（机械制造及其自动化专业论文）轨道动态测试仪系统的开发研究.pdf

撕江大学碟士学挝论文 澎撕斟 ； 摘要 y 一0 3 3 3 | 1 0 本论文讨蝗敏孽垫查型塑! 燮的研制。本论文论述了两种动查剿堕堡至自l 的开发，种是单片机系统，禺一种憝便携式微扪系统，本论文详细阐述了这两 类测试仪系统的软硬件设计过程以及单片机系统的试验调试和结果分析。 、 第一章阐述了轨道动态测试仪系统研制的目的和意义，对国内外轨道检测装 置作了简介，沦述了运行车辆动力学慕本特性，提出了本课蹶的燕要研究内容。 从第二章开始是本论文上篇内容。主癸论述了基予单片机的轨道动态测试仪 系绠的研究与j 开发。其中，第= 章论述了单片枧系统的总体设计，提出了系绕的 功熊嶷求期披本搬舞，对系统豹软硬传功能馋了划分，并阐述了系统低功耗设计 的意义靼没计原则，进嚣提出了系统设计的慈落方案：第三章奔缨7 羝统熬磺孛 殳计，分澍扶肇片概蠼小系绞，臻黪扩震以及瘸边电鼹设计等方嚣避孳亍谂述，详 绣阐述了备功能模块豹硬件实现；第姻章分绍了系统鳇软俸设计，主要分绍了单 片梳靛控程痒的设计愚路，势对备缀成程序模块侔了详缭静溺述。第箍牵介绍了 擎片枫系统翡使糟方法，论述了系统的谲试缩采，并对试验采集到的数舔在徽视 上俸了一些分析。 献第六章开始惫本论文的下篇内容。主要论述了基予便穗式徽梳的辘道动态 测试仅系统的开发研制。其中，第六章介绍了系统的硬件设计，提出了系统设计 总体方案，介绍了e p p 协议内容，并详细论述了数据采集卡硬件电路的设计， 璇后介绍了系统电源板的设计。第七章介绍了系统的软件设计，包括采集卡驱动 程序的设计和系统控制程序的设计。驱动程序采用v t o o l s d 工具包编制，控制程 序由v c 十+ 6 0 编制j 第八章对本课题进行了总结和展望。卜 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i si sa b o u tt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fd y n a m i cr a i l w a y d e t e c t i n gi n s t r u m e n ts y s t e m b a s e do nt h es i n g l e c h i po rt h ep o r t a b l ec o m p u t e r c h a p t e r 1 e x p o u n d s t h ep u r p o s ea n d s i g n i f i c a n c eo f t h ed e v e l o p m e n t t h ea u t h o r i n t r o d u c e s b r i e f l y d o m e s t i ca n da b r o a dr a i l w a yd e t e c t i n gd e v i c e sa n dt h ek i n e t i c a n a l y s i so f t h em o v i n gt r a i n a tl a s t ，t h ea u t h o r p r o p o s e st h ec o n t e n t so f r e s e a r c h i nt h ef i r s t p a r t ，t h e a u t h o ri n t r o d u c e st h er & do ft h e s y s t e mb a s e do nt h e s i n g l e c h i p i nc h a p t e r2 , t h ew h o l es c h e m eo f t h ei n s t r u m e n ti si n t r o d u c e d t h ea u t h o r d i s c u s s e st h ef u n c t i o na n dt h et e c h n i c a lt a r g e to ft h ei n s t r u m e n ta n di n t r o d u c e st h e r e a s o na n dc h a r a c t e ro ft h ed e s i g nf o rl o w p o w e r l o s s a tt h ee n d ，t h ew h o l es c h e m ei s a c c o m p l i s h e d c h a p t e r3 d i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h e s y s t e m t h ea u t h o r d i s c u s s e sr e s p e c t i v e l yt h ed e s i g no f s i n g l e c h i pm i n i m u ms y s t e m ，f u n c t i o ne x p a n s i o n ， s y s t e mc o n f i g u r a t i o na n do t h e re q u i p m e n t o ft h ei n s t r u m e n t c h a p t e r4i st h ed e s i g no f s y s t e ms o f t w a r e t h ea u t h o rd i s c u s s e st h et h o u g h ta b o u tt h ed e s i g no fs o f t w a r ea n d e x p o u n d sa l lm o d u l e so f t h ep r o g r a mi nd e t a i l c h a p t e r5i sa b o u tt h ee x p e r i m e n ta n d a n a l y z eo f t h ed e t e c t i n gs y s t e m t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h eo p e r a t i o n a lm e t h o do ft h e s y s t e ma n da n a l y z e st h ed a t at h ei n s t r u m e n ta c q u i r e di nt h ee x p e r i m e n t i nt h es e c o n dp a r t ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h er & do ft h es y s t e mb a s e do nt h e p o r t a b l ec o m p u t e r c h a p t e r 6i st h e d e s i g n o ft h e s y s t e m h a r d w a r e i nt h e c h a p t e r , a u t h o ri n t r o d u c e st h ec o n t e n to f t h ee p p p r o t o c o l ( i e e e1 2 8 4 ) a n de x p o u n d s t h ed e s i g no ft h ed a t a a c q u i s i t i o nc i r c u i tb o a r di nd e t a i l c h a p t e r7i st h ed e s i g no ft h e s y s t e ms o f t w a r ei n c l u d i n gt h ed r i v e ro ft h ed a t a - a c q u i s i t i o nb o a r da n dt h ec o n t r o l p r o g r a m so f t h es y s t e m f i n a l l y , i nc h a p t e r8 ，a u t h o rc o m e st oac o n c l u s i o no f t h et a s ka n dp u t sf o r w a r d t h ee x p e c t a t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c h 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1研制便携式轨道动态检测仪器的意义 无论是普通铁路还是重载铁路，在高速运行下，必须经常保持其完好的技术状 态和质量均衡。为此必须对轨道状态进行定期的检查、维修。轨道检查范围大致 可分为轨道几何形状的不平顺状态、轨道部件的伤损劣化及轨道的参数性能等三 个方面。 轨道的不平顺性主要是指轨道的前后高低、左右方向、水平和轨距的不平顺 及其平面性( 三角坑) 。这些参数主要是靠轨道检测车连续测定来获得。 轨道部件的伤劣化主要是以钢轨、扣件、轨枕、道床和路基等为检测对象， 目前除钢轨损伤可用钢轨探伤车连续检测外，其他部件尚无有效手段在线路上进 行实际检测。 至于影响轨道质量状态的诸如钢轨刚度、道床纵横向阻力、钢轨轴向力等参 数性能的检测，目前是以试验为主，还没有能对运营轨道进行定期有有效的检测 方法。 当前，随着列车的不断提速，对轨道质量的要求也越来越高，要求铁路工务 部门能够及时的发现和消灭问题。工务段一般采用两种方法来检测路轨状况：一 是静态的检测方法，就是采用人工的方法，使用专门的量具测量路轨的各种性能 参数，这种方法能够测出显性的路轨故障，结果也较准确：但对于一些隐性的故 障，如由于路基变松引起的故障一般难以测出。而且检测工作费时、费力，工务 段通常不采用；另一种是动态的检测方法，所谓动态检测就是通过检测运行列车 车厢内部的横向、竖向振动加速度来判断路轨状况。根据对运行列车的动力学分 析，能够通过对列车振动状态的分析得到路基路轨的故障情况。先进的大型轨检 车就是采用动态检测方法，这种方法省时、省力，能够准确、实时的检测轨道状 况，但由于经济上的原因，对于负责轨道日常维护的工务段来说是不现实的。因 此有必要研制小型的简易式轨道动态测试仪，以掌握所管辖线路的轨道运行状 态，工务段可以根据检测结果制定及时的维修计划，以保证铁路线路的正常运营。 便携式轨道动态测试仪正是为满足这一要求而研制的。便携式轨道动态测试仪 可在动态、连续的状态下测试线路在动荷下的平稳程度，通过对采集数据的在线 分析，可对线路性能和不同运行速度下的技术状态做出适当的评价。并可为工务 段的线路维修、管理、以及对线路实际工况和乘车舒适性的研究提供详实、丰富 的数据资料。 1 2 目前国内外轨道检测装置发展状况【1 2 】【1 6 】 轨道检查车主要测定轨道的不平顺。自1 8 7 7 年德国提出第一辆自动检测的 轨检车设计以来，百余年间已有了飞跃地发展。目前各国使用的轨检车大体可分 为简易式、动车式和客车式三类。测试方式有机械式和电气式两种。今年来，为 适应高速行车的需要，日、美、英、德、俄、意、奥地利和瑞士等许多国家广泛 浙江大学硕士学位论文 采溺最新科技技术成就，研制开发了新型离速孰梭车。 l 。2 1 我国的软道检测技术发展状况 我国于1 9 5 3 年首次使用机械传动式轨检车6 0 年代研制成功e x 2 型轨检车， ? o 年磅铡残功t s k l 5 型恕气筵动戎辘捡攀，8 0 零代醭裁戏功耘型轨道捡测装置， 缀过实际运行试骏，效果良好，醴经正式投入使用。它主要由轨道检测装嚣和数 据处理系统两部分组成。轨道检测装置包括惯性簇准轨道不平顺测量装鬣、曲线 外轨超商测量装鬻、光电鞔距测爨装置和多功能振动测蘩装置。数据处毽系统包 括小型计算机、a d 转换装置、软磁盘和宽行打印机。 豢鬓鞔硷车霹菇检测左右簸褥嚣离 氛、左右窳平、意农辘瑶不平颓螽线超高、 曲线半径、轨距、三角坑、车体水平和竖直振动加速度、左右轴箱竖直振动加速 鹰等顼内容。势霹l 美扶孰遴凡侮形使，轮辘超互佟爆及行车平稳健方嚣瑟软遭状 念作出相应的评价。 叛型轨道检测装置脊如下一些特点： 1 斑用惯褴基准法测量轨邋前后商低、轨灏不平顺和左右水平； 2 应用光电式轨距测量装置实现了以无接触测量轨距； 3 。斑奔l 速率陀螺和溯速电狐对蕈辘陀螺垂巍平台避行不交往补偿琢理，溺 量曲被平衡离心加速度等； 4 + 疲震熬速度簧感器襄多功毙振麓测量装爨，测爨牵薅豹志袁纛上下振动 加速度及轴箱的上下振动加速度； 5 邋过把水平信号输入计算机进撑计算，测定三角境的数俊； 赢低( 教右) 隶平鞔距 车体加速度 牵体绝对位移 轮轨间隙 超糍 磁带攘掺撬ll 串爽楚理装饕 波形记录仪 a i d 接 西 装 鬣 输入 输出 接墨 装置 软 盘 机 接 强 o # 软盘机 l # 软盘机 光电输入枫 宽 带 接 蠢 赢速穿i l 机 电传打印机 一蠢 i 机 謦l - i 应用电子计算机数据自动处理系统( 简称t a p s ) 见图卜i ，将轨道检测装鬣 测定数模拟售号逶过模数转换成数字售譬，竣入诗纂援存健、分辑襄运蕤，最菇 以表格的形式将采集的数据和计算结果打印出来。与此同时，模拟信号还被记录 2 模数转揍装置 浙江大学硕士学位论文 在波形记录仪和模拟磁带机上。t a p s 能时处理轨道检测数据，评价线路质量。 1 2 2 国外的轨道检测技术状况 一美国的轨道检测装置 美国联邦铁路局( f r a ) 从六十年代中期开始研制新型轨检车，于七十年代 制成t 2 和t 4 型轨检车，后又相继制成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、| j 后高低、轨距、方 向等项以外，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。 幽1 2 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 其真实波形，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 置计算出真正波形，再计算1 9 m 弦正矢；轨距是用固定在左右车轮轮缘内侧的伺 服式磁性传感器检测；水平由测定装有位移传感器的车体倾斜角算出：平面性由 水平计算；曲率由旋转变压器信号和两个加速度传感器的偏转信号算出；道岔和 道口位置是非接触式电容传感器测量；速度和距离是由安装在第一轴上的光学测 速计算出；轨道方向不平顺的测定是利用安装在轨距测定梁上的横向加速度传感 器和伺服式磁性传感器，通过对横向加速度的二次积分得梁的位移，以及由梁和 左右钢轨的相对位置信号算出轨道方向不平顺。 此外，美国交通部( d o t ) 的轨道检测车，采用电容式传感器检测钢轨的竖 浙江大学硕上学位论文 向和横向位移，高低不平顺的检测也采用对竖向加速度的二次积分法。 二英国的轨道检测装置 英国于1 9 6 8 年制成f 2 和f 4 型轨检车1 9 7 5 年又制成新型高速轨检车， 检测速度可达到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。检测系统如图卜2 所示。检测项目有高低及其变化率、方向及其变化率、轨 距、曲率半径、水平、平面性、纵坡、竖向和横向舒适性、转向架竖向和横向振 动加速度、速度和距离等项目。 三法国的轨道检测装置 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 4 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而得，轨道方向的检测是通过3 个测定车轮的 l o m 弦正矢获得，平面性基准长为2 。7 5 m ，水平由测定左右高低差而得，轨道横 向位移由测定车轮检测。m a u z i n 轨检车的检测输出主要有：既有标线准图表、长 波长轨道不平顺图表和综合标准图表。 四德国的轨道检测装置 德国铁路广泛使用b r 7 2 5 7 2 6 编组的动车式轨检车。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 装簧，并可检测商低、方向、轨距、水平、平面性、超高和曲率等项目。轨道高 低和方向分别采用8 6 m 和l o m 弦的偏心矢距测试法。轨距采用测m a u z i n 系统， 超过采用陀螺系统，平面性以间距2 6 m 为测试基准，曲率采用l o 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。 五，日本的轨道检测装置 日本现行的高速轨检车( 9 2 1 一l l 型马雅车) 是于1 9 7 5 年研制成功的，检测 速度可达2 1 0 k m h ，该车有三台转向架构成，轴列式为2 2 2 ，车轮踏面为园 柱形，以消除锥形踏面引起的测量误差。它是通过中间转向架对两端转向架的位 移检测轨道不平顺值，故统称为i o m 弦正矢法，简称弦测法。9 2 1 一l l 型马雅车 的检测项目有左右轨高低、平面性、轨距、左右轨方向、水平、车辆上下振动、 车轮左右摇摆、2 0 m 弦左右轨高低、2 0 m 弦左右轨方向、长波长左右轨高低、左 右轮轨重、左右横向压力、噪声、左右轴箱加速度及左右轨轮重与横向压力之比。 现行高速轨检车采用的是弦测法检测轨道不平顺，它对检测波长长于3 0 m 的 和短于5 m 的轨道不平顺时，其特性要显著降低，难以准确的反映为提高最高速 度而必须强化轨道管理所必须的长波长和短波长范围的轨道不平顺性能。 高速轨道检测装置( h i g hs p e e dt r a c ki n s p e c t i o nm a c h i n e ) 的主要特性： 高速轨道检测装置由两台转向架构成，是检测和评价长波长和短波波长轨道 不平顺的高速轨道检测装置，其主要特征如下： 采用惯性测定法检测影响舒适性的长波长轨道不平顺。所谓惯性测定法，是 利用对位移的二次微分的加速度，把加速度经二次积分求取位移的方法； 浙江大学硕士学位论文 为从舒适性方面评价轨道不平顺特性，及时指出必要的轨道整修处所，配有 电子滤波装置处理所测不平顺给舒适性的影响程度； 因短波长轨道不平顺影响轮栽变动，加剧轨道部件伤损，故采取直接测定受 其影响的轮重、横向力及轴箱加速度的方法； 这些特性均被直接记录在标有距离的记录纸和磁带记录仪上。 h i s t i m 所采用的惯性测定法，有两种方式：第一种方式是仅用加速度计的检 测方法。它是在轴箱上安装加速度计，把有加速度计测得的加速度，经二次积分 求出钢轨位移，再经舒适性滤波器处理，便可得评价波形。第二种方式是用加速 度计和位移计的检测方法。它是把安装在车体上的加速度计测得的信号经二次积 分求出车体位移，由位移计求出车体和钢轨的相对位移，两者相加即为钢轨位移， 再经舒适性滤波器处理，便可得评价波形。对方向不平顺的检测，考虑到走行车 轮轴箱的左右变位不会和钢轨变位一起动作，故采用第二种方式。 h i s t i m 的检测项目，依其公务管理目的的不同，主要有为评价舒适性用的并 经滤波装最处理的轨道高低、方向、水平不平顺，为养护维修用的轨道高低、方 向、水平真实波形，以及为确保行车安全和轨道部件健全作为管理轨道短波长用 的轮重、横向力和轴箱加速度。 未来的轨道检测，首先应考虑到轨道的高速化、养护维修工作量的减轻及环 保达标等的需要，建立评价轨道不平顺影响行车安全性、乘车舒适性、轨道部件 的健全性及噪声等的方法和标准。其次是对被测的轨道形状进行评价，并为轨道 养护维修提供故障的有关信息。 1 2 3 小型轨道检测仪器 小型轨道检测仪主要是铁路小型工务段用来了解线路运行状况，辅助工务段 进行日常检测和维修。其原理相当于轨检车上的多功能振动测量装置。由仪器内 部的加速度计或速度计测量机车运行时的振动量，经计算和比较后，根据振动信 号和速度对线路的运行状态作出评价。由于小型轨道检测仪只能检测振动信号或 其他某种指标，由此只能对线路的部分特性作出评价，但用于普通工务段己能满 足要求。今年来，随着科技的发展，小型轨道检测仪器中也应用了先进的检测手 段。如日本已研制出用超声波检测轨道部件伤损的便携式仪器。仪器功能丰富， 可以实现现场打印有关数据、显示内容各种相关信息和复杂的键盘操作等功能。 由北京市三岭新技术公司研制的z t 一2 型轨道智能添乘仪是根据列车运行 时的振动加速度来确定线路状态的检测方法。当选择自动计程方式时，由微电脑 控制，自动计程，自动检测水平、垂直二个方向的列车振动加速度和列车速度， 微电脑能自动打印出超限处所在里程位置、加速度值和列车速度。当选择人工计 程方式时，不需安装测速架，予置起始里程后，只要在每个公里处按动标记开关， 电脑即可打印出平均车速和超限处所的位置及加速度值。最后可根据动态检测评 分标准表，确定故障等级，并根据里程位置通知工区进行线路维修。该添乘仪设 计简练，操作方便，也较为实用。但从功能上来说还不够完善，尚有进一步开发 浙江大学硕士学位论文 的余地。 1 3 当前国内对运行列车动力学的分析结果 对车辆和路轨进行合理的动力学分析，获取准确的车体运行动力学特性是研 制轨道动态测试仪系统的先决条件。 1 3 1 轨道、车辆系统的竖向振动模态分析1 4 0 1 轨道和车辆是一个统一的振动系统。其动力特性相互影响。必须把它们作为 一个统一的振动系统来加以研究。从轨道破坏方面考虑垂向动力作用起着主要 作用。故采用实模态理论分析轮轨系统，如图1 - 3 建立轨道、车辆系统竖向动力 学分析模型。轨道竖向分析模型采用点支承梁模型，钢轨简化为点支承于轨下基 础的欧拉梁，轨枕简化为集中质量块，由于道床在低频段是作为一个整体参振的， 道床按其参振质量简化为质量块。钢轨与轨枕之间，轨枕与道床之间由弹簧连接。 取足够长轨道模型，使钢轨两端边界条件对动力学分析的影响足够小。为计算方 便，钢轨两端边界条件取为简支。 车辆主要由车体、转向架及 轮对等三大件组成，为了改善车 辆的动力特性，转向架设置有弹 性元件。根据弹簧装置的形式可 分为一系弹簧转向架和二系弹簧 转向架。前者只在车体与转向架 构架或转向架构架与轮对之间设 置弹簧，后者在车体与转向架构 架及转向架构架与轮对之间均设 置弹簧。因此，二系弹簧转向架 车辆竖向振动包含车体的浮沉振 动和点头振动，转向架的浮沉振 图1 - 3 力学分析模型 动和点头振动，车轮的垂向振动等十个自由度，一系弹簧转向架车辆竖向振动自 由度少于十个。车轮与钢轨由赫兹接触弹簧连接。 由于钢轨是连续体，这是一个集总一分布质量系统，为了将钢轨离散化，可 以把钢轨看作子结构，截取钢轨振动的有限个模态，得到综合特征值问题求解。 设钢轨振动模态为y ，( x ) ，j = l ，2 ，。则钢轨振动位移可表达为各模态之 和： n m w ( x ，t ) 2 y 小) g 弘) 利用各模态的正交性，最后得到的轮轨系统振动微分方程转化为个 标准的振动微分方程：f m j + k f q ) = o ) 浙江大学硕士学位论文 其对应的特征问题为：( k 一x m ) q ) = l o ) 可由此式计算出系统的固有频率与模态。在对轨道结构与2 0 2 转向架客车及 转8 a 货车竖向振动的固有频率和模态进行初步分析和计算。结果可以揭示以下 规律： 轨道、车辆系统竖向振动固有频率从低到高依次主要为车体沉浮振动，车体 点头振动，转向架沉浮振动，转向架点头振动，轮对振动，轨道振动。 在数赫兹以内，主要是车体振动，轨道振动，轨道振动量很小。在数十赫兹 之上，主要是车轮和轨道振动车体几乎不参振。轴箱弹簧改善了轨道、车辆系 统的相互动力作用。与货车相比，客车车辆振动时轨道参振量明显减少。 1 3 2 轨道扭曲不平顺对车辆动力学性能的影响 3 9 1 轨道扭曲不平顺是指两股钢轨顶面的共面性，表现为轨道顶面的扭曲状态。 它以一定长度范围内的水平误差变化量来表示。如果轨道扭曲不平顺过大，就有 可能使车论不能全部正常压紧钢轨乃至使车辆转向架处于三点支撑状态，危及行 车安全。因此，轨道不平顺是影响行车安全的主要因素。 为了分析轨道扭曲不平顺的影响，采用耦合动力学理论来建立计算模型。 车辆一轨道系统耦合动力学的基本理论是将车辆系统、轨道系统以及轮轨接 触系统作为一个整体来进行耦合动力学分析，研究系统的固有特性以及系统参数 对系统响应的影响，以寻求改善系统特性的途径。在计算中车辆模型以我国主型 货车c 6 2 为模式。轴箱处轮对和侧架在纵向和横向用线性弹簧和粘性阻尼相连接， 垂向视为刚性接触。二系摇枕和侧架之间在垂向用线性弹簧和摩擦减振器相连 接，横向用线性弹簧和粘性阻尼相连接，纵向视为刚性接触。因而摇枕的摇头 运动是不独立的，由侧架的运动所决定。据此，车辆模型中共有3 7 个自由度， 即 轮对( 四对) ：横移、垂向、侧滚、点头、摇头 前转向架左侧架：横移、侧滚 前转向架右侧架：横移、侧滚 后转向架左侧架：横移、侧滚 后转向架右侧架：横移、侧滚 前构架：摇头、菱形 后构架：摇头、菱形 车体：横移、垂向、侧滚、点头、摇头 轨道模型以普通线路为模式。左右股钢轨均视为弹性点支承基础上的无限长 梁，并考虑钢轨的双向横振动和扭转振动：轨枕视为剐性体，轨枕与钢轨之间在 垂向和横向，轨枕与道床之间在垂向和横向均用线性弹簧和粘性阻尼连接，并考 虑轨枕的垂向和横向振动及转动；道床视为刚性质量块，道床质量之间由剪切阻 尼和剪切刚度相连接，道床与路基之间用线性弹簧和粘性阻尼相连接，并考虑道 床的垂向振动。轮轨接触系统中，法线力由h e r t z 非线性接触理论确定，、切向力 浙江大学硕：上学位论文 相互作用力由蠕滑理论确定。 在车辆一轨道系统耦合动 力学分析中，为实施计算机仿 真计算，采用左右股钢轨垂向 各加单波余弦不平顺，相位差 半个周期的方法人为形成一 左睃 个轨道扭曲不平顺状态，如图 卜4 ，而不平顺波形函数为 1 一 z = ：a ( 卜c o s ( 竺) ) 图1 4 轨道扭曲不平顺实施模式 式中：l 不平顺波长 a - - - 不平顺波幅 从而，在计算程序中实施了测量基长l 2 = 6 2 5 m ，最大幅值2 a m 的仿真计算 扭曲不平顾i 隧值2 ( n m ) ( ) 尝o 司 甜 蟠o 靖 恻 辑“ 扭曲不平顺幅值2 a ( m m ) ( d ) 莓 v 昙 墨 霾 扭曲不平顾幅值2 tm ) 【b ) 奄“ 三 龆屯 餐 耋“ 扭曲不平顺幅值2 ( 一) ( o ) ： j 翼： 扭曲不平顺幅位2 ( _ m ) c ) cf ) 图i - 5 轨道扭曲不平顺对车辆动力学性能的影响 模式。编制计算程序，输入计算条件，可得到计算结果。将其拟合后绘出轨道扭 曲不平顺对车辆动力学性能的影响曲线。如图卜5 ( a - f ) 。 1 3 3 车速对轨道高低不平顺不利波长的影响1 4 11 在轨道动态测试中，由于车速不是恒定不变的，所以必须考虑车速对测试结 果的影响。其影响可以通过对车体振动加速度、轮轨接触力和轨道枕下基础部分 的振动加速度的功率谱分析获得。分析所用道路谱见文献。轨道为6 0 蛔m 钢 轨，钢筋混泥土轨枕，每千米1 8 4 0 根，道床厚3 5 c m 。车辆位2 0 2 转向架客车车 囊v-穴缸常蒜辑 v：世趟景越啪 浙江大学硕士学位论文 辆，车辆定距和固定轴距分别1 7 m 和2 4 m 。速度分别取为7 2 1 0 8 ，1 4 4 和1 8 0 k m h 。 1 车体振动加速度与车速关系 车体竖向和点头振动两个自由度，车体各部分竖向振动加速度是车体沉浮和 点头引起的振动加速度之和，大于车体的沉浮振动。不同车速时车体心盘处竖向 振动加速度功率谱如图卜6 所示。从图中看出，车体心盘处竖向振动加速度主要 振动能量都集中于以某一个波长为中心的范围内，这个波长不平顺对车体振动最 奇 i 一 套 1 = 僻 嚣 蜊 瑙 异 业 墙 空旧翔率m 一1 v 腻，n 图1 - 6 车体心盘处加速度功率谱 图l 一7妊波不平顺波长与车速关系 不利。随着车速提高，这个波长变长。不利波长与车速的关系如图卜7 所示。当 车速为1 0 8 k m h 时对车体振动的最不利不平顺波长约1 4 m 。当车速提高到1 6 0 k m h 时，对车体振动的最不利不平顺波长增大列2 8 m ，提高了一倍。 2 轮轨接触动力与车速的关系 不同车速客车通过时引起的轮轨接触力功率谱如图卜8 所示。结果表明：轮 o k 9 - , 宅 孳 一 祷 嚣 r 空闻频宰l f l 一1 图1 8 轮轨接触力功率谱 _ 业 蜊 v ( k i n h ) 图1 9 长波不平顺波长与车速关系 轨接触力频率成分复杂，能量分布较宽，但集中在l o m 以上( 长波不平顺) 和1 m 附近( 短波不平顺) 两个波长段。轮轨接触力最大值出现在波长l o m 以上的范围 内。在波长l m 附近，轮轨接触力随车速提高越来越突出，整个功率谱分布随车 速提高向长波长方向移动。 引起轮轨接触力的不利长波长与车速的关系见图卜9 。随列车速度增加，轮 轨接触动力与车速的关系接近线性关系。当车速为1 0 8 k m h 时引起轮轨接触力的 最不利不平顺波长约2 2 m 。当车速提高到1 6 0 k m h 时，最不利的不平顺波长增大 9 浙江大学硕士学位论文 到约3 0 m 。 3 轨下基础振动与车速的关系 轨下基础动力功率谱汁算表明能量集中在以两个波长为中心的范围内，随车 速提高振动加速度增大，其分碲向长波方向移动。用道床功率谱近似代替路基功 率谱如图卜l o 所示。从图中可以清楚的看到：长波不利不平顺波长与车速的关 系同图卜9 ，短波长不利不平顺波长为1 m 左右，引起的轨下基础动力随车速提高 越来越突出，所占比重越来越大，甚至超过长波不平顺引起的动力。短波不利不 平顺波长与车速的关系见图卜l l 所示。不平顺波长与车速基本成线性关系，对 应1 6 0 k m h 的速度约1 2 m 。事实上这个波长的不平顺也引起较大的轮轨接触力。 通过以上三方面分析表明：随着列车速度提高，车辆和轨道的振动强度增加， _ i 一 蠹 = 辟 嚣 采 0o lo i 1 o 1 0 0 空棚频率r l 曩 业 鲻 v ( k | - ，飞) 图l - l o 道床附加动力功率谱 图1 - 1 1 长波不平顺波长与车速关系 引起车辆和轨道振动的不利不平顺波长变长。终合考虑不平顺对行车平稳性和轨 道破坏的影响，存在两个不利不平顺波长，长波长和短波长不利不平顺。 ( 1 ) 长波不利不平顺长波不利不平顺是引起车辆车体振动、轮轨接触 动力和轨下基础附加动力的主要原因。对应1 6 0 k m h 的车速可达3 0 m ，比常速 ( 1 0 8 k m h ) 时约增大一倍。 ( 2 ) 短波不利不平顺短波不利不平顺波长约l m 左右，是引起轮轨接触 力和轨下基础动力的另一个不利不平顺。轨下基础动力功率谱计算表明，短波长 不利不平顺引起的轨下基础动力随车速提高越来越突出，所占比重越来越大，甚 至超过了长波不平顺引起的动力。 1 4 本课题研究的主要内容 本论文的研究工作是紧密围绕课题轨道动态测试仪系统的研究与开发展 开的。轨道动态测试仪系统的研究与开发是杭州铁路工务段根据铁路维护的 实际需要提出来的，在实施过程中，由于时间和技术上的原因，把谋题分成了两 个阶段，先研制基于单片微机的动态测试仪系统，在此基础之上再尝试研制基于 便携微机的动态测试仪系统。为了完成这两个系统的研制工作，需要做以下一些 工作： 一从理论上做可行性论证，由于条件的限制，这部分的绝大部分结果只能 0 浙江大学硕二 学位论文 借鉴别人的实际研究成果，查找科技文献获得。主要包括：运行列车及 其路轨系统的动力学分析；数据采集及处理的基本理论和实现手段： 二完成单片机检测系统的硬件电路设计和相应监控软件的设计和调试； 三通过单片机系统与p c 机的串行通信口，在微机上对测试仪系统所采集 的数据进行一些初步的分析； 四完成能够满足轨道动态测试仪功能要求的高速微机数据采集卡的电路设 计和调试： 五完成接口卡驱动程序的设计和调试： 六完成人机界面的设计： 七完成数据处理程序的编制和调试： 八整机的现场调试： 九系统优化； 在本论文中，由于时间的限制，其中课题内容中的七、八、九三项没在本论 文中体现出来。 浙江大学醐士学位论文 上篇基于单片机系统的动态测试仪开发研制 第二章测试仪数总体设计 2 。1功能要求和主要技术擐标 2 1 1 功能要求 根糖铁路工务部门对路轨故障检测_ 羊订维护的器求，对动态测试仅提出如下功 能要求：通过对远行车辆横向、骚向振动加速度倥号的采集，仪器能够依据列车 运行速度髫动的选择故障翔翱标准，实时进行敖障判剐处理并熊鉴剐出故障等 级；自动检测列率运行速度及其位置；能够存储路轨的全程振动加速度数据或存 镄某一爨羧翡连续采集数据；支持串阕霹繇毫载迤续采集硷测功能；哥遴遘键盘 对起始里程进行予置、实时的改变仪器的一些工作状态参数，如修改故障标准， 修正列苇使曼等；裁够实现实鞋霉摄警功黪；透过串行逶傣 楚存穗豹数攫传给p e 机；能够实时的驻示故豫数目、列车运行状态等信息以及打印故障信息。数据管 理计算车几( 上位桃) 主要用于对测试仪所采集的数据进弦统计分析处理。它能够 从测试彼中读取数据，并以时闻和路段为基准建立故障数据痒和全程路况数摊 库：对数据进行统计分析，计算t q i 值；生成路况报告弗打印结果。 2 1 2 童要技术指标 l 。捡溅振动勉速发方囊：鬃壹、农乎( 垂豢于列攀运行穷惩) 2 振动加谯度测量范围：o 0 5 5 o o m s2 ，梭测误畿不大予0 o l m s 2 3 存储数据量：不少于2 0 0 公里的振动信号数据，总数不少于9 0 0 个的故 薄信号数据 4 飓程测定范围：0 - 9 9 9 9 9 9 k m 5 。车速溅定范围：3 - - 2 0 0 k m j h 6 车速误麓：1 k m h 7 。运行列车位置误差：l o m ( 至少5 k m 掺正一次) 8 可测频率范围：o 2 3 0 h z 9 连续工作时间：4 小时 l o 串行传输速率：9 6 k b i t s 1 1 记录方式：微烈打印机打印输出，打印内容：故障序母、类别代码、路 标代码、裁剐标准伐码、楣应速度篷、藏程馕、瘸速度德 1 2 打印纸：宽4 4 r a m ) 4 小 时) 、在检测现场又无法对电池进行充电以及考虑到电池的体积要求( 尽量的小) 。 测试仪的设计采用了低功耗设计原则，所以便携式轨道动态测试仪其实就是一个 低功耗的单片微机系统。 低功耗单片微机系统是指以降低系统功耗作为一个主要性能指标的单片微 机系统。这些系统由于应用于一系列特定的场合因而一般具有以下特点： 首先要求仪器体积小，重量轻，便于携带。现代微电子学的迅猛发展，各种 电路的集成度越来越大，各种高效专用集成电路的大量问世，使仪器仪表内的电 子元件的个数大大的减少，仪器的体积也就越来越小，重量越来越轻： 采用电池供电，对于仪器中不同的电压要求，选用高效率的d c ，d c 变换器； 系统在满足功能要求的前提下，对外围电路进行降低功耗的硬件电路设计和 软件设计，对于处于空闲状态的芯片和电路通过硬件或软件的手段使其功耗变成 晟低状态，从而与工作状态区分开来； 选用l c d 作为输出设备。液晶显示器一个很重要的特点就是低功耗，目前 浙江大学颂士学位论文 + 落是低功耗荦片徽视系统疆好的擞示输粥设备。现在市场上有大爨现成的液晶显 示器模块可供选阁，包括笔段式和点阵式( 图形) ，可以满足各种智能仪器仪表 懿设诗纛凝，使鬻遣菲霉靛方镬。 受功耗、体积和重量的限制，低功耗单片微机系统通常都不配备打印机。一 般粟蜀先存德数撼，再逶避逶售接口如事行接日怒数搀传绘p c 壤露印爨爰乏。个 剐需要现场打印的数据，也只能使用专门设计的微型打印机来实现。 大量采用c m o s 工艺电路。在低功耗单片微机系统中使用的低功耗芯片主 婺楚指7 4 h c 系列高速c m o s 数字集成电路；4 0 0 0 系列低速c m o s 数字集成电 路；h c m 0 s 的单片机、存储器等器件。 浙江大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 3 1 便携式轨道动态测试仪系统的硬件组成简介 图3 1 系统硬件组成 根据系统总体设计，轨道动态测试仪的硬件组成可分解为( 如图3 1 所示) ： 水平和垂直振动加速度计、双路运算放大器、低通滤波器、a d 、8 0 c 3 1 最小系 统、数据存储器、串口电平转换、薄膜键盘、微型打印机和l c d 模块等。下面 将对系统的各硬件组成部分作详细的描述。 3 2 单片机最小系统t 2 0 l 2 s l 选用i n t e l 5 1 系列中的8 0 c 3 1 单片机作为系统微处理器，单片机的最小系统 包括8 0 c 3 1 、片外程序存储器、时钟电路和复位电路等。如图3 2 所示。 时钟电路采用内部时钟方式，利用单片机内部的振荡电路，在x t a l l 和 x t a l 2 的引脚上外接定时元件，内部振荡器产生自激振荡。定时电路采用石英晶 体和电容组成的并联谐振回路。电路中晶振选用频率为1 1 0 5 9 2 m h z ，这样系统 串行通信时可精确的计算出常用的标准波特率所需的t 1 定时初值。电容选用 6 0 p f a 8 0 c 3 1 片内无程序存储器，必须在片外扩展e p r o m 。为了便于系统的二次 开发，选用i n t e l 公司的2 7 c 2 5 6 ，存储容量为3 2 k b 。8 0 c 3 l 的e a 接地，表明选 择外部存储器。单片机程序存储器扩展方法特别简单，2 7 c 2 5 6 片内地址由p o 口 6 浙江大学硕士学位论文 缎锁存器的锁存傣号为a l e ，指令数据凌p o 口读入。旋寄存健嚣的取撵信号鸯 p s e n ，将存储器片选信号c e 与允许读出信号o e 一起连到8 0 ( 2 3 1 的p s e n 读 指令输出脚上。这样在待机工作方式时，丽脚输出“1 ”，而e p r o m 的c e 8 0 c 3 1 7 4 i t c 2 7 3 x t l 1 a l e 、 ：旺 x t l 2 p 8 。扣? 2 7 c 2 5 6 、 入 阿* p 髓扰t i e p r 0 1 p 2 0 - t 毒、 ，- 一 e p s e n l 0 e c e 鬓3 - 2 豢奎系绕 脚为“l ”时，e p r o m 芯片正好处于节电的维持方式。 复缘毫路和蟪址锬存电路如霾3 2 黪示。 3 3 系统的功能扩展 m c s 5 l 系捌单冀枫有稷强鹃耱部扩展功能，单片机片外荨l 脚构或三总线缩 构，即地址总线、数据总线和控制总线，所有的外部功能芯片都通过这兰组总线 滋行扩震。遣蛙蕊线宽度兔1 6 袋，由p o 。o 鞠p 2 ，江7 撩供，霹菇娃范爨为6 4 k ： 数据总线宽度为8 位。 3 。3 1 数据存储器扩浸1 7 5 2 】 系绕的数据存储区主要存储常用参数、校准里程信息数据、水平与瓣直振动 麴速度怒限故障数摇、全程振葫加速度数据等。根据设计功能指标要求，检澜掰 獠为不少于2 0 0 公里，故障点不少于9 0 0 个。按照每隔一个轮周长记录一组全程 摄动热速度数撂，数据惫摇：拳警、垂羹振动燕遽凌餐( | 令享繁) 、瑟辩速度( 3 个字节) ，里程数据可以通过数据长度来确定，故可以不必记录，所需存储量： 2 0 0 0 0 0 7 2 8 = 4 8 8 3 。故障移储数据包括：掇动鸯曩速度数据( 2 个字节) 、坟 态信息( 1 个字节) 、里程数据( 3 个字节，精确剿米位，采用b c d 码存储) 、即 时速度( 3 个字节) ，所需存储擞大约：9 x 9 0 0 = 8 k b 。其他部分的存储爨很少， 掰渡总存储量：4 8 8 3 + 8 - - 4 9 6 3 k b 5 1 2 k b 。据藏选择黧产僵力麓速数据静态不捧 浙江大学硕士学位论文 发存储器d c m 8 5 1 2 ，其存储量为5 1 2 k b 。 图3 - 3 外部数据和驱动扩展 d c m 8 5 1 2 是一种高性能数据程序通用性存储器。芯片设有独特的上电延时 开放功能和定值读写保护电压功能，即只有当系统提供给芯片的电压达到或超过 电压保护值并延时2 0 m s 后，芯片才向系统开放读写操作。芯片内自备电池，写 入的数据可保存十年以上。读偈速度快，( 小于1 0 0 n s ，可达5 0 n s ) 。该芯片功耗 低( 平均功耗为l m a ) ，性能稳定，适于在潮湿、振动、高低温等恶劣的环境中 使用。 、 浙江大学硕士学位论文 由于d c m 8 5 1 2 的存储容量超过了8 0 c 3 1 的寻址范围，因此要进行地址线的 扩充。寻址扩展一般有两种方法：一是直接从p 11 ：3 线作为地址线，将p 1e l 线与 s r a m 的高端地址线或片选引脚相连，在寻址时先写p l 口，再按正常寻址方式 读写数据。这种方法硬件上实现较为简单，但要占用p l 口资源。二是通过锁存 地址方式来扩展地址，寻址时，先写高位地址数据并锁存在存储器的高位地址线 上或片选线上，再按正常寻址方式读写数据。这种方式类似于微机系统的段寻址 方式在硬件实现上较前一种复杂，但无须占用额外的c p u 资源，在测试仪设计 中，选用后一种方式实现。如图3 3 所示。 d c m 8 5 1 2 的片内地址线为1 9 根，其中低8 位由p o 口通过7 4 h c 3 7 3 锁存提 供，9 1 3 位地址线由p 2 口提供，1 4 - , 1 9 位地址线由p o 口通过7 4 h c 2 7 3 锁存。 由于高六位的地址线经锁存后保持不变，这样事实上是将5 1 2 k b 的数据存储区分 成6 4 个8 k b 的空间，而每个