楊金鋒　馮漢卿

摘要：橋梁振幅檢測儀校正臺是某公司自行開發(fā)研制的對橋梁振幅檢測儀幅值和頻率校正的儀器。采用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的加工工藝，保證了校正系統(tǒng)具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，校正臺控制部分采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī)的無級平滑調(diào)速，提高了對橋梁振幅檢測儀的校正效率，結(jié)合實(shí)際情況，思路新穎，對橋梁振幅檢測儀應(yīng)及時校正的需求開展了研究。

關(guān)鍵詞：橋梁振幅檢測儀；校正臺；檢測儀幅值；頻率校正

中圖分類號：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）10-0024-03

1 概述

鐵路橋梁振幅檢測是橋梁專項檢查工作。隨著鐵路運(yùn)量、列車速度的快速增長及重載列車的大量開行等因素，橋梁振動的幅度和頻率不斷加劇，橋梁振幅的檢測更迫切需要，橋梁振幅檢測儀的使用頻率更高，這就要求橋梁振幅儀具有較高的準(zhǔn)確度和精度，但是，由于使用過程中，經(jīng)常對其進(jìn)行搬運(yùn)以及受周圍環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，會使橋梁振幅檢測儀測量結(jié)果偏離真實(shí)值，造成測量誤差增大。因此，需要經(jīng)常對該儀器進(jìn)行標(biāo)定，確保儀器的測量精度。

目前，橋梁振幅檢測儀標(biāo)定主要有兩個途徑：一是儀器返回廠家，由廠家進(jìn)行標(biāo)定；二是將儀器送到鐵路局橋檢隊進(jìn)行標(biāo)定。無論是儀器返回廠家還是送鐵路局橋檢隊進(jìn)行標(biāo)定，都需要花費(fèi)較長時間，不方便。況且有些路局橋檢隊未配標(biāo)定臺或因其他原因標(biāo)定臺無法使用，只能將儀器返回廠家標(biāo)定。因此，研發(fā)一種操作簡潔、標(biāo)定快速、精度高、運(yùn)輸方便、價位低廉的橋梁振幅檢測儀標(biāo)定臺很有必要。

2 技術(shù)方案

2010年初，確定了“橋梁振幅檢測儀校正臺”項目科研成果研究小組，并得到上級專業(yè)技術(shù)部門和有關(guān)廠家的支持。經(jīng)多方查尋資料和設(shè)計方案，確定了技術(shù)方案。

2.1 設(shè)計要求

根據(jù)橋梁檢測要求，該標(biāo)定臺具備以下功能特點(diǎn)：

2.1.1 標(biāo)定臺系統(tǒng)采用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的加工工藝，保證標(biāo)定系統(tǒng)具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。

2.1.2 標(biāo)定臺控制部分采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的無級平滑調(diào)速。

2.1.3 采用先進(jìn)的計算機(jī)測控技術(shù)，開發(fā)友好的人機(jī)交互平臺，使標(biāo)定臺不僅具有較高的精度，而且具有良好的可操作性。

2.2 基本原理

2.2.1 系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要由振動臺本體、直流調(diào)速電機(jī)、直流電機(jī)調(diào)速控制器、數(shù)顯式百分表以及百分表磁性支座五部分組成。

2.2.2 振動臺工作原理。

（1）工作狀態(tài)。工作時，通過調(diào)節(jié)電動機(jī)調(diào)速器的旋鈕按鈕設(shè)定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動機(jī)通過皮帶，帶動固定在支架上的主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動。主軸的兩端各安裝了偏心輪機(jī)構(gòu)，偏心輪機(jī)構(gòu)與滑塊機(jī)構(gòu)相連。主軸的轉(zhuǎn)動將帶動偏心輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，同時偏心輪的轉(zhuǎn)動將帶動滑塊在滑槽內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)滑槽進(jìn)行縱向安裝時，振動臺將橫向進(jìn)行振動，形成橫向振動標(biāo)定臺；反之，當(dāng)滑槽橫向安裝時，振動臺將豎向進(jìn)行振動，形成豎向振動標(biāo)定臺，如圖1所示。

（2）標(biāo)定狀態(tài)。標(biāo)定時，可根據(jù)實(shí)際需要，通過調(diào)節(jié)偏心輪上的固定螺絲在偏心輪上的位置來調(diào)節(jié)振幅的大小。振幅調(diào)整好后，將數(shù)顯式百分表的頂針以適宜的力量頂在振動臺的振動臺面上，將百分表指針調(diào)整在零點(diǎn)。然后，手動轉(zhuǎn)動標(biāo)定臺的主軸，振動體往復(fù)振動過程中，記下百分表上正向位移和負(fù)向位移之最大值并取其平均值的一半，該值便為振動臺振幅的最大值。接著，將需標(biāo)定的測振儀器的拾振器固定于振動體上。連接正確后，啟動測振儀并使其處于工作狀態(tài)，觀察振動檢測儀上的實(shí)測數(shù)據(jù)。將實(shí)測數(shù)據(jù)與振動臺標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，便獲得振動檢測儀的修正系數(shù)。將該修正系數(shù)輸入振動測試儀，便完成了振動檢測儀的標(biāo)定工作。

2.2.3 電動機(jī)調(diào)速器工作原理。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即PWM調(diào)速系統(tǒng)，如圖2所示：

工作時，單片機(jī)對通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電位器設(shè)定的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，由單片機(jī)形成驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動的相應(yīng)的PWM信號，同時顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動機(jī)的控制電壓。直流電動機(jī)驅(qū)動器，將以一定的占空比控制直流電動機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣就達(dá)到了PWM技術(shù)對直流電動機(jī)無級調(diào)速的目的。

2.2.4 主要技術(shù)參數(shù)：

（1）振動臺標(biāo)定范圍：0.5～15mm。

（2）分辨率：0.01mm。

（3）振動頻率：0.5～30Hz。

（4）輸出電壓：0～24V可調(diào)。

（5）振動方向：橫向、豎向。

（6）電源：交流220V/50Hz。

（7）使用條件：溫度范圍：-10°C，相對濕度≤85%。

3 研制和試驗

3.1 研制過程

按照預(yù)定的實(shí)施計劃，科研小組于2010年5月開始調(diào)研，首先對全路工務(wù)段和橋檢隊橋梁振幅檢測儀的使用情況及存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，經(jīng)過論證和深入分析，確定了“橋梁振幅檢測儀標(biāo)定臺”的設(shè)計方案及要實(shí)現(xiàn)的功能：

3.1.1 橋梁振幅檢測儀標(biāo)定臺由一套振動臺本體、一臺直流電機(jī)、一臺直流電機(jī)調(diào)速控制器、一個數(shù)顯式百分表和一個磁性支座組成。振動臺本體起支撐作用并實(shí)現(xiàn)最大振幅可調(diào)節(jié)；直流電動機(jī)帶動偏心輪機(jī)構(gòu)做圓周運(yùn)動，然后由偏心輪機(jī)構(gòu)帶動滑塊機(jī)構(gòu)做往復(fù)直線運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)橫向或豎向運(yùn)動；電機(jī)調(diào)速器對振動臺的振動頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)；數(shù)顯式百分表對振動臺的最大振幅進(jìn)行測量，并利用該測量值對振動測試儀所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定、校核。

3.1.2 調(diào)速控制器利用PWM調(diào)速方式能夠?qū)崿F(xiàn)振動臺在0.5～30Hz頻率范圍內(nèi)平滑無級可調(diào)。控制器操作界面友好，能夠?qū)崿F(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速及電壓的數(shù)字顯示，調(diào)速操作方便。

3.1.3 振動臺標(biāo)定范圍：0.5～15mm。

3.1.4 振動臺分辨率：0.01mm。

3.1.5 振動臺調(diào)速控制器采用交流220V/50Hz進(jìn)行供電。

3.1.6 振動標(biāo)定臺系統(tǒng)工作穩(wěn)定性好，可靠性高，可重復(fù)性好。

3.1.7 振動標(biāo)定臺操作簡單，安裝方便、快捷。

3.1.8 振動臺通過拆裝可實(shí)現(xiàn)豎向振幅的標(biāo)定。

3.2 制造階段

根據(jù)設(shè)計方案及要實(shí)現(xiàn)的功能，我們結(jié)合市場調(diào)研情況，汲取了目前先進(jìn)的機(jī)械和電子技術(shù)，首先完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)速控制器電路原理圖設(shè)計和PCB板設(shè)計以及直流電機(jī)的選型，而后進(jìn)入北京、西安等地采購了適用的機(jī)械、電子元件，通過多次性能試驗，確定了最終所需的機(jī)械、電子元件，制作橋梁振幅檢測儀標(biāo)定臺樣機(jī)一臺并進(jìn)行了試驗。

3.2.1 試驗方法。

首先，試驗條件：

（1）環(huán)境溫度：20±5°C。

（2）電源電壓：220VAC±10%。

其次，試驗設(shè)備：

（1）振動測試標(biāo)定臺一套。

（2）調(diào)速控制器一臺。

（3）百分表一只，最小刻度0.01mm。

（4）磁性表座一只。

再次，試驗線路連接，如圖3所示：

3.2.2 功能測試。

（1）幅值確認(rèn)。將數(shù)字百分表的觸頭與振動臺臺面的側(cè)面接觸，手動轉(zhuǎn)動主軸上的飛輪，讀取百分表正向幅值與負(fù)向幅值的絕對值之和即是全振幅，全振幅的1/2為單振幅，該振動臺的振幅值已整定為3.88mm（單振幅正向或負(fù)向幅值）。

（2）振動頻率調(diào)整。調(diào)整驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整振動頻率，通過調(diào)整振動臺控制器上的頻率調(diào)節(jié)旋鈕來實(shí)現(xiàn)，頻率值由分析軟件確定。

3.2.3 檢測規(guī)則。

（1）外觀檢查：對標(biāo)定臺樣機(jī)外觀進(jìn)行檢驗，應(yīng)符合有關(guān)技術(shù)要求。

（2）性能試驗。

功能試驗：打開被試驗樣機(jī)電源開關(guān)，用目測的方法觀察調(diào)速器顯示是否正常，手動旋轉(zhuǎn)振動檢測標(biāo)定臺系統(tǒng)的主軸，檢驗機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。

功能測試：按照上面所述的方法進(jìn)行測試。

多次重復(fù)以上試驗，并記錄實(shí)驗數(shù)據(jù)。

通過試驗及在本段對橋梁振幅檢測儀標(biāo)定的試用，我們發(fā)現(xiàn)標(biāo)定臺存在兩個問題：第一，系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，即開始運(yùn)轉(zhuǎn)時，運(yùn)行比較平穩(wěn)，但連續(xù)運(yùn)行一段時間后比如一個小時以后，運(yùn)行就出現(xiàn)不平穩(wěn)現(xiàn)象。表現(xiàn)在波形上就是正旋波最大值在變化，這意味著標(biāo)定臺的幅值在變化，這是絕對不允許的；第二，標(biāo)定臺精度達(dá)不到設(shè)計要求。

針對這兩個問題，課題組多次召開專題會議進(jìn)行分析研究并反復(fù)試驗，最終一致認(rèn)為：運(yùn)行不穩(wěn)定是控制線路的問題，精度不夠是加工精度不夠及裝配精度不夠造成的。為此對線路控制方案進(jìn)行改進(jìn)，重新制作控制板；對關(guān)鍵運(yùn)行部件重新加工并嚴(yán)格裝配工藝，又制作了一臺樣機(jī)，如圖4所示：

2010年9月，我們再次用標(biāo)定臺樣機(jī)對橋梁振幅檢測儀進(jìn)行標(biāo)定試用，達(dá)到了設(shè)計要求，滿足了橋梁振幅檢測儀現(xiàn)場標(biāo)定的需求。至此，研制過程結(jié)束。

4 應(yīng)用

橋梁振幅檢測儀標(biāo)定臺樣機(jī)于2010年9月至今在侯馬北工務(wù)段翼東橋隧車間進(jìn)行了試用，認(rèn)為：

（1）該標(biāo)定臺是針對鐵路橋梁振動檢測頻率的具體特點(diǎn)和要求，采用先進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝，運(yùn)用先進(jìn)的計算機(jī)測控技術(shù)，使本系統(tǒng)達(dá)到了路內(nèi)先進(jìn)水平，具有極高的推廣價值和良好的市場前景。

（2）該標(biāo)定臺在我段經(jīng)過半年的振幅檢測儀標(biāo)定證明，性能穩(wěn)定、操作簡潔、標(biāo)定快速、精度高，能夠滿足工務(wù)段橋梁振幅檢測儀標(biāo)定工作的實(shí)際需要。歸納起來，有如下兩個特點(diǎn)：

第一，該標(biāo)定臺采用了PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對標(biāo)定臺的無級平滑調(diào)速，操作簡單，使用方便，調(diào)高了標(biāo)定的效率和準(zhǔn)確度。

第二，該標(biāo)定臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，體積小，便于運(yùn)輸，維護(hù)簡單，適合各工務(wù)段及橋梁檢測車間使用。

5 效果

橋梁振幅檢測儀標(biāo)定臺樣機(jī)于2010年9月至今在侯馬北工務(wù)段翼東橋隧車間進(jìn)行了試用，取得了明顯良好的安全效果，表現(xiàn)為：

（1）該標(biāo)定臺系統(tǒng)采用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的加工工藝，保證了標(biāo)定系統(tǒng)具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。

（2）標(biāo)定臺控制部分采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī)的無級平滑調(diào)速。

（3）采用先進(jìn)的計算機(jī)測控技術(shù)，開發(fā)了友好的人機(jī)交互平臺，使標(biāo)定臺不僅具有較高的精度，而且具有良好的可操作性。

（4）該標(biāo)定臺的研制最大的技術(shù)難題是研制完成后的儀器設(shè)備能對振幅檢測的準(zhǔn)確度的檢測和校正得到保證。

（5）最主要的技術(shù)難點(diǎn)是能將振幅檢測的準(zhǔn)確度，通過檢測和校正問題得到控制，做到功能齊全。

6 不足

建議加強(qiáng)現(xiàn)場操作使用，進(jìn)一步提高校正的精度，優(yōu)化外觀設(shè)計。

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作者簡介：楊金鋒（1971-），女，山西運(yùn)城人，大秦鐵路股份有限公司侯馬北工務(wù)段橋梁科工程師，研究方向：土木工程；馮漢卿（1970-），男，山西運(yùn)城人，大秦鐵路股份有限公司侯馬北工務(wù)段線路科工程師，研究方向：土木工程。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）