吳元良 上海鐵路局科研所

動態(tài)鋼軌平直度測量儀測試平臺的研制

吳元良 上海鐵路局科研所

測試平臺模擬真實軌道設(shè)計，配有不同波長及波幅的可更換式軌面波形模擬條，滿足動態(tài)鋼軌平直度測量儀針對被測鋼軌幾種典型不平順類型的測量需求。測試平臺基于計量原理設(shè)計，通過分析其不確定度分量并合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度用以評定測試平臺的精度。通過比對國家鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3276-2011高速鐵路用鋼軌規(guī)定，其結(jié)果顯示測試平臺的精度滿足測量動態(tài)鋼軌平直度測量儀的檢測需求。

鋼軌；平直度；測試平臺；不確定度

鋼軌平直度是指沿鋼軌縱向軌頂面不平順的指標(biāo)，研究其意義在于更好的降低列車運行時的振動，減輕輪軌磨耗，提供乘車的舒適感和安全感。準(zhǔn)確測量掌握軌面不平順的實際情況也是實現(xiàn)對軌道不平順狀態(tài)科學(xué)評定、監(jiān)控管理的前提條件。隨著我國高速鐵路的發(fā)展，軌面不平順引起的輪軌沖擊破壞、振動以及運行噪聲等問題日益凸顯，在有限的天窗時間內(nèi)對鋼軌不平順進(jìn)行連續(xù)在線檢測是目前工務(wù)系統(tǒng)急需解決的問題。

動態(tài)走形式鋼軌平直度測量儀可以實現(xiàn)鋼軌平直度的連續(xù)檢測，有效提高平直度檢測的效率，不過由于其邊走行邊測量的方式，測量儀檢測位置隨其運動狀態(tài)的改變而不同，因此需要通過不同檢測方法和數(shù)學(xué)算法修正才能得到正確的檢測值。例如基于慣性基準(zhǔn)法的軌檢車，基于弦測法和軸箱加速度原理開發(fā)的專用檢測小車等，都采用了不同的硬件設(shè)備和數(shù)學(xué)算法。檢測算法本身的正確性和檢測儀器本身的準(zhǔn)確性就顯得至關(guān)重要。

但是目前對于動態(tài)平直度測量儀本身的測試，特別是檢測儀器的校驗缺少專門的工具和設(shè)備，也無法對波形復(fù)雜、頻率（波長）寬泛等類似鋼軌不平順檢測模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行全面驗證?；谏鲜霈F(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一套專門的檢測校驗設(shè)備--動態(tài)鋼軌平直度測量儀測試平臺，通過設(shè)置不同波長、波幅的可更換式軌面波形模擬條，對鋼軌平直度測量設(shè)備的檢測算法及檢測精度進(jìn)行校驗，以期為工務(wù)檢測設(shè)備的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支持。

1　設(shè)計結(jié)構(gòu)

測試平臺基于計量原理設(shè)計，整體模擬真實軌道，分為左右雙軌，間距為標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，全長為11 m。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中標(biāo)記分別為：1軌面波形模擬條、2大理石平尺、3精調(diào)支座、4粗調(diào)支座、5底座安裝板、6鋼筋混凝土基座、7軌面波形模擬面。

圖1 測試平臺結(jié)構(gòu)圖

1.1平臺基座建設(shè)

測試平臺自身的穩(wěn)定性是校驗準(zhǔn)確性的前提，為防止平臺在溫度、載荷等因素下產(chǎn)生形變與沉降，其基座由鋼筋混凝土加固而成。施工過程中扎鋼筋籠并焊接平臺底座安裝板（見圖2）。

圖2 測試平臺基座與底座安裝板

1.2平臺調(diào)節(jié)裝置

測試平臺的高低與角度調(diào)節(jié)通過安裝于底座安裝板上的調(diào)平支座實現(xiàn)。調(diào)平支座由一個粗調(diào)支座，一個精調(diào)支座構(gòu)成。精調(diào)支座通過粗調(diào)支座支撐，粗調(diào)支座通過預(yù)埋鐵安裝板固定于鋼筋混凝土基座上。通過粗調(diào)支座和精調(diào)支座的結(jié)合調(diào)整，可以快速及精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)平臺的高度與角度（見圖3）。

圖3 調(diào)平支座

1.3平臺基準(zhǔn)選擇

大理石平尺為天然優(yōu)質(zhì)石材經(jīng)人工研磨而制成的精密測量工具，其質(zhì)地均勻，穩(wěn)定性好、強(qiáng)度大、硬度高，能在重負(fù)荷下保持高精度，特別適用于實驗室高精度測量工作。大理石平尺物理性能如表1所示。

表1 大理石平尺物理特性

在調(diào)平支座上固定安裝總長度為11 m的00級大理石平尺，作為測試平臺的基準(zhǔn)。大理石平尺精度參照先進(jìn)國家標(biāo)準(zhǔn)，平面度公差依JB/T7975-1999標(biāo)準(zhǔn)，選擇大理石平尺為

1.4平臺波形設(shè)計

軌面波形模擬條由鋁合金材料加工而成，放置在大理石平尺之上并通過扣件固定，保證其與大理石平尺的緊密貼合。軌面波形模擬條的表面通過精加工實現(xiàn)不同類型的波形模擬，可以根據(jù)需要設(shè)計成不同波幅、波長的正弦波或者不規(guī)則波形，以供使用。在系列波形設(shè)計中，結(jié)合動態(tài)鋼軌平直度檢測儀的尺寸及現(xiàn)場鋼軌實際不平順性，設(shè)計出不同波長、波幅的軌面波形模擬條，具體有正弦曲線y=0.3sin（2πx/ 300），y=0.8sin（2πx/1000），y=sin（2πx/1500），y=1.5sin（2πx/2000），y=2sin（2πx/3000）。為了更加切合現(xiàn)場真實情況，驗證動態(tài)鋼軌平直度測試儀數(shù)據(jù)處理方法的正確性，設(shè)計一組復(fù)合波，分別由不同波幅（0.3 mm，0.8 mm，3 mm）、不同波長（0.3 m，1 m，7 m）的三組正弦波疊加而成。測試平臺如圖4所示。

圖4 測試平臺

2　校驗原理與過程

測試平臺主要通過對比分析波形模擬條的設(shè)計波形和平直度測量儀的檢測波形從而確定平直度測量儀的檢測精度。具體操作如下：

（1）選擇需要測量的波形，把對應(yīng)軌面波形模擬條固定安裝在平臺大理石平尺上。

（2）以大理石平尺為水平基準(zhǔn)，使用深度千分尺以固定間距逐點測量測試平臺波形模擬面到大理石平尺的高度h，為方便比較計算，將千分尺測量數(shù)據(jù)水平翻轉(zhuǎn)，得到千分尺測量曲線函數(shù)H（n），作為精度校驗的基準(zhǔn)。如圖5所示。

圖5 千分尺基準(zhǔn)值

（4）操作動態(tài)鋼軌平直度測量儀測量測試平臺，全程記錄測量數(shù)據(jù)。由于平直度測量儀的檢測頻率高，測量數(shù)據(jù)多，通過數(shù)據(jù)處理并篩選出與測試平臺基準(zhǔn)數(shù)據(jù)對應(yīng)的檢測值，將其擬合成測量儀檢測值的曲線函數(shù)，記為H'（n），如圖6所示。

圖6 動態(tài)平直度測量儀檢測值

（5）計算函數(shù)誤差C（n）=/H'（n）-H（n）/，用來評價平直度測量儀的測量結(jié)果。

3　測試平臺精度推導(dǎo)

在測量軌面波形模擬面到大理石平尺高度值h的過程中，存在不同干擾因素會影響測試平臺的整體精度。需要將其分別列出并合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc，取其兩倍作為測試平臺的擴(kuò)展不確定度u用以評價測試平臺整體的精度：

3.1實驗室標(biāo)準(zhǔn)偏差u0的引入

在同一個位置多次測量軌面波形模擬面到大理石平尺的高度值h，計算其實驗室標(biāo)準(zhǔn)差，計算公式為：

其中s（yi）為實驗室標(biāo)準(zhǔn)差，這里記它為u0；yi為第i次測量值；為多次測量結(jié)果的算術(shù)平均值。

3.2千分尺引入的不確定度u1

使用深度千分尺測量軌面波形模擬面到大理石平尺的高度，根據(jù)高度值的不同需要將深度千分尺設(shè)定在不同量程擋位。不同量程對應(yīng)不同的最大允許誤差MPE記為m。由千分尺不同擋位引入的不確定度

3.3千分尺讀數(shù)裝置引入的不確定度U2

千分尺最小分度值為0.01 mm，其最小分度值的一半即為0.005 mm。記千分尺讀數(shù)裝置引入的不確定度為u2，則

3.4千分尺與檢定器線膨脹系數(shù)不確定度引入的不確定度u3% %%%%

假設(shè)千分尺與檢定器的線膨脹系數(shù)在±1×10-6C-1范圍內(nèi)均勻分布，其線膨脹系數(shù)差δa應(yīng)在±2×10-6C-1范圍內(nèi)服從三角分布。該分布的半寬為2×10-6C-1，若標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃，記千分尺與檢定器線膨脹系數(shù)不確定度引入的不確定度為u3，其計算公式為：u3=L（t-20）·u（δa）。其中L為千分尺測量桿的長度，t為測量時的氣溫，δa為千分尺與檢定器的線膨脹系數(shù)差，被測距離為波形面和大理石平尺之間的高度，千分尺實測物為大理石平尺，因此線膨脹系數(shù)差為大理石平尺和千分尺之間的差值。因為服從三角分布，故

3.5千分尺與檢定器間的溫度差δt引入的不確定度u4%%%%

千分尺與檢定器間存在溫差，假設(shè)δt在等±0.3℃范圍內(nèi)服從均勻分布，則δt的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（δt）為：，于是：u4=L·a·u（δt）。其中L為千分尺測量桿的長度，a為千分尺線膨脹系數(shù)。

3.6橫向間距測量誤差引起的縱向誤差u5% %%%%

使用鋼板尺等間距劃分平臺的測量點，由于鋼板尺存在測量誤差記為σ，從而引起縱向最大誤差。A為設(shè)計波形幅值，λ為設(shè)計波形波長。

3.7合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定uc%%%%%。其中u6為大理石平尺的直線度誤差。選擇兩倍的uc作為整個平臺的擴(kuò)展不確定度U，其置信概率達(dá)到94.5%。

根據(jù)國家鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3276-2011高速鐵路用鋼軌規(guī)定，鋼軌軌頂平直度要求為≤0.2mm/1m，因此檢測鋼軌所用動態(tài)平直度測量儀的精度要求為。這是因為在選用測量儀器時，要遵循最大允許誤差為被測對象所要求誤差的1/3～1/5。同理，檢測動態(tài)平直度測量儀的設(shè)備其精度必須達(dá)到。在測試平臺安裝不同波形軌面波形模擬條的情況下分別計算其對應(yīng)的測試平臺不確定度，其最大誤差值為0.0175 mm，小于0.0222 mm，因此測試平臺滿足測量動態(tài)鋼軌平直度測量儀的檢測需求。

4　結(jié)束語

動態(tài)鋼軌平直度測量儀測試平臺結(jié)構(gòu)模擬真實軌道，擁有標(biāo)準(zhǔn)軌距和11 m的長度，加強(qiáng)型鋼筋混凝土地基有效防止外界振動干擾，為核查動態(tài)鋼軌平直度測量儀的測量精度提供了一個穩(wěn)定基礎(chǔ)。平臺提供不同波長、不同波幅的軌面波形模擬條，更換方便，可模擬現(xiàn)場鋼軌軌面的不同波形，用于驗證測量儀的數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)處理的正確性。平臺基于計量原理設(shè)計，其最大誤差值小于國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足測量動態(tài)鋼軌平直度測量儀的檢測需求，因此可以用于校驗動態(tài)鋼軌平直度測量儀的檢測結(jié)果。

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責(zé)任編輯：宋飛 張建強(qiáng)

來稿時間：2016-05-13