臂式地鐵接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)檢測小車研究

朱洪濤,劉啟陽

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,南昌 330031)

引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市軌道交通也在高速發(fā)展。地鐵與其他交通工具相比，能很好地解決城市地面交通擁堵問題，其有快捷、準(zhǔn)時(shí)、運(yùn)量大、污染少等優(yōu)點(diǎn)，是人們出行的主要交通工具。截止2017年底，全國運(yùn)營中的地鐵總里程已超過4 000 km[1]。

地鐵列車的供電方式主要是接觸網(wǎng)供電和接觸軌(又稱第三軌)供電[2]。地鐵接觸網(wǎng)供電主要是采用柔性或剛性懸掛方式，對空間要求較高，安裝精度要求較高，車速高時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)離線現(xiàn)象[3]。接觸軌供電系統(tǒng)有穩(wěn)定性好、安裝簡便、架設(shè)成本低、對空間的要求小等特點(diǎn)[4-6]。因此氣候適宜的城市一般采用接觸軌供電方式。

根據(jù)接觸軌與集電靴的位置關(guān)系，接觸軌的安裝方式可分為3種[7]：上接觸式、下接觸式、側(cè)接觸式，其中以下接觸式使用較多。接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)直接影響到機(jī)車正常運(yùn)行，以下接觸式為例，其拉出值有偏差會(huì)對集電靴與接觸軌造成機(jī)械傷害，導(dǎo)高有偏差會(huì)導(dǎo)致接觸軌與集電靴發(fā)生離線[8]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使集電靴與接觸軌相撞，造成安全事故。

目前，國內(nèi)地鐵接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)檢測主要采用類似支距尺的接觸軌專用檢測尺進(jìn)行檢測，工人需要頻繁地進(jìn)行下蹲作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作量大、效率低、精度低，在天窗期內(nèi)能夠一次完成的檢測點(diǎn)少[9]，且測量記錄采用手工記錄簿，不利于實(shí)時(shí)掌握接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)變化[10]，數(shù)字化程度低。

接觸軌的智能檢測包括機(jī)械與電子結(jié)合的接觸式測量和利用光電技術(shù)的非接觸測量[11]。接觸式接觸軌幾何參數(shù)智能檢測采用在集電靴上安裝檢測器[12]進(jìn)行，增大了集電靴復(fù)雜程度并會(huì)對集電靴與接觸軌之間的壓力產(chǎn)生不利影響，同時(shí)檢測精度受檢測器安裝距離影響較大。國外接觸軌幾何參數(shù)智能檢測主要采用光電技術(shù)非接觸式測量，系統(tǒng)成本高，計(jì)算工作量大且復(fù)雜，在需要考慮端部彎頭檢測時(shí)對激光傳感器的量程要求高，并存在受光照環(huán)境及氣象影響大、受防護(hù)罩遮擋影響可能無法完成測量等問題。

設(shè)計(jì)一種臂式接觸軌幾何狀態(tài)參數(shù)檢測小車(以下簡稱“檢測小車”)，測量機(jī)構(gòu)直接與接觸軌接觸，屬接觸式測量，測量臂(圖1)直接與1級軌檢儀擴(kuò)展搭接，測量精度參照1級軌距尺要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[13-14]，能對接觸軌拉出值、導(dǎo)高進(jìn)行高精度、數(shù)字化、連續(xù)快速檢測并對超限處進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，并對樣機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定與重復(fù)性精度測試。本檢測小車適用于下接觸式接觸軌檢測。

圖1 接觸軌測量臂結(jié)構(gòu)

1 接觸軌檢測小車機(jī)構(gòu)

檢測小車由小車本體、接觸軌測量機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理終端等三大部分組成，如圖2所示。

圖2 接觸軌檢測小車結(jié)構(gòu)

小車本體和數(shù)據(jù)處理終端設(shè)計(jì)或選型參照軌道檢查儀，且可實(shí)際由軌檢儀經(jīng)增加接觸軌測量機(jī)/電/軟件接口擴(kuò)展而來，為接觸軌測量機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的走行及其姿態(tài)控制、測量基準(zhǔn)、供電和數(shù)據(jù)采集處理，本系統(tǒng)即采用軌檢儀擴(kuò)展搭載。

接觸軌測量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了下接觸式接觸軌下部空間障礙物、測量機(jī)構(gòu)質(zhì)量與尺寸等，采用一個(gè)由垂向接觸輪和一個(gè)橫向測量輪共同構(gòu)成的接觸軌測量用輪式測量爪，實(shí)現(xiàn)與接觸軌內(nèi)側(cè)面及底面的密貼；采用一個(gè)由帶連桿擺角指示桿的平行四邊形機(jī)構(gòu)組成的測量臂，帶動(dòng)輪式測量爪做平行運(yùn)動(dòng)，在垂向張緊彈簧、橫向張緊彈簧的共同作用下，始終保持輪式測量爪與接觸軌內(nèi)側(cè)面及底面的密貼；采用傳感器1實(shí)時(shí)檢測橫向測量輪相對于輪式測量爪基體的位移量，采用與連桿擺角指示桿連接的傳感器2實(shí)時(shí)檢測四連桿機(jī)構(gòu)連桿擺角的角位移量，如圖3所示。

圖3 接觸軌測量機(jī)構(gòu)

2 測量原理及建模

2.1 接觸軌測量參數(shù)及要求

接觸軌拉出值與導(dǎo)高定義如下[15]：

接觸軌拉出值—接觸軌接觸面中點(diǎn)到走行軌軌道左右鋼軌搭軌面連線的中點(diǎn)的橫向偏距；

接觸軌導(dǎo)高—接觸軌接觸面中點(diǎn)到走行軌軌道左右鋼軌搭軌面連線的垂向偏距。

目前，綜合上海地鐵與廣州地鐵的情況，接觸軌導(dǎo)高設(shè)計(jì)值都是200 mm，拉出值設(shè)計(jì)值有1 510 mm和1 550 mm兩種，本檢測小車采用設(shè)置測量臂基體加長塊來適應(yīng)兩種拉出值的測量需求(本文只分析拉出值為1 550 mm的情況)。接觸軌測量參數(shù)如表1所示，其中導(dǎo)高測量時(shí)考慮了端部彎頭的抬高。

表1 接觸軌測量參數(shù) mm

2.2 接觸軌測量機(jī)構(gòu)檢測原理及算法

因機(jī)構(gòu)學(xué)關(guān)系影響，接觸軌測量機(jī)構(gòu)的2個(gè)傳感器并不是分別與拉出值、導(dǎo)高項(xiàng)目對應(yīng)，而是存在相互耦合的非線性關(guān)系。測量臂基體與軌檢儀固聯(lián)且基體頂面與軌檢儀走行輪左右搭軌面平行，以平行四邊形機(jī)構(gòu)擺動(dòng)至上連桿與測量臂基體平行為接觸臂的機(jī)構(gòu)學(xué)零點(diǎn)，此時(shí)接觸軌所處位置為理想位置，其與設(shè)計(jì)位置之間的偏差可作為系統(tǒng)恒定偏值在計(jì)算模型中自動(dòng)消除(如：為適應(yīng)拉出值設(shè)計(jì)值可能為1 510 mm或1 550 mm的差異)。

如圖2所示測量臂處于機(jī)構(gòu)學(xué)零點(diǎn)時(shí)，上連桿擺角指示桿水平角α為連桿初角，上連桿擺角指示桿長度H、連桿長度L、傳感器2下支點(diǎn)橫距b和垂距d等機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)均為已知參數(shù)，由機(jī)械加工按完全互換性加工來保證。當(dāng)被測接觸軌橫向偏離理想位置(向左偏移為正)時(shí)，將引起傳感器1的輸出值發(fā)生Δx的變化；當(dāng)被測接觸軌垂向偏離理想位置(向上偏移為正)時(shí)，上連桿產(chǎn)生附加角位移Δγ(順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為正)并同時(shí)帶動(dòng)輪式測量爪整體發(fā)生向右的橫向位移，傳感器1與傳感器2的輸出值分別發(fā)生Δx和Δy的變化。

則傳感器2拉桿的初始值長度

D0=

接觸軌測量機(jī)構(gòu)學(xué)建模，得到拉出值X與導(dǎo)高Y計(jì)算公式(機(jī)構(gòu)學(xué)正解)

2.3 接觸軌測量機(jī)構(gòu)標(biāo)定方法及算法

接觸軌測量機(jī)構(gòu)的標(biāo)定可從傳感器直接標(biāo)定或機(jī)構(gòu)學(xué)標(biāo)定二種思路入手。傳感器直接標(biāo)定時(shí)，每個(gè)傳感器均可視為線性傳感器，其標(biāo)定方法和算法均簡單易行，但傳感器標(biāo)定因制造、裝配等帶來的誤差會(huì)體現(xiàn)在最終的測量成果中，只適合現(xiàn)場臨時(shí)性使用，本文不贅述。

機(jī)構(gòu)學(xué)標(biāo)定的目標(biāo)是在完成各傳感器標(biāo)定的同時(shí)，能有效消除制造、裝配誤差對測量精度的影響，但需要使用專門設(shè)計(jì)制作的標(biāo)定臺架，且涉及的算法模型比較復(fù)雜。接觸軌測量機(jī)構(gòu)標(biāo)定算法如下(機(jī)構(gòu)學(xué)逆解)。

3 電子與軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過對軌檢儀原有電子和軟件協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，來實(shí)現(xiàn)接觸軌檢測的2路傳感器信號的采集與傳輸。其中：信號采集啟用軌檢儀下位機(jī)備用的2路12bit AD通道并受軌檢儀計(jì)程輪脈沖控制觸發(fā)，采樣里程間隔125 mm；采樣結(jié)果通過擴(kuò)充的軌檢儀上下位機(jī)通信協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)處理終端，以“地鐵第三軌測量功能模塊”的形式集成于軌檢儀應(yīng)用軟件中；新增功能模塊軟件主要接觸軌拉出值和導(dǎo)高的實(shí)測值/設(shè)計(jì)值/偏差值顯示、拉出值變化率和導(dǎo)高變化率顯示、超限報(bào)警、接觸軌預(yù)定義/自定義缺陷或特征標(biāo)志打點(diǎn)等內(nèi)容，以及圖4所示測量機(jī)構(gòu)標(biāo)定/檢定等。

圖4 接觸軌標(biāo)定/檢定界面

4 樣機(jī)標(biāo)定與檢定

4.1 接觸軌測量機(jī)構(gòu)標(biāo)定

接觸軌檢測小車樣機(jī)經(jīng)機(jī)械裝配與調(diào)校后，水平放置于左側(cè)軌檢儀標(biāo)定器上，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)標(biāo)定

調(diào)節(jié)圖5右側(cè)帶模擬接觸軌的雙坐標(biāo)數(shù)顯標(biāo)定/檢定臺(以下簡稱：數(shù)顯臺)可提供接觸軌零位以及接觸軌偏離零位的橫、垂向位移，并將該位移量的實(shí)際值顯示在雙坐標(biāo)數(shù)顯表上。

接觸軌測量機(jī)構(gòu)標(biāo)定分兩步進(jìn)行：(1)零點(diǎn)標(biāo)定。調(diào)節(jié)數(shù)顯臺使之處于接觸軌零位，選擇“標(biāo)定零點(diǎn)”按鈕，完成2路傳感器零點(diǎn)的標(biāo)定；(2)調(diào)節(jié)數(shù)顯臺使接觸軌拉出值、導(dǎo)高分別偏離零位約2/3量程，點(diǎn)擊“標(biāo)定增益”按鈕，輸入雙坐標(biāo)數(shù)顯表顯示的實(shí)際偏移量，完成2路傳感器增益的標(biāo)定。

4.2 接觸軌測量機(jī)構(gòu)檢定

標(biāo)定完成后，將接觸軌檢測小車反復(fù)裝拆3次以模擬正常使用時(shí)的搬運(yùn)情況，再次組裝，仍使用數(shù)顯臺，在各自測量范圍內(nèi)按拉出值3 mm、導(dǎo)高12 mm的間隔進(jìn)行6次重復(fù)測量(作為重復(fù)性檢驗(yàn)數(shù)據(jù))，并記錄雙坐標(biāo)數(shù)顯表顯示值(作為準(zhǔn)確性檢驗(yàn)的參考值)，對小車的測量范圍、重復(fù)測量精度、示值誤差進(jìn)行檢定，其中，重復(fù)性誤差為6次測量值的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2、表3所示。

表2 拉出值測量數(shù)據(jù)與處理 mm

表3 導(dǎo)高測量數(shù)據(jù)與處理 mm

分別計(jì)算12個(gè)測量位置各6次測量值與其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值之差為每次測量的示值誤差，其拉出值與導(dǎo)高示值誤差分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 拉出值示值誤差分布

圖7 導(dǎo)高示值誤差分布

結(jié)果表明：(1)拉出值和導(dǎo)高示值誤差都是在±0.5 mm以內(nèi)；(2)拉出值的重復(fù)性總體標(biāo)準(zhǔn)差為0.031 3 mm，導(dǎo)高的重復(fù)性總體標(biāo)準(zhǔn)差為0.034 1 mm，均在0.2 mm以內(nèi);(3)分辨率在0.05 mm以內(nèi)；(4)拉出值的量程在1 535～1 565 mm，導(dǎo)高的量程在185～305 mm；(5)拉出值和導(dǎo)高零位正確性都是±0.15 mm。測量示值誤差、測量重復(fù)性、測量分辨率、測量范圍、零位正確性均滿足設(shè)計(jì)的測量技術(shù)指標(biāo)要求。

因接觸軌測量機(jī)構(gòu)是與1級軌檢儀搭接對接觸軌進(jìn)行檢測，測量精度需考慮軌檢儀軌距、水平的影響(標(biāo)準(zhǔn)要求重復(fù)性誤差≤0.20 mm)。其中：測量拉出值時(shí)，需將軌距分中至線路中線，軌距測量引入的分項(xiàng)誤差可取軌距誤差的一半，即±0.10 mm；測量導(dǎo)高時(shí)，水平誤差的影響正比于測量臂懸長[按(1 550 mm-1 435 mm)/2=835.5 mm]與1 435 mm的比例，水平測量引入的分項(xiàng)誤差約為±0.17 mm。引入拉出值測量的軌距分項(xiàng)誤差、引入導(dǎo)高測量的水平分項(xiàng)誤差均可視為獨(dú)立誤差項(xiàng)，拉出值綜合精度S與導(dǎo)高綜合精度C的計(jì)算可采用誤差合成方法[16]根據(jù)式(1)計(jì)算

(1)

其中，Δ為測量結(jié)果總的標(biāo)準(zhǔn)差；e、δ為分項(xiàng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。

則導(dǎo)高與拉出值的綜合精度計(jì)算如下

5 結(jié)論

臂式地鐵接觸軌幾何狀態(tài)檢測小車采用接觸法測量，能有效避讓接觸軌下部支架及電纜、交叉道口路面和上部防護(hù)罩等障礙物，并有效跨越膨脹接口、端部彎頭，實(shí)現(xiàn)接觸軌拉出值及其變化率、導(dǎo)高及其變化率等參數(shù)的高精度、連續(xù)檢測，顯著降低檢測工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高接觸軌檢測的數(shù)字化水平，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用與軌檢儀集成搭載同步測量的方式時(shí)，能一次性完成工電聯(lián)合檢測，進(jìn)一步降低人工投入數(shù)量和天窗占用時(shí)間，提高檢測效率。