（机械电子工程专业论文）铁路几何量自动检测方法的研究.pdf

铁路几何量自动检测方法的研究 学科：机械电子工程 研究生签字： 指导教师签字 摘要 对铁路轨道几何量进行检测是保证铁路安全运行的重要手段。在我国，长 期以来一直依靠人工测量的办法来对铁轨几何量进行检测，测量效率以及测量 数据的准确性都得不到有效的保障，并且测量人员的安全性的问题也是十分突 出的。 本论文通过对于铁路轨道几何量测量方法的研究，选取合适的方案研制出 便于铁路工务段工人携带的铁路轨道几何量测量仪器。 论文首先介绍了国内轨道检测的状况和国内外轨道检测设备的发展，分析 了各种设备的优劣。并在此基础上，结合工务段以往测量铁轨几何量的经验， 经过对铁轨几何量测量方法的研究提出了以单片机为核心、选取合适的传感器 为信号测量装置的检测方案。 测量装置的硬件部分主要是完成传感器测量得到的信号经过转换进入单 片机，再经过单片机的数据处理后，通过无线接收发送模块发送到p d a 上；软 件部分是，对于单片机发送到p d a 上的数据进行显示以及与已经做好的数据库 数据进行比较，分析数据的合理性，并且通过分析可得到测量数据是否在允许 范围内，以及做出对于铁轨需要调整的数据。 该测量设备将是一种实时、动态的测量设备，其通过的铁路轨道的正矢、 超高、轨距等铁轨几何量数据会自动地反映并存储在p d a 上，能够对铁路工务 现场线路检查、维修、保养、行车安全监控等工作起到积极的指导作用。 关键词：铁轨几何量、无线接收发送模块、p d a 、动态测量 r e s e a r c ho nr a i l r o a dg e o m e t r yq u a n t i t ya u t o m a t i c d e t e c t i o nm e t h o d d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e s u p e r v i s o ts i g n a t u r e a b s t r a c t t h ee x a m i n a t i o nt ot h er a i l r o a dt r a c k g e o m e t r yq u a n t i t yi s g u a r a n t e e st h ei m p o r t a n tm e t h o df o rt h er a i i r o a ds a f eo p e r a t i o n i no u r c o u n t r y ，c o n t i n u o u s l yd e p e n d su p o nt h em a n u a ls u r v e yw a y st oe x a m i n e t h er a i l w a yr a i lg e o m e t r yq u a n t i t yl o n gt i m e ，t h es u r v e ye f f i c i e n c ya n d s u r v e yd a t aa c c u r a c yc a n n o to b t a i nt h ee f f e c t i v es a f e g u a r d ，a n ds u r v e y c r e w ss e c u r eq u e s t i o na l s oi se x t r e m e l vp r o m i n e n t t h ep a p e rs e l e c t st h ea p p r o p r i a t ep l a nt od e v e l o pt h er a i l r o a d g e o m e t r yq u a n t i t ym e a s u r ei n s t r u m e n tw h i c ha d v a n t a g e o u sf o rt h et r a c k m a i n t e n a n c ed i v i s i o nw o r k e rc a r r i e st h r o u g hr e s e a r c h i n go nt h er a i l r o a d g e o m e t r yq u a n t l t ym e a s u r em e t h o d t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ed o m e s t i cc o n d i t i o n so ft r a c ke x a m i n e s a n dt h ef o r e i g nd e v e l o p m e n to ft r a c k sc h e c ko u tf a c i l i t y ，a n da n a l y z e d e a c hk i n do fe q u i p m e n tf i ta n du n f i tq u a l i t y a n di nt h i sf o u n d a t i o n ， i n t e g r a t i n gt h ee x p e r i e n c e w h i c ht h et r a c km a i n t e n a n c ed i v i s i o n f o r m e r lys u r v e y e dt h er a il w a yr a i1g e o m e t r yq u a n tit y ，p r o p o s e st h e e x a m i n a t i o np l a nt h a tt a k et h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra st h ec o r e a n ds e l e c ta p p r o p r i a t es e n s o ra st h es i g n a lm e t e r i n ge q u i p m e n tt h r o u g h r e s e a r c h i n go nt h er a i l w a yr a i lg e o m e t r yq u a n t i t ym e a s u r em e t h o d t h em e t e r i n ge q u i p m e n th a r d w a r ep a r t i a lm a i n l yc o m p l e t e st h es i g n a l w h i c ht h es e n s o rs u r v e yo b t a i n st oe n t e rt h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r a f t e rt h et r a n s f o r m a t i o n ，a n dt r a n s m i t st h ed a t at ot h ep d at h r o u g ht h e w i r e l e s sr e c e j v et r a n s m i s s i o nm o d u l ea f t e rt h e s i n g l e c h j p m i c r o c o m p u t e rd a t ap r o c e s s i n g ：t h es o f t w a r ep a r tdjs p l a yt h ed a t aw h i c h t h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rt r a n s m it t e dt ot h ep d aa n dc o m p a r ew h i t d a t a b a s ed a t aw h i c ha l r e a d yc o m p l e t e d a n a l y z e dt h ed a t at h er a t i o n a l i t y a n dm i g h to b t a i nt h es u r v e yd a t at h r o u g ht h ea n a l y s i sw h e t h e ri n t h e p e r m i s s i o ns c o p e ，a sw e l la sm a d et h ed a t at h a tt h er a i l w a yr a i lw i l l n e e dt ob ea d j u s t e d t h i sm e a s u r e m e n te q u i p m e n tw i l lb eo n ek i n dr e a l t i m e 。t h ed y n a m i c m e a s u r e m e n te q u i p m e n t ，t h er a i l w a yr a i lg e o m e t r yq u a n t i t yd a t av e r s e d s i n e ，s u p e re l e v a t i o n ，g a u g ec a na u t o m a t i c a ll yb er e f l e c t e da n ds a v e d i nt h ep d aw h e nt h ee q u i p m e n tt h r o u g ht h er a i l w a yr a i l t h ee q u i p m e n t w i llb et h ep o sjt i v ei n s t r u c t i o nf u n c t i o nt ot r a c km a i n t e n a n c ed i v i s i o n s c e n e1i n ei n s p e c t i o n ，t h es e r v i c e ，t h em a i n t e n a n c e 。t h et r a f f ics a f e t y m o n i t o r i n g k e yw o r d ：r a i l w a yr a i lg e o m e t r 7q u a n t i t y ，w i r e l e s sr e c e i v et r a n s m i s s i o n m o d u le ，p d a ，d y n a m ic s u r v e y 1 绪论 绪论 铁路是我网滔民经济的大动脉，确保列车安全正点运行是关系到国民经济 能否健康、稳定、持续发展的大事。中国铁路总里程达l o 万公里以上，在2 0 0 4 年4 月1 8 日零时，全国铁路顺利实现第五次全面提速，这是建国以来规模最 大的一次铁路提速，在2 0 0 6 年还要进行第六次铁路提速。当然随蔫高速、重 载运输的发展，线路的负荷秘蓣加重，线路状态恶化加剧，可供维修作业量增 加，同时由于行车密度加大，胃供维修作妲的列车闯隔对闻越来越短，使运输 与线路维修的矛盾更加突出。由于铁轨参数变化导致的安全隐患大量存在，为 了保证铁路的逡行安全，需要定期对铁路轨道进行检查维护。这些维护包括对 铁轨轨距、水平、矢距、轨向和三角坑的测量和矫正笛，以保证铁孰参数在规 定熊数值戬内。铁孰检测分为静态检测和动态检溺两种。静态测量楚工务段人 员定期使用轨距尺等检测工舆进行测量 动态测量是指用大型轨道检测车进行 测量，动态测量比静态测量从测量数据上更加接近列车运行的状态，测量数据 更加全面准确，但不适用于线路检修的目常工作。 为保障铁潞客运安全行使，铁路工务部门要求每两、三天对铁轨进行检测， 对铁轨几何量检测的方式目前基本是人工道尺测量和轨检车测量相结合，人工 测量需要一人记录、一人检测、一人观察是否有列车行驶，三人操作，按现在 的操作翘程1 2 5 m 测4 点，每点就要弯腰测量一。次，工人劳动作强度大、效率 低、精度差。由于受天气环境、检溅工舞经心等主客褒因素影响，而使铁轨检 测无法得到有效的保障，特别是在隧道内进行测量时需要配备照明设备，由于 工作条件差，轨道测量的误藏通常就更大，工作效率更低，而且在列车运行速 度逐步提高的情况下，巡邀工豹人身安全也是需要关注的问题。而采用大型轨 捡车测量可以砖轨道几俺尺寸进行动态检测，自动化程浚高，检测的项鏊也览 较全，测量效率较高，省工省时。但轨检车的检测周期比较长，而一些严重的 轨道不平顺若不及时发现和排除，将会危害行车安全，因此轨检车不能满足频 繁捡测的需要，并且轨捡车成本大，不能保证每个工务驳都能配置。铁道部提 出的中国铁路捷速规划，提遮溉模大，需簧大量装备，不可能依靠大量的技术 引进来解决问题，中国铁路提速工程必须依靠具有自主知识产权的高新技术装 备来全面改造传统的铁路产业。 正是由于列车行使密度越来越大，火车 亍驶速度越来越快，使得火车进入 弯道处的离心力发生变纯，这样就会产生冲角脱轨等危险的事故，丽离心力与 曲线正矢、超商等铁轨数据有密切关系，羲研制出新的测量方法结合到便携式 测量仪器中，这就在降低了铁路工务段工人的工作强度，减少工作人员数量， 提高铁路线路检测的安全系数，实现铁轨几何参数的动态测量，同时也节省了 经费和提离了工作效率，谣纛也使得火车在行骏的过程中更船平稳，给旅客舒 适的乘车感觉，更加便于信息化管理，也有利于铁路部门减员增效，实现铁路 西安上业大学硕士学位论文 工务帮门的现代纯。 1 1 铁轨检测仪器的发展状况及其工作原理 1 1 1 国内检测仪器发展状况 隧蓿我国铁路向高速化、数字化发展。原阁的“看、量、敲、钎、斫”等 人工测爨方法和道尺、拉弦等原始工务轨道检焱装备都将被淘汰，新的先进轨 裣技术举：i 装备将取雨代之。 国内早在5 0 年代就自行研制出了大型轨检车，1 9 5 0 年，路局调用公务车 一辆，装备振动仪及速度仪，作为检测线路状态的专蠲车辆，隧挂予旅客列车 尾端进行线路检查。振动仪的检测项目仅有上下振动和左右摇晃两项。1 9 5 3 年 5 月，磨由车辆工厂制造的e x - 一1 型机梭传动式孰道检查车】。该车是中国自 行设计的第一代产品，其检测系统采用机械传动，检查时，利用车轮和测鬃轮 的位移，拉动钢丝绳和弹簧，经滑轮、杠秆的导淘，褥通过拉条带动匪臻笔在 嚣纸上记录下轨道几何尺寸偏差的波形。记录图纸定位长度与轨道民度保持固 定比铡：阁幅3 0 0 毫米等于撩面l 公里。当辩只能榆测轨距、水平、三角坑、接 头振动、列车摇晃等项目。轨道检查车原先用单机牵引，工作速度为每小时3 5 公里。1 9 5 8 年下半年，通过单祝牵弓| 及辩挂在旅客列车的对比试验证实，除籍 晃振幅嘉接与行车速度有关外，其他检测项目基本不受行车速度的影响。从 1 9 5 9 年1 月起改挂旅客列车检查，行车速度在每小时7 0 公里左右，可准确反映 轨道上的不良处所。该车使用至1 9 8 8 年7 月报废。 电磁传动式( e x 一2 螫) 轨检车怒我国1 9 6 5 年开始研究，1 9 7 1 年裁成客车式 电磁轨检车。其车长2 6 米，自重约6 2 吨，能同当时特快列车联挂进行检测， 检测的允许最高速度为每小时1 0 0 公里。它采用旋转变压器作位移传感器， 借助三个轮对所构成的1 8 5 米不对称弦测量轨道高低。用三轴转向架的三个轮 对构成的3 4 米对称弦测量钢轨接头低鞴，轨道水平状态由陀螺装霞测量。测 量结果用电磁笔记录仪记录在纸带上。较机械传动式增加了水平、商低两项的 检测，同时裣测速度亦提高报多u j 。 无论是机械式或电磁式轨检车，其检测原理均为“弦测法”，轨道检查项 目的超限评判由人工在纪录上纸进行。由于检测时均依靠车辆的走行轮及传感 设备，给车辆部门进行维修带来许多不傻。 1 9 8 7 年7 月，为实现轨道稔测的现代化，在铁科院的帮助下，研制成新 型轨道检查车。该车应用惯性基准、光电转换、陀螺运动、低频振动等原理， 在e x _ 2 型轨道检套车上安装g j 一3 型检撼系统，包括c p 3 型轨道不平颁 检测仪、d c 厶4 型多功能振动测量仪、t c 铁道超高测量仪、微机数据处理系 统以及s l c y 0 3 型速度里程测最仪和1 2 线磁笔仪等辅助装置h j 。经过两年的 调试和应用，于1 9 8 8 年1 2 月通过部级鉴定，正式用于行车速度小于每小时1 2 0 公翠的轨道检测。检测项目可有1 3 顼，包括：左右轨前后高低、左右水平、 左右轨面不平顺、曲线超高、曲线半径、轨距、三角坑、车体水平和垂直振动 嚣安一照大学鞭学位论文 加速度、左右轴箱燕赢振动加邋鹰。该车的最大特点怒，有了数据处醺系统： 微型计算机、模数转换装饕、软磁盘和宽行打印枫簿。 可根据实际需袋决定检测项目的数量，开始掩测后由1 2 人在微机蹇内 操作，车载发电机供给电源。所有检测数据囱动进入数据处理系统，人工无法 干预，最簏孝j + 印椒打印出鲶测缀镥袭、趋线状态表镣缀表，提供绘工务段，擞 终修穰据。籍垄鞔捡车可逶应1 6 0 公受d , 嚣重豁褒遮，在足次疆速二 荐中发挥 了巨大俸用。 9 0 年代又由中国铁邀科举研究院铁道建筑工襁技术公司在弓| 进和啜收霹 外先进轨梭技术的蒸础上开发出了g j 4 型轨道检蠢车，可检查铁轨的多个几何 参数 2 1 。饼4 型轨枪车检测系统鼹个模拟滤波和数字滤波相结合的混合滤波 处理方式的“捷联试”的检测系绞。整个系统稳定，结粟耩确度赢，重复| 黢好， 豆整理魂缝强，维渗器缭护委翔方寝。 g j 4 黧轨检车检测系簸采用惯性测璧原骥，殿蹋电磁、光电、激光簿新技 术，实时而准确地检测轨距、轨淘、水平( 包括曲线趣商) 、商低、曲率、三角 坑、车体搬动加速度和轴箱振动加速发等。采用陀螺、激光传感器、光电编码 器、位移计釉伺服加速度计等灏鬃传惑器，季巴检测割的原始信号分别经调制解 调、裁置放大、模接滤波等模拟鞭处理，再经a d 转按，采样量纯压进入主计 算魏，交未计算章建遵遘鼗字滤波等数字信号楚理，合成羲遂置餐参兼并计算篷 加逮泼傻，党成超限摘取、统计、存储、绘图等，嘲时将越限数据鞠速度里程 信息等传输羽从计算机进行编辑、显示和打印| 2 j 。 以上静种轨检车都是体积庞大如机车车头，且谴价很高，可测量多个铁轨 参数的综合性梳车。雨便携式铁轨几何量测量仪器的发浸还不是十分成熬，国 内秘州铁路褥辩磅新研制的铁路魏线援道检测诗冀仪1 3 】有娄 娃功憩，菇怒将_ 芷 矢溅量与拨遴羹溅爨集予一髂，功裁是卡努齐全，瞧蹩葵袁光擎爨准系绫、懿 械调节系绞、光栅线位移传感嚣、计算孝凡硬辞等鳃成，结构过于复杂，褥显容 易产生误麓，价格不菲。 j 二海理工大学与上海理工大学附属二厂共同开发的“g z c i 型轨道综台测 量仅”，此潮跫仪主要完成铁轨闯距( 1 4 3 5 + 6 ) m m 、( 1 4 3 5 - 2 ) m m ，掰裰铁孰高度 1 4i n i n ，定点鼷离3 。t 2 5 m 熟囊动测量记录工俸。戴仪器的特点是镶熊他， 馨在不藏援搏舞嚣爝汉字提示不瓣攥穆方法、彀瓣燎测及显示载漳瘵戮，并声 音报警；一次充电1 2 h ，工作时闷长，蠢天工作1 2 h 或寝闻工作9 h ；储存爨大( 大 于80 0 0 点) 并可长期保存；工作电压自动检铡( 汉字照示电压值) ，传拣嚣自动 零点校对并修正；重量仅1 6 埏，配有打印机接口及功能；操作简便1 4 j 。蕊水平测 量信号采用倾角传感器获取，假角传感器在带电的情况下零基准不髓岛动 胃 泣，霭要熏新调零，这榉在动态测量中裁不裁糅诞连续有效豹测量，弼韪显示 存穰帮努逶袋瘸点蘸式滚鑫萎示器帮辨零r o m ，撼豕嚣节占焉c p u 黪磺箨资 源，影响测豢速度，岁 帮r o m 的存储空闯有限，不能进行大量数据的存储与 分析。 3 西安t 业大学硕士学位论文 1 1 2 国外目前研制的轨检车 西方发达国家如日本、德国等开发了一部分数字化轨道检查仪器，并成为 工务二 ：作必备的标准化检测设备，其轨检车的工作时速可达1 6 0 2 0 0 k m h 以 上。在高速轨检车上，激光、数字滤波及图像数据处理技术得到广泛的应用。 如奥地利e m 一2 5 0 型轨检车【2 1 和德国的o m w e 型轨检车【2 】。 奥地利p l a s s e r & t h e u r e r 公司开发出的e m 一2 5 0 型高速线路和接触网综合检 查车，为检测速度高达2 5 0k m h 的拖曳式轨检车。e m - 2 5 0 型高速轨检车能提 供检测轨道几何尺寸及平、纵断面位置的参数：两股钢轨的纵向高低、两股钢 轨的t f 矢( 曲率) 、轨距、曲线地段水平超高值及两股钢轨水平数值、三角坑等。 确定接触网导线位置的参数：接触网导线相对钢轨踏面的高度、接触网导线的 侧向位置、接触网电杆的位簧。检测系统同时将下列标记与测量数据相综合， 测量速度，里程( 公里标和百米标) ，线路其他标志。其采用激光测量法测量轨 距，再采用惯性基准测量正矢、超高等，通过位移双重积分以及数字滤波而获 得的车架相对于测量轴的垂直运动和轨距测量横梁的水平运动的空间曲线，确 立钢轨纵向高度测量和正矢测量的基础，提供所确认的波长范围的长波信号分 量，并与线性位移传感器以及光学轨距测量系统的短波测量信号相叠加。由此 得出的合成测量值，给出了两侧1 钢轨在选定的波长范围内的纵断面和侧向水 平位置的与位移成正比例的空间曲线，并由此而连续算出可预选的弦长和弦布 置方式的有效纵向高度和正矢。借助于实用过滤技术( 这一技术需要对测量值 的计算和输出，推迟2 倍所选定的波长范围值) ，保证了2 套测量装嚣所给出 的钢轨空间位置地点和形状的可靠性。该系统还可以测量线路的水平曲率和超 高。为此，采用1 套由陀螺机构支持的加速度测量系统。根据2 根钢轨横向高 度和超高测量值，对多个预先的测量基准，算出钢轨扣曲值( 即三角坑) 。 “l r g a s ”是美国r a 公司生产的激光轨距和轨向测量装置。它应用 “光切断面法”，用激光机发射一束平面光照射钢轨，用高速光栅c c d 矩阵相 机测量激光线的位置，在钢轨本身不被截断的情况下，得到钢轨与平面光相交 断面处的光轮廓线。经计算机对数字化光轮廓线图像进行分析和定位，在光轮 廓线上处于轨面下1 6m m 处的轨距点测量轨距，进而实现轨向测量【5 j 。 铁道部引进的美国i m a g e m a p 公司的g j 一5 新型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 i p 协议组成车上局 域网。 东日本公司管理新干线1 0 6 7k m ，配备3 3 台确认车。】9 9 2 年该公司开 发出了资3 0 0 型确认车。1 9 9 3 年又开发出资4 0 0 型确认车，资4 0 0 型确认车该 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l o m 弦、2 0 m 弦，测量波形显示在屏幕上。测量的项目包括，左右高低、 左右轨向、轨距、水平、扭曲等几何参数。测量结果如果超过限界值，蜂呜器 西安上业大学硕士学位论文 尉在该位置发生报警声，并在当遗立即进行确认和记泵，如果确实存在问题， 将立即通知综合调度中心。确认车测量结束后，在车上计算机存储的轨道不平 顺数禚可转存软盘，带至龟西计算梳作进一步处理、输出波形图。 1 2 本课题的主要任务 铁轨几何量测最方法的研究怒对铁轨参数部分研究检测的发展，咀往的铁 轨检测大部分都是通过人工进行的静态测量，孰检车虽然是韵态测量且测量快 速，但是成本高，铁路部门给各个铁路局配备的数量少，本文对轨道几何量测 警方法豹研究是磷制便捷经济适髑于铁路部门的侄携式铁轨凡何爨测量仪的 蒸础，并且结合以往的经验进行了分析，并且做出了与之相结合测量仪器进行 实逮勘测。 2 1 对予铁轨几何量的计算方法建巅数学公式 遥适已知的铁轨几何豢测量方法，推导出适合直线、圆越线、缓和曲线的 铁轨几何量测爨计算公式模型。 1 2 2 建立以铁路线路维修规则为基础的新的测量方法 新的测量方法魑以铁路线路维修规则为基础的，使现场测量符合铁 貉线路维修规则，对于薪的测量方法，不能和铁路测量的溺家规定相冲突， 于是我们要建立相应的数据库，对于测量数据进行数据转换，使得处理后的数 据符合铁路线路维修规则，瞄便工务段工人现场测得的数据和以往的测量 数据相结合。 1 2 3 将该方法用于便携式铁轨几何爨测量仪 根据铁路轨道几何量测量方法的研究，并将测量方法应用于便携式铁轨几 何量测最仪，便携式铁轨凡何量测量仪以单片机为核心，选取适当的传感器， 分别测摄经过的铁轨的各个参数，测量得到数据经过a d 转换进入单片机，单 片机的软件部分对数据进行处理，处理后的数据再经无线传输与p d a 连接， 数据再在p d a 上进行再一次处理、分析、显示测量数据以及对于不合格的铁 轨数据给蠢解决方法。 2 铁轨正欠测量方法的研究 2 铁轨正矢测量方法的研究 2 1 铁轨正矢介绍 铁路中的正矢是对于曲线部分而言的，在曲线部分处给定一个弦长，此弦 中垂线与该弦所截得的弧有一交点，正矢就为该交点到中垂线垂足的距离。 如图2 1 中弦长a b 长l ，弦 所截弧长为c ，则弦中点到弧顶 处距离c d 为正矢f o 我国铁路工务部门整正曲 线方向，常采用2 0 m 弦长线量取 正矢的方法来计算每l o m 测点的 拔动量，但各测点之间的曲线方 向往往用人眼观察凭经验来整 c 图2 1 j 正，很大程度上带有主观臆测性：据现场调查，铁路的部分曲线中曾存在过1 0 m 测点即整点正矢不超限但半点即5 m 点正矢却超限的现象。目前，随着长大重 载货物列车的开行，客观上要求现有线路设备适应“多拉快跑”的需要，运量 的增加导致曲线养护周期的进一步缩短，致使列车脱轨事故时有发生。据统计， 近几年的脱轨事故9 0 均在缓圆点附近，虽然造成列车脱轨的综合性因素很多， 但就工务部门来讲，曲线弯道维修质量的好坏直接影响着行车的安全，而缓和 曲线的养护尤其是正矢的保持又是曲线养护中的关键，良好的缓和曲线线型不 仅要求整测点正矢不超限，而且半点正矢也不能超限，鉴于目前为止，在有关 书刊及现场仍没有把半点正矢的养护纳入规范化，系统化乃至提不到议事日程 上来。现就曲线正矢测量方法问题作一探讨。 根据铁路测量手册中铁轨正矢测量标准，对于铁轨f 矢测量主要分四 个方面：圆曲线正矢；圆益线始终点正矢；缓和曲线正矢；缓和曲线始终点正 矢。 ( 1 ) 圆曲线正矢：圆曲线正矢可通过图2 1 的原理直接测得； ( 2 ) 圆曲线始终点正矢：在测量的时候圆曲线始终点不正在测点上时， 其正矢可通过查铁路测量手册中的纵距率表进行计算，计算公式为： 圆曲线始、终附近测点正矢= 圆曲线计划正矢该点纵距率： ( 3 ) 缓和曲线正矢： ，：! ：三：，：三 ( 2 1 ) ，。面2 丽。i 2 ，a i 2 式中：z 缓和曲线任意长度1 处的正矢 残安工业大学硕士学位论文 z 。缓和曲线全长( r f l ) p 锾和曲线任意长度1 处的曲率半径 国内缓和越线采取的是3 次方放射螺形线，方程为：y 。彘萁曲率为志 ( 4 ) 缓和曲线始终点正矢：缓和曲线始终点不正在测点上时，其正矢可 赢铁路测量手册中的相应的缓和曲线纵距率表进行计算，公式为： 缓和曲线始点附近点正矢一缓和曲线正矢增量该点的纵距率 缓帮酋线终点附近点正矢= 圆曲线计划正矢缓和曲线正矢增最该点的 纵距率 上述中的缓和曲线正矢增量为i 厂增：塑荽曼。 2 2 铁轨正必测量方法评述 目前铁路工务段工人测鐾是在外轨蠹侧轨顶面下1 6 m m 处，采用1 0 m 的 弦长线，在弦长线中间处测定正矢傻，用“推磨测量法”p j 进行多令点溺量， 通过平均正矢德求出该弧线的曲率半径。所谓“推磨测爨法”即如图2 2 取1 0 m 弦长线，截取弧a b ，在弦a b 中点d 处鬣取正矢c d ，再以c 点 为始点量取1 0 m 弦长，截取弧c e ，在弦c e 中点g 处敬正矢f g ，再以g 点 为始点量取1 0 m 弦长，截取弧g h ，在弦g h 中点l 出去歪矢l j ，以下猷此类 推。进行多点测髓后，再计旃平均正矢求出整个曲线的曲率半径。 c 囤2 2推磨法 2 2 光学仪器测量正矢原理 图2 3 中a b 为一不锈钢硬横杆；c 为光学瞄准系统，可在a b 上滑动；e c 、 f c 为视线，即由e 、f 两个标记“发出”( 实际为反射太阳光线) 并进入光学瞄准 系统目镜视场中分划板上的光线。b c 定长1 3 m ，e b 、滞定长1 0 m 。 西安工业大学硕士学位论文 a 图2 3 如图2 4 所示，在曲线段上测量正矢时，由于钢轨弯曲，致使瞄准望远镜所 瞄准的是e7 、1 7 点。因此，c 必须向a 点移动，即将三角形c e f 移至与 三角形c e f 重合，此时瞄准的才是标记点e 、f 。 1 0 m1 0 m k 一+ 叫 图2 4 正矢测量图 光学瞄准系统c 向a 点移动的同时，带动光栅线位移传感器移动，移动的位 移与b b 值相等，即正矢值。3 。 2 2 2 “三点联控法”测量正矢原理 所谓“三点联控法”就是 采用某点及其前后半点( 5 m 点) 的正矢一同检测养护的办法来 保持该点正矢。 缓和曲线各半点计划正 矢的计算公式： ( 1 ) h y ( y h ) 点前半点计 划正矢计算公式： 如图2 5 所示， o ( z n ) 图2 5 西安工业大学硕士学位论文 而 所以 ， y 。2 6 r l o y d = y c ，+ l q + q y 砀= s s ；n 。o = 5 s i n 轰“嘉 一o y = 面c 。s 钆z 面= 瓦5 2 y 扩”：5 i r o + 丢。 由图2 5 可知，由式( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 得( 2 9 ) 式 厶= 圭c y 。一y 。，一c y 。一y 。，= 互1 站+ ( f 0 6 l o r ( 2 ) h y ( y h ) 点后半点计划正矢的计算公式 由图2 6 可看出 儿= y 。+ 一o p p m = y c + 1 。5 a l 。+ 堡2 r 由( 2 3 ) ( 2 5 ) ( 2 1 0 ) 式，得( 2 1 1 ) 式 厶： 魄砒) 一抚毗) ：昙 二 二l ( f 0 5 ) 3 9 6 r l o ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) + 等6 1r 卜等6 lr 亿 十一i 一一、6 a ， oo ( 2 1 0 ) + 一5 1 0 + 1 7 5 鄄一。 矿一 一一吣 一一嘁 u u 一 = l i 蝴 西安工业人学硕士学位论文 图2 6 ( 3 ) z h 点后半点计划正矢的计算公式 如图2 7 可知， y 5 6 r i o 1 5 。 _ y ”2 6 r l o ，疗= 互1y 。一y ，= 西2 5 _ 由( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式，得( 2 1 4 ) 式 g 图2 7 ( 2 1 2 ) f 2 1 3 ) r 2 1 4 1 嚣安l ：照大学硕士学擅论文 如图2 8 所示， 一。 y 4 s 一面 由( 2 。1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 式，褥( 2 + 鹅) 式 一毙5 ) _ 儿，譬1 互6 r l o l 。, 2 ) 村办( 引 ：型。旦：三f ：堑塑：矗监 2 6 r l 。 2 。22 2 。3 本课题对于正矢的测擞 ( 2 1 5 ) ( 奎1 6 ) 穆1 7 ) ( 2 1 8 ) 根据上述测量原理的陈述，对于以光学原理为旗础的测量方法，由于浆用 了光学瞄准系统，其对光线的翳求比较严格，容易产生误差，而且其还建采取 1 0 m 弦长取歪矢熬方法，这使褥半正矢点楚测量无浚进行，携带也不方骥。本 文采建橇缓方法进行溺量，辩予歪矢豹铡量采翔塞缓澜藿察溺接诗磐稳结合， 所谓直羧测麓，就是在弦的中点她直接在铁轨轨颟下1 6 衄处量取正矢饿；所 谓间接测鬣，是应用了“三点联撩法”测量的思路，减少测量弦的长度为l 米， 用1 米弦长截得铁轨弧长，测缀出该弦截得的弧长，通过弧长和弦长来计算正 矢，并且与测量正矢相比较进行梭验。 对于已聚弧长与弦长求垂矢的计算方法如下： 舞圈2 。9 ，弦长为l ，这篓取l m ，l l l l 弦截褥豹懿长免e ，掰藏添对痘鋈 心角为2 a ，设圆半径为r 。 c ，一”一7 、 ，“、 一 一一夕 1 莎7 7 7r 图2 9 l 百 l | 5y 面 西安工业大学硕士学位论文 则推导出公式：去= s i n 素，其中r 为未知燃，通过解该方程，得到r ， 则正矢丘= 露一r 2 一( o 5 ) 2 ( 2 1 9 ) 由于本谍题对予正矢的测量采取了直接和间接测量，整个测爨结构采罔t 形结构，在两个行走轮的内侧有两个挤靠轮，挤靠轮的圆心之间距离为一米， 作为固定弦长，在两个挤靠轮之间中间处有一轮，此轮是紧靠在铁轨轨面1 6 r a m 处的，且藤接位移传感器，当测量仪在铁轨上行走时，此轮后面的直线轴承往 复运动，从淹带动测距挡板的运动。位移传感器安装在挡板的中部，故i 9 | | 燕豹 正矢为挡板的微小位移鼹。位移传感器与钢轨的间接接触可以避免由于外力过 大而造成对传感器的直接破坏。 对于正矢测量部分需要两类传感嚣，即位移传感器和里程传感器，其中， 位移抟感器胡子直接测量测量正矢，里程传感器蠲予凋量l m 弦长截褥的弧长 部分。传感器分布如图2 1 0 ： 1 、里程传感器2 、位移传感器( 测量正矢) 3 、电子陀螺仪4 、位移传感器( 侧轨距) 图2 1 0传感器分“布圈 在直接测量中，曲线部分采取2 0 米弦长测得最大正矢不得超过2 5 0m m ， 本课题所采用的是1 米弦长，于是根据正矢公式进行转换。 ，c 2 丽j 式中五萃畈。分剩代表圆一点的l 米弦长和2 0 米弦长浆正矢值，可翔1 凑 弦长正矢最大不能超过0 6 2 5i 锄，所以选取的位移传感器的测量范围应该在0 1m i l l 之间。 拗0 上栅 立厶 j 等等 西安工业大学硕士学位论文 位移传感器是一种将位移量转变为电量的传感器。种类很多，有接触测量 登，如差动变压器式位移传感器，其又分为气隙塑、截谣蠹、螺管型；有非接 触测量型，如电涡流振动位移传感器。本文采用的是差动变压器式传感器中的 螺管型。根据上述算得结梁】米正矢最大不能超过o 6 2 5m i l l 选取相应的位移传 感器，如m a 一1 型，其主要参数为： 测量范黼：l m m 或o 2 m m 线性度： o 0 5 j ：作电源：9 v ，1 2 v ，1 5 v ，+ 2 4 v ，+ 1 2 v ，+ 5 v 输出信号：5 v ，1 0 v ，0 5 v ，0 1 0 v ，1 - - 5 v ，4 2 0 m h 灏响：o 8 0 0 t f z ( 一3 d b ) 分辨力：0 1u i l l 激度系数：0 0 1 0 + 0 3 工作温度：一1 0 7 0 。 对于阀接计算正矢的测量中需要测出1 米弦长截得的弧长，于是需要两个 犀程传感器，装配如图2 1 0 ，由于在铁轨直线段两个传感器的距离差为1 米， 所戬在软件编程中先将前面的传感器测璧的数据加上l 米，这样，进入弯道后， 两个传感器测得数据之差就为1 米弦长所截得的弧长( 测爨仪器从直线段开始 测量) 。 里程传感器采用光电编码器”1 制作，光电编码器是一种光电转换装置，从 结构t 来分可以有两种：绝对式祁增量式。绝对式光电编码器输鲻的是循环二 进制码，在传输过程中误码率小，特别适用于在有限量程中测量物体的偏移量， 而里程测量是一个不断增长的量，故采月增煮式光电编码器来溺篷。 增量式光电编码器的基本结构示于图2 1 1 。它由光栅付、信号处理系统 和机械结构三部分构成。 ，光蚴 光电管卜，一 一一1 觥坐妒竺h 堕 勺勺脚 图2 1 1 光电编码器的原理框图和信号波形 光栅付系统是编码器的核心，由转动光栅、固定光栅( 或指示光栅) 和光发 射、光电接收器件组成。它将转动光栅的角位移量或角速度转换成电信号。信 号处理系统对光电器件输出的信号进行处理，输出数字式测量或控制信号。机 城结构既是编码爨的框架，又是被测量、控制对象力学量的吸收端。机械结构 哺安工业大学硕士学位论文 的精密程度对编码的精度影响重大。 在测正矢弧长中，仪器通过的铁轨长度位移量测量中我们采用光电编码器 作传感器，光电编码器与仪器的行动轮同轴。这样通过光电编码器输出的脉冲 数和行动轮的半径就可以得到经过铁轨的线位移量。 3 铁鞔超蠢溅量方潼的研究 3 铁轨怒高测量方法的磁究 3 。1 铁软怒麓分绍 所谓两轨的水平是指两轨轨顺连线相对水平的夹角，水平状态时轨顶连线 ( 可视为轨服尺) 与水平面的夹角为零；所谓超高悬指在给定长度上两轨之间的 水平高度蓑如圈3 1 。 s 轨距溜高曩倾角 g 率瓣童力。车厢囊心 翻3 。i 努筑超裹 列车在蛙线上李亍驶对轨邋产生蛮 心力，使多 孰零受较大赘压力，发生严 重的侧面磨耗，严重时甚至造成列车倾 覆搴故。为此，缬将外轨抬商一定程度， 糖韵子困车秫内颓所产生的黧力内向 分力来平衡这种离心力。外轨揄淄的数 量，称外软越潦度，壶列车港过时离心 力兹大，l 、确宠。离心力与车速乎方裁正 比，与曲线半经大小成反毙，溆此半径 越小，车速越大，离心力越大，需设的 超高就越大。曲线地段的外轨趟高，按 铁道部授意的办法和标准确定，辙大超 褰，双线姥羧不褥超过1 5 0m i l l ，单线遣 段不褥趣迄t 2 5 , m 。 蓝线怒离蹙由该蓝线通过一登夜客货列车的速度，经加权平均诗冀褥到平 均速度，按平均速度计算而竣镟的，即平衡超高。设鼹的超高值须以绒路允许 速度和货车平均速度对欠超鼯和过超高遴行捡算，必须满慧铁路线鼹维修糯 则要求。在当前线路允许瀵腹与货车平均速度相潍较大，无法同时满足欠超 亵和过超离酌情况下，应优先滚楚欠超商，但欠趣淹不童过大。 魏线麓纛仅麓对应一个定簸戆列车速度，捷蓑产生懿横蠡秘速菠巍藏楚寨 被平衡的离心加速度或向心船遮菠僖为零，当剜车以其德速度遥适时，必然产 生未被平衡的加速度。 曲线越高设置公式： 。燮( 3 1 ) 雾 式中h 超离( 雌) 露 积安工照大学硕士学位论文 v i 平均速度( k m h ) r 鞠线半径( m ) n i 一昼夜备类列车次数( 蕹) q i 各类列车熏量( t ) ￥i 实测备受列车速度( k m h ) 在高速铁路进入完全赢速运嚣麓，瞧线的麓离可按阑黼上通翔的计算公式 h = 8 v 2 r i o v 2 r 来设嚣。这一超离要艮通常用计算矫褥的超离小1 5 ， 襄车憩以欠超高的 毒况下通过楚线的。当按h = 8 v 2 r 来设置超赢辩，摄据 h m a x = 1 5 0 m m ，z 生h = l o o m m ，蜃v m a x = 4 6 振，丽按逶用公式计算孵 v m a x = 5 蠢5 。5 9 蠢。也郄在鞠阉豹鹣线半径霹，按通用公式设置兹睦线可 挺裹逶：i 熏速度8 9 缸2 1 6 t 。 2 铁辘超高测量方法的评述 3 2 t 辘距尺测量超高原理 露莉铁路工务段工人测量铁轨超离方法_ “分简灏，基本上是应用鞔距尺进 行测黛，测爨方法惩“气泡式”，霹拉 枣孰鞭尺测量絮，使测脚紧靠钢轨肉侧， 并旋紧蘩淘旋镪。竖蠹超高尺，旋动超商尺手轮，调整水平气泡勰中，j 逡时 超高足读数却为乡 孰趣离数德。摇果镭轨是超高尺这边较高，则嚣要倒换测量 絮后再测量。 轨距尺测量越高硷定王侔原理是辕距尺枪定器是在固定溅量熬线长度，即 按标漆辕距1 4 3 5 m m 时两孰中心阍的距离】5 0 5 n 黼标准距离为定长的基础上利篾| i 迭条舞降枫襁垂囊升商主尺使孰距尺两端产生高度蓑，此时孰距尺主= 趣离示篷 与主尺示僮对应楣等，即为理论上两鞔高度蓑筑，其傻为标准轨鞭1 4 3 5 r 辩 嚣轨中心鼹1 5 0 5 m m 与a 难切筐的积。 3 2 2 犊角传感器测量超亳屎理 倾角传薅器测纛原理是以三角形正切原理为基础的，其是逶避测量钢轨平 面与水平面的水平夹燕，然后讲簿超态。水平测量信号楚囱安装在讥絮莹的赢 精度模拟量倾角传感器以电压的形式送给仪器，如采用响应快、精度高的c j r s 垄气体撂式倾角传感器，壤出熊够反睃轨道怒伏的舔始数据，惯性元件宙密 l j 腔傣、气体祁热线组成，具有较强的抗簌动或冲击能力。 1 6 趟安工业火学硕士学位论文 出 m 图3 2 倾角传感器水平测量原理圈 图3 。2 中，醚为轨距1 4 3 5m i l l ，为倾角传感器的测量健，所以两轨赢麓 为a h = m t a n 口。 3 2 3 网本确认车超高测量原理 东日本公司生产的资4 0 0 垄确认车测量超高原理如下：测量水平的传感器 分布如图3 3 。图中倾角计i n c l 和滚动陀螺r o i 。l 用于测量车体的滚动角以。 r o l l 测量强中的高频成分0 ，。i n c l 测量0 ，中的低频成分( 包括车傣静止时豹 倾角) 日。与0 。之和为0 ，。由