五型軌道檢查車水平加速度計更型研究

鄧正杰

摘 要：文章詳細分析了GJ-5型軌檢車的水平加速度計的構造、參數及工作原理，嘗試將JSD-I/C國產加速度計改造后替代美國FLEX-26加速度計，使GJ-5型軌檢車的水平加速度檢測項目數據準確，精確度高，具有很好的可靠性和重復性。

關鍵詞：軌道檢查車；加速度計；5型軌檢車；鐵路設備

自1999年以來，全路先后有18輛美國進口的GJ-5型軌檢車投入到我國既有干線檢測試驗過程中，為我國列車的安全運輸提供了有力的保障。近年來，因為長時間運行設備老化等問題，相當一部分5型軌檢車出現了配件損壞的情況，而此時美國ImageMap公司因軌檢車業務停產，停止向中國出售相關配件。國內又無可以直接替代的同類配件產品，各路局軌檢部門都處于無配件可用的尷尬階段。2011年11月，我局WX998949軌檢車平加速度計損壞，水平加速度這個重要項目無法檢測。在這種情況下，我們想從水平加速度計入手，嘗試將國產JSD-I/C石英撓性加速度計改造后用以替代美國FLEX-26應變式加速度計，使水平加速度項目恢復檢測，為國內5型軌檢車配件國產化提供新思路。

因為GJ-5型軌檢車是引進設備，核心技術資料掌握在外國公司手中，要想更換水平加速度計首先必須根據車體振動特點、測量的精度及范圍來選定合適的水平加速度計型號；其次，水平加速度計輸出的原始信號必須經過前置預處理電路進行處理；然后需要對系統進行標定及試驗；最后更換加速度計后的系統的可靠性和重復性也必須得到驗證。

1 加速度計的選型

車體振動加速度測量要求加速度傳感器安裝位置在車體底板上，距車體縱向中心線1m，車輛尾部靠近第4軸處。車輛振動對行車安全具有直接影響，車體垂直振動所產生的附加力時上時下，附加力向下加重軌道負荷，易加劇軌道狀態惡化和部件損壞。附加力向上引起車輪減載，易產生脫軌事故。車輛振動對旅客乘座舒適也具有較大影響，車體橫向振動會加劇輪軌橫向作用力，同時會造成車體蛇行運動，易造成旅客乘車疲勞、眩暈等生理不適癥狀。

列車車體的振動頻率低，加速度值小，所以在選擇加速度計方面要考慮其頻率響應及靈敏度，圖1和圖2分別是軌檢車測的車體水平和垂直方向振動加速度的功率譜圖，從圖可以看出車體振動加速度的能量多分布在1Hz左右，隨著列車速度的不同及轉向架類型的不同，振動加速度的頻譜也會有所差異。

根據車體的振動特點，目前我們暫選用伺服式加速度計作為前級傳感器。伺服加速度計低頻響應好，可以低至零頻率，靈敏度高，穩定性好，比較適合用于對車體的低頻加速度值的振動加速度測量。其類型是石英撓性加速度計，當加速度計在其輸入加速度時，其內部的檢測質量擺將產生慣性力矩，并使質量擺繞撓性軸產生角位移，角位移使差動電容傳感器產生電容差值？蓀C，？蓀C經伺服變換成電流信號，使力矩器產生一電磁反饋力矩，當該反饋力矩與質量擺的慣性力矩相平衡時，力矩動圈所需電流I與輸入加速度成正比，因此測量I值即可得加速度值。根據軌檢車對車體振動的測量，車體振動加速度值范圍在±0.5g以內，所以我們選擇輸入選擇輸入范圍±0.5g的加速度計。

2 前置預處理電路及濾波特性的分析

水平加速度計輸出的原始傳感器信號需要經過前置預處理電路進行處理，前置預處理電路如圖3所示。

則當單個二階濾波器的值取時，可以使兩個二階低通濾波器級聯后，，這時截止頻率f0=，目前暫取f0=10Hz，經過運算可得電路參數，根據只要改變電路參數，f0還可以改變。四階低通濾波器的幅頻特性和相頻特性如果過渡帶衰減約-62dB十倍頻程，可見過渡帶有較高的衰減率。圖3框圖最后增加了一個二階高通濾波器，以濾除車體水平加速度中未被平衡的離心加速度。

車體振動加速度經過模擬預處理電路后，輸出至計算機進行A/D采樣，根據管理標準進行超限斷，打印報表，同時再通過D/A轉換，輸出模擬圖形。

3 系統的標定

軌檢車更換完水平加速度計后需要對系統進行標定，為了對電路板進行單獨調試，在電路中設計了標定信號及輸入短路信號，如果不與系統聯調，電路板上有自己的±5V穩壓電路，具體標定如下：

（1）將輸入短路，調節調零電位計，使輸出為0±0.005V。

（2）將加速度計的輸出與電路輸入相連，將加速度計放置在較為水平的平面上，調節調零電位計，使電路輸出為0±0.005V。將加速度計放置在與水平面成30度的斜坡上如圖4，使加速度計輸出為-0.5g，調節增益電位計，使計算機對加速度的采樣值等于-0.5g。

圖4 加速度計擺放角度

a=gsin30°=0.5g

（3）重復步驟1，將標定信號+1V接入電路輸入端，檢測電路輸出電壓值，可得電路的增益，這時計算機的采樣值為0.06g，傳感器安裝以后可直接用標定信號進行標定，而不用經常拆卸傳感器。

（4）將傳感器固定安裝好，軌檢車停在平直的線路上時，調節電路上的調零電位計，使電路輸出等于0±0.005V。

4 系統可靠性及重復性的驗證

系統可靠性及重復性是衡量系統穩定、數據準確的重要指標。2012年11月至今，車體水平加速度計更換后，期間共檢查線路29082公里，工作時間總計392小時，其中最長單次不間斷工作時間為16小時，系統工作狀態穩定，沒有出現任何故障，說明系統是可靠的。

作為線路檢測設備，系統的重復性也是必須得到驗證。也就是說，如果線路沒有進行大的施工，線路條件沒有發生變化，那么軌檢車檢查同一條線路的數據、圖形應該一致。在這里我們采用WinDBC數據圖形軟件進行11月6日和11月20日二次數據的比對，如圖5、圖6：

由此可見先后二次檢查圖形能夠完全重合，波形走勢高度一致，證明系統重復性良好。

5 結束語

新加速度計已應用于我局所有軌道檢查車上，取得良好的效果。并得到基礎檢測中心的認可，出具水平加速度檢測項目合格證明，同時我們也將進一步計劃對軌道檢查車其他進口配件進行深入研究，并同國內配件進行比較，逐步用國產配件替代進口配件，進一步提高軌道檢查車配件的國產化率，降低生產成本。

參考文獻

[1]鐵道部基礎設施檢測中心譯 《WinDBC用戶指南》 2003年2月1日手冊P/N12966R0 版本1.0X.

[2]鐵道部基礎設施檢測中心譯 《通用幾何Windows工具軟件使用指南》 2003年3月1日手冊P/N12967R0.

[3]鐵道部基礎設施檢測中心譯 《ControlConsole用戶指南》 2003年2月1日版本1.0.X.

[4]中華人民共和國鐵道部鐵運[2006]146號部令《鐵路線路修理規則》.