轨道检测技术之二

轨道检测技术（之二）第三节 轨道检查车一、轨检车的发展（一）我国轨检车的使用情况随着全路提速战略的实施，行车安全和舒适己成为运输生产中的关键问题。线路作为基础设施中的重要环节，随着轨检车的应用而提高了维修质量，确保了良好的状态，成为以科技保安全的典范。近年来，轨检车随着计算机技术和检测技术的发展而得到迅速发展，检测精度和可靠性大大提高。在轨检车检测结果的监督和指导下，线路质量得到普遍提高，以动态检测为主，静态检查为辅的轨检思想己经深入人心。但是，在行车速度或检测速度提高以后，国内轨检车存在的问题也日益突出，既有的轨检车技术落后于国外先进技术。轨检车一直是检测轨道病害、指导线路养护维修、保障行车安全的重要手段。我国铁路从20世纪50年代起就采用1型轨检车每季度检测一次正线线路，该轨检车的特点是采用弦测法，机械传动，可以将轨距、水平、三角坑、摇晃（用单摆测量）项目的幅值绘在图纸上，人工判读超限并计算扣分。60年代后期研制的2型轨检车仍采用弦测法，但改为电传动，检测项目比1型车增加了长波高低和短波高低，超限判读和扣分计算方式与1型车相同。80年代初期研制成功的GJ-3型轨检车是我国轨检车技术的一次重大飞跃，其特点是将先进的传感器技术、计算机技术和惯性基准原理应用到轨检车上，可以检测高低、水平、三角坑、车体垂直和水平振动加速度，轨距、轨向则无法检测，传感器信号经过相关处理，直接以电压大小作为不平顺超限判据，计算机采集后，计算超限等级和数量，并计算扣分，以扣分的多少来衡量线路的好坏。笔式绘图仪记录不平顺波形，GJ-3型轨检车上计算机的作用仅为计算扣分，没有发挥应有的作用。仪器电路采用的大多是70年代末80年代初的分离元件，稳定性差,加之安装时间跨度大，即使同一种仪器使用的元器件也不尽相同，接口也不完全一样，造成了备件选择和维修上极大的困难，2000年前后，全路GJ-3型轨检车共有17辆，养护、维修难度很大。1985年我国成功引进美国ENSCO公司T-10轨检车先进的轨检技术，研制成功XGJ-1型新型轨检车，并以XGJ-1型新型轨检车为基础，成功研制了GJ-4型车。这标志着我国轨检技术和轨检车又一次飞跃，使我国线路检测和轨检车跨入世界先进技术的行列。XGJ一1型新型轨检车采用惯性基准检测原理，“捷联式”系统结构，对各种误差信号进行补偿修正，并使用小型计算机集中处理全部检测项目数据。检测信号利用率高，传感器安装方便，对车辆无特殊要求，检测项目齐全，包括轨距、轨向、高低、水平、曲率、三角坑等轨道几何不平顺。我国在引进时，又增加了车体水平和垂直振动加速度，可以用来评价线路质量状态、指导维修，还包括道岔、道口及桥梁等地面具有显著特证的标志物，方便工务人员查找病害。同时，我国技术人员学习、吸收T-10检测原理、技术和经验，研制了轨距轨向测量装置，装备GJ-3型轨检车，解决了GJ-3型轨检车检测项目不全问题。随着铁路大提速的新形式，原有轨检车显露出不能适应提速新形式的要求。GJ-4型车（包括GJ-3型轨检车）复杂的机械系统在恶劣的使用环境下容易出现故障；轨距吊梁悬挂在轴箱上，冲击和振动影响非常大，导致轨距吊梁本身的安全问题。东北地区和其他寒冷地区，由于雨雪造成伺服机构结冰无法正常工作而引起轨距、轨向无法测量时间在3-6个月以上；西北地区风沙导致的伺服机构移动失常，伺服电机和梁上传感器的故障率远远大于安装在其他部位的传感器。吊梁在检测速度比较高时出现周期性振荡导致检测失真。随着电气化铁路的日益增多，电磁作用对采集系统的干扰问题也显现出来。以上情况都说明，GJ-3/GJ-4型轨检车仍存在的一些问题，尤其是在提速线路上使用，距离期望和实际要求还有一定的差距。取消GJ-4型轨检车（包括GJ-3型轨检车）上的轨距吊梁工作迫在眉睫，否则引发的行车安全问题将带来不堪设想的后果，特别是检测速度提高、检测密度加大、检测环境复杂（冬天东北地区、夏季多雨的南方地区、风沙灾害严重的西北地区）检测配件不足及超期服役情况下，安全问题、检测精度问题、可靠性问题都难以很好的保证。国外的做法是将吊梁安装在构架上，大大减少了振动的影响，保证了安全性，同时取消了伺服机构，采用无移动部件的传感器，可以大大减少设备故障率，提高检测精度。虽然GJ-4型轨检车在我国铁路线路检测中起到了重要作用，但GJ-4型车目前检测项目对指导维修来说还很不够。国外轨检车除检测轨道几何状态、行车舒适度（车体加速度）外，还可以检测对维修和安全具有重要意义的钢轨垂直磨耗、侧面磨耗、波浪磨耗、轮轨作用力及由此计算得到的脱轨系数、轮重减载率和轮轴力等。面对日趋严峻的形式，铁道部决定再次引进国外最新的检测技术及轨检车，以满足不断提速的需要。目前大量新型轨检车即GJ-5型轨检车正处于引进开发阶段，并即将投入使用。针对GJ-4型车（包括GJ-3型轨检车）存在的问题，结合引进国外最新摄像式检测技术，GJ-4G型轨检车，GJ-3型改造轨检车己相继研制成功。伴随既有提速线路和重载运输的发展，轨检车检测技术的进步，提出和完善l20km/h以上线路轨道不平顺管理标准和管理办法的研究，相继研究制定了120l60km/h、160200km/h轨道局部不平顺管理标准和评价方法，提出了轨道区段不平顺管理的方法和评价标准，为配合今后高速轨检车的使用，研制轨道不平顺管理系统化管理标准和方法奠定了基础。（二）国外轨检车技术随着铁路高速化的进展，国际轨检技术在同速检测和综合检测的潮流下（动车组检测），己向着无移动部件、检测项目齐全、故障判断高智能化、检测系统网络化、检测数据处理科学化的方向发展，相继涌现出许多先进的检测技术、方法和设备。1日本高速铁路轨检车日本目前高速铁路总长2049公里，山阳新干线500系高速列车运行速度为300km/h，东海道新干线运行速度270km/h，东日本的东北、上越、北陆新干线运行速度为275km/h。日本先后生产了六列“电气轨道综合试验车”（黄色医生，见图4-3-1）用于综合检测，并以近期投入使用的E926型“East-i”（见图4-3-2）最具代表性。图4-3-1黄色医生East-i由六辆检测车组成，在JR东日本新干线检测速度为275km/h，检测速度与运行速度一致，实现了等速检测。“East-i”可进行轨道、接触网、轮轨作用力、车体加速度、通信信号的检测。线路检测系统安装在列车的第3号车辆上，该车辆采用了与实际运行车辆相同的两个转向架结构，以使轨检车车辆的性能与实际运行车辆相同，属于典型的动车组检测列车。图4-3-2East i综合检测列车East-i综合检测列车每10天对新干线线路检测l遍，凡检测结果超过紧急补修标准，当夜就要进行紧急补修；如果超过了限速限速运行标准，不仅当夜要进行紧急补修，而且中心指令室立即通过联网计算机向通过该区段的各次列车司机发出指令，司机将严格按照操纵台上显示的慢行区段和慢行速度来操纵列车运行。如果East-i综合检测列车因维修而不能进行检测，则在运营动车组中编挂一辆轨检车，使轨道检测工作不停止。2德国的轨道检查车德国铁路的路网公司DBNetz目前管理的铁路运营里程为35000公里左右，在运营线路的轨道质量检测方面，采用的检测方式包括人工定期检测和设备动态检测两种。人工定期检测手段包括目测和使用小型检测设备。动态检测设备包括轨道检查车、钢轨探伤车、波浪磨耗检测车等。路网公司的线路检测工作统一由检测部门NBI 4来完成，该部门负责轨道检查车研究开发和检测运营工作。该部门配备6辆轨道检查车其中一辆为高速轨检车（OMWE，见图4-3-3），检测运营速度受车体构造速度的限制为200km/h，还没有实现等速检测；其余为机械式低速GMTZ轨检车和OMW轨检车，检测速度在80km/h左右，主要负责160km/h以下的线路的日常检测。德国230km/h以上高速铁路的轨道检测周期为一般2个月，特殊情况不超过3个月，其检测周期与我国相比比要长得多，这与线路的整体质量和线路的运输负荷及轨道维修养护模式有关。德国在新线建设的过程、线路提速改造、线路大修时既对轨道质量的控制就非常严格，而且路网密集，轨道的运护维修机输负荷相对较小，轨道养械化程度高，轨道质量相对较稳定，DB Netz的经验表明这样的检测间隔已足够。图4-3-3德国OMWE高速轨检车德国DB的基础设施检测由DB Netz的NBI 4来完成，同时该部门也负责轨检车的研究开发，DBNetz的NBI 4己有25年的轨检车研究开发历史，目前投入运营的轨道检查车有OWE和GMTZ两种，正在进行研制试验的是RaiLAB新型高速轨检车，是OMWE的改进型，采用相同的检测原理和系统设计，包含两节车，检测设备占用一节车，数据处理系统设备占用另外一辆车，该车研制工作已完成，现正进行最后的整车标定，其中GMTZ为机械式，采用弦测法测量原理的历史较长的低速轨检车；OMWE为该部门研制的高速轨检车，采用惯性法检测原理，可检测轨距、轨向、高低、水平、三角坑等轨道几何参数，还可计算出欠超高，250米区段内的几何不平顺参数的均方差，并对轨道的质量根据几何不平顺数据进行加权后的总体评价。DB的轨道检查车并不对检测车的车体振动加速度进行检测，其着重点在轨道的几何不平顺，乘坐舒适度方面的监测由车辆方面的部门负责，这与我国是不同的。OMWE和RaiLAB的主要技术特点是：（1）采用激光无接触检测技术（PSD技术），利用光学跟踪系统在列车运行过程中自动跟踪锁定轨距测量点和钢轨顶面中心线（高低及水平测点），以保证系统的检测精度。（2）车上安装三轴陀螺惯性平台，建立绝对惯性基准，惯性平台与车体之间减振措施完善，通过不同方向的位移计检测惯性平台与钢轨之间的相对位置变化，再通过多次空间坐标变换得到轨道在空间域内的准确位置变化。（3）安装在转向架上的激光传感器与轨道顶面的距离仅15mm，并与轮对尽量接近，以保证测点尽量靠近轮轨接触点，既有利于防止阳光干扰，又更真实反应了轨道在动荷载作用下的真实质量状态。（4）由于采用了三轴陀螺平台，其余传感器主要完成钢轨测点相对于平台的位移变化，系统在超低速（小于10km/h）下仍能正常工作。（5）激光传感器与轨道之间采用完善的压缩空气清洁系统，辅以清洁剂，有利于减少雨、雪、风沙对测量系统的影响。3.法车TGV高速铁路的线路检测车法国1990年大西洋高速线列车运行速度达300km/h，1993年北方高速线列车运行速度达300km/h，2001年地中海高速线列车运行速度达350km/h，其线路检测有三种方式：（1）步行或添乘验道车。（2）在TGV列车动车后加挂装有测定客车轴箱垂直、横向加速度的专用车厢（速度为300km/h，每15天一次）。（3）用莫赞（MOZAN）轨检车（速度为160km/h，将提高到200km/h）动态检测线路几何状态（每3个月检测一次）。没有实现等速检测的高速线路，每日凌晨在开行第一列TGV列车前，开行一列以160km/h速度运行的无乘客TGV列车，以检测轨道有无异常情况。MGV（见图4-3-4）是专为法国高速铁路研制的综合检测列车，它在成熟的动力集中式TGV动车组上安装了全部基础设施检测必须的高技术设备，由8节车辆构成，检测速度设计为320km/h，检测周期为两周一次，主要完成以下检测项目：（1）线路检测：轨道几何（采用激光检测）；车体加速度；轴箱加速度；车辆噪声；钢轨表面图像记录；线路环境数字图像采集；扣件、枕木、道碴检测。（2）接触网检测：机车受流检测（电弧、电压、电流以及弓网图像）；接触网动态参数（冲击与硬点，垂向加速度，接触网高度和拉出值)；接触导线磨网厚度测量。（3）信号检测部分：动态信号传输参数（TVM）(机车信号)；列车速度控制信标参数（KVB）（列控信息）；轨道上的点式应答；ERTMS标准II和标准III。图4-3-4法铁MGV高速检测列车（4）通信检测部分：车地通讯的无线覆盖；GSM和GSM-R的无线覆盖。（5）其他检测项目：列车定位，速度，气象条件，风速，道口。4.意大利高速铁路的轨道检查车罗马佛罗伦萨高速铁路列车运行速度为250km/h，第二期工程列车的运行速度300km/h，使用“阿基米德”高速检测车（见图4-3-5），检测速度220km/h，基本达到等速检测的要求。“阿基米德”综合检测列车具备检测119个不同参数的能力，能检测轨道几何参数、钢轨断面、钢轨波浪磨耗、接触网及受流状态、通信和信号、车体和轴箱加速度、轮轨作用力等。车上包括57台计算机，每秒钟可以处理30G的数据，有24个激光头、43个光学摄像传感器、47个加速度计，大量的强度、速度、定位以及温度传感器，以及一个用于航空电子领域的惯性平台。车上软件应用的所有电子板卡都具有防电磁干扰设计，速度测量采用多普勒效应雷达传感器。列车的构造组成考虑到将所有测量伟感器都集中安装到客车上，基于数据集中处理工作站，对数据传输系统的设计进行革新（5km的光纤，采用Sonet/Sdh同步技术的实时数据传输系统，传输速率达每秒2500Mbit）。“阿基米德号”的驱动车在列车的前方，机车位于列车的后部，这种布置是为了防止机车布置在前方会干扰客车中的传感器。图4-3-5意大利“阿基米德”高速检测列车5.西班牙高速铁路的轨道检查车西班牙高速铁路运行速度300km/h，线路检测方法有以下几种：（1）每年2次有轨检车检测。（2）每周至少1次用编挂在AVE型高速列车中的一辆控制车作动态检测，主要测量记录轴箱垂直加速度、转向架的横向加速度、控制车体的垂向及横向加速度。（3）每月2次在列车司机室上目测检测线路状态。（4）每月2次用速度低于60km/h的轨距车复查轨距。6.韩国高速铁路的轨道检查车韩国高速铁路的运行速度为300km/h，其线路检测和接触网检测采用意大利制造的单节检测车ROGER 1000K（自带动力），检测速度160km/h。二、轨检车系统结构和检测原理（一）轨检车的系统结构目前各国由传感器、检测系统、轨检数据处理构成的轨道几何参数检测系统，从其结构来分主要两大类：一类是以各种独立硬设备为主，予以组合的“组合式”系统；另一类是以计算机为中心的“捷联式”系统。组合式系统各独立硬设备输出轨道几何参数，计算机只是对各种轨道几何参数进行超限摘取、统计、评价、报告打印、绘图、存储等；捷联式系统的计算机则既完成轨检信号的修正、补偿，根据数学模型合成轨道几何参数，而且同时还完成轨道几何参数超限摘取、统计、评价、绘图报告打印等。计算机在参与轨道几何状态参数的检测上，两类系统有根本的不同，捷联式系统是轨检系统结构上的变革。捷联式检测系统是近些年来在计算机技术飞速发展基础上，产生的新型系统结构，以超高测量为例，在捷联式系统中，将陀螺及加速度计直接安装在车体上，不再使用惯性陀螺平台，在运动的车体上直接建立惯性基准，但并非平台概念在捷联式系统中不再存在，只是它仅用计算机建立一个数学平台，取代组合式系统中的电气机械实体平台。属于组合式系统，而1985年引进的T-10轨检车技术和GJ-4型轨检车，则是捷联式系统的代表。组合式与捷联式轨检系统的比较：1组合式系统轨道几何参数是由传感器和相应的机械电子设备完成，精密机加要求高。系统精度依赖于传感器精度、精密机械加工、电子线路的功能，要求很高。捷联式系统中，轨道几何参数由传感器和计算机共同完成，提高精度，除对传感器、计算机的计算精度、速度等有一定要求外，最重要的是取决于几何参数产生的数学模型的准确程度。从提高检测精度考虑，捷联式比组合式要灵活得多。2在组合式系统中，计算机不参加轨道几何状态参数的产生，只进行数据处理，而在捷联式系统中，对计算机内存容量、速度和精度的要求比组合式高。计算机完成检测和数据处理双重工作，如运算速度不高就不可能实时检测。但从近年计算机技术的发展速度看，这种要求很容易满足。3捷联式系统与组合式系统相比，稳定性高、重复性好、可靠性高、操作简单、故障率低、易于维修，这主要是因为捷联式系统中用软件实现了组合式系统中用硬件设备才能完成的工作。从技术层面看，提高机电系统的可靠性要比提高电子部件特别是数字电路的可靠性困难得多。4捷联式系统突出的特点是成本较低。捷联式系统中无需大量的机械电子设备，从计算机和传感器的发展趋势看，捷联式系统在成本上有潜在优势。此外，捷联式系统可靠性高，维护简单方便，对使用人员要求低，进一步降低了使用费用。因而总费用上比较，捷联式系统优势将越来越大。基于上述比较，采用捷联式系统体系结构的优势明显，从发展的观点看，其优势将日显突出。（二）轨检车的检测原理轨检车按检测原理不同分为弦侧法和惯性基准法测量。(主要指高低、轨向的检测)1弦测法弦测法传递函数特性的不为“1”，造成弦测法检测结果存在“虚波”现象，虚假波形叠加后使检测波形产生严重失真，其检测结果不能完全真实反映轨道不平顺的实际状态。2惯性基准法英、美、中、德、荷等国和日本东北新干线的新型轨检车，均采用更先进的惯性基准法，其传递函数有较好的平直特性，测得的不平顺波形失真小，但采用惯性基准法需认真做好对车辆振动的修正补偿，否则仍会产生波形严重失真。3弦测法、惯性基准法传递函数的比较经过众多从事轨检事业的专家技术人员不懈探索和研究，经过改进和完善弦测法测量技术，弦测法测量原理和惯性基准法测量原理依然是当今轨检车检测技术的基础。根据日本轨检车长期采用弦测法检测技术的经验，改进的弦测法测量技术不仅弥补了原有的不足，同时扩展了其检测波长，将测量波长由330m扩展到70100m，为高速铁路轨道长波不平顺的检测奠定了基础，比如日本的40m中弦法可用来粗略地测量长波不平顺。三、GJ-3型轨检车（一）GJ-3型轨检车简介GJ-3型轨检车于八十年代研制成功，随后在全路各局逐步推广，取代原有的EX2型轨检车。GJ-3型轨检车采用惯性基准原理和“组合式”系统结构，主要由速度里程、高低、水平、三角坑、轨距、轨向、振动加速度、超高曲率、计算机处理、图表报告输出等八个部分组成。前六个部分基本相对独立，各轨道几何参数由一套检测设备完成，并将测试结果交计算机处理，作超限处理及评分，同时由图表输出波形图，由打印机输出报告。（二）各检测项目组成及简单测量原理1速度里程速度和里程是轨检车两项重要的测量内容，主要是为把超限与位置结合起来，供维修查找；有些检测项目要修正，也要用到速度、里程。增加的轨向，由于是按距离采样，也必须由速度里程驱动。速度和里程检测设备主要由光电编码器和SLCY-0速度里程仪组成，可检测列车速度、走行里程和走行时间等，并给出单元距离采样脉冲。光电编码器主要由发光二极管、光栅盘、光电接收、放大驱动电路等部分组成。GJ3型轨检车采用每转输出1000个脉冲的高分辨率光电编码器，车辆走行时，编码器受车轮转动驱动，连续输出距离脉冲。对距离脉冲进行记数累加，就可以得出里程。速度里程测量仪采用可变分频及控制时间门宽度方法对每个脉冲所代表的距离进行调整，最后连续自动输出列车速度、走行里程和走行时间。长时间的累计，会产生距离误差，因此要经常对里程进行校对。目前，可以做到的里程误差在千分之一、二左右。如果10km校核一次里程，位置误差在1020m，基本上可以满足根据报告的里程，寻找超限位置的要求。2高低、相对水平、三角坑高低、水平、三角坑（即扭曲）都是重要的轨道几何参数，GJ-3型轨检车的高低测量是由CP3惯性基准轨道高低测量仪完成。主要由机械装置、传感器部分（加速度计和位移计）以及电子线路三部分组成，可检测轨道左高低、右高低、相对水平，并由此计算机计算各种基线长度的三角坑。CP3惯性基准轨道高低测量仪采用惯性基准法。其中，加速度传感器主要反映频率较低、加速度数值较小的长波，位移传感器主要反映频率较高的短波，由上述两部分得到整个波长范围的轨道高低，分别测得轨道左轨、右轨高低两者差值，可得到轨道的动态左右水平差（即相对水平），据此计算机会算出各种基线长度的动态三角坑（与超高测量得出的三角坑相区别），图4-3-6是CP3惯性基准轨道高低测量仪的原理框图。图4-3-6CP3惯性基准轨道高低测量原理框图3轨距GJ-3型轨检车的轨距测量装置与GJ-4型轨检车基本相同，轨距测量部分在GJ-4型轨检车中作介绍。4轨向高低检测是惯性基准法在垂直方向进行轨道不平顺的测量，轨向则是惯性基准法在横向进行轨道不平顺测量的结果。轨向测量在横向的惯性基准，与高低检测一样用加速度计通过二次积分完成。有了惯性参考在空间的横向位移，再分别加上左、右轨距测量值，就可以产生左、右轨的方向，可以说轨向的测量是在轨距测量的基础上完成的。轨向测量结构原理见图4-3-7、图4-3-8。图4-3-7轨向测量结构原理作为产生惯性参考的加速度计在横向受车辆运动的影响，存在的有害加速度比在垂向要严重的多。例如在曲线上的离心加速度，与产生高低惯性位移参考加速度计的敏感方向基本是正交的，因此基本不产生影响，而对方向测量而言，这种干扰是必须考虑的。在GJ-3型轨检车上，是采用滤波的方法来消除有害加速度的影响。这种方法的主要优点是简单，但是在曲线上测量误差比GJ-4型轨检车采用补偿方法测量要大一些。图4-3-8轨向测量装置原理框图5超高、曲率超高和曲率测量的原理见图4-3-9。车内地板上安装有陀螺平台，不管车辆如何运动，陀螺平台始终稳定在当地水平位置，于是可以测到车体的倾角，利用车体和轮对之间安装的位移传感器，可以得到车体与轮对（不考虑轮对的锥型踏面等因素），即车体与轨道所在平面的倾角，求车体倾角和车体与轨道倾角的代数和，就可以得到轨道的倾角。轨道倾角和轨距运算，即可得到超高。图4-3-9超高测量原理利用陀螺平台上的转动角速率陀螺，可以测得曲线上车辆运行的角速度，与速度里程给出的车辆的速度运算，即可得到曲率，即单位距离上的转角。因此，超高测量的关键，是在运动的轨检车上建立水平基准，又一次用到惯性测量技术。日常生活中，我们用水平仪气泡是否居中来判定被测物体是否水平，然后人工调节被监测物体，使之处于水平，这套方法也可以用在平台上，不过水平仪的特性不能满足要求，就需要使用加速度计，利用它来感受重力加速度，与水平仪有同样效果。在曲线上，离心加速度会使水平仪的气泡偏离，不能指示真实水平位置，说明车辆的运动中会存在各种干扰加速度，破坏车内建立水平惯性基准，因此必须测出有害加速度，并去除其影响。陀螺平台的工作原理是：安装在平台上的加速度计感受当地的重力加速度，同时由一套自动控制系统，调节由陀螺稳定的平台，使其稳定在当地水平位置。如果在曲线上，离心加速度使由加速度计调平的平台偏离水平位置，可用同样安装在平台上的另一个转动角速率陀螺，测出转动角速度，结合速度里程给出的速度，计算出对离心加速度补偿的数值，进行调平修正，从而保证给出正确的水平基准指示。要精确的给出水平的惯性基准，对陀螺平台的加工、安装的要求都非常高，必须有精密机械加工作为保证，也要有精密的惯性元器件（陀螺和加速度计）等，同时，还须配合大量的电子线路构成的自动调节和控制系统。作为测量关键的惯性元件，安装在一个环境条件非常好的平台上，才更容易得到比较好的测量结果。6车体水平加速度和垂直加速度GJ3型轨检车的车体水平和垂直振动加速度是由DCZ-4多功能低频振动测量仪完成，多功能低频振动测量仪可以完成对车体和轴箱的垂直、水平振动加速度和位移的测量。对于轴箱振动加速度和位移的测量，要反映的是线路短波不平顺，监测的频率较高，开始使用时输出到12线磁笔绘图仪上，没有一个方便的评价手段。由于GJ-3型轨检车研制时行车速度较低，对振动加速度认识也不够，在使用一段时间后，就放弃了，只保留了车体水平和垂直振动加速度测量。DCZ-4多功能低频振动测量仪除了有一套适配应变式加速度计的应变放大器之外，主要具备两个功能，即用于加速度测量的低通滤波和用于位移测量的重积分放大器。低通滤波的截止频率为5Hz、l0Hz、20Hz、40Hz、80Hz、l60Hz、全通（2000Hz）七档，根据实际需要选定。由于只使用其单一功能，这一测量设备以后就演变为单一加速度计配合低通滤波的简化形式。列车振动测量随着行车速度的提高显得越来越重要，在轨检车上安装测量装置，通过对车体及轴箱振动的测量，可以综合评价和监视轨道的平顺性及旅客舒适度，也能了解车辆的特性及钢轨轨面擦伤、波浪磨耗、接头分布等情况。随着列车速度的不断提高，钢轨短波不平顺造成的轮轨冲击力大大增加，轨道长波不平顺引起的振动更接近车辆的自振频率，从而影响乘车舒适度。因此，轨检车越来越重视对钢轨短波不平顺和长波不平顺的检测，以保证安全和舒适，而在轨检车上对车体及轴箱振动加速度进行测量，既是对舒适度的综合评价，也是对轨道几何不平顺检测的补充。己有的实验数据表明，钢轨顶面短波不平顺引起的轴箱振动频率是非常高，接头和道岔所引起的轴箱振动加速度的频率在1kHz以上，如京广线轴箱振动加速度在100g内，石太线轴箱振动加速度在80g内，而车体经过转向架一系簧和二系簧减振后（车辆的减振系统相当于一个低通滤波器），无论是垂向还是水平方向的振动频率都大大降低，通常客车车体的自振频率在1Hz左右。根据试验，频带0lkHz范围内，轨检车车体振动加速度一般在2g以内；频带050Hz范围内，轨检车车体振动加速度一般在0.5g以内。因此在使用车体加速度测量的低通滤波器时，要考虑车体及轴箱的振动特性。GJ-3型轨检车上车体垂直及水平方向振动加速度在预处理时所用低通滤波器截止频率分别为10Hz和20Hz，所以轨检车轴箱振动加速度用来定性反映钢轨顶面磨耗、接头状况等，而车体振动加速度用来综合评价轨道不平顺状况及乘坐舒适度。（三）对GJ-3型轨检车的评价GJ-3型轨检车是我国在八十年代自行研究轨检技术的基础上，于九十年代开发的一代轨检车，在我国轨检技术和轨检车的发展上起着非常重要的作用。直到目前，也还有少数在服役。但GJ-3型轨检车面临着设备老化，急待更新及轨距梁改造的问题，在系统结构上也反映出老化的趋势。四、GJ-4型轨检车（一）GJ-4型轨检车的系统结构及检测原理GJ-4型轨检车检测系统采用了先进的模拟数字混合处理系统，为捷联式系统结构，检测不受列车运行速度和方向的影响，精度较高；由于采用数字滤波、计算机运算合成方式得到轨道不平顺数据，通过修改计算机软件就可以很容易地改变系统可测波长等检测参数，系统灵活性较大；该系统以数字信号处理为基本处理方式，可靠性高，与以模拟处理方式为主的轨检系统相比维修量少。GJ-4型轨检车的检测系统主要由模拟信号处理系统和数字信号处理系统两部分组成，模拟信号处理系统由各路传感器、信号转接及监视装置、信号处理装置、功率放大装置、调制/解调装置和电源等五个单元构成；数字信号处理系统由主微机、编辑微机、热敏记录仪、行式打印机、条形显示屏等组成。轨检车检测系统的基本工作原理为各种传感器将需要检测的位移、速度、加速度等物理量转换为相应的模拟信号，通过信号转接及监视装置输入到信号处理装置。信号处理装置将信号放大和模拟滤波处理后再经信号转接装置输入到主微机。主微机对输入的模拟信号进行A/D模数转换、数字滤波、修正以及补偿处理，然后经过综合运算，得到所需轨道几何参数的数字结果，经D/A数模转换后得到被测轨道几何参数的模拟输出信号，再经过信号转接及监视装置，最后输出到绘图仪，绘图仪将所需轨道几何状态参数的波形记录下来。另外，轨道几何状态参数信号通过主微机的RS232接口传输给编辑微机，由编辑微机对数据进行编辑、显示超限数据，并可输出到行式打印机，打印出轨道几何参数的超限数据报表。1轨距见图4-3-10。轨距测量装置由原理和结构完全对称的左右两个子装置组成，它们各自测量左轨及右轨的轨距变化分量。两个轨距分量之和就是轨距值。左右轨距测量子装置均包括五个部分：光电传感器、调制解调器、信号处理器、功放、伺服机械。光电传感器和伺服机械安装在车体下面的测量梁上。调制解调器、信号处理器及功放安装在车内。光电传感器位于轨顶面斜上方，与钢轨内侧面轨距点之水平距离为DgsL（DgsR），与测量梁上伺服马达水平距离为DsbL（DsbR）。左右马达间距为D。光电传感器发出的光束以角投射到左（右）轨面下16mm处，漫反射光被光电接收器接收。当钢轨位移，轨距变化时，光电传感器感应其变化并输出相关电信号，经调制解调器处理后，成为与轨距变化成线性比例的电压信号，再经信号处理器、功放，驱动马达，使光电传感器在伺服机械的推动下，跟踪钢轨位移。轨距计算按如下公式：（SL为左轨距分量，SR为右轨距分量）图4-3-10轨距测量装置2曲率曲率定义为一定弦长的曲线轨道（如30m）对应之圆心角（/30m）。度数大，曲率大，半径小。反之，度数小，曲率小，半径大。轨检车通过曲线时（直线相同），测量车辆每通过30m后车体方向角的变化值，同时测量车体相对两转向架中心连线转角的变化值，即可计算出轨检车通过30m曲线后的相应圆心角的变化值。图4-3-11测量曲率的传感器分布曲率测量的传感器分布见图4-3-11。摇头速率陀螺YAW，测量车体摇头角速率；位移计DT1测量车体一位端的心盘处与一位转向加间的相对位移；位移计DT2、DT3测量车体二位端心盘前后两侧与二位转向架构架之间的相对位移；光电编码器TACH提供速度距离信息由于一阶模拟滤波器在处理模拟时间域信号时，其频率特性是固定不变的，但在处理YAW所表示的空间域频率信号时，其频率特性就是变化的了。因此，一阶模拟滤波器输出信号经采样，进入计算机还需进行数字滤波处理。数字滤波的作用，是对一阶模拟滤波器引起的频率特性变化进行校正，使得模拟滤波和数字滤波混合处理后，在设计的通带范围内，空间域幅值特性不受列车运行速度的影响。3水平（超高）测量水平的传感器分布见图4-3-12。图中倾角计INCL和滚动陀螺ROLL用于测量车体的倾角，ROLL测量中的高频成分。INCL测量中的低频成分（包括车体静止时的倾角）。与之和为。由于车体摇头会对INCL输出产生附加影响，YAW为INCL提供补偿信号。位移计LPDT和RPDT用于测量车体与轮轴间的相对夹角。车体倾角和车体与轮轴夹角相结合，计算出轨道倾角，由和两轨中心线间距离（l500mm）计算出水平值。首先INCL输出的电压信号经过频率响应为F(s)的二阶模拟抗混迭滤波器处理，然后采样进入计算机进行数字滤波处理。由于二阶模拟滤波器处理模拟时间域信号时，其频率特性固定不变，但在处理INCL所表示的空间域频率信号时，其频率特性变化，因此二阶数字滤波器的作用在于校正模拟滤波器引起的空间域特性变化，从而使信号在设计的通带内具有不变的空间域幅值特性。图4-3-12测量水平的传感器分布4高低高低采用惯性基准原理测量，得到高低变化的空间曲线，同时可换算成弦测值。测量高低用的传感器分布见图4-3-13。除了曲率和水平测量用到的传感器外，又增加了两个安装于车体底板上的垂直伺服加速度计LACC和RACC。LACC和RACC分别安装于位移计LPDT和RPDT顶部的车体底板上。LACC和RACC用于测量安装位的车体惯性位移。LPDT和RPDT分别检测LACC和RACC安装位车体与左右轴箱的相对位移。根据它们的测值进行必要处理，得到高低。图4-3-13测量高低的传感器分布惯性基准原理见图4-3-14。M为车体质量，K、C分别表示其弹簧和阻尼。位移计LPDT（RPDT）测量车体与轮轴的相对位移W，加速度计A输出值a的二次积分为车体相对惯性基准的位移Z。图中加速度计A即为前述LACC（RACC）。轨道高低不平顺值Y的计算式为：因轮子半径R为常量，改上式可为：图4-3-14惯性基准原理高低的测量结果输出为空间曲线，由空间曲线向20m弦测值的变换，是通过两个低通滤波器U(z)与V(z)相减来实现的，等价于一个合成滤波器的处理。合成滤波器W(z)的系统函数为：5方向（轨向）方向的测量，采用惯性基准方法。方向测量包括两个部分，一部分是安装于轨距测量梁中央位置的伺服加速度计（ALGN），用于测量轨距测量梁中央位置的横向惯性位移。另一部分是左右轨距测量装置所测得的左右轨距分量SL和SR。由惯性位移和左右轨距分量计算得到左右轨的轨向。方向测量传感器安装与原理见图4-3-10和图4-3-15。方向测量的算式：左方向：右方向：图4-3-15方向测量原理6扭曲（三角坑）扭曲反映了轨顶的平面性。见图4-3-16，若轨顶abcd四点不在一个平面上，c点到abcd三点组成平面的垂直距离h为扭曲。扭曲会使车辆产生三点支持一点悬空，易造成脱轨掉道，特别是当列车从圆曲线向缓和曲线运行时。扭曲h计算为：为轨道断面I-I的水平值，为轨道断面II-II的水平值。h即为基长L（断面I-I与断面II-II之间距）时两轨道断面的水平差。由前述知，水平己由水平测量系统测出，所以只要按规定基长取两断面的水平差即可得扭曲值。GJ-4轨检系统基长可变，目前设定为2.4m。图4-3-16扭曲测量原理7车体振动加速度和轴箱振动加速度车体振动加速度测量用石英挠性加速度计，轴箱振动加速度测量采用变电容式加速度计。8地面标志自动测量ALD轨道上的道口、道岔、桥梁、轨距拉杆等会含有金属部件，所以可用安装于轨距吊梁中部的电涡流传感器来检测，把它标志在自动里程图上，可以方便准确地找出病害的位置。9速度及里程轨检车轮对的转动驱动光电编码器同步转动。光电编码器每转一周A相及B相分别输出1000个脉冲，A相输出与B相输出相位差90度。根据轮周和每周1000个脉冲可计算出脉冲间距，通过计算机对进行计算可得距离，通过和时基计算可得速度。（二）GJ-4型轨检车轨道几何检测装置GJ-4型轨检车的检测系统主要由模拟信号处理系统和数字信号处理系统两部分组成，模拟信号处理系统由各路传感器、信号转接及监视装置、信号处理装置、功率放大装置、调制/解调装置、和电源等五个单元构成。数字信号处理系统由主微机、编辑微机、热敏记录仪、行式打印机、条形显示屏等组成。1模拟信号处理系统（1）各种传感器图4-3-17轨检车车体尾部传感器安装位置示意图GJ-4型轨检车上共有21个转感器，它们在车体上的安装位置见图4-3-17所示，传感器的编号及主要技术参数见表4-3-1，车体底板上安装有1，2，5，6，7，ll，12，13，14共9个传感器。车体与构架间安装有8，9，10共3个传感器，第四轴的轴箱上安装有3，4共2个传感器，车体尾部转向架上安装有17共1个传感器，车体尾部横向检测梁上安装有15，16，18，19，20，21共6个传感器。表4-3-1传感器的编号及主要技术参数序号代号名称测量范围刻度系数备注（用途）1BLA伺服式加速度计1g10V/g测车体水平加速度2BVA伺服式加速度计1g10V/g测车体垂直加速度3LJBA变容式加速度计100g20mV/g测左轴向加速度4RJBA变容式加速度计100g20mV/g测右轴向加速度5CASROLL滚动陀螺传感器1/sec/V测车体滚动角速率6CASYAW摇头陀螺传感器1/sec/V测车体摇头角速率7CASINCL伺服式加速度计1g10V/g测车体倾斜角8DT1横向位移计150mm31mV/mm测车体相对于转向架的位移9DT2横向位移计150mm16mV/mm测车体相对于转向架的位移10DT3横向位移计300mm16mV/mm测车体相对于转向架的位移11LPDT左高低位移计150mm31V/mm测车体相对于左轮轴的位移12LACC左高低加速度计1g10V/g测车体底板左侧加速度13RPDT右高低位移计150mm31mV/mm测车体相对于右轮轴的位移14RACC右高低加速度计1g10V/g测车体底板右侧加速度15ALGN轨向加速度计10g1V/g测横向检测梁加速度16ALD地面标志传感器检测地面金属物17TACH光电编码器1000P/转测车体速度及里程18LSEN左光电传感器10mm80mV/mm测左轨距用19LGDT左轨距位移传感器125mm40mV/mm测左轨距用20RSEN右光电传感器125mm80mV/mm测右轨距用21RGDT右轨距位移传感器125mm40mV/mm测右轨距用（2）信号转接及监视装置轨检车上各路传感器的输出信号，信号处理装置的输入、输出信号，以及主微机的A/D、D/A输入、输出信号，它们在信号转接及监视装置上都有对应的信号插孔以便于监视、短路、开路前端电路，同时加入调试信号。信号转接及监视装置的插孔由A、B、C、D、E、F、G、H共8行组成，每行20列总共160个插孔，A与B、C与D、E与F、G与H各编成一组。每组的上面一行有两种用途，一种用于开路前端电路并同时向后端电路加入调试信号，另一种用于短路后端信号；每组下面一行用于监视信号。（3）信号处理装置（SCU）信号处理装置SCU是传感器信号在进入A/D转换器前进行模拟预处理的单元，SCU由三部分电路板组成：第一部分是轨距伺服控制板，第二部分是传感器前置放大与滤波板，第三部分是地面标志传感器板。2数字信号处理系统（1）主微机在GJ-4型轨检系统中采用了两套标准工业级PC计算机，其中一台为主微机，另一台为数据编辑机。在主微机上除标准配置外还增加了磁带机、SCSI接口卡、A/D、D/A变换器板和多功能接口板等外接设备。主微机上运行的有两个程序软件：轨检数据实时处理软件和轨检数据重放合成软件。轨检数据实时处理软件是轨检车实际运行时实用的，它实时地进行传感器信号数据的采集，同时对传感器信号进行处理，合成轨道几何参数,输出轨道几何参数的波形图，并同时提供下列功能:A提供下列轨道几何参数的实时显示；B提供曲线分析报告；C提供轨道状态分析报告（根据用户标准）；D提供对于轨道几何参数相关报告E提供对于轨道几何参数超限数据的编辑（2）编辑微机接收数据公共数据区条形显示屏控制超限编辑打印数据文件缓冲池超限数据文件缓冲池打印报表图4-3-18超限编辑模块关系编辑微机的标准配置与主微机的一样，在它上运行的软件为超限编辑和打印以及数据显示程序。该程序由接收数据模块、超限编辑模块、打印报表模块和条形显示屏模块组成，各模块之间的相互关系如图4-3-18所示。接收数据模块、超限编辑模块和条形显示屏模块之间通过公共数据区传递数据。超限编辑模块和打印报表模块之间通过硬盘文件传递数据。（3）热敏式绘图仪热敏式绘图仪主要用于记录轨道几何参数和传感器信号的波形数据以及相关记录信息。它的型号为GOULD TA6000，输入为AM800 8通道基准直流输入组件，可通过增选输入组件扩充通道数。（4）行式打印机行式打印机主要用于打印输出各种轨道检测统计报告。为适应单位时间内打印数据量大的特点以及输出报告形式为汉字，采用Proline Series 5 P5XKA汉字行矩式打印机，打印速度为3261pm，支持如下打印机仿真（或协议）：Line Printer Plrs，Epson LQ l600K。（5）条形显示屏条形显示屏主要用于即时显示各种线路检测信息以及相关提示内容，选用的条形显示屏为“LOPU-7-OS”电子显示屏，它通过RS-232接口与编辑计算机相连传递信息，内设两级汉字库。（三）GJ-4型轨检车检测系统的新技术2003年后，在原有的GJ-4型轨检车的基础上对检测系统进行了进一步改进，改进轴箱式轨距测量装置为构架式光电伺服测量装置，采用了构架与轴箱间的侧滚和垂向位移量修正的技术，保证了跟踪轨距点的稳定性，消除了轴箱式轨距测量的不安全隐患。通过最新研制的车载局域网，实现了计算机实时显示轨道几何波形、网络打印机打印波形图的功能。通过GPS里程修正系统，完成里程自动修正。1构架式光电伺服轨距测量装置新研制开发的检测梁安装在构架上的“构架式光电伺服轨距测量装置”，采用构架与轴箱间的侧滚和垂向位移量修正的测量技术，保证了跟踪轨距点的稳定性，消除了轴箱式轨距测量的不安全隐患。（1）构架式轨距测量装置基本结构构架式轨距测量装置由原理和结构完全相同的左右两部分组成，测量装置的组成和原理见图4-3-19。它们各自测量左轨及右轨的轨距变化分量，两个轨距分量之和可得到轨距值。左（右）轨距测量子装置均包括八个部分：左(右)轨距光电传感器、调制解调器1、左（右）轴头光电传感器2、调制解调器2、信号处理器、功放、伺服机构和左(右)位移计。其中左（右）光电传感器、伺服机构和左（右）位移计安装在车体下面的测量梁上，测量梁吊挂在四位轴后方的转向架的构架上。调制解调器1、调制解调器2、信号处理器及功放安装在车内。左（右）轴头光电传感器安装在四位轴左（右）轴箱正上方的构架上。图4-3-19构架式轨距测量装置（2）轨距点的跟踪方法列车辆运行时，由于轨道存在着各种不平顺，构架产生上下浮动、左右摇摆，使轨距光电传感器发出的光束不能保持在轨面下16mm处。为了解决这一难题，在4位轴左右轴箱正上方的构架上，分别安装了两个轴头光电传感器，用于感受构架相对于轮轴的姿态，和轨距光电传感器一起，通过全新的数学模型，确保光电传感器发出的光束打在轨面下16mm处。（3）轨距的计算方法如图4-3-17所示，两个轴头光电传感器（LHKAM、RHKAM）安装在轴箱上方的构架上，它们之间的距离为L，该传感器可测得构架相对于轮轴距离为HL和HR，计算测量梁与轨道之间的夹角：左右马达间距为D，轨距光电传感器位于轨顶面斜上方，它与测量梁之间的夹角为，与钢轨内侧面轨距点之水平距离为IL（IR），与测量梁上伺服马达水平距离为dL（dR）。构架伺服轨距的计算公式为：其中，当测量梁与轨道平行时，2.车载局域网系统GJ-4型轨检车的车载计算机局域网实