尖軌密貼爬行測量方法及系統

翟文革,鄭培珍,江海川,任同群

(1.西安鐵路信號有限責任公司,陜西 西安710100;2.大連理工大學 微納米技術及系統遼寧省重點實驗室,遼寧大連116024)

0 引言

道岔是機車從一股軌道轉換到另一股軌道的線路設備,是軌道交通線路中的重要組成部分,其構造復雜、狀態多變、病害繁多,是高速鐵路線路的薄弱環節[1-2]。然而,在道岔運行過程中,尖軌作為主要的被操作對象,受列車行駛過程中的動力作用以及溫差的影響,其相對于基本軌的橫向和縱向間隙會時常發生變化。一旦道岔間隙的大小超過標準,不僅會限制列車過岔速度、加劇列車振動、降低列車通過道岔時的舒適性,甚至還會造成線路封閉,導致列車行駛方向錯誤或列車脫軌,危及列車運營安全[3-4]。因此及時識別尖軌病害、準確獲得尖軌密貼間隙和爬行量是線路故障檢測的重中之重。

轉轍機作為道岔控制系統的執行機構,負責轉換并鎖閉道岔尖軌,也可表示和監督道岔尖軌的位置與密貼程度[5]。根據轉轍機缺口的結構和工作原理,張含龍等人[6]通過在轉轍機表示桿部件上加裝相應接觸式導電觸頭以實現對缺口大小的超限報警。該方法需要對缺口表示桿加裝檢測裝置,誤報率相對較高,且無法及時發現尖軌形變等問題產生的偏移量。在高速鐵路中檢測尖軌爬行量應用最普遍的方法是人工定期讀取軌旁標尺數值,這種方式很難實現實時監測及報警,且由于人為不確定因素的影響,易出現較大誤差,并耗費大量人力和時間[7]。

為了高效、準確且及時地獲取尖軌密貼間隙和爬行量,視覺測量技術被應用于尖軌的密貼和爬行檢測中。合安高鐵股份有限公司研發了基于圖像的道岔岔尖密貼監測系統,通過在軌道兩邊設置高清圖像采集設備,實時監測道岔尖軌的密貼狀態[8]。北京交通大學劉文才利用布于尖軌側面的攝像機,提出了全天候現場采集尖軌伸縮位移圖像的自動判讀方法[9]。但由于現場采集的圖像易受遮擋、部件油污、低光照、環境振動等各種降質因素影響,造成特征點檢測困難,嚴重影響測量精度[10-11]。除此之外還出現了基于光纖光柵技術[12-13]、激光技術[14-15]的尖軌檢測設備,但由于易受環境、工況影響,增加了密封防護難度。在實際工況中,尖軌在密貼方向的最大位移約為200 mm,爬行方向的最大位移約為100 mm,且為兩方向的聯動。對道岔的安全運營而言,兩方向實際位移量的連續實時測量更有意義。此時,直接采用兩直線位移傳感器組合測量的方案,將不可避免地帶來安裝干涉的問題,且軌旁安裝方式也必將導致測量某一方向位移時會產生較大的阿貝誤差。

綜上所述,道岔工作環境復雜、干擾因素多,對尖軌檢測設備的防護要求高。若同時檢測尖軌密貼間隙和爬行量勢必會給測量系統帶來安裝和防護困難等問題。基于上述分析,本文開發了一種便于傳感單元安裝和防護的尖軌密貼爬行測量系統,該系統能夠在惡劣環境條件下長時間穩定地檢測尖軌密貼與爬行位移量。通過開展相關測量實驗,對該系統的準確性和可靠性進行驗證,為提升高鐵建設能力提供技術支撐。

1 測量方案及原理

1.1 測量方案

本文提出了一種利用動作引導桿引入尖軌密貼和爬行位移變化的測量方案,如圖1所示,該系統利用動作引導桿與尖軌鉸接,將尖軌的正交運動轉變為動作引導桿的伸縮和旋轉運動,由系統內的核心傳感元件檢測動作引導桿的線位移和角位移增量,并代入解算模型求解尖軌密貼間隙和爬行量。該方案使系統核心元件全部置于保護箱體內,僅通過箱體端口引出動作引導桿,有效減小了系統防護面積,能夠在惡劣環境下工作。

圖1 測量方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement scheme

1.2 測量原理

1.2.1 系統實現

依照測量方案,設計了位移、角度測量和數據采集處理三個主要單元。如圖2所示,磁致伸縮位移傳感器、動作引導桿以及直線軸承共同構成位移測量單元。直線軸承與動作引導桿配合,起到了很好的導向作用,有效地保持了動作引導桿作用的準確性。選用CARLEN生產的CPM3/200S001-1B02型磁致伸縮位移傳感器,其測量行程為200 mm,分辨力為1 μm,直線度小于0.01%。磁致伸縮位移傳感器通過磁塊與動作引導桿連接,用于獲取線位移增量值。角度測量單元的旋轉部分由芯軸、旋轉軸承及軸承底座等軸系零件組成。選用禹衡光學生產的JKW-6-H35-23PFG05RS422-A-1m型角度編碼器,其角分辨力為0.15″,準確度為±15″,角度編碼器與芯軸配合,用于獲取角度增量值。動作引導桿末端的接頭連件通過銷軸與尖軌端鉸接,一定程度上限制了動作引導桿繞自身軸線的旋轉自由度,且銷軸連接的軸孔間隙可能使動作引導桿發生微小轉動,但并不影響磁致伸縮位移傳感器的正常使用。

圖2 測量系統結構圖Fig.2 Structure diagram of measurement system

1.2.2 解算模型

測量系統得到動作引導桿的線位移增量Δli和角位移增量Δθi。如圖3所示,設遠軌端回轉中心點O到近軌端鉸接點A的初始距離為l0,其連線(動作引導桿)繞回轉中心O順時針旋轉時Δθi＞0,此時線位移增量Δli和角位移增量Δθi共有四種組合形式,每種組合下尖軌運動范圍不同。其中,s為爬行位移,t為密貼位移。現以Δθi＞0,Δli＜0為例,給出具體解算模型。

圖3 Δθi和Δli四種組合下尖軌運動區域分析Fig.3 Analysis of the motion region of switch rail under four combinations ofΔθi andΔli

由圖3(b)可知,當Δθi＞0,Δli＜0時,尖軌可能移動至第一象限或第二象限,為確定尖軌移動后的實際位置,可進行以下判斷。

若l0cosβ＞(l0+Δli)cos(Δθi-β),則尖軌運動至第一象限,如圖4所示。

圖4 第一象限解算模型Fig.4 Solution model in first quadrant

此時可得

其中,∠ACD需分情況計算。

當l0+Δli＜l0cosΔθi,∠ACO為鈍角,∠ACD為銳角,則

當l0+Δli＞l0cosΔθi,∠ACO為銳角,∠ACD為鈍角,則

若l0cosβ＜(l0+Δli)cos(Δθi-β),則尖軌運動至第二象限,如圖5所示。

圖5 第二象限解算模型Fig.5 Solution model in second quadrant

此時式(1)~式(3)依然成立,∠ACB計算公式為

其中,∠ACD同樣需要分情況計算。

當l0+Δli＞l0cosΔθi時,∠ACD為銳角,則

當l0+Δli＜l0cosΔθi時,∠ACD為鈍角,則

圖3 中其他三組情況下的解算模型,可參照上述公式構建,此處不再贅述。

1.2.3 標定模型

在解算過程中,初始位置參數l0(初始桿長)和β(初始安裝偏轉角度)是未知的,需通過標定獲得。

首先,由標定平臺給定一組已知的密貼間隙t和爬行量s數值。由圖4可得

其中,∠CAO也需分情況計算而得。

但在實際安裝中,系統所采用的連接件可能使圖4模型中的A點不在動作引導桿軸線上,而是存在偏移量a,如圖6虛線所示,此時a,l0′和β為所需標定的初始位置參數。

圖6 標定模型Fig.6 Calibration model

由圖6可知

β仍可由式(6)、式(7)計算。但因存在偏移量a,式(7)中的變量l0,Δli,Δθi變為圖6模型中的l0′,Δli′,Δθi′,其中

此時根據余弦定理可構建關于a,l0的二元方程f(a,l0)=0,即

則

每給定一組密貼和爬行位移值,則可提供一個如公式(13)所示的函數f(a,l0)=0。提供多組密貼和爬行位移值,構建超定方程組,給定迭代初值a0及為連接件設計尺寸為初始安裝狀態下粗測的動作引導桿長度),迭代求解該方程組得到(a,l0),再代入式(6)~式(12)計算l0′和β的值。

2 數據采集與發送

2.1 電路總體框圖

系統數據采集處理單元選用STM32F103CBT6芯片作為微控制單元,內部集成防雷擊浪涌的電源模塊、溫度檢測模塊、USB程序下載模塊以及J-LINK仿真器接口,配有RS422,SSI,CAN以及無線WiFi等多種通信接口。如圖7所示,數據采集處理單元分別通過RS422,SSI傳輸協議獲取角度編碼器和磁致伸縮位移傳感器數據,利用溫度檢測模塊獲取當前溫度值以補償動作引導桿的變形。上述數據經分析處理后通過CAN通信方式上傳給上位機,在上位機監視程序中顯示密貼間隙和爬行量數值及曲線圖,同時也可采用WiFi無線傳輸方式發送至遠端。

圖7 電路總體框圖Fig.7 Overall block diagram of circuit

2.2 供電電路

如圖8所示,接線端接入220 V交流電后,經過三個用于浪涌防護的TVS管和一個保險絲后接入濾波器FC-LXID,濾波器能夠有效防止電網雜波干擾本電路。濾波器輸出端接入AC轉DC電壓轉換模塊LHE25-20B,降壓后雙向TVS管吸收開關電壓尖峰,最終輸出24 V直流電壓。一部分直流電壓經過濾波電路用于向磁致伸縮位移傳感器供電,另一部分直流電壓經過兩個降壓模塊后分別輸出5 V和3.3 V電壓,用于向后續電路供電。

圖8 供電電路圖Fig.8 Power supply circuit diagram

2.3 數據采集與發送電路

系統采用角度編碼器和磁致伸縮位移傳感器采集動作引導桿的角位移和線位移,數據采集處理單元分別通過RS422、SSI傳輸協議與角度編碼器和磁致伸縮位移傳感器通訊。如圖9(a),圖(b)所示,角位移和線位移采集電路均使用MAX490ESA芯片,經過電平轉換電路實現與微控制單元通訊。數據采集處理單元獲取的數據可通過CAN總線或無線WiFi傳輸給用戶。如圖9(c)所示,微控制單元引出CAN接收和發送引腳,經過光耦合器6N137接入通用CAN收發器PCA82C250以收發信號。無線WiFi電路采用USRWIFI232-A2模塊,可實現串口到WiFi數據包的雙向透明傳發,從而實現物聯網的控制與管理。

圖9 數據采集與發送電路Fig.9 Data acquisition and transmission circuit

2.4 測量實驗

尖軌密貼爬行測量系統實物圖如圖10所示,在精度實驗中,系統采用正交精密位移滑臺模擬尖軌密貼、爬行動作,利用光柵尺測量滑臺準確位移,準確度為±3 μm,在上位機監控界面上顯示系統測量值。首先,給定多組爬行與密貼量(si,ti),參照1.2.3節標定模型進行系統標定。然后滑臺從(10,10)位置處開始測量,滑臺沿兩個方向每次各向前移動10 mm,共測量10次,實驗數據如表1所示。

圖10 尖軌密貼爬行測量系統實物圖Fig.10 Picture of measurement system for closing and creeping of switch rail

在表1精度實驗數據中,密貼誤差極值為0.162 mm,爬行誤差極值為0.187 mm,均在±0.2 mm范圍以內,滿足尖軌測量設備的測量精度要求,可實現精確測量功能。

表1 精度實驗數據Tab.1 Data from precision experiments

3 結論

提出了一種綜合檢測尖軌密貼與爬行位移的方法,并研制了相應系統,建立了求解密貼間隙和爬行量的解算模型,給出了標定系統初始位置參數的標定方法,設計了基于STM32F103CBT6主控芯片的數據采集與發送電路。對該系統開展精度實驗,結果表明密貼和爬行測量誤差均小于0.2 mm,滿足尖軌測量的精度要求,能夠可靠地完成尖軌密貼爬行測量工作。該系統為保障鐵路的安全運營提供了準確、可靠的技術手段,為促進高鐵建設能力的提升提供了有力支撐,具有重要技術借鑒意義和工程應用價值。