構架式光電伺服軌距測量裝置的應用

陳建國 吳興華 上海鐵路局工務處

1 GJ-4型軌檢車檢測系統組成

GJ-4型軌檢車的檢測系統主要由模擬信號處理系統和數字信號處理系統兩部分組成。模擬信號處理系統由各路傳感器、信號轉接及監視裝置、信號處理裝置、功率放大裝置、調制/解調裝置和電源等五個單元構成。數字信號處理系統由主電腦、編輯電腦、打印機等組成。

2 構架式光電伺服軌距測量裝置

構架式光電伺服軌距測量裝置是GJ-4型軌檢車安裝于檢測梁上主要測量軌距、軌向的裝置。檢測梁上安裝有伺服機構、左右光電傳感器、左右軌距位移計、軌向加速度計、地面標志傳感器等設備。

我局GJ-4型軌檢車（DJ997759）上的構架式光電伺服軌距測量裝置是2011年在原有軸箱式測量裝置的基礎上改造而成的，采用了構架與軸箱間的側滾和垂向位移量修正的技術，保證了跟蹤軌距點的穩定性，消除了軸箱式軌距測量的不安全隱患。

2.1 構架式軌距測量裝置基本結構

構架式軌距測量裝置由原理和結構完全相同的左右兩部分組成。它們各自測量左軌及右軌的軌距變化分量。兩個軌距分量之和可得到軌距值。左右軌距測量裝置包括八個部分：左右軌距光電傳感器、調制解調器Ⅰ、左右軸頭光電傳感器、調制解調器Ⅱ、信號處理器、功放、伺服機構和左右位移計。

檢測梁吊掛在四位軸后方的轉向架的構架上，如圖1所示。調制解調器Ⅰ、調制解調器Ⅱ、信號處理器及功放安裝在車內。左右軸頭光電傳感器安裝在四位軸左右軸箱正上方的構架上，如圖2所示。

圖 1 構架式軌距檢測梁構造

圖 2 軸頭光電傳感器

2.2 軌距點的跟蹤方法

軌檢車動態檢測時，由于軌道存在著各種不平順，使構架產生上下浮動、左右搖擺，使軌距光電傳感器發出的光束不能保持在軌距點（軌面下16mm）處。為了解決這一難題，在四位軸左（右）軸箱正上方的構架上，分別安裝了兩個軸頭光電傳感器，用于測量構架相對于輪軸的相對位置，和軌距光電傳感器一起，通過數學模型，確保光電傳感器發出的光束打在軌距點處。

3 測量裝置的應用

3.1 軌距的計算方法

如圖3所示，左右軸頭光電傳感器之間的距離為L,該傳感器測得構架相對應輪軸的距離為HL和HR,檢測梁與軌道之間的夾角為θ：

圖 3 構架式軌距測量裝置軌距的計算

左右伺服電機間距為D（定值），軌距光電傳感器光束與檢測梁之間的夾角為α(DJ997759軌檢車α=45°)，傳感器與鋼軌軌距點的距離為IL、IR,與檢測梁上伺服電機的水平距離為DL、DR（它們由軌距位移計測得），與軌距點的水平距離為KL、KR。

構架式光電伺服軌距的計算公式為：

當檢測梁與軌道平行時，θ=0°cosθ=1

3.2 軌距測量

上面已經計算了軌距是軌距測量裝置的左右軌的軌距分量值之和。軌距光電傳感器位于軌頂面斜上方的檢測梁內，分別投射到左右軌內側面的軌距點處，漫反射光被光電接收器接收。

軌檢車動態檢測時，鋼軌產生位移使軌距發生變化，光電傳感器非常敏感軌距的變化，及時輸出相關的電信號，經調制解調器處理后變成與軌距變化成線性比例的電壓信號，再經過信號處理器、功放，驅動伺服電機。光電傳感器在伺服機構的作用下跟蹤鋼軌位移，測得不同的軌距值。

在鋼軌軌形完好和磨耗小的區段動態檢測中，軌距的重復性良好。測量值通過對地面的復合，數值基本一致，動態檢測數據反映了軌距的實際情況。但是在鋼軌側磨嚴重的小半徑曲線區段光點上下稍有變化，橫向軌距的變化就較大，軌距變化率數值也較大。在道岔區域和鋼軌接頭部位，軌檢車快速運行中車體上下振動加劇，受伺服機構靈敏度影響，光點跟蹤延時，軌距測量值就有誤差，軌距變化率超限值將變大。

3.3 軌向測量

軌向的測量采用的是慣性基準法。軌向測量包括兩個部分，一部分是安裝于軌距檢測梁中央位置的軌向加速度計，來測量軌距檢測梁中央部位的橫向慣性位移。另一部分是左右軌距測量裝置所測得的左右軌距分量。由慣性位移和左右軌距分量計算得到左右軌的軌向。

軌檢車動態檢測時，軌向加速度計輸出的信號經過頻率響應為二階模擬濾波器進行預處理，處理后的信號被采樣進入計算機解編后，再由與水平測量子系統中相同的數字濾波器來濾波，得到加速度信號的短弦中支距。由于加速度輸出信號中包含有重力加速度、離心加速度以及振動等影響，因此還必須對其補償或濾除。

在鋼軌軌形完好和磨耗小的區段動態檢測中，軌向的重復性良好，測量值較準確。同樣在鋼軌側磨嚴重的小半徑曲線區段，道岔區域軌向測量值要比實際的大。在直緩點、緩圓點、圓緩點和緩直點等曲線特征點部位，系統會判成直線段的軌向，尤其是長波軌向，我們在編輯超限報告中必須要注意。

3.4 波形圖分析

圖4所示為曲線區段的波形圖，右股為上股，側磨較大。從波形圖上可以看出，在圓曲線和部分緩和曲線區段軌距和軌距變化率的波動大，鋼軌右股的短波和長波軌向波動也大，左、右股的長波軌向在特征點處的峰值明顯變大。

圖 4 曲線區段軌距軌向波形圖

圖5所示為道岔區域的波形圖，軌距、軌距變化率、軌向波形上象針一樣上下分布的為道岔岔心有害空間部位，是因光束打在此部位而形成的。岔區右側的小曲線區段的70m軌向較大，是把曲線判成了軌向。

圖 5 道岔區域軌距軌向波形圖

4 結束語

我局GJ-4型軌檢車改造后的構架式軌距測量裝置，通過一年來的使用，由于測量裝置安裝在轉向架的構架上，由原軸箱式的幾十個g甚至上百個g的垂向振動加速度改小為僅有幾個g的垂向振動加速度，安裝在檢測梁上的伺服機構的插頭、導線、伺服電機、光電傳感器、位移計等零部件完好無損，且有利于維護和修理。采用的全新封閉式檢測梁設計，使軌道檢查在寒冷和雨雪天氣保證正常工作。