冷淑妍 周高偉

(北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司機(jī)車研發(fā)中心，100072，北京∥第一作者，工程師)

由于列車的動(dòng)力作用，以及自然環(huán)境和鋼軌本身質(zhì)量等原因，鋼軌經(jīng)常會(huì)發(fā)生損傷，如橫斷面的磨損、波浪磨耗(簡(jiǎn)稱“波磨”)等現(xiàn)象，使輪軌接觸面的狀況進(jìn)一步惡化，造成鋼軌壽命減少、養(yǎng)護(hù)工作量加大、養(yǎng)護(hù)成本增加。鋼軌波磨是產(chǎn)生噪聲和引起輪軌相互作用力變化的主要原因之一。特別是近幾年來，隨著高速、重載軌道交通的快速發(fā)展，鋼軌波磨和沖擊日益嚴(yán)重，這不僅加劇了軌道結(jié)構(gòu)部件的傷損和軌道狀態(tài)的惡化，而且嚴(yán)重影響了鋼軌的使用壽命，甚至危及行車安全。為此，鋼軌的檢測(cè)和打磨成為一個(gè)亟待解決的問題。

鐵道科學(xué)研究院、鐵道部基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心開發(fā)和生產(chǎn)的鐵路軌道檢測(cè)裝置，用于對(duì)線路的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，提出線路維護(hù)的要求，是具有相應(yīng)的技術(shù)和工業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，安裝在專用的鐵路軌道檢測(cè)車上。但打磨作業(yè)車輛專用的檢測(cè)裝置產(chǎn)品非常少，僅有SPENO 等少數(shù)公司擁有相應(yīng)的產(chǎn)品和技術(shù)。此類產(chǎn)品都采用接觸式位移傳感器作為波磨檢測(cè)，采用激光傳感器作為軌廓檢測(cè)，采用柔性結(jié)構(gòu)的小車安裝傳感器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

本課題所研制的裝置，安裝于打磨車上，主要采用非接觸式激光傳感器三角測(cè)量法進(jìn)行軌廓檢測(cè)，采用激光傳感器不等弦測(cè)量法進(jìn)行波磨檢測(cè)，借助CAN(控制器局域網(wǎng))總線技術(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的軟件，對(duì)激光測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理。

1 波磨、軌廓檢測(cè)裝置簡(jiǎn)述

波磨、軌廓檢測(cè)裝置由柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，波磨、軌廓檢測(cè)系統(tǒng)，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及軟件系統(tǒng)等4 個(gè)系統(tǒng)組成，如圖1所示。

(1)柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱“檢測(cè)小車”)。機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不僅要具備升降功能，同時(shí)要能跟蹤鋼軌做橫向運(yùn)動(dòng)。其作用是:為軌廓檢測(cè)傳感器、波磨檢測(cè)傳感器、速度檢測(cè)裝置、氣缸及閥、限位開關(guān)提供安裝位置;橫向4 個(gè)氣缸加柔性裝置實(shí)現(xiàn)跟蹤鋼軌的橫向運(yùn)動(dòng)，跟蹤鋼軌運(yùn)動(dòng)，使軌廓檢測(cè)傳感器和波磨檢測(cè)傳感器始終跟蹤鋼軌而不至于超出檢測(cè)范圍;保證車體與小車的相對(duì)位移，使得檢測(cè)裝置可以安全通過曲線。

(2)波磨、軌廓檢測(cè)系統(tǒng)。由2 只軌廓檢測(cè)激光傳感器、6 只非接觸波磨檢測(cè)激光傳感器、1 臺(tái)檢測(cè)計(jì)算機(jī)、2 個(gè)緊急切斷開關(guān)、1 臺(tái)打印機(jī)，以及液晶顯示屏、鍵盤鼠標(biāo)等組成。

(3)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

(4)以Labview 為平臺(tái)的軟件系統(tǒng)。

圖1 檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖

2 波磨、軌廓檢測(cè)裝置各系統(tǒng)分析

2.1 柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成

柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括主結(jié)構(gòu)、速度檢測(cè)裝置、跟蹤裝置和驅(qū)動(dòng)裝置。其整體效果圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)小車

(1)主結(jié)構(gòu):由主支架、導(dǎo)向輪、限位開關(guān)等部分組成。主支架是檢測(cè)小車的主體，支撐整個(gè)小車，并為小車上下、橫向運(yùn)動(dòng)提供結(jié)構(gòu)上的支持;導(dǎo)向輪是行走部件，支撐主支架，在氣缸及重力的作用下緊貼軌道;限位開關(guān)用來確定檢測(cè)小車在提升時(shí)是否到達(dá)預(yù)定位置。

(2)速度檢測(cè)裝置:導(dǎo)向輪通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)速度檢測(cè)齒輪，速度檢測(cè)齒輪帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器輸出脈沖數(shù)與導(dǎo)向輪行走的距離成正比，單位時(shí)間內(nèi)的編碼數(shù)即為速度信號(hào)。

(3)跟蹤裝置:跟蹤小輪與傳感器支架聯(lián)動(dòng)，在氣缸推動(dòng)下，跟蹤小輪緊貼軌道內(nèi)側(cè)，從而保證波磨傳感器的檢測(cè)點(diǎn)始終保持在軌道的中心線上，保證軌廓傳感器頭也始終跟蹤鋼軌，而不會(huì)超出其檢測(cè)范圍。

(4)驅(qū)動(dòng)裝置:利用壓縮空氣，通過控制閥驅(qū)動(dòng)氣缸做活塞運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置由8 個(gè)氣缸及相應(yīng)的閥組成。

檢測(cè)小車在不工作時(shí)需要提升脫離軌道，在工作時(shí)需要下降到軌道上。提升和下降運(yùn)動(dòng)由2 個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)。跟蹤裝置是4 個(gè)氣缸推動(dòng)柔性連桿機(jī)構(gòu)橫向運(yùn)動(dòng)，將小輪始終貼合軌道，使軌廓檢測(cè)傳感器和波磨檢測(cè)傳感器始終跟蹤鋼軌而不至于超出檢測(cè)范圍;當(dāng)檢測(cè)小車不進(jìn)行作業(yè)時(shí)，有2 個(gè)氣缸用來鎖定脫離軌道升起的檢測(cè)小車，阻止各方向的運(yùn)動(dòng)。

2.2 波磨、軌廓檢測(cè)系統(tǒng)

2.2.1 波磨、軌廓激光傳感器

波磨檢測(cè)采用三點(diǎn)偏弦測(cè)(不等弦)法，每根軌道采用3 只1D 激光傳感器。采用增量式編碼器分別進(jìn)行空間等距離采樣控制，其采樣步長(zhǎng)為5 mm。檢測(cè)的鋼軌波磨數(shù)據(jù)通過CAN 總線傳送到中央控制單元。

軌廓激光傳感器在每根軌道使用1 只2D 激光傳感器，檢測(cè)時(shí)，采用增量式編碼器分別進(jìn)行空間等距離采樣控制，其采樣步長(zhǎng)為250 mm;每個(gè)傳感器接收綜合控制器的觸發(fā)信號(hào)后，產(chǎn)生一束強(qiáng)度可調(diào)的激光照射運(yùn)行中的鐵軌表面，鐵軌的位置數(shù)據(jù)通過軌廓CAN 總線傳送到中央控制單元。

2.2.2 中央控制單元

中央控制單元包括CPU 模塊、CAN 總線控制模塊及外設(shè)單元。波磨、軌廓檢測(cè)系統(tǒng)共用該部分的CPU 模塊。

2.2.3 綜合控制器

綜合控制器在波磨檢測(cè)系統(tǒng)中的作用是:給激光傳感器供電;采集緊急切斷開關(guān)信號(hào);采集編碼器信號(hào);通過CAN 總線與中央處理單元通信。

綜合控制器的存在，使得系統(tǒng)的電源管理成為可能，當(dāng)采集到緊急切斷開關(guān)信號(hào)后可以立即斷開波磨傳感器的電源，并且可以將當(dāng)前的狀態(tài)上傳到中央控制模塊;綜合控制器的存在，也符合就近控制就近采集原則，符合分布式控制原則。綜合控制器的控制對(duì)象全部位于檢測(cè)小車的周圍，就近控制可以減少連線，降低復(fù)雜性，同時(shí)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔和緊湊，提高了系統(tǒng)的可靠性、可測(cè)試性和可維修性。

2.3 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

CAN 總線系統(tǒng)包括11 個(gè)總線節(jié)點(diǎn)，分別為中央計(jì)算機(jī)、軌廓傳感器左、軌廓傳感器右、波磨傳感器左1、波磨傳感器左2、波磨傳感器左3、波磨傳感器右1、波磨傳感器右2、波磨傳感器右3、氣缸控制器、綜合控制器。CAN 總線系統(tǒng)如圖3所示。

2.4 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是以LABVIEW8.0 為平臺(tái)，進(jìn)行圖形化編程開發(fā)。其主要子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)以及測(cè)量顯示子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)包括軌廓檢測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及波磨檢測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理模塊。這兩個(gè)模塊通過軌廓波磨傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，通過CAN 接口采集到PXI 中央處理器，經(jīng)過算法處理后，還原鋼軌表面真實(shí)數(shù)據(jù)，并在顯示界面顯示軌廓圖形。這兩個(gè)模塊采集的原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)均能存儲(chǔ)到指定位置。

測(cè)量顯示子系統(tǒng)提供了一個(gè)用戶使用和管理的人機(jī)交互界面，將各種數(shù)據(jù)向用戶展示，并且接受用戶對(duì)系統(tǒng)的控制與輸入。該界面友好，提供豐富的操作菜單、數(shù)據(jù)信息和實(shí)時(shí)顯示測(cè)量圖形。圖4 為檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示界面。

圖3 CAN 總線系統(tǒng)

圖4 檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示界面

2.5 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

該檢測(cè)裝置主要對(duì)50 kg/m，60 kg/m，75 kg/m鋼軌的軌道進(jìn)行檢測(cè)。圖4 顯示的數(shù)據(jù)為60 kg/m鋼軌的軌廓檢測(cè)(橫斷面)數(shù)據(jù)和鋼軌波磨(不平順)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

軌廓檢測(cè)數(shù)據(jù)處理主要是通過對(duì)測(cè)量得到的軌道型面和標(biāo)準(zhǔn)軌型面進(jìn)行對(duì)比。其中，圖4 上半部分A 、B 曲線分別表示左邊軌道(簡(jiǎn)稱“左軌”)和右邊軌道(簡(jiǎn)稱“右軌”)檢測(cè)的橫斷面。A、B 斷面曲線分別有2 條:標(biāo)準(zhǔn)軌橫斷面和磨損后軌道的橫斷面。其標(biāo)準(zhǔn)斷面數(shù)值是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌斷面設(shè)計(jì)圖進(jìn)行離散化處理后得到的數(shù)據(jù)曲線;磨損后的軌道斷面曲線是由激光傳感器測(cè)量得到。將測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理后，與標(biāo)準(zhǔn)軌數(shù)據(jù)處于同一坐標(biāo)系下進(jìn)行比較，從而為軌道養(yǎng)護(hù)人員提供打磨數(shù)據(jù)。

圖4 下半部分的波磨檢測(cè)數(shù)據(jù)，主要是通過三點(diǎn)偏弦(不等弦)測(cè)量法得到不平順數(shù)值，通過傅里葉級(jí)數(shù)的展開、合成法得到不平順函數(shù)，復(fù)原波形，最終得到軌道形狀。但目前國(guó)內(nèi)并沒有實(shí)施軌道短波不平順的標(biāo)準(zhǔn)，為此借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，在程序處理時(shí)，將復(fù)原波形按照短波(30～100］mm、中波(100～300］mm、長(zhǎng)波(300～1 000］mm 的波段范圍進(jìn)行濾波處理。分級(jí)濾波通過Matlab 算法實(shí)現(xiàn)。

歐洲鐵路在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨、銑磨合軌道計(jì)劃作業(yè)驗(yàn)收中，規(guī)定從3 個(gè)波長(zhǎng)范圍對(duì)打磨作業(yè)后鋼軌表面縱向平順狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)收，如表1所示。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外資料，對(duì)鋼軌波磨打磨后的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)建議如下:波長(zhǎng)(30～300］mm，波磨幅值不大于0.04 mm;波長(zhǎng)(300～1 000］mm，波磨幅值不大于0.2 mm。輸出波磨檢測(cè)數(shù)據(jù)和建議值比較，從而為軌道養(yǎng)護(hù)人員提供數(shù)據(jù)支持。

表1 歐洲縱向平順驗(yàn)收數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

鋼軌打磨車用波磨軌廓檢測(cè)裝置研制的完成，準(zhǔn)確地提供了打磨、銑磨和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，為軌道養(yǎng)護(hù)提供了必要的理論支持，而且也大大提高了軌道檢測(cè)和維護(hù)的效率。檢測(cè)裝置安裝于打磨車上，改變了以前檢測(cè)軌道車和打磨(銑磨)車分離的狀態(tài)，使檢測(cè)軌道和打磨(銑磨)軌道基本上實(shí)現(xiàn)了同步，節(jié)省了時(shí)間。

［1］趙國(guó)堂編.軌檢車技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

［2］陳東生，田新宇.中國(guó)高速鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展［J］.鐵道建筑，2008，12(4):82.

［3］王磊，陶梅.精通 LABVIEW8.0.［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.