/ .上海市計量測試技術研究院；.廣西柳州科路測量儀器有限責任公司

0 引言

輪對內距尺是測量鐵路車輛輪對內側距離的專用量具，按示值形式分為標尺式和數(shù)顯式兩種，測量范圍為 1 345～1 365 mm，分辨力不大于 0.1 mm。如圖1所示。

圖1 普通輪對內距尺

而對于軌道交通標準輪對，上海地鐵車輛的標準輪對尺寸變化范圍通常為 1 353～1 380 mm，由于測量范圍變化大，準確度要求高等問題，使用普通輪對內距尺無法滿足檢測要求。隨著軌道交通的迅猛發(fā)展，標準輪對數(shù)量日益增多，檢測需求也日益提高，因此，研究設計高精度標準輪對內距尺用于標準輪對的內側距檢測成為亟需解決的重要課題。

上海市計量測試技術研究院設計研發(fā)了一種高準確度標準輪對內距尺，通過與柳州科路集團合作制造完成了該尺，用于測量鐵路標準輪對兩車輪內側面的距離。該尺具有測量準確度高、操作方便、易攜帶、數(shù)據(jù)可存儲、測量范圍寬等優(yōu)點，在軌道交通輪對內側距檢測方面得到廣泛應用。

1 結構

高準確度標準輪對內距尺主要由尺身、限位鉤、固定測砧、活動測桿、高精度位移傳感器、測桿鎖緊螺釘、測量按鈕、液晶顯示裝置、隔熱套、電控箱等組成，結構如圖2所示。

表1 主要技術指標

圖2 高準確度標準輪對內距尺

尺身主體結構采用GCr15材料，該材料是一種合金含量較少的高碳鉻軸承鋼，經(jīng)過淬火加低溫回火，具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能，其良好的材料性能滿足本尺的工作要求。

限位鉤用于控制車輪徑向自由度，使尺身只能沿軸向測量，提高測量重復性。

由于上海地鐵車輛的標準輪對尺寸變化范圍較大，為 1 353～1 380 mm，如果采用大量程位移傳感器，則無法保證測量的高準確度，因此本裝置針對不同尺寸的標準輪對設計了三個不同尺寸的固定測砧，分別為 25 mm、33 mm、50 mm，根據(jù)測量范圍選用對應的測砧。

活動測桿與高精度位移傳感器相連，安裝于尺身內部，位移傳感器的測量范圍為12 mm，為保證測量準確度，將整體安裝誤差控制在0.3 mm以內。

測桿鎖緊螺釘用于固定或松開活動測桿，與測量按鈕等裝置配合實現(xiàn)內側距的檢測。

檢測時，手應抓取在隔熱套上，避免直接與尺身接觸而引入誤差。

通過顯示裝置可直接讀取檢測數(shù)值，顯示屏自動顯示每把標準輪對內距尺的拐點數(shù)值，并將該數(shù)據(jù)送入存儲器中保存。

2 測量原理

將固定測砧端的限位鉤落在車輪輪緣上，測砧與車輪內側面接觸。松開測桿鎖緊螺釘使測桿處于自由狀態(tài)及最長狀態(tài)，按住測量按鈕。將活動端限位鉤落在另一車輪輪緣上，輕輕壓縮活動端測桿使測頭與另一車輪內側面接觸，此時內距尺量測頭距離非最小，由外向車軸平行方向（車輪圓周方向）移動，當活動測桿離開車輪內側面時松開測量按鈕，內距尺顯示裝置中顯示的數(shù)值即為被測輪對內距，然后再按一次測量按鈕，即可將測量數(shù)據(jù)保存在SD卡中（見圖3）。

圖3 測量實景

如更換了33 mm測砧，測量輪對內距時，顯示屏顯示數(shù)值加上8 mm即為測量結果；如果更換了50 mm測砧，測量輪對內距時，顯示屏顯示數(shù)值加上25 mm即為測量結果。

3 不確定度評定

參照JJG（鐵道）173-2004《內距尺檢定規(guī)程》和JJG 22-2014《內徑千分尺》檢定規(guī)程，在規(guī)定條件下采用測長機配激光干涉儀直接測量高準確度內距尺的示值誤差。以分度值為0.000 1 mm 、三段測量范圍中的三個點（1 353.2、1 364.5、1 384.8）為例，在（20+1）℃條件下評定示值誤差測量結果的不確定度。

3.1 測量模型

由示值誤差等于標稱值Im減儀器測得值I0即e=Im-I0可得公式：

式中：Im—— 被檢高準確度內距尺標稱值（20 ℃條件下），mm；

I0—— 測量儀器測得值（20 ℃條件下），mm；

Imm—— 測長機毫米示值，mm；

αm和α0—— 高準確度內距尺和測長機的線脹系數(shù)，℃-1；

Δtm—— 高準確度內距尺偏離參考溫度（20 ℃）的數(shù)值，℃；

Δt0—— 測長機偏離參考溫度（20 ℃）的數(shù)值，℃；

Δt1—— 激光干涉儀偏離參考溫度（20 ℃）的數(shù)值，℃

3.2 靈敏系數(shù)

在式（1）中，令Im≈Im-Imm

為使輸入量獨立，舍去括號內微小量，令：

則由（1）可得：

靈敏系數(shù)：

3.3 標準不確定度分量

選用高準確度內距尺三段測量范圍中的三個點（1 353.2 mm、1 364.5 mm、1384.8 mm），在重復測量條件下，用測長機連續(xù)測量10次，由貝塞爾公式計算單次測量實驗標準差s=u(lm)。

測量儀器示值誤差引入的標準不確定度分量u(l0)：

1）激光干涉儀測長機分米示值誤差引入的標準不確定度u(l01)

使用激光干涉儀的讀數(shù)值作為分米的示值，根據(jù)JJG 739-2005《激光干涉儀》檢定規(guī)程已知，最大允許誤差為：±0.03 μm + 1.5×10-6L。在其分布范圍內服從正態(tài)分布，k= 2，u(l01) =（0.03 μm + 1.5×10-6L）/2。

2）測長機毫米分度尺示值誤差引入的標準不確定度u(l02)

測量高準確度內距尺時測長機毫米值只用到12 mm，引用測長機校準規(guī)范中毫米分度尺的示值誤差：±0.06 μm + 5×10-6L，在其分布范圍內服從均勻分布，實際采用測量機校準證書：（0.8 +L/700）/k，k= 2，則：

3）測長機微米分度尺示值誤差引起的標準不確定度u(l03)

引用測長機校準規(guī)范中微米分度尺示值誤差為±0.25 μm，其半?yún)^(qū)間寬度為0.25 μm，其分布服從均勻分布

將測量儀器引入的不確定度分量合成：

4）由于溫度偏離20 ℃，高準確度內距尺與測長機毫米分度尺線脹系數(shù)差引起的標準不確定度分量u(δα)

高準確度內距尺線脹系數(shù)為(11.5±1)×10-6℃-1，測長機毫米分度尺線脹系數(shù)為(10±1)×10-6℃-1，兩者之差為 (1.5±2)×10-6℃-1，在其半寬 2×10-6℃-1分布區(qū)間內近似取均勻分布，則：

最大偏離溫度按Δt= 1 ℃，測量高準確度內距尺測長機毫米值最大用到 12 mm，則：lmm= 12 mm，則：

5）激光干涉儀材料溫度傳感器測溫誤差引入的標準不確定度u(δt1)

實際測量時高準確度內距尺和激光干涉儀的偏離溫度均由激光干涉儀的溫度傳感器測量，激光干涉儀自動計算材料溫度進行修正補償，其材料溫度傳感器的溫度測量時的最大允許誤差為±0.1 ℃，近似取均勻分布，則：

高準確度內距尺線脹系數(shù)按α= 11.5×10-6℃-1，計算結果見表2。

表2 激光干涉儀材料溫度傳感器測溫誤差引入的標準不確定度u(δt1)

3.4 合成不確定度

用u(lm)、u(l0)、u(δα)、u(δt)和u(δt1)分別表示由lm、l0、δα、δt和δt1引起的標準不確定度分量。由于各分量彼此獨立，按不確定度傳播律合成，其輸出量估計值e的方差為

3.5 擴展不確定度

取k= 2，于是U= 2u(e)

詳見表3。

表3 擴展不確定度匯總表

3.6 測量不確定度報告

本測量裝置的最小尺寸和最大尺寸的測量結果的擴展不確定度U為0.005 3 mm 小于目標不確定度Umb= 0.006 mm，達到了技術開發(fā)合同的要求。

4 結語

與現(xiàn)有技術相比，本方案的重要特點是采用了三個不同測量測砧，不同測砧的使用避免了測桿采用螺紋拼接而影響其直線性和重復性，有利于提高檢測準確性和穩(wěn)定性；采用了高精度光柵傳感器，分辨力可達 0.000 1 mm，示值誤差為 ±0.018 mm，有利于提高輪對及標準輪對的檢測準確度；安裝了存儲功能和數(shù)據(jù)調用功能，有利于在軌道交通一線場合實現(xiàn)便捷快速檢測。

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