羅麗萍，盧 俊，朱洪濤，，林曉峰，錢計(jì)妙

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,南昌 330031；2.江西日月明鐵道設(shè)備開發(fā)有限公司,南昌 330029)

實(shí)現(xiàn)軌距水平直接測(cè)量的軌檢小車新結(jié)構(gòu)研究

羅麗萍1，盧 俊1，朱洪濤1，2，林曉峰1，錢計(jì)妙2

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,南昌 330031；2.江西日月明鐵道設(shè)備開發(fā)有限公司,南昌 330029)

國(guó)內(nèi)外常用于檢測(cè)軌道幾何參數(shù)的”T”形結(jié)構(gòu)軌檢小車在線路曲線段走行時(shí)，存在因結(jié)構(gòu)原因而產(chǎn)生的假軌距、假水平問題，其原理性誤差可達(dá)10-1mm量級(jí)。相對(duì)于軌檢小車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軌距、水平測(cè)量允差+0.3～+0.5mm而言，該誤差不可忽略，故控制與消除該誤差的影響已成為新修訂的軌檢小車計(jì)量檢定規(guī)程的新增項(xiàng)目?；诖?，設(shè)計(jì)一種”工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車，該結(jié)構(gòu)直接測(cè)量左右軌作用邊，故其因結(jié)構(gòu)因素造成的軌距、水平原理性誤差僅為10-4mm到10-5mm量級(jí)，可顯著提高軌距、水平測(cè)量精度。

軌檢儀；軌道檢測(cè)；軌距；水平；傳感器

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸朝著高速、重載、大密度方向的發(fā)展,對(duì)嚴(yán)重影響行車安全的軌道平順性的檢測(cè)與控制越來越重視和精細(xì),在這種背景下高精度的數(shù)字化軌道檢測(cè)設(shè)備得到了廣泛的使用［1-2]。軌距和水平(超高)是表征軌道平順性的2個(gè)最基本的指標(biāo),當(dāng)其存在較大的偏差時(shí)有可能引起列車的振動(dòng),以致脫軌［3-4],因此,無論是以檢測(cè)軌道內(nèi)部幾何狀態(tài)為主要目的軌道檢查儀,還是以檢測(cè)軌道外部幾何狀態(tài)檢測(cè)為主要目的的軌道測(cè)量?jī)x,都把軌距和水平(超高)檢測(cè)項(xiàng)目放在了最顯著的位置上［5-6]。

軌道檢查儀和軌道測(cè)量?jī)x的外觀基本相似,可通稱為軌檢小車。目前國(guó)內(nèi)常見的軌檢小車都不約而同地采用了“T”形結(jié)構(gòu),其主要目的是在維持小車沿軌道走行姿態(tài)的同時(shí),簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、提高便攜性,但“T”形結(jié)構(gòu)隱含著一個(gè)達(dá)0.1 mm以上的原理性誤差［7-8],即假軌距、假水平問題。相對(duì)于軌道檢查儀、軌道測(cè)量?jī)x軌距、水平檢測(cè)項(xiàng)目測(cè)量允差+0.3 mm［9]而言,假軌距導(dǎo)致的誤差不能忽略,必須在測(cè)量時(shí)采用軟件或硬件的方法對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償［10]。這一方面會(huì)增加軌檢小車的軟硬件復(fù)雜度,同時(shí)也不可避免地會(huì)帶來一定的新誤差。

本文提出一種軌檢小車“工”形新結(jié)構(gòu),能實(shí)現(xiàn)對(duì)軌距、水平的直接測(cè)量,從結(jié)構(gòu)防止假軌距、假水平問題的產(chǎn)生。采用“工”形結(jié)構(gòu)的軌道檢查儀、軌道測(cè)量?jī)x不僅適用于正線軌道,還能適應(yīng)道岔等復(fù)雜線形。

1 ”工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 ”T”形結(jié)構(gòu)軌檢小車假軌距、假水平問題的產(chǎn)生

“T”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車由側(cè)臂梁和主梁組成,軌距傳感器和水平傳感器安裝于主梁中。由于T形軌檢小車的主梁一端直接與鋼軌工作邊接觸,而另一端是通過側(cè)臂與鋼軌另側(cè)工作邊接觸,單從結(jié)構(gòu)上考慮,當(dāng)在直線段走行時(shí),軌距傳感器測(cè)得值為軌距的真實(shí)值；當(dāng)為曲線段走行時(shí),側(cè)臂梁在鋼軌上變成了鋼軌的一條弦,主梁的一端在此弦的中點(diǎn)上,由于軌距傳感器所測(cè)得的軌距值為主梁兩端的距離而非鋼軌兩作用邊的距離,因此軌距傳感器所測(cè)得的軌距值存在較大的誤差,該差值即為假軌距。如圖1所示,當(dāng)軌檢小車在曲線段走行時(shí),軌距傳感器所測(cè)得的軌距值為D,而真實(shí)的軌距值為測(cè)量軌距與假軌距之差,取曲率半徑最小值R=300 m時(shí),現(xiàn)有產(chǎn)品中“T”形軌檢小車側(cè)臂梁長(zhǎng)度L=750 mm,取實(shí)際軌距為標(biāo)準(zhǔn)軌距1 450 mm。軌距誤差分析有

式中,R為線路曲率半徑,mm；X為假軌距值, mm；L*為側(cè)臂梁長(zhǎng)度,mm。

代入數(shù)據(jù)有:X=0.23 mm。

圖1 “T”形結(jié)構(gòu)軌距小車軌距誤差分析

水平值的測(cè)量由式(2)得到,與測(cè)量所得的軌距值、水平傳感器所測(cè)的角度有關(guān)。

水平誤差為

式中,el為水平誤差值,mm；L1為軌檢小車測(cè)量所得的軌距,mm；L為鋼軌真實(shí)軌距,mm；θ為傾角傳感器所測(cè)的水平角,°。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),傾角θ所達(dá)到的角度最大值為7°。el≤0.028 mm。

通過理論推理,“T”形軌檢小車軌距誤差達(dá)到了0.1 mm以上,水平誤差達(dá)到了0.01 mm以上,即假軌距、假水平問題,實(shí)際操作中,必須采取相應(yīng)的軟件或硬件進(jìn)行補(bǔ)償。同理,“H”形軌檢小車雖可顯著減小原理性誤差,但由于其依然不是直接測(cè)量左右軌作用邊的距離,其軌距、水平測(cè)量仍是有偏的。

1.2 總體設(shè)計(jì)

“工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由前主梁、后主梁、中間回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3部分組成。前、后主梁主體結(jié)構(gòu)基本相同,均包含中心體和左、右對(duì)稱的翼梁等部分。前主梁橫跨左右軌,且兩端通過走行輪與導(dǎo)向輪分別與鋼軌踏面及作用邊接觸,主要用于安裝軌距、水平傳感器等檢測(cè)元件與機(jī)構(gòu)；中間回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)前、后主梁的聯(lián)接并起到維持軌檢小車姿態(tài)的作用,后主梁外形和前主梁相同,主要用于安裝電路及起到維持軌檢小車姿態(tài)作用,如圖2所示。

圖2 “工”形結(jié)構(gòu)軌檢小車總體結(jié)構(gòu)

1.3 軌距、水平檢測(cè)與傳感器安裝

“工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車主梁的左、右翼梁在內(nèi)置彈簧的作用下,各自輪系分別與軌道左、右軌保持密貼。左、右走行輪同時(shí)也是水平測(cè)量輪,其下母線所決定的主梁水平姿態(tài)直接反映了鋼軌踏面的水平狀態(tài),水平傳感器安裝于主梁的中間體中,可實(shí)現(xiàn)真水平的測(cè)量；左、右導(dǎo)向輪同時(shí)也是軌距測(cè)量輪,其外側(cè)母線決定的主梁左、右翼梁之間的相對(duì)位置變化即反映了軌道軌距的變化,安裝于左翼梁上的位移傳感器測(cè)頭頂在右翼梁的測(cè)量探桿上,由于左右導(dǎo)向輪在同一橫斷面內(nèi)接觸兩側(cè)鋼軌的作用邊,故可實(shí)現(xiàn)真軌距的測(cè)量。軌距傳感器安裝如圖3所示。

2 ”工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車軌距、水平誤差分析

2.1 軌距、水平定義

圖3 軌距傳感器安裝

軌檢小車所指軌距,系指鋼軌踏面下方16 mm處左右兩股鋼軌內(nèi)側(cè)作用邊之間的最小距離。我國(guó)鐵路直線軌距標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1 435 mm,稱為標(biāo)準(zhǔn)軌距。軌距偏差過大,會(huì)使車輪掉道和卡軌,即使軌距尚未擴(kuò)大到會(huì)使車輪掉道的程度,如果車輪錐形踏面的大坡度段已進(jìn)入軌頂內(nèi)側(cè)圓弧內(nèi),依然會(huì)在輪軌間產(chǎn)生較大的橫向推力［11- 12]。

軌檢小車所指水平,系指鐵路兩鋼軌面中心線之間的豎直面內(nèi)高差,如圖4所示。水平(超高)不平順可能導(dǎo)致列車脫軌或者傾覆等危險(xiǎn)［11- 12]。

圖4 超高分析示意

2.2 軌距、水平測(cè)量原理

當(dāng)軌檢小車走行時(shí),如果鋼軌的軌距發(fā)生變化,如上述所示,導(dǎo)向輪是緊貼鋼軌踏面下方16 mm處,軌距傳感器直接測(cè)量出鋼軌的軌距變化值。軌距傳感器測(cè)得的值X,鋼軌的軌距值L為“工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車的設(shè)計(jì)軌距值L0與傳感器測(cè)量值X之和。

式中,L為鋼軌軌距真實(shí)值,mm；L0為軌檢小車設(shè)計(jì)軌距基準(zhǔn)值,mm；X為軌距傳感器測(cè)得值,mm。

當(dāng)兩鋼軌不在同一水平位置時(shí),傾角傳感器就會(huì)顯示兩鋼軌表面中心線與水平線的夾角值。因?yàn)樗街禐閮射撥壝嬷行木€之間在豎直面內(nèi)高差。因此,水平值d為鋼軌的軌距值L與傾角θ的正弦值的乘積。

式中,d為水平值,mm；L為鋼軌軌距值,mm；θ為傾角傳感器所測(cè)的夾角,(°)。

2.3 “工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車軌距、水平誤差分析2.3.1 軌距誤差分析

“工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車因軌距測(cè)量輪、水平測(cè)量輪均直接與被測(cè)鋼軌密貼,從結(jié)構(gòu)上消除了假軌距和假水平問題對(duì)軌距、水平測(cè)量精度的影響。直線段測(cè)量時(shí),軌檢小車大梁與軌道處于垂直狀態(tài),但在曲線段檢測(cè)時(shí),這種垂直關(guān)系因前、后主梁之間的距離差而發(fā)生了細(xì)微的變化,將導(dǎo)致一項(xiàng)與曲率半徑相關(guān)的原理性誤差的產(chǎn)生,如圖5所示。

如圖5所示,前主梁真實(shí)軌距L與測(cè)量軌距L1之間存在夾角a,則

圖5 “工”形結(jié)構(gòu)軌檢小車軌距誤差分析

式中,a為前主梁接觸點(diǎn)的鋼軌內(nèi)法線與前主梁的夾角,(°)；D為前主梁和后主梁中心線間的距離, mm；R為線路曲率半徑,mm。

由于R遠(yuǎn)大于L

式中,L為鋼軌真實(shí)軌距,mm；L1為軌檢小車測(cè)量軌距,mm；a為曲率半徑與前主梁的夾角,(°)。

軌距誤差eg為

聯(lián)立(5)～(8)式,則軌距誤差

從(8)式可知,影響軌距誤差e的因素主要是軌檢小車前后主梁之間的中線距離D、軌距值L、線路的曲率半徑R等。由于D、L遠(yuǎn)小于R,且變化較小,它們對(duì)誤差產(chǎn)生的影響較小。軌檢小車的誤差主要由曲率半徑R決定。取D=500 mm,軌距值取標(biāo)準(zhǔn)軌距值L=1 435 mm,通過分析不同的線路的曲率半徑得出相應(yīng)軌距理論誤差,見表1。

表1 小車姿態(tài)引入的軌距系統(tǒng)誤差

根據(jù)《中華人民共和國(guó)鐵路技術(shù)管理規(guī)程》,通常普通鐵軌最小曲率半徑是R=300 m。從上述表中可以得知:當(dāng)曲率半徑不小于300 m時(shí),“工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車檢測(cè)軌距的原理性誤差不大于4.98×10-4mm,且隨曲率半徑的加大而減小。

2.3.2 水平誤差分析

水平值的測(cè)量由公式(2)可知,與測(cè)量所得的軌距值、水平傳感器所測(cè)的角度有關(guān)。

水平誤差為

由軌距誤差分析可知,軌距誤差不大于4.98× 10-4mm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),傾角θ所達(dá)到的角度最大值為7°。可計(jì)算出水平誤差e1不大于6.069×10-5mm。

由于“工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車因線路曲率半徑產(chǎn)生的軌距、水平原理性誤差分別為10-4、10-5mm量級(jí),相對(duì)于當(dāng)前軌檢產(chǎn)品的軌距、水平項(xiàng)目測(cè)量允差而言,完全可以忽略不計(jì)。

3 結(jié)語

針對(duì)目前軌道檢查儀、軌道測(cè)量?jī)x多采用“T”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車結(jié)構(gòu)所存在的假軌距、假水平問題及其補(bǔ)償所帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度提高、測(cè)量誤差加大的情況,本文設(shè)計(jì)了一種“工”形軌檢小車結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)果表明,在曲率半徑不小于300 m的情況下,其軌距、水平測(cè)量的原理性誤差分別為10-4、10-5mm量級(jí),相對(duì)于當(dāng)前最高精度等級(jí)的軌檢產(chǎn)品軌距、水平測(cè)量項(xiàng)目允差+0.3 mm而言,該原理性誤差完全可以忽略不計(jì)。因此,“工”形結(jié)構(gòu)的軌檢小車是一種實(shí)用的對(duì)軌距、水平直接測(cè)量的結(jié)構(gòu),適用于軌道檢查儀、軌道測(cè)量?jī)x等軌檢產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的升級(jí)換代。

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Research on a New Structure of Track InsPection Instrument That Can Directly Measure Rail Gauge and Level

LUO Li-ping1,LU Jun1,ZHU Hong-tao1,2,LIN Xiao-feng1,QIAN Ji-miao2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China；2.Jiangxi Everbright Railway Equipment Development Co.,Ltd.,Nanchang 330029,China)

There are problems of false rail gauge and level measurement values when inspecting track geometry parameters along curved railway line by using T-shaped track inspection instrument which is widely used in domestic and abroad.It is the structure itself of this kind of instrument that results in the error.This principle error may reach up to 10-1mm；then compared with the rail gauge and level measurement's permissible error values of+0.3 to+0.5mm which are stipulated in industry standard code,this error should not be neglected.So controlling and eliminating the influence of this error has become a new subject in newly revised measurement verification standard code of track inspection instrument.For this reason,this research developed an H-shaped track inspection instrument.With this new instrument,the action edges of both the left and right rails can directly be measured,so the principle error on rail gauge and level measurement caused by structure itself of the new instrument is only 10-4mm to 10-5mm；therefore the measurement accuracy of rail gauge and level can be significantly improved.

track inspection instrument；track inspection；rail gauge；rail level；sensor

U216.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.008

1004-2954(2014)07-0035-03

2013-09-07；

2013-11-12

江西省科技支撐項(xiàng)目(工業(yè)領(lǐng)域)(20112BBE50040；20132BBE50036)

羅麗萍(1956―),女,教授,碩士生導(dǎo)師,E-mail:xlp830@ 163.com。