上，根據(jù)撓度測量結(jié)果，建立撓度調(diào)節(jié)作用力與撓度測量值間關(guān)系，調(diào)節(jié)車輛裝配車體撓度值，使撓度值處于標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。

圖4 車體單側(cè)撓度調(diào)節(jié)力模型圖

(2)

根據(jù)撓度測量值與梁所受彎矩間、彎矩與作用力間的關(guān)系，建立分段撓度方程與撓度調(diào)節(jié)作用力間的關(guān)系為

(3)

得分段撓度方程與撓度調(diào)節(jié)作用力間關(guān)系式為

連續(xù)條件：(5)

(6)

至此，建立撓度調(diào)節(jié)作用力與撓度測量值間關(guān)系。

3 車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)

3.1 硬件配置

激光位移傳感器可非接觸測量被測物體位置、位移等變化，應(yīng)用于物體距離等幾何量測量，其測量原理是激光三角測量法，適用于高精度、短距離測量。

根據(jù)車輛裝配車體撓度十點(diǎn)激光測距法要求，在每個(gè)撓度測量點(diǎn)位置分別布置激光位移傳感器測距單元。考慮車體長度較大，激光位移傳感器輸出模擬信號(hào)經(jīng)長距離傳輸，出現(xiàn)信號(hào)衰減、現(xiàn)場布線不便等問題，測量系統(tǒng)采用ZigBee無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)激光位移傳感器測距單元測量數(shù)據(jù)無線傳輸。撓度測量系統(tǒng)硬件配置示意圖如圖5所示，其中激光位移傳感器測距單元包括：單路激光位移傳感器、直流電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee無線數(shù)傳模塊。激光測距單元模塊一覽表如表1所示。

表1 激光測距單元組成模塊

3.2 上位機(jī)軟件

車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于LabVIEW 2018軟件環(huán)境開發(fā)，上位機(jī)軟件主界面如圖6所示。其工作流程為：

1）根據(jù)上位機(jī)被占用端口，選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)采集端口；

2）選擇各激光測距單元數(shù)據(jù)傳輸波特率、數(shù)據(jù)采集頻率；

3）根據(jù)十點(diǎn)激光測距法要求，定義撓度測量基準(zhǔn)面，測量撓度測量基準(zhǔn)點(diǎn)到測量基準(zhǔn)面間的基準(zhǔn)距離；

4）根據(jù)測量得到基準(zhǔn)距離，定義軟件補(bǔ)償距離，使得所有撓度測量點(diǎn)處于同一測量基準(zhǔn)面上，減少測量誤差；

5）通過輪詢方式獲取每個(gè)激光測距單元采集的車輛裝配車體撓度數(shù)值，在撓度測量界面上以絕對(duì)距離、相對(duì)基準(zhǔn)面的相對(duì)距離表示，直觀判斷撓度測量結(jié)果。

圖5 撓度測量系統(tǒng)硬件配置示意圖 圖6 車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)上位機(jī)軟件

4 結(jié)語

1）從車輛裝配車體撓度測量要求分析入手，研究撓度測量基準(zhǔn)面定義、車輛裝配車體撓度測量點(diǎn)布置等問題，總結(jié)車輛裝配車體撓度測量方法；

2）分析車體測量撓度值與撓度測量基準(zhǔn)面調(diào)節(jié)裝置、撓度調(diào)節(jié)作用力間關(guān)系，提出車輛裝配車體撓度測量參數(shù)調(diào)整指示方法，實(shí)現(xiàn)撓度測量基準(zhǔn)面、撓度調(diào)節(jié)作用力的指示調(diào)整；

3）研制基于激光三角測量方法的車輛裝配車體撓度快速測量系統(tǒng)，應(yīng)用ZigBee無線組網(wǎng)方法完成測量數(shù)據(jù)無線傳輸，實(shí)現(xiàn)撓度測量數(shù)據(jù)的高精度非接觸測量。

下一步將進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試以及精度估計(jì)實(shí)驗(yàn)，并開展動(dòng)態(tài)測量與實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)研究。

[1] Papes M, Jaros J, Fajkus M, et al. Concrete deflection measurement using fiber optic distributed strain system[C]// International Conference on Photonics Solutions. 2015:96591K.

[2] Gorbachev A A, Hoang A P. Invariant electro-optical system for deflection measurement of floating docks[C]// SPIE Optical Metrology. 2017:103294F.

[3] 張開洪,張文會(huì),李聰.自安平撓度激光發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013, 32(3):538-542.

[4] Takou M, Abolmaali A, Park Y. Field deflection-measurement techniques and finite-element simulation for large-diameter steel pipes with controlled low-strength material[J]. Journal of Pipeline Systems Engineering & Practice, 2017:04017010.

[5] 朱世峰,周志祥,吳海軍.半封閉連通管式差壓傳感器在橋梁撓度測量中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(1):150-153.

[6] 胡順仁.基于SVM的撓度測量系統(tǒng)自適應(yīng)修正方法[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(11):96-99.

[7] 呂春峰,劉偉文,姜盈盈,等.柵式電渦流傳感器在橋梁撓度測量中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2014,22(5):1340-1341.

[8] 葉肖偉,張小明,倪一清,等.基于機(jī)器視覺技術(shù)的橋梁撓度測試方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2014,48(5):813-819.

[9] 馬麗霞,宋曉抗,高麗梅,等.大型管件自行式撓度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及誤差分析[J].塑性工程學(xué)報(bào),2013,20(4):119-123.

[10] Frost S A, Wright C H G, Barrett S F. Bio-mimetic optical sensor for structural deflection measurement[J].Spie Smart Structures & Materials + Nondestructive Evaluation & Health Monitoring, 2014, 9055:90550A.

Design of Rapid Measurement System for Vehicle Body Deflection of Rail Vehicles

Cai Fushen Tang Qingyuan Liao Yongpeng

(Guangdong Jiangmen Supervision Testing Institute of Quality & Metrology)

The vehicle body deflection of rail transit vehicles is one of the important evaluation indexes of the structure performance of the vehicle body. To compensate for the low measurement efficiency of the traditional deflection measurement method, the laser measurement method has the advantages of short measurement time and strong real-time performance. Vehicle body deflection rapid measurement system. Firstly, the vehicle body deflection measurement method based on laser ranging is studied to clarify the vehicle body deflection measurement process. Secondly, the vehicle body deflection measurement parameter adjustment indication method is studied, and the deflection measurement value and the measurement reference plane adjustment, the deflection measurement value and the deflection force are established. The mathematical model of the adjustment; finally, establish a rapid measurement system for vehicle body deflection, including system hardware configuration and PC software design. The wireless sensing method is used to realize the transmission and communication of deflection measurement data, and solve the problem of signal attenuation caused by long-distance wired transmission.

Rail Vehicle; Deflection Measurement; Laser Measurement; Wireless Sensing

蔡夫深，1964年生，男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：計(jì)量檢定校準(zhǔn)。E-mail: jmsjlxh@163.com

湯清源，1976年生，男，本科，工程師，主要研究方向：計(jì)量檢定校準(zhǔn)。E-mail: jmtyq@126.com

廖永鵬，1980年生，男，本科，工程師，主要研究方向：計(jì)量檢定校準(zhǔn)。E-mail: Cnasjmlyp@126.com