（光学工程专业论文）便携式轨道检测车——总体设计及机械系统设计.pdf

硕士论文便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 摘要 随着铁路的连年提速，铁路巡道工可以有效工作的无车时间越来越短，原有的人 工拉线检测方法已经不能适应工务检测要求。便携式轨道检测车能够大幅度提高铁路 巡道工的检测效率，减轻巡道工的劳动强度，使用便携式轨道检测车进行线路日常检 测是工务检测的必然趋势。 本文提出了便携式轨道检测车的总体设计方案，根据铁道部各项标准提出了总体 性能要求，并作了便携式轨道检测车的总布置设计。根据总体设计方案，本文设计了 轨道几何形位参数的测量方案，包括轨距、超高、正矢、轨向、三角坑、高低等参数 的测量方案。利用两个全站仪和基准靶位，通过刚体运动方程的逆向求解得到轨道检 测车的位置和姿态，再利用刚体位移方程的正向求解，得到了全轨空间曲线，进而推 算得到正矢、轨向、三角坑、高低等参数。从根本上解决了以往轨道几何形位参数测 量过程中，因为难以找到可靠测量基准使得精度一直难以提高的问题。 本文完成了便携式轨道检测车的结构方案设计，根据系统总体结构布置，采用假 设模态综合法，得到了结构动态响应的解析解，校核了便携式轨道检测车的结构动刚 度，并且为后续产品改型过程中的动态刚度校核提供了依据。同时，本文完成了关键 元器件全站仪、棱镜、双轴倾角传感器以及直线位移传感器的选型，对元器件性能作 了分析，确定了其安装方法。 关键词：轨道检测，模态综合法，动态刚度 a b s t r a c t t h ei n t e r v a l so ft h et r a i nw h i c ht h er a i lm a i n t e n a n c ew o r k e rc f l nm a k eu s eo fi sm u c h s h o r t e rt h a nb e f o r eb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n gs p e e do ft h et r a i ni nt h er e c e n ty e a r s t h e i n s p e c t i o no fp u l l i n gs t r i n gt og e tt h ep a r a m e t e r so ft l l er a i lc a l l tm e e t st h er e q u i r eo ft h e m a i n t a i nw o r kn o w t h ee f f i c i e n c yo ft h ei n s p e c t i o nc a nb ei m p r o v e db yu s i n gt h e c o n v e n i e n tr a i l i n s p e c t i o nv e h i c l e a l s o ，i tc a na l l e v i a t et h ef a t i g u eo ft h er a i l m a i n t e n a n c ew o r k e r s i ti sat e n d e n c yt ou s et h ec o n v e n i e n tr a i li n s p e c t i o nv e h i c l et o i n s p e c tt h er a i li nt h em a i n t a i ng r o u po ft h er a i lb u r e a u t h eg e n e r a l c o n c e p to ft h ec o n v e n i e n tr a i li n s p e c t i o nv e h i c l e sd e s i g nw a s c o m p l e t e di nt h ep a p e r t h ed e m a n d so ft h eg e n e r a lp e r f o r m a n c ew e r eg i v e no u t ，a l s ot h e o v e r a l ld e s i g nw a sc o m p l e t e d a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ld e s i g n ，t h ep a r t i c u l a rm e t h o d st o i n s p e c tp a r a m e t e r so ft h er a i lc u r v ew e r eg i v e no u t t w oe l e c t r o n i ct o t a ls t a t i o na n dt h e r e f e r e n c et a r g e t sw e r eu s e dt of i xp o s i t i o no ft h ei n s p e c t i o nt og e tt h ee q u a t i o no ft h er a i l c u r v et h r o u g ht h er i g i db o d yd i s p l a c e m e n te q u a t i o n t h e nt h e p a r a m e t e r so ft h er a i lc u r v e w e r eg o ta c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o n i ts o l v e dt h ep r o b l e mo ft h el o wp r e c i s i o no ft h e i n s p e c t i o nb e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t yt of i n dag o o df i xp o s i t i o nb e f o r e a l s o ，t h ec o n c e p to ft h ed e s i g no ft h es t r u c t u r eo ft h ec o n v e n i e n tr a i li n s p e c t i o n v e h i c l ew a sc o m p l e t e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h et o t a ld e s i g no ft h es t r u c t u r e ，t h e a n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h es t r u c t u r e sd y n a m i cr e s p o n s ew a sg o tb yt h em o d es y n t h e s i s a n d t h ed y n a m i ci n f l e x i b i l i t yo ft h es t r u c t u r ew a sc h e c k e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n o f t h es t r u c t u r e sd y n a m i cr e s p o n s e 。a l s o ，t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o nw i l lc o n v e n i e n tt oc h e c k t h ed y n a m i ci n f l e x i b i l i t yd u r i n gt h em o d i f y i n go ft h e p r o d u c ti nt h el a t e r t h es u b s y s t e m s u c ha st h ee l e c t r o n i ct o t a ls t a t i o n ，t h ep r i s m ，t h ei n c l i n o m e t e ra n dt h el i n es e n s o rw e r e c h o s e ni nt h ep a p e r a l s o ，t h ea n a l y s i so ft h es u b s y s t e ma n dt h ed e m a n do ft h ei n s t a l l a t i o n w e r eg i v e no u t k e y w o r d s ：r a i li n s p e c t i o n ，m o d es y n t h e s i s ，d y n a m i ci n f l e x i b i l i t y i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：逸i 虱乙砌g 年多月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：主为函易胡年上月站日 硕士论文 便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 1 绪论 1 1 选题的科学意义以及应用前景 铁路运输是陆上交通运输的一种重要方式，是国民经济的大动脉。随着国民经 济持续高速增长，铁路运输的任务越来越繁重。近年来铁路连年提速，铁路维护工 人可以有效作业的无车时间越来越短，铁路维护的任务日益增加。为了保证铁路的 正常使用，铁路维护工人的劳动强度越来越大。开发一套便携、智能、使用方便的 无动力便携式轨道检测车对于促进我国铁路运输的发展，减轻铁路维护工人的劳动 强度，保障其生命安全均有重要意义。 大型轨道检测车是目前轨道检测效率最高，检测最为可靠的设备。但是由于调 用大型轨道检测车会干扰铁路线路正常运行，给运行调度带来很大的压力，因此不 可能频繁的使用大型轨道检测车来完成铁路轨道的日常检修。大型轨道检测车巨大 的成本压力也是它不能用来完成日常检测的重要原因，对于普通的铁路局工务段， 配备大型轨道检测车几乎是不可能的。 目前轨道日常检测主要依赖于铁路维护工人的人工检测，采用“三步一叩首， 五步一弯腰”的人工拉线测量方法。这种人工拉线检测方法存在很多弊端，费时费 工，检测效率低下，也容易受到天气影响。在铁路未大幅度提速之前，车次尚不是 非常密集，相对维护周期也较长，这种测量方法简便易引、精度也能基本满足铁路 养护维修要求，还是比较适合我国的铁路维护需要，因此在我国各个工务段普遍采 用。但是随着铁路的第六次大提速，铁路干线越来越繁忙，铁路工人可以有效工作 的无车时间越来越短，传统的人工拉线检测方法对铁路工人的工作提出了相当的挑 战。 便携式轨道检测车的研制成功，能够大幅度提高铁路巡道工工作效率，提高铁 路线路的检测精度，将为保障铁路运输安全做出重要贡献。同时，铁路线路检测效 率的提高，也能够为铁路提速提供便利条件。 1 2 轨道自动检测技术的研究现状 1 2 1 大型轨检车的发展状况 目前，发达国家均已经研制出高效、高精度的高速轨道自动检测车。检测时速 达到1 6 0 - - 3 0 0 k r n h 。国外的高速轨检车基本上都采用惯性基准法原理对轨道不平顺 进行测量。 日本于1 9 4 8 年研制出了简易自动轨道检测车，该轨检车采用静态测量法，克服 1 绪论 硕士论文 了以往采用人工拉线测量的不足，大大提高了日本轨道检测方面的检测效率和检测精 度。但是由于该轨检车采用静态测量方法，不能克服动态测量误差。1 9 6 4 年，日本东 海道铁路公司开发出了第一列高速轨道多功能检测车，该高速多功能检测车，在日本 得到广泛的应用并且得到不断的改进。1 9 9 3 年，东日本公司开发出资4 0 0 型轨道确认 车，该确认车检测系统采用惯性测量原理，并利用高通滤波器克服惯性法测量高低和 轨向所产生波形偏差。确认车在车上实时测量轨道的实际状态，并利用计算机换算为 1 0 m 弦、2 0 m 弦，测量波形显示在屏幕上。测量的项目包括超高、轨向、轨距、三角 坑、曲率等几何参数。测量结果如果超过限界值，蜂鸣器则在该位置发生报警声，并 在当地立即进行确认和记录，如果确实存在问题，将立即通知综合调度中心。轨检车 测量结束后，在车上计算机存储的轨道不平顺数据可转存软盘，带至地面计算机作进 一步处理、输出波形图。2 0 0 0 年，日本推出了新一代多功能高速轨检车，最高检测速 度达到2 7 0 k n 油，使得日本在当时在高速轨道检测方面走在了世界前列 1 - 5 。 德国铁路广泛使用b r 7 2 5 7 2 6 编组动车式轨检车。b r 7 2 6 测试车上配有两个重9 t 的主轮轴，三个测试小轮轴可在单轴台车上移动。每个测试轴均有起落装置，并可以 检测高低、方向、轨距、水平、平面性、超高和曲率等项目。高低和方向分别采用8 6 m 和1 0 m 弦的偏心矢距测试法。轨距采用m a u z i n 系统，超高采用陀螺系统，平面性以间 距2 6 m 为测试基准，曲率采用1 0 m 弦和6 m 弦处的矢距法。测试车上还配有a v 5 2 2 数据 处理分析装置，以便分析检测波形和评定轨道质量【l 弓j 。 美国联邦铁路局7 0 年代研制成功t 2 和t 4 型轨检车，8 0 年代又相继研制成功t 6 和 t 1 0 型轨检车。t 2 型轨检车采用无接触式惯性基准测量系统，检测速度可以达到 2 5 0 k m h ，安装有实时电子数据处理系统，除可测定左右水平、三角坑、高低、轨距、 方向等项目外，还能测定气温、噪声、坡度、速度、曲率、车辆加速度、迎面气压等 数据。t 6 型轨检车最高检测速度为1 9 2 k m h ，轨道前后高低采用惯性测定法测定真实波 形，并据此计算1 9 m 弦正矢；方向是通过横向加速度信号和钢轨相对位置计算出真实 波形再计算出1 9 m 弦的正矢。轨距是用固定再左右轮轮缘内侧的伺服式磁性传感器， 通过对横向加速度的二次积分得到梁的横向位移，以及由梁和左右轨的相对位置信号 算出轨道方向不平顺【1 】。 英国于1 9 6 8 年研制成功f 2 和f 4 型轨检车，1 9 7 5 年又研制成新型高速轨检车，检测 速度达n 2 0 0 k m h ，挂在高速旅客列车上，在运行中检测轨道几何状态。检测项目有 高低及其变化率，曲率半径、水平、平面性、纵坡、竖向和横向舒适性、转向架竖向 和横向加速度、速度和距离等项引1 2 1 。 法国铁路干线采用的m a u z i n 轨检车，有三台转向架，轴列式为2 缸_ 2 ，检测速 度为1 6 0 k m h ，属于机械传动式检测方式。轨道高低的检测是将8 个检测车轮感受的机 械检测信号加以合成得到，轨道方向检测是通过三个测定车轮的1 0 m 弦正矢获得，平 2 硕士论文 便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 面性基准长为2 7 5 m ，水平由测定左右高低差得到。轨道横向位移由测定车轮检测。 m a u z i n 轨道检测车的检测输出主要有：既有标准图标、长波轨道不平顺图表综合标准 图表f 5 】o 我国第一代轨检车于1 9 5 3 年面世，它是由我国自行设计制造的轨道检查车。之后 随着轨检技术的不断发展和完善，到目前为止，我国现有并在各个检测部门发挥作用 的轨检车分为：g j 一3 型、g j 一4 型、g j 一4 型、g j 一5 型。 g j 一5 新型轨检车是铁道部从美 蚕i m a g e m a p 公司引进的新一代轨检车。该轨检车 采用激光摄像系统结合惯性平台进行轨道检测，可以进行轨距、轨向、高低、水平、 三角坑、曲率、车体加速度、钢轨波磨和钢轨磨耗及断面等项目的测量，其计算机系 统由一台v m e 计算机和数台w i n d o w s 平台计算机组成，采用t c p d 协议组成车上局 域网。v m e 计算机负责数据采集和轨道几何数据的合成，由一台运行w i n d o w s 2 0 0 0 系统的计算机作为服务器，负责与v m e 计算机的通讯，获取检测数据，同时进行数 据存储以及超限判别等工作。其余w i n d o w s 平台计算机可以运行相应的软件，通过网 络与服务器通讯，完成几何数据显示、超限编辑、报表打印和里程校核等任务。 i m a g e m a p 公司提供了w i n d b c 、d e f e c te d i t o r 、d e f e c t m o n i t o r 、o n d e m a n d r e p o r t 和 t e r m i f l e x 软件实现相应的操作【4 】。 1 2 2 便携式轨检设备的研究状况 瑞士安伯格技术公司推出了g l 强1 0 0 0 测量系统，该测量系统主要由t g sf x 手推 轨检车、g b c l 0 0 棱镜和g 】强w i l l 测量和分析软件包三大部分组成。t g sf x 手推轨检 车内安装有高精度的传感器，用于测量轨道高低、轨向、水平、轨距、里程。单独使 用g r p l 0 0 0 可以测量无渣轨道的平顺度。为了满足对无渣轨道三维绝对位置坐标的精 度要求，需要用1 台l e i c at p s 全站仪来对g r p l 0 0 0 定位，上述定位测量通过全站仪 自动目标照准功能以及与g r p l 0 0 0 之间持续无线电通讯来完成【l0 1 。 该测量系统在野外完成作业后，系统能够产生轨道几何测量的综合报表。用户可 以根据需要定义报表的输出界面，选择性的输出轨道位置、轨距、水平、方向、高低 等几何参数。 该全站仪操作简单，单人即可安装好硬件设备，确定全站仪的绝对位置，并调试 好测量软件开始测量，软件的智能化水平很高，测量过程几乎无须人工干预。系统对 测量者的行进里程实时提示，以保证测量结果符合规范要求。使用1 台全站仪进行双 线轨道测量的生产效率约为7 0 0 m h 。同时使用两台全站仪进行双线轨道测量的生产效 率约为1 0 0 0 m h 10 1 。 g r p l 0 0 0 测量系统不但适合于无渣轨道施工测量，对于既有轨道维护作业的测量 也非常适用，通过既有轨道的测量自动计算实际轨道位置和轨道设计中线偏差，作为 绪论 硕士论文 轨道矫正的基本数据，将测量数据以数字形式输出到捣固机，指导整渣作业。g r p l 0 0 0 测量系统在中国台湾、德国纽伦堡英格尔斯塔特线的高速铁路施工检测发挥了重 要作用。我国在武广客运专线、郑西客运专线、京津城际轨道的施工检测中也采用了 g r p 0 0 0 n 量系统。 窖x n 露麓p “ ”“。“ 圈12 1 g r p l 0 0 0 测量系统 g r p l 0 0 0 测量系统施工测量作业流程包括一下步骤 1 0 】： ( 1 ) 安装g r p l 0 0 0 ，通常需要1 0 r a i n ； ( 2 ) 确定l e i c a 全站仪的位置，通常需要约2 0 m i n ； ( 3 ) 调整g r p l 0 0 0 的棱镜，使全站仪能对其自动跟踪和照准： ( 4 ) 开始轨道测量。 g r v l 0 0 0 n 量系统是目前世界上应用激光测量的便携式轨检车的成功典范。但是 其高昂的售价，令国内各铁路部门望而却步，目前国内只有少数铁路部门配有零星几 台g r p l 0 0 0 n 量系统。 国内也推出过不少便携式轨检车，江西日月明铁道设备开发有限公司推出过 g j y i1 ，g j y h 一1 ，g j y h 一2 ，g j y - h 一3 ，g y y h 一4 系列产品。真正用于实际的产品是 g j y h 一4 。该手推轨检车可检测轨距、水平、三角坑、轨距变化率，左右轨向、左右 高低和里程。该手推轨检车采用单片机数据采集系统，具有一定的报警功能。但是该 手推轨检车在测量正矢、高低等参数的时候采用“以小推大”的方法，以12 5 m h 的正 矢来推算2 0 m 驺 9 5 ，相应的允许误差如表 2 2 2 。 表2 2 2 测量误差 项目测量误差 轨距 水平( 超高) 0 5 m m 轨向 高低 1 0 t o n i 正矢 2 2 3 轨道参数报警阀值 根据铁路线路设计规范要求，轨道参数超限报警阀值如表2 2 3 所示，轨道参数 超过表内数值视为超限，需要报警以提醒巡道工人立即进行维修。 表2 2 3 报警阀值 项目要求 轨距 1 4 3 5 _ + ! t u r n 水平6 m m 超限报警值 三角坑 6 m m 轨向 6 m m 基本弦高低 6 m m 2 2 4 结构设计要求 根据铁道部标准计量研究所关于便携式轨道检测车的设计规范，轨距、轨向测点 最低母线有效长度，行走轮、测量轮工作面对自身轴线全跳动以及行走轮工作母线共 8 硕士论文便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 面平面度规定如表2 2 4 所示。 表2 2 4 结构设计要求 轨距、轨向测点最低母线有效长度 1 6 三3 m m 行走轮、测量轮工作面对自身轴线全跳动 o 0 l m m 行走轮工作母线共面平面度 0 5 m m 2 3 总体测量方案 便携式轨道检测车是无动力手推轨检车。轨检车推行速度l m s 左右，车架通过 三个行走轮支撑于轨道踏面上方，行走轮轴线平行于车架横梁。 由设计任务可知，轨道参数检测项目包括轨距、超高、轨向( 正矢) 、高低( 水平) 、 三角坑。所谓轨距就是指钢轨踏面下方1 6 m m 处左右两股铁轨内侧之间的距离。轨距 测量可以在车架上钢轨踏面下方1 6 r a m 处安装弹簧张紧机构，由直线位移传感器测量 得到。所谓超高指的是给定长度上左右两轨之间的水平高度差。由于轨距参数可以直 接测得，因此超高可以通过测量轨检车的横梁水平倾角，再通过三角函数关系式得到， 只要在便携式轨道检测车的车架横梁上安装一个倾角传感器就可以测量得到超高。 轨向指的是线路中心线在水平面上的位置，直线段线路轨向用1 0 i n 弦量误差不 超过5 m m ，曲线段轨向用2 0 m 弦量现场正矢值。高低指的是一股钢轨踏面上在垂直 方向上的不平顺程度。根据铁道部标准，测量高低要求取前方1 0 i n 弦范围内，与实 际线路最大偏差值。铁路曲线上的三角坑指的是两个相隔一定距离( 基k ) o q 轨道水平 ( 超高) 值的代数差。 故轨向、高低、三角坑等参数都是以一定长度线路的来定义的，并且这个线路 长度远远大于便携式轨道检测车的尺寸。对于便携式轨道检测车来说，直接测量轨向、 高低、三角坑等参数是不可能的。 因此，本论文采用全站仪结合双轴倾角传感器来定位。利用两个全站仪测量具 有已知坐标值的基准靶，结合双轴倾角传感器测量得到的两个角度，通过刚体位移方 程的逆向求解得到便携式轨道检测车在大地坐标系下的位置和姿态。根据直接测量得 到的轨道上被测量点基于轨检车固连坐标系的相对坐标值，再利用刚体位移方程正向 求解进行坐标变换，得到轨道上被测量点基于大地坐标系下的坐标。将测量得到的点 的坐标进行拟合就可以得到全轨空间曲线，有了全轨空间曲线，就可以根据定义计算 得到轨向、高低、三角坑等轨道几何形位参数。 上海铁路局为了满足高速铁路的发展要求，已经在所属铁路沿线布置一系列基 准桩，基准桩位置精确标定。这为便携式轨道检测车的研制提供了便利。便携式轨道 检测车安装有两个上下同轴的全站仪，全站仪固连于车架。两个全站仪分别跟踪两个 相邻位置基准桩靶位上的棱镜，可以得到棱镜在便携式轨道检测车固连坐标系中的相 9 2 便携式轨道检测车总体方案设计 硕士论文 对坐标值。当两个靶位离所测量点较远的时候，需要将便携式轨道检测车停下来，控 制全站仪换靶，重新对准继续跟踪靶位进行测量。同时用一个双轴倾角传感器可以直 接测量得到便携式轨道检测车横向和纵向与水平面的夹角。由于基准桩位置精确标 定，是已知值，因此可以通过刚体位移方程的逆向求解得到便携式轨道检测车固连坐 标系的在大地坐标下的位置和姿态。 轨道曲线上被测量点相对于便携式轨道检测车固连坐标系的相对坐标值可以通 过轨距和测量车结构尺寸换算得到，而便携式轨道检测车固连坐标系在大地坐标下的 位置和姿态已经求得，因此可以再次利用刚体位移方程，通过刚体位移方程的正向求 解得到轨道曲线上被测量点在大地坐标下的坐标，再通过一定的数学方法将这些测量 点进行拟合，就可以得到全轨空间曲线方程。根据全轨空间曲线方程，就可以根据定 义得到水平( 超高) 、高低、轨向( 正矢) 、三角坑等参数。具体如图2 3 1 。 2 4 系统组成 图2 3 1 总体测量方案 该轨道检测车系统由机械系统，测量系统，数据采集、处理与存储系统，计算与 分析软件包组成。如图2 4 1 。 1 0 硕士论文便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 图2 4 1 轨道自动检测车系统构成 2 4 1 机械系统 机械系统包括检测车车架、导向机构，轨距测量机构、行走机构等组成。车架 由行走机构支撑于轨道踏面上方。 2 4 2 测量系统 测量系统包括轨距测量系统、水平测量系统、轨道基准测量系统。轨距测量系 统采用常规的直线位移传感器测量，测量可靠，简单。水平测量系统采用一对双轴倾 角仪，两个倾角传感器左右对称安装，可以大大减小横梁中部微量变形产生的测量误 差。轨道基准测量系统采用两个全站仪辅以标桩上位置精确标定的棱镜来确定轨检车 在大地坐标系下的位置和姿态，进而确定轨道曲线上各个测量点在大地坐标系中的绝 对坐标。 2 4 3 数据采集、处理与存储系统 包括信号调理电路，滤波电路，多通道数据采集卡，笔记本电脑，软件开发平台、 信号显示、存贮、输出、实时报警等。 本系统采用n i 公司的数据采集卡及l a b v i e w 软件进行数据采集。虚拟仪器在数据 采集中的应用，给系统的开发与集成带来极大的好处，大大减少了系统的开发周期， 同时也提高了开发质量。例如：采集数据的采样精度，与硬件电路之间的时间配合以 及信号抗干扰等等。选择n i 公司的l a b v i e w 与数据采集卡，不仅可以提高工程质量， 减少开发周期而且界面比较美观、接口很方便。 2 便携式轨道检测车总体方案设计 硕士论文 2 4 4 计算与分析软件包 计算与分析软件包包括测量控制软件，数据处理软件，报表生成软件，轨道综合 管理和数据库。测量控制软件是基于g e o b a s i c 语言开发的。g e o b a s i c 语言是l e i c a 测量系统提供的、一种程序集成开发环境，适合工程技术人员对全站仪的机载程序进 行二次开发。其功能包括标准数学运算、仪器控制、测量数学运算、文件操作、内存 数据读取等。可以通过开发g e o b a s i c 机载程序来实现全站仪的自动跟踪测量。同时， 当轨检车远离原来跟踪的靶位到一定距离的时候，可以通过g e o b a s i c 机载程序将基 准靶切换到较近的靶位。数据处理软件，报表生成软件，轨道综合管理和数据库是基 于w i n d o w s 操作系统下编制的软件。 2 5 总体结构布置设计 从现行的便携式轨道检测车结构来看，大致可以分为h 型结构和t 型结构两大 类。h 型结构能够对左右双轨短弦( 1 m 弦或1 2 5 m 弦) 的高低和轨向进行直接测量， 可以利用递推法进行基本弦高低和轨向推算。h 型结构具有容易拆装、拆装重复性好、 导向性好等优点。h 型结构的缺点也是显而易见的，其结构刚度较差，相比t 型结构 在相同结构刚度的情况下，整机重量较为笨重，不便于操作。t 形结构轨道检测车由 于其结构紧凑，抗振刚度较大。 由于全站仪对振动较为敏感，全站仪安装处微量的振动，会对便携式轨道检测车 的定位产生较大的误差。因此，本设计亟需一种刚度较大的轨检车结构。另外由于本 设计中采用全站仪空间定位，无需利用递推法推断基本弦高低和正矢。综合以上原因， 考虑采用t 型结构。 总体结构布置如图2 5 1 所示。轨检车总长1 6 3 0 r a m ，总宽1 0 0 0 r a m ，总高8 4 5 m m 。 主要结构有纵梁、横梁、斜撑行走机构、导向机构、轨距测量机构、全站仪、双轴 倾角传感器、推把以及笔记本电脑等组成。其中横梁和纵梁是整个轨检车的支撑件。 通过三个行走轮将轨检车支承与铁轨踏面上方。三个行走轮通过轨检车自身重量紧靠 铁轨踏面，故测量时三个行走轮构成的平面即铁轨踏面上测量点所成平面。左侧纵梁 上一对导向轮机构用于使轨检车纵梁沿着铁轨切向行走。导向轮弹簧刚度系数较大， 以保证导向作用。横梁两端各有一个测距轮机构，测距轮位于行走轮轮缘最低处以下 1 6 m m 处，以保证所测轨距为轨道踏面下方1 6 m m 处轨距。斜撑用于增加轨检车刚度， 以增强轨检车抗振性能。横梁中间有全站仪安装台架，将两个全站仪上下同轴安装并 固定于轨检车中间位置。横梁下方安装有两个双轴倾角传感器，用于测量轨检车的两 个轴向的水平倾角。笔记本电脑通过专用支座固定于横梁上方。 1 2 硕士论文便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 口 l f 二c 图2 5 1 总体结构布置图 1 纵梁2 斜撑3 横梁4 推把5 笔记本电脑6 全站仪7 行走机构 8 导向机构9 双轴倾角传感器1 0 轨距测量机构 1 3 2 便携式轨道榆测车总体方案设计硕士论文 2 6 本章小结 本章根据铁道部标准计量研究所制定的关于便携式轨道检测车的标准，分析了本 设计的设计任务，提出了总体性能指标，设计了便携式轨道检测车的总体测量方案， 根据总体测量方案，从总布置的角度分析了本设计的系统组成，并且完成了便携式轨 道检测车的总体结构布置。 1 4 硕士论文便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 3 便携式轨道检测车测量方案设计 3 1 轨距测量方案设计 轨距指的是在钢轨踏面下方1 6 r a m 处左右两股铁轨内侧作用边之间的最小距离。 为了便于测量机构定位，轨距测量采用左右两套对称的弹簧张紧机构来测量，弹簧张 紧力大小恰当，保证测量轮紧靠铁轨内侧，并且不至于引起结构振动。为保证所测量 的轨距是垂直于轨道切线方向的真实轨距，在纵梁上安装两个导向轮机构来定位，以 防止轨检车出现推歪现象如图3 1 1 。根据轨距定义，只要综合左右两个轨距测量机 构上的直线位移传感器的读数就可以得到轨距。 图3 1 1 轨距测量原理图 1 导向轮机构2 轨距测量机构3 铁轨 3 2 超高测量方案设计 外轨超高可以通过左右两轨的轨顶连线的倾角综合轨距间接得到。如图3 2 1 ， 在轨检车横梁上面安装一个倾角传感器，用来测量左右轨的轨项连线之间的水平倾角 q ：，再结合轨距l 、轨道宽度m ，可以得到超高值为： 幽= ( 三+ 2 - 1 j ，- x s i n f 2 2 = ( l + m ) s i n q ： ( 3 2 ，) 3 便携式轨道检测车测量方案及原理 硕士论文 图3 2 1 超高钡0 量原理 1 倾角传感器2 轨检车横梁3 铁轨 3 3 轨道曲线上被测量点的空间坐标测量方案设计 3 3 1 坐标系确定 在确定轨道曲线的时候，选取两个坐标系，一个为轨检车固连坐标系o x y z 称为 c s y l ，坐标系原点位于两侧行走轮轮缘最低处下方1 6 m m 处连线中点。如图3 3 1 。 一个为大地坐标系o x y z ，称为c s y o ，也就是一般意义上的绝对坐标系。大地坐标系 c s y o 原点与基准靶位坐标的原点重合。 图3 3 1 坐标系选取 3 3 2 刚体坐标和欧拉角 自由刚体的自由度为6 ，它在空间的位置需要6 个独立的参数来确定。这六个独 立的参数就叫做刚体的坐标。在研究刚体运动的过程中，前人曾采用过多种不同的刚 体坐标。目前最常用的坐标是选取刚体某一点为原点的三个直角坐标和三个欧拉角。 设o x y z 是固定直角坐标系，o x y z 是和刚体固连的直角坐标系。刚体固连坐标 系d k 夕2 的位置和姿态可用点d7 在大地坐标系o x y z 中的三个坐标值x ：，y ：，z ：以 硕士论文便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 及x ，y 7 ，z 7 三轴分别与x ，y ，z 三轴的方向余弦来描述。因此选用，“，z ：作为三个 刚体坐标，刚体的另外三个坐标应跟据足以规定出石，y 7 ，名三轴的方向这个条件选取， 欧拉角恰好满足了这个条件。 欧拉角定义如图3 3 2 。建立一个以0 为原点的直角坐标d 勃f ，该直角坐标系 各轴分别与o x y z 各轴对应平行。坐标平面如r l 与x o y 的交线o n 叫做节线。三个 欧拉角，矽，0 分别定义如下： 在矽7 7 平面中，按逆时针方向计算的轴d 7 孝与节线o n 之间的夹角沙称为进动 角。在x o y7 平面中，按逆时针方向计算的节线o n 与o x 7 之间的夹角缈称为自转角。 对着节线o n 的正上方的正向看去，按逆时针方向计算的轴d f 与o z 之间的夹角矽 称为章动角【13 1 。 假设轨道曲线上一点在轨道检测车固连坐标系c s y l 上的坐标为g ，y ，z ) ，轨道 检测车固连坐标系c s y l 原点0 在大地坐标系c s y o 下的坐标为k ，儿，z ：) ，轨道曲 线上被测点在大地坐标系c s y o 下的绝对坐标为g ，y ，z ) 。根据刚体运动规律，它们之 茎 = 茎 + 妻荔荔 至 c 3 3 ， 1 7 3 便携式轨道检测午测量方案及原理 硕士论文 口i = c o s c o s o s i n i vs i n p c o s 8 屈= s i n v c o s+ c o s 沙s i n 伊c o s 乡 乃= s i n c o s i n o 口2 = 一c o s f ，s i n 伊一s i n y c o s 妒c o s 乡 厦= - s i n s i n c p + c o s 沙c o s 缈c o s 臼 乃= c o s ( d s i n 汐 口3 = s i n s i n o 屈= - c o s 5 f ，s i n 0 y 3 = c o s 0 ( 3 3 2 ) 3 3 4 全站仪坐标的测量 将全站仪固连在轨检车上，可以精确测得棱镜在轨检车固连坐标系c s y l 下的坐 标g ：，y ：，z ；) 。全站仪测量三个参数用来确定目标位置，这三个参数为目标点跟测试 仪基准点之间的距离、水平角b ( 基准点与目标点之间的连线跟测试仪底平面之间 的夹角) ，横摆角幺，如图3 3 3 所示： 全站仪的测量点在轨检车固连坐标系c s y l 中的坐标值如下： lx 1 - r c o s p ls i n 0 2 y 1t _ r c o s o ic o s 岛 ( 3 3 3 ) 【z l i _ r s i n0 i 图3 3 3 全站仪测量原理 3 3 5 双轴倾角传感器测量得到的两个角度的讨论 双轴水平倾角传感器固定在轨检车的横梁上，可以得到轨检车横梁上平面两个 方向的坐标轴与水平面的夹角。如图3 3 4 所示。直线o m 为x 轴沿一z 轴在x o y 平面 上的投影，q 。为x7 轴与x o y 平面的夹角，直线o n 为y 轴沿一z 轴在x o y 平面上的投 影，q ：为y 轴与x o y 平面的夹角。 硕士论文便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 显然，q 。、q ：为水平仪测得的两个参数。由图中可以看出，z 轴与z 轴的夹角 为9 0 。一q ，y 轴与z 轴的夹角为9 0 。一q 2 。 z y ，多h 一 y q - r m 图3 3 4 双轴倾角传感器测得的角度 3 3 6 轨道检测车固连坐标系刚体坐标的求解 确定轨道检测车的位置，也就是确定轨检车固连坐标系c s y l 的位置和姿态，即 确定x 。，y 。，y 。以及少，伊，秒六个刚体坐标。轨道检测车完成测量，需要在铁路沿 线布置一排有精确坐标值的棱镜来辅助完成轨道参数测量。棱镜相对于大地位置固 定。 由于棱镜的绝对坐标为己知值，只要用两个上下同轴的全站仪同时测得相邻两个 棱镜在轨检车固连坐标系c s y l 中的坐标值g 。t ，y 。，z 1 ) ) 和g ：，y ：，z ：) ，结合3 3 5 所 述的双轴倾角传感器所测得的q ，、q ：，就可以得到六个刚体坐标，具体计算过程如 下所述。 由刚体运动规律： x = x o ) + 口l x + 口2 y + 口3 z ( 3 3 4 ) y = y o + 届x + 屈y + 尾z ( 3 3 5 ) z = z o + y l x 7 + 圪y + 儿z ( 3 3 6 ) 在这里，g ，y ，z ) 为被测量点( 棱镜) 的绝对坐标值，g 7 ，y ，z7 ) 为被测量点( 棱镜) 在 轨检车固连坐标系c s y l 下的坐标值，g 。，y 。，z 。) 为轨检车固连坐标系c s y i 的原点 在绝对坐标系的c s y o 中的坐标值。口。，届，7 。，口：，p 2 ，7 ：，口，乜，y ，为大地坐标系x 轴、 y 轴、z 轴分别与轨检车固连坐标系石轴、y 轴、z 轴的方向余弦。 由3 3 5 所述： 1 9 3 便携式轨道检测车测量方案及原理 硕士论文 = c o s ( 9 0 4 一q 1 ) ( 3 3 7 ) y 2 = c o s ( 9 0 。一q 2 ) ( 3 3 8 ) 代入式( 3 3 2 ) ，经过处理得到刚体坐标秒和伊： s i n o = y 卜y ；= s i n f 2 ；+ s i n ； ( 3 3 9 ) s i nq o f f s i n l 2 ；+ s i n f 2 ；= s i n q l ( 3 3 1 0 ) 两个棱镜的绝对坐标分别为：g 。，y 。，z 。) 和g ：，y ：，z ：) ，棱镜在轨检车固连坐标系 中的坐标为0 ，y 。，毛) 和b ：，) ，：，z ：) 。代入式( 3 3 6 ) ，得到： z l = z o t + y i 工：+ 7 2 y ：+ 7 3 z ： ( 3 3 1 1 ) z 2 = z o i + 门x ：+ 兄y ；+ 乃z ： ( 3 3 1 2 ) 联立式( 3 3 1 1 ) 、( 3 3 1 2 ) 解得刚体坐标z ：和方向余弦y ， z：=z，一乃工：一y：yi一圣-=二三二l二兰亳三三掣z： ( 3 3 3 ) 舻虹生呜吾幽 - 1- 2 ( 3 3 1 4 ) 再将两个棱镜的绝对坐标值g 。，y 。，z 。) 、g ：，y ：，z ：) 和棱镜在轨检车固连坐标系中的坐 标值g ，t ，y ，- ，z ，) 、g ：t ，y 2 z 2w ) 分别代入式( 3 3 4 ) ，得到： z 1 = x 。+ ( c o s 缈c o s 缈一s i n q s i n 口o c o s o ) x ：+ ( - c o s ys 协缈一s i n q c o s q ，c o s o ) y ： + ( s i n 缈 s i n o ) z ： 工2 - - - - x o + ( c o s 少c o s 伊一s i n 少s i nq o c o s o ) x ：+ ( _ c o s 少s i n 缈s i n g c o s t p c o s o ) y ； + ( s i n i ；f ，s i n o ) z ： 联立式( 3 3 1 5 ) 和式( 3 3 1 6 ) ，并且令 口= 融：一x ：) c o s 缈一( y ：一y ；) s i na p 】 b = - s i n ( o c o s o ( x ：_ 一x ：) 一c o s f , c o s o ( y ：- y ；) + s i n o ( z ：一z ；) 得到刚体坐标沙和工。： 一s i n 丛坐匾磊乒旺圈 ( 3 3 1 5 ) ( 3 3 1 6 ) ( 3 3 1 7 ) ( 3 3 1 8 ) ( 3 3 1 9 ) 硕：i = 论文便携式轨道检测车总体设计及机械系统设计 = 五一( c o s i v c o s s i n g s i n q c o s o ) x ：一( - c o s s m 缈一s i i l 少c o s 9 c o s 臼k 一( s i n s i n o ) z ： ( 3 3 2 0 ) 将坐标值g ，y 。，z ，) ，x t y 。，z ) 代入式( 3 3 5 ) ，得到刚体坐标y 。： y ：= y 1 一( s i n 沙c o s 9 + c o s s i n 伊c o s 9 ) x ：一( - s i n 少s i n 伊+ c o s y c o s 伊c o s 乡涉： 一( - c o s g s i n o ) z ： ( 3 3 21 ) 综上所述，确定轨道检测车固连坐标系c s y l 在大地坐标系c s y o 中的位姿的六 个刚体坐标0 ，缈，y ，工：，威，z ：可由如下表达式可以确定： s i n o = 、s i n 9 2 ；+ s i n 9 2 ；( 3 3 9 ) s i nq o 、s i n ；+ s i ng ) ；= s i n 9 2 l( 3 3 1 0 ) 一s m 煎业匝蒿手囹 ( 3 3 1 9 ) 工：= z