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上海交通大学博士学位论文 摘要 磁浮轨检车振动及其对轨道几何参数测量的影响 摘要 高速磁浮交通系统是当今地两交通中最先进、最快捷的交通工 具。为满足磁浮列车运行安全性的要求，其轨道必须保证良好的状况。 本文研究的磁浮轨道自动检测车( 简称轨检车) 是用来定期对磁浮轨 道滑行面、导向面和定子面的几何参数进行测量，为磁浮列车的顺利 运营提供安全保障。在测量过程中由于受到磁浮轨道不平度的激励， 轨检车会产生振动，势必极大地影响车载测量系统的精度。因此，开 展对测量方法特点的研究、车辆振动对测量精度影响的研究以及如何 提高测量精度的研究具有重要的学术和工程价值。 本文基于小运动假定并根据牛顿第二定律，在把各轮胎简化成刚 度与阻尼组合的基础上采用车体坐标系建立了具有5 个自由度的轨 检车的线性振动模型。该数学模型计及车体的横向振动、垂向振动、 横摆、俯仰及侧滚运动。 由于磁浮轨道滑行面和导向面加工制造和材质都一样，因此认为 滑行面和导向面的垂向路面随机不平度输入的统计特性是一样的，并 采用滤波自噪声作为轨道路面时域随机不平度输入模型。根据建立的 轨检车振动模型，文中研究了在轨道滑行面帮导向面的确定性输入以 及随机不平度输入下的轨检车在不同轨道运行时的时域特性，并计算 了相应测点的功率谱密度。研究表明，磁浮轨检车在以1 0 k m 座车速 运行时，测点横向振动位移不超过5 m m ，垂淘振动位移不超过 2 0 m m ，车辆角度变化不超过o 。1 6 0 ，振动频率主要分布在5 h z 以下， 这为确定磁浮轨道几何参数的测量方法、传感器的选型以及研究轨检 上海交通大学博士学位论文摘要 车的振动对传感器测量精度的影响奠定了基础。 根据轨检车的振动、磁浮轨道的物理特性及其几何参数的定义， 确定了激光三角测距法为基本的测量方法，讨论了影响激光三角测距 法测量精度的因素，研究了振动过程中测量原理和由于振动造成的测 量误差，并根据轨检车的振动情况确定了相应的激光三角位移传感 器。 由于磁浮轨检车实际运行过程中产生振动，使得激光三角测距法 从初始的直射式变成斜射式。从纯几何角度分析，这一改变对激光三 角位移传感器造成的测量误差很小，但从物理角度分析实际误差比较 大。由于激光三角位移传感器本身振动时测量位移还没有具体应用， 无法计算振动造成的误差量，因此本文首先设计了垂直振动台架实验 来得到垂直振动状态下激光三角位移传感器的测量精度。在此基础 上，设计了模拟轨检车以l o k m h 车速运行时的实际振动情况的台架 实验来研究角振动对激光三角位移传感器测量精度的影响，发现角振 动会对激光三角位移传感器带来很大的测量误差。根据轨检车振动的 随机性以及因角振动而带来的测量误差的随机性，采用了误差平均法 来减d , n 量误差，实验结果表明这一方法能提高测量精度，满足规定 的测量要求，可应用于轨检车实车测量。 关键词：磁浮轨道轨检车振动三角测距法测量误差 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t v i b r a t i o n0 fm a g l e vt r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l e a n di t si n f l u e n c eo nm e a s u r e m e n to ft r a c k g e o m e t r yp a r a m e t e r s a bs t r a c t n o w a d a y s ，h i g hs p e e dm a g l e vt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( e g s h a n g h a i m a g l e vt r a n s r a p i d ) i st h em o s ta d v a n c e da n df a s t e s tt r a i ni nt h eg r o u n d v e h i c l e s ，t r a c k so fw h i c hm u s tb e i n d e e dg u a r a n t e e dt ok e e pn o r m a l c o n d i t i o n si ng e o m e t r i c a lt o l e r a n c e sf o rs a f e t yo ft h em a g l e vt r a i ni n o p e r a t i o n t h ed e v e l o p m e n to ft h et r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l ei si n t e n d e dt o c a r r yo u ta u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n so ft h e m a g l e vt r a c ks u r f a c e sf o rt h ep u r p o s eo fs a f e t yo p e r a t i o no ft h em a g l e v t r a i n s v i b r a t i o n so ft h et r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l ea r et h u se x c i t e db yt h e s l i d i n ga n dg u i d i n gs u r f a c e si r r e g u l a r i t i e so ft h em a g l e vt r a c k , h o wt o m e a s u r et h eg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n sa n dh o wm u c he f f e c to ft h ev i b r a t i o n o nm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya r ew o r t h yo fr e s e a r c h b yc e r t a i na s s u m p t i o n s ，t i r e sc a l lb es i m p l i f i e dt ob eac o m b i n a t i o n o fs t i f f n e s sa n dd a m p i n g ，a n dt h e nal i n e a rv i b r a t i o nm o d e lc o u n t i n gf o r s m a l lm o t i o n so ft h et r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l ei s d e v e l o p e da c c o r d i n gt o n e w t o n ss e c o n dl a wo fm o t i o n s ，d e g r e e so ff r e e d o mo fw h i c ha r e5 ， r e s p e c t i v e l y ，l a t e r a l ，v e r t i c a l ，y a w ，p i t c ha n dr o l lm o t i o n s 1 l l 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t t h es u r f a c es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s l i d i n ga n dg u i d i n g s u r f a c e sa r ec o n s i d e r e ds a m eb e c a u s et h e i rm a n u f a c t u r ea n dm a t e r i a la r e s a m e ，a n dt h ew h i t en o i s ef i l t r a t i o ni st r e a t e da st h es t o c h a s t i ct r a c k i r r e g u l a r i t i e si n p u tm o d e li n t i m ed o m a i n w h i l et h et r a c ki n s p e c t i o n v e h i c l er u n si nd i f f e r e n tt r a c kc o n d i t i o n sw i t hd e t e r m i n e di n p u ta n d s t o c h a s t i c i n p u t ，t h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev e h i c l ei nt i m e d o m a i ni sa n a l y z e da n dp o w e r s p e c t r u md e n s i t yo ft h em e a s u r i n gp o i n ti s c o m p u t e d b yt h er e s e a r c hi t i si n d i c a t e dt h a tt h ea m p l i t u d eo ft h el a t e r a l d i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea tt h es p e c i f i e dm e a s u r i n gp o i n to f t h ev e h i c l ei n v i b r a t i o ni sl i m i t e dw i t h i n 5 m m ，t h ea m p l i t u d eo ft h ev e r t i c a l d i s p l a c e m e n tr e s p o n s ew i t h i n _ _ 2 0 m m ，t h ec h a n g eo f t h ev e h i c l ea t t i t u d e a n g l e r e s p o n s e i s p r e d i c t e d t ob ew i t h i no 16 。a n dt h ev i b r a t i o n f r e q u e n c i e sc o r r e s p o n d i n gt om a j o rv e h i c l eb o d yv i b r a t i o n su n d e r5 h z w h e nt h ev e h i c l ei sd r i v e no nt h et r a c k sa tt h es p e e do f10 k m h ，w h i c h m a k ei tp o s s i b l et oc h o s ep r o p e rm e a s u r e m e n tm e t h o da n ds e n s o r sa n dt o r e s e a r c ht h ev e h i c l ev i b r a t i o ne f f e c to nm e a s u r e m e n ta c c u r a c y a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l ev i b r a t i o n ，t h et r a c kp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dd e f i n i t i o no ft h et r a c kg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n s ，l a s e rt r i a n g u l a t i o n m e t h o di s a d o p t e d f a c t o r st h a t i n f l u e n c em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya r e d i s c u s s e d t h em e a s u r e m e n t p r i n c i p l ed u r i n g v i b r a t i o na n dt h e m e a s u r e m e n te r r o rf r o mv i b r a t i o na r ed e v e l o p e d l a s e rt r i a n g u l a t i o n d i s p l a c e m e n t s e n s o r sa r ec h o s e na c c o r d i n gt ot h ev e h i c l ev i b r a t i o n 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t s i t u a t i o n l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o dw i l lc h a n g ef r o mn o r m a li n c i d e n c eo fi t s i n i t i a ls t a t i cs t a t et oo b l i q u ei n c i d e n c eb e c a u s eo ft h ev i b r a t i o no f m a g l e v t r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l e t h em e a s u r e m e n te r r o rc a u s e db yt h ev i b r a t i o n i sv e r ys m a l lf r o mt h ev i e wo fg e o m e t r y ，b u tt h ea c t u a lm e a s u r e m e n t e r r o ri sb i g g e rf r o mt h ev i e wo f p h y s i c s b e c a u s et h e r ei sn oa p p l i c a t i o n c a s et h a tl a s e rt r i a n g u l a t i o nd i s p l a c e m e n ts e n s o ri su s e dt om e a s u r ew h i l e i t sv i b r a t i n g ，t h em e a s u r e m e n te r r o rf r o mt h ev i b r a t i o ni sh a r dt ob e c a l c u l m e dt h e o r e t i c a l l y s o f i r s t l y ，av e r t i c a l v i b r a t i o nt e s tb e n c hi s d e s i g n e dt oa c q u i r et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fl a s e rt r i a n g u l a t i o n d i s p l a c e m e n ts e n s o r sd u r i n gv i b r a t i o n o nt h eb a s i so ft h a t ，at e s tb e n c hi s d e s i g n e dt os i m u l a t et h et r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l ev i b r a t i o nw h e nt h e v e h i c l er u n sa tt h es p e e do flo k m hi no r d e rt os t u d yt h ea n g u l a rv i b r a t i o n e f f e c to nm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fl a s e rt r i a n g u l a t i o nd i s p l a c e m e n t i ti s f o u n dt h a tt h e a n g u l a rv i b r a t i o nb r i n g sm u c hm e a s u r e m e n te r r o r a c c o r d i n g t ot h e r a n d o m i c i t y o ft h ev e h i c l ev i b r a t i o na n dt h e m e a s u r e m e n te r r o rt h e r e o u t ，e r r o ra v e r a g em e t h o di sa d o p t e dt or e d u c e m e a s u r e m e n te r r o r t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e t h o dc a ni m p r o v e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，s a t i s f i e st h em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t sa n db e a p p l i e dt oe n g i n e e r i n gm e a s u r e m e n t o f m a g l e v t r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l e v 上海交逶大学博士学攮论文 矗b s t r a c t k e yw o r d s ：m a g l e vt r a c k ，t r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l e ，v i b r a t i o n ， l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o d ，m e a s u r e m e n te r r o r v l 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：川岳彻 吼砷年r 月j ) 日 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“) 指导教师签名： 日期2 7 年且咖 ，彻 詈 ， 、卜0 日 、秒 了 名 月 墼 厂 者 搴 储产 文 髓 敝 舢 位 期 学 日 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 速度是人类在交通技术领域探索的永恒主题，能源则是全世界可持续发展研 究中一个无法回避的主题。而高速磁浮列车系统恰是2 0 世纪人类在交通技术领 域围绕这两个主题的一项技术发明。它高速、安全、舒适、节能、环保，是继汽 车、轮船、火车、飞机和管道运输之后，填补火车和飞机之间速度空白的一种新 型的有轨交通系统。 为验证德国常导高速磁浮系统的安全性、可用性和经济性，2 0 0 2 年1 2 月3 1 日，世界上首条全长为3 5 k m 连接上海浦东国际机场和龙阳地铁站的磁浮商业示 范运营线成功实现了单线通车试运营。磁浮列车干线旅行速度可达4 0 0 4 5 0 k m h ，最高速度在5 0 0 k m h 以上。虽然磁浮列车非常安全，但由于行驶速度 很快，一旦出现事故，后果不堪设想。因此，为了保证磁浮列车安全运行需要对 磁浮轨道几何参数进行定期测量，及时修整轨道偏差。为检测上海磁浮系统的轨 道线路，迫切需要研制一种新型的磁浮轨检车。 1 1 磁浮轨检车 磁浮轨检车是在磁浮巡检车的基础上加以改进并安装相应的测量系统来对 磁浮轨道的几何参数进行精确测量，其测量内容包括轨道功能件的变形、轨道的 间隙、走行面和导向面的使用状况，这些是磁浮列车系统正常运行的基本保证条 件。 磁浮轨道轨检车与磁浮巡检车一样，是一种运行在高架磁浮轨道上的专用工 程车辆，采用橡胶轮结构行驶系统。该车与采用钢质车轮的车辆相比具有较多优 点，它具有低轮轨噪音、低轮轨磨耗、较大的轮轨附着系数以及更小的曲线通过 半径等特点。橡胶与钢之间的摩擦系数显著高于钢与钢之间的摩擦系数，故采用 橡胶轮的加速与减速性能明显优于钢轮的，有利于运行安全性。采用橡胶轮使得 铁路车辆主要的噪声源( 轮轨接触噪声) 强度显著下降。巡检车采用轮轨导向方 式。轮轨导向与司机人工导向系统相比具有如下优点：噪声较小；运行阻力小， 能耗低，运营成本低；安全性、可靠性较高，容易实现自动控制和自动驾驶。 巡检车有两种类型的橡胶轮胎：滑行轮和导向轮。位于轨道面上的滑行轮支 撑车体重量并传递驱动力和制动力。导向轮位于车身两侧沿着轨道导向面运动， 保证巡检车在滑行过程中的轨道跟随能力。因滑行轨道表面平整，滑行面较窄， 导向系统采用预压紧方式工作，正常运行时导向轮与轨道之间不存在间隙，故未 用转向系统。导向系统位于车身两侧，帮助其顺利通过曲线轨道并减小由于轨道 空 学博学* 论女* 章绪论 激励或辆横摆运动产生的侧目振动。 磁浮轨道巡检车由康明斯柴油机驱动，由四个叶桥、八个滑行轮、叫组导向 机构和一个骨架式车身 ； i 成。车桥系统是整车底盅最重要组成部分，分别m 两对 般驱动桥构成该巡检车的行走系主要部件。两对烈驱动桥前后对称札黄，居中的 变速器输出端通过传动轴驱动中桥( 贯通桥) 。能十巡检1 二岍侧的导向系统通过 导目错1 0 车身固定连接。巡榆车外形照片如崮i i 所小。 图1 一l 位于维修基地的磁浮轨道巡检车 f i g1 - lt h e m a g l e v t r a c k i n s p e c d o nv e h i c l e i n t h e m a i n t e n 叽c eb a 5 e 袁i 一1 碚浮轧拴车主要检剥项目及技术指标 t a b l e i - i m e a s u r e m e n t i t e m s p e r f o m a n c e i n d e x o f m a g l e v t r a c k i n s p e c t i o nv e h i c l e 靖行面n g k 0l m m 1 0 0 0 m m90 m 州1 0 0 0 r a m 导向面0 侬e t a 0 l m m2 m m 导向面n g k 0l mr r d l 0 0 0 m m 丑o m m 1 0 0 0 r a m 导向而t o r s i o n 01 m m 1 0 0 0 m m l a r c t a n ( 07 m m 1 5 5 m m ) 定于面o f b e t 0 1 m m l m m 定了面n g k ：e 01 m m 1 0 0 0 r a m ! l5 m m ，1 0 0 ( h n m 磁浮轨检车山于是被牵引式车辆，所以取消了发动机。轨检车底盘底部需刚 性连接个装有传感矩阵的测量架，为了保证足够的测量空间，h 需两个车桥、 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 四个滑行轮，导向机构仍是四组，但单个导向机构的并联式前后导向轮要改变成 串联式导向轮。传感矩阵主要耀来测餐磁浮轨道相邻功能件各表面的o f f s e t 和 n g k ( 具体定义觅本文第四章) ，表l l 为磁浮轨检车主要检测项目及技术指 标。由表l l 可知，检测项目实际上就是测量距离。由于磁浮轨道为高架轨道， 耀人工测量方法来测量轨道这些咒何参数将菲常困难，瑟且安全馕差，测量精度 难以保证。采用轨检车自动测量安全且效率高，但轨榆车在运行过程中由于受到 轨道不平度激励藤产生振动，这将影响到轨检车采用何种测距方法、传感器的选 择以及如何减小振动带来的测量误差而保证测量精度。 。2 国内外轨检车及轨检技术的发展与现状 l 。2 国内羚孰检车的发展与现状 轨道是轨道运输的基础，轨道状态的好坏直接影响到列车运行的安全和平 稳。为使轨道长期处于良好的平颁状态，必须经常对轨道状态进行检查和测量， 查找各种轨道病害和伤损部件，并及时实施养护维修和设备更新。为了能够准确 地测量轨道状态，自动检测轨道病害的类型、程度及其所处的位置，7 0 年代以来， 欧、美、西等冒相继研究各种先进的轨道检测技术和新的测量原理，开发出新墼 轨检车等检测设备，使轨道检测技术达到了新的水平。轨道检查车是检查轨道病 害、指导线路维修、保障行举安全的重要设备，也是实现轨道状态现代化管理必 不可少的重要条件，因此许多发达国家都非常重视应用现代高新技术开发现代化 轨检车，比较典型的有美国t 1 0 型轨检车、日本9 2 1 1 l 型轨道检检车、英国的 h s t r c 高速记录车，检测速度均达n 2 0 0 k m h 以上，德国o m w e 轨检车检测速度 更是达到了3 0 0 k m h 。1 9 9 6 年春季，瑞士联邦铁道( s b b ) 开始试用一部第二代 类型麓p a l a s 叁动化的轨道捻测系统，是由一家名为jm u l l e ra g 的瑞圭公司宣 1 9 9 4 年开始研发的。p a l a s 轨检车采用固定的基准点激光扫描以及1 个车载斌陀 螺装置来连续地、离精度地计算轨道的确切位置。它既可用于直接指导轨道机械 化维修作业，也可以提供测量记录数据以达到建立一个轨道几何尺寸数据库的目 的【。 1 9 9 3 年，奥地黎j p l a s s e r & t h e u r e r 公司开发患e m 2 5 0 型高速线路帮接触隔综 合检查车，其行驶检测速度高达2 5 0 k m h ，这种拖曳式轨检车采用激光三角测量 法和惯性基准测量法f 2 l ，测量设备与被测物体之间相对距离的测量过程如下：用 激光在被测物体即钢轨内侧工作缘上生成一个光点，同时通过一台相对于激光束 倾斜安置的行式扫描照相机或者一台位置灵敏探测器( p s d ) 接收此光点信号并 对其位置搬以研读。当测量元件与被溅物体之阅豹距离发生变化时，逶过一套透 镜系统在光敏传感器上捕捉到的光点与此改变成比例产生偏移。通过对行式扫描 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 照相机或位移灵敏探测器( p s d ) 输出信号的研读，就可获得钢轨的距离值。在 一个转向架上安装有两套这样的测量装置，如图l 一2 所示。 图1 2 无接触式轨距激光测量装置 f i g 1 - 2n o n - c o n t a c tg a u g em e a s u r i n gd e v i c e 1 9 9 7 年，澳大利亚开发出一种以摄像原理为基础的非接触式轨道检查系统 r a i l s c a n ，该系统能够同步提供关于轨道几何尺寸、钢轨断面轮廊、扣件、轨 下垫板及轨底坡的测量数据。r a i l s c a n 系统能够连续检测轨道，经改进其输出 信号可达5 0 次s ，能够以0 - - - 3 6 0 k m h 的速度完成测量工作。该系统目前已被美国、 中国、澳大利亚、新加坡、爱尔兰的轨检车辆采用1 3 1 。r a i l s c a n 系统作业时使 用1 个低压的卤素灯泡和1 个大功率的发射系统向钢轨发射一窄束白光，1 个 c c d 摄像机随后监视光与钢轨的横断面形状，这相当于由钢轨形状带来的变形 线，如图i - - 3 所示。 像机 图l 一3 眦s c a n 测量系统的测量原理 f i g 1 - 3t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo f r a i l s c a ns y s t e m 4 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 图1 4n p s 主单元 f i g 1 - 4m a i nu n i t so f t h en p s 俄罗斯开发出了基于非接触式光学系统n p s 的轨检车【州，该系统由4 个特 殊的数字c c d 摄像机和4 个激光器组成( 每个轨道各有2 个c c d 摄像机和2 个 激光器) ，它们一起被刚性连接并安装到轨检车的下方。轨检车运动过程中从摄 像机到轨道头部的视觉角度和距离保持不变( 见图1 - - 4 ) 。1 9 9 8 年，俄罗斯莫斯 科国立大学铁道工程学院( m i i t ) 和莫斯科地铁公司联合开始研发新一代非接 触光学测量系统k s i r i 刀。该系统由4 个子系统组成，分别为钢轨磨损、高度和轨 距测量子系统( b f s m ) ：三角坑测量子系统( f i p ) ；接触轨测量子系统；速度、 水平和测量车定位子系统。 我国于1 9 5 3 年自行设计制成第l 台轨道检查车。1 9 5 5 年，试制出铁研5 5 型轨 检车，均属第l 代机械式轨检车；1 9 7 0 年，研制出t s k l 5 型第2 代简易电气式轨检 车。这些轨检车的测量原理存在固有缺陷，检测项目少，测量精度低，甚至出现 失真现象，不能满足准确测量轨道状态的需要。为改变我国轨检技术长期处于落 后的局面，铁道部科学研究院经过十几年的艰苦努力，消化吸收国外先进技术和 经验，结合我国铁路的特点进行技术攻关，研制出惯性基准轨道不平顺测量仪、 曲线超高测量仪、速度里程测量仪、轨距轨向测量系统以及车载轨检数据实时处 理系统等一系列轨道状态检测设备，进而于1 9 8 6 年研制成功第3 代x g j - i 型轨检 车和g j 3 型轨检车以及9 0 年代的d j b 9 7 7 5 8 型准高速轨检车隆l i l 。1 9 9 8 年，我国研 究消化吸收了美国e n s c o 公司的t 1 0 轨检车的检测原理，研制开发出g j - 4 型轨 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 传感器j _ - - - - _ _ 传感器l 模拟信号 处理装置 信 号 转 接 装 置 从 计 算 机 l e d 显 光盘汇录仪 光i u 编码器n 速度里程处理单几li 波形记录显示仪 图1 5g j 4 型轨检车测量系统 f i g i - 5t h em e a s u r e m e n ts y s t e mo f g j - 4t r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l e 表1 2g j - 4 型轨检车检测项目及技术指标 t a b l ei - 2m e a s u r e m e n ti t e m s & p e r f o r m a n c ei n d e xo f g j - 4t r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l e 检测项目精度范围波长 轨距土1 0 m m1 4 1 5 1 4 8 0 曲率 士1 2 1 0 - 4 m l 水平( 超高) 士1 5 m m士5 0 ( 士2 0 0 ) m m 高低( 左右轨) 士1 0 m m+ 6 0 m m1 5 6 0 m 轨向( 左右轨) 士1 5 m m 士1 0 0 m m1 5 6 0 m 栩曲( = 角坑) 士1 5 m m 士1 0 0 m m 基长2 4 m 复合不平顺( 左右轨) 士1 5 r a m土1 0 0 m m1 5 - 6 0 m 车体振动加速度 士o 1 m s 2- 1 - 9 8 m s 2 轴箱振动加速度士9 8 m s 2 + 9 8 0 m s 2 里程1 o m0 2 9 9 9 k m 速度1 o k m h 0 l6 0 k m h 检系统【1 2 1 6 1 ，该系统综合了x g j 1 型和g j 3 型轨检系统的优点，采用当今发展最 为迅速的微机系统为核心，是以模拟滤波和数字滤波相结合，混合滤波处理方式 的“捷联式”的检测系统。整个系统稳定，调试过程严格规范，结果精确，且处 理功能强、速度快，能够适应高速轨检车的需要。由于采用了开放式的微机系统 及其接口技术，优化了系统结构，使维护更加方便。软件功能齐备，界面清晰友 好，操作简便。g j - 4 型准高速轨检车最高检测速度达1 6 0 k m h ，于1 9 9 9 年4 月投入使 用，为保障三大干线运输安全，提高线路质量发挥了重要作用。g j - 4 型轨检系统 在检测原理、检测性能、测量精度、数据处理方法等方面均达到国际先进水平。 g j 4 型轨检车检测系统总体框图如图l 一5 所示，该系统采用惯性测量原理，应用 电磁、光电、激光等新技术，实时而准确地检测轨距、轨向、水平( 包括曲线超 高) 、高低、曲率、三角坑、车体振动加速度和轴箱振动加速度等。采用陀螺、 6 主计算机 掣 翮 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 激光传感器、光电编码器、位移计和伺服加速度计等新型传感器，把检测到的原 始信号分别经调制解调、前置放大、模拟滤波等模拟预处理，再经a d 转换，采 样量化后进入主计算机，由主计算机通过数字滤波等数字信号处理，合成轨道几 何参数并计算出加速度值，完成超限摘取、统计、存储、绘图等，同时将超限数 据和速度里程信息等传输到从计算机进行编辑、显示和打印。g j 4 型轨检车检测 项目及技术指标见表l 一2 。 1 2 2 轨道几何量测量技术的发展与现状 轨距是钢轨头部顶面下1 6 毫米范围内两股钢轨作用边之问的最小距离。国 际上标准轨距是1 4 3 5 毫米。轨距是最基本的轨道参数之一。自有轨检车以来， 轨距一直是检测的一项内容。如果轨距不能精确的检测，将会造成重大的铁路安 全隐患。为了适应快速、重载的需要，确保列车安全、平稳、无间断地运行，实 现建立“数字”化的铁路的目标，迫使轨检车的检测能力需要提高，工作性能需 要优化。目前轨距测量广泛使用无接触式光电测量方法，各国轨距测量的原理和 结构有所不同1 1 7 j 。 英国的轨距测量装置见图l 一6 。安装在构架上的广发射器由6 v3 6 w 的白 炽灯和发射光学透镜组成。光投于左右钢轨头部。轨顶面明亮，钢轨内侧面以内 相对位置数据 八 l 阀值电平 ji 一 o 图1 6 英国的轨距测量装置 f i g 1 - 6t h eg a u g em e a s u r i n g e q u i p m e n td e v e l o p e di ne n g l a n d 黑暗，钢轨内侧面为暗与亮的分界面。钢轨头部反射光被车体底板上安装的光电 线性扫描系统接收，电子系统根据其接收的轨头暗亮分界面的变化，计算出轨距 值。这种方法的主要缺点是白炽灯寿命低，易受日光干扰。由于不是用轨顶面下 1 6 m m 处的轨距点测轨距，测量误差大。 日本东海道新干线、东北新干线高速轨检车的轨距测量装置见图l 一7 光 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 学系统发出平面光，与钢轨相交得到明亮的钢轨头部轮廓线。摄像系统摄取其影 光带 测定轴线 接收嚣 图l 一7 日本的轨距测量装置 f i g 1 - 6t h eg a u g em e a s u r i n ge q u i p m e n td e v e l o p e di nj a p a n 像，电子系统对影像中轨顶面下1 4 r a m 处的轨距点位置变化进行测量。其光源为 2 4 v 、1 5 0 1 m 、5 0 0 0 i x 的卤素灯泡。摄像系统由光电倍增管、偏转线圈、放大、 同步及滤波电路组成。全部检测装置安装在车下的测量台架上，台架通过减震器 与均衡梁连挂。这种测量方法精度高，结构复杂，灯泡寿命低，摄像器落后。 图1 8 荷兰、加拿大的轨距测量装置 f i g 1 - 8t h eg a u g em e a s u r i n ge q u i p m e n td e v e l o p e di nh o l l a n da n dc a n a d a 荷兰与加拿大两国的轨距测量方法相同，原理见图l 一8 。安装在构架上的 测量梁内的气体h e - n e 激光器发出的光束，被反射镜反射后投射到轨头顶面下 1 4 m m 处。由2 5 6 个光电二极管组成的线性扫描器接收并检测轨距点光斑的位置。 3 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 安装在构架和轴箱之间的4 个线性位移传感器检测垂直位移，其测值用于对反射 镜的转角进行伺服控制。这种方法的不足是发射和接收光线的光程长，易受异物 的干扰。h e o n e 激光器要有良好的隔振，为保证冬季正常工作，测量装置需要加 温设备。 澳大利亚采用钢轨断面扫描装置测量钢轨断面，同时完成轨距测量。如图l 一9 所示，发射光源发出的光经窄缝光阑后变成平面光，它与钢轨相交得到钢轨 的断面轮廓。电荷耦合器件c c d 摄像机摄取该断面信息，经计算机处理得到a 、 b 、c 、d 、c 各点相对于计算坐标轴的距离。从轨距测点b 之距离变化可计算出 轨距。这种方法测量轨距时，采样间隔因系统扫描频率的影响，在不同速度下有 不同的间隔值。例如系统扫描频率f = 5 0 h z ，速度为3 0 k m h 时，采样间隔为0 1 6 m ， 速度为1 0 0 k m h 时，采样间隔为0 5 6 m 。用钢轨断面测量法测量轨距、轨向、高 低及水平等几何参数，最近几年受到了各国的关注。 b c d 图l 一9 溴大利亚的轨距测量装置 f i g 1 - 9t h eg a u g em e a s u r i n ge q u i p m e n td e v e l o p e di na u s t r a l i a 美国于八十年代初研究一种新的光电轨距测量装置。该装置的光电传感器由 砷化镓半导体脉冲激光发射器及半导体四象限光电二极管接收器两部分组成。发 射器发出的光斑投射在钢轨顶面下1 6 r a m 处。接收器接收钢轨上的光斑漫反射 光，并成像于四象限光电二极管上。光电传感器体积小，抗震性能好，频响高， 在高低温自然环境下，均能工作。轨距测量时，光电传感器在伺服机械驱动下， 跟踪钢轨而移动，保证光斑准确地投射到轨距点。 我国最新研制的g j - 4 型轨检车采用的是激光伺服跟踪方案来进行轨距测量 的【怍1 6 1 。如图l l o 所示，轨距测量装置由原理和结构完全相同的左右两个装置 组成。它们各自测量左轨及右轨的轨距变化分量。两个轨距分量之和可得到轨距 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 9 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 内侧面轨距点之水平距离为。( r ) ，与测量梁上伺服马达水平距离为 ( 。左右玛达阆距为d 。光电传感器发出的光束以g 囊投射到左( 右) 孰 面下1 6 r a m 处，漫反射光被光电接收器接收。 当钢轨产生位移使轨距变佬时，光电传感器感受其变化并输出穗关电信 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 计算如下； s 。+ + d + + ( 1 - 1 ) s = s l 七d s r 式中，筑为左辘躐分量；鼓为右轨鞭分量。 计算杭 ( 1 - 2 ) 图1 1 0g j - 4 型轨检拳执距测量装置 f i g 1 - 1 0t h eg a u g em e a s u r i n ge q u i p m e n to f g j - 4t r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l e 1 0 上海交通大学博士学位论文第一。章绪论 轨道几何不平顺也是钢轨的一个基本几何参数，它描述了单根钢轨水平、垂 直方向的直线度变化情况。在机车车辆的不稳定重复荷载作用下，轨道会出现垂 向、横向的动态弹性形变和残余积累变形，统称轨道几何不平顺。它是引起机车 车辆各种振动和轮轨作用力变化的主要原吲博j 。轨道高低不平顺是指线路纵向一 股钢轨项面上的高低状态，由于路基下沉、道床捣固不实、扣件松动等原因，钢 轨将产生不均匀下沉，使轨面出现高低不平。轨道水平不平顺是指线路左右两股 钢轨顶面的水平状态，三角坑则是指在规定距离内，两股钢轨交替出现的水平差， 当三角坑超限时，一个固定轴距前后的四个车轮中有一个瞬间减载或悬空，严重 时可能爬上钢轨，危及行车安全1 w j 。 目前国内外自动检测钢轨几何不平顺的方法主要为轨检车中的惯性法，其检 测原理如图l 1 1 所示。采用惯性元件陀螺仪建立基准线，车轮轴箱的上下运动 日等于质量块m 的上下运动z 及质量块与轴箱间相对位移之和，即： h = z + 形 图l l l 惯性测量原理 f i g 1 - 11t h ei n e r t i am e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ( 1 - 3 ) 质量块m 对其惯性基准线的位移z 可用加速度传感器测出质量块m 的加速度之 经二次积分得到，质量块膨与轴