動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x測(cè)試平臺(tái)的研制

吳元良 上海鐵路局科研所

動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x測(cè)試平臺(tái)的研制

吳元良 上海鐵路局科研所

測(cè)試平臺(tái)模擬真實(shí)軌道設(shè)計(jì)，配有不同波長(zhǎng)及波幅的可更換式軌面波形模擬條，滿足動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x針對(duì)被測(cè)鋼軌幾種典型不平順類型的測(cè)量需求。測(cè)試平臺(tái)基于計(jì)量原理設(shè)計(jì)，通過(guò)分析其不確定度分量并合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度用以評(píng)定測(cè)試平臺(tái)的精度。通過(guò)比對(duì)國(guó)家鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3276-2011高速鐵路用鋼軌規(guī)定，其結(jié)果顯示測(cè)試平臺(tái)的精度滿足測(cè)量動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)需求。

鋼軌；平直度；測(cè)試平臺(tái)；不確定度

鋼軌平直度是指沿鋼軌縱向軌頂面不平順的指標(biāo)，研究其意義在于更好的降低列車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，減輕輪軌磨耗，提供乘車的舒適感和安全感。準(zhǔn)確測(cè)量掌握軌面不平順的實(shí)際情況也是實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道不平順狀態(tài)科學(xué)評(píng)定、監(jiān)控管理的前提條件。隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，軌面不平順引起的輪軌沖擊破壞、振動(dòng)以及運(yùn)行噪聲等問(wèn)題日益凸顯，在有限的天窗時(shí)間內(nèi)對(duì)鋼軌不平順進(jìn)行連續(xù)在線檢測(cè)是目前工務(wù)系統(tǒng)急需解決的問(wèn)題。

動(dòng)態(tài)走形式鋼軌平直度測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)鋼軌平直度的連續(xù)檢測(cè)，有效提高平直度檢測(cè)的效率，不過(guò)由于其邊走行邊測(cè)量的方式，測(cè)量?jī)x檢測(cè)位置隨其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而不同，因此需要通過(guò)不同檢測(cè)方法和數(shù)學(xué)算法修正才能得到正確的檢測(cè)值。例如基于慣性基準(zhǔn)法的軌檢車，基于弦測(cè)法和軸箱加速度原理開發(fā)的專用檢測(cè)小車等，都采用了不同的硬件設(shè)備和數(shù)學(xué)算法。檢測(cè)算法本身的正確性和檢測(cè)儀器本身的準(zhǔn)確性就顯得至關(guān)重要。

但是目前對(duì)于動(dòng)態(tài)平直度測(cè)量?jī)x本身的測(cè)試，特別是檢測(cè)儀器的校驗(yàn)缺少專門的工具和設(shè)備，也無(wú)法對(duì)波形復(fù)雜、頻率（波長(zhǎng)）寬泛等類似鋼軌不平順檢測(cè)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行全面驗(yàn)證。基于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一套專門的檢測(cè)校驗(yàn)設(shè)備--動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)設(shè)置不同波長(zhǎng)、波幅的可更換式軌面波形模擬條，對(duì)鋼軌平直度測(cè)量設(shè)備的檢測(cè)算法及檢測(cè)精度進(jìn)行校驗(yàn)，以期為工務(wù)檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支持。

1　設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)基于計(jì)量原理設(shè)計(jì)，整體模擬真實(shí)軌道，分為左右雙軌，間距為標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，全長(zhǎng)為11 m。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中標(biāo)記分別為：1軌面波形模擬條、2大理石平尺、3精調(diào)支座、4粗調(diào)支座、5底座安裝板、6鋼筋混凝土基座、7軌面波形模擬面。

圖1 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.1平臺(tái)基座建設(shè)

測(cè)試平臺(tái)自身的穩(wěn)定性是校驗(yàn)準(zhǔn)確性的前提，為防止平臺(tái)在溫度、載荷等因素下產(chǎn)生形變與沉降，其基座由鋼筋混凝土加固而成。施工過(guò)程中扎鋼筋籠并焊接平臺(tái)底座安裝板（見圖2）。

圖2 測(cè)試平臺(tái)基座與底座安裝板

1.2平臺(tái)調(diào)節(jié)裝置

測(cè)試平臺(tái)的高低與角度調(diào)節(jié)通過(guò)安裝于底座安裝板上的調(diào)平支座實(shí)現(xiàn)。調(diào)平支座由一個(gè)粗調(diào)支座，一個(gè)精調(diào)支座構(gòu)成。精調(diào)支座通過(guò)粗調(diào)支座支撐，粗調(diào)支座通過(guò)預(yù)埋鐵安裝板固定于鋼筋混凝土基座上。通過(guò)粗調(diào)支座和精調(diào)支座的結(jié)合調(diào)整，可以快速及精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)平臺(tái)的高度與角度（見圖3）。

圖3 調(diào)平支座

1.3平臺(tái)基準(zhǔn)選擇

大理石平尺為天然優(yōu)質(zhì)石材經(jīng)人工研磨而制成的精密測(cè)量工具，其質(zhì)地均勻，穩(wěn)定性好、強(qiáng)度大、硬度高，能在重負(fù)荷下保持高精度，特別適用于實(shí)驗(yàn)室高精度測(cè)量工作。大理石平尺物理性能如表1所示。

表1 大理石平尺物理特性

在調(diào)平支座上固定安裝總長(zhǎng)度為11 m的00級(jí)大理石平尺，作為測(cè)試平臺(tái)的基準(zhǔn)。大理石平尺精度參照先進(jìn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，平面度公差依JB/T7975-1999標(biāo)準(zhǔn)，選擇大理石平尺為

1.4平臺(tái)波形設(shè)計(jì)

軌面波形模擬條由鋁合金材料加工而成，放置在大理石平尺之上并通過(guò)扣件固定，保證其與大理石平尺的緊密貼合。軌面波形模擬條的表面通過(guò)精加工實(shí)現(xiàn)不同類型的波形模擬，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同波幅、波長(zhǎng)的正弦波或者不規(guī)則波形，以供使用。在系列波形設(shè)計(jì)中，結(jié)合動(dòng)態(tài)鋼軌平直度檢測(cè)儀的尺寸及現(xiàn)場(chǎng)鋼軌實(shí)際不平順性，設(shè)計(jì)出不同波長(zhǎng)、波幅的軌面波形模擬條，具體有正弦曲線y=0.3sin（2πx/ 300），y=0.8sin（2πx/1000），y=sin（2πx/1500），y=1.5sin（2πx/2000），y=2sin（2πx/3000）。為了更加切合現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)試儀數(shù)據(jù)處理方法的正確性，設(shè)計(jì)一組復(fù)合波，分別由不同波幅（0.3 mm，0.8 mm，3 mm）、不同波長(zhǎng)（0.3 m，1 m，7 m）的三組正弦波疊加而成。測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

圖4 測(cè)試平臺(tái)

2　校驗(yàn)原理與過(guò)程

測(cè)試平臺(tái)主要通過(guò)對(duì)比分析波形模擬條的設(shè)計(jì)波形和平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)波形從而確定平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)精度。具體操作如下：

（1）選擇需要測(cè)量的波形，把對(duì)應(yīng)軌面波形模擬條固定安裝在平臺(tái)大理石平尺上。

（2）以大理石平尺為水平基準(zhǔn)，使用深度千分尺以固定間距逐點(diǎn)測(cè)量測(cè)試平臺(tái)波形模擬面到大理石平尺的高度h，為方便比較計(jì)算，將千分尺測(cè)量數(shù)據(jù)水平翻轉(zhuǎn)，得到千分尺測(cè)量曲線函數(shù)H（n），作為精度校驗(yàn)的基準(zhǔn)。如圖5所示。

圖5 千分尺基準(zhǔn)值

（4）操作動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x測(cè)量測(cè)試平臺(tái)，全程記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。由于平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)頻率高，測(cè)量數(shù)據(jù)多，通過(guò)數(shù)據(jù)處理并篩選出與測(cè)試平臺(tái)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)值，將其擬合成測(cè)量?jī)x檢測(cè)值的曲線函數(shù)，記為H'（n），如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)平直度測(cè)量?jī)x檢測(cè)值

（5）計(jì)算函數(shù)誤差C（n）=/H'（n）-H（n）/，用來(lái)評(píng)價(jià)平直度測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果。

3　測(cè)試平臺(tái)精度推導(dǎo)

在測(cè)量軌面波形模擬面到大理石平尺高度值h的過(guò)程中，存在不同干擾因素會(huì)影響測(cè)試平臺(tái)的整體精度。需要將其分別列出并合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc，取其兩倍作為測(cè)試平臺(tái)的擴(kuò)展不確定度u用以評(píng)價(jià)測(cè)試平臺(tái)整體的精度：

3.1實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)偏差u0的引入

在同一個(gè)位置多次測(cè)量軌面波形模擬面到大理石平尺的高度值h，計(jì)算其實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式為：

其中s（yi）為實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)差，這里記它為u0；yi為第i次測(cè)量值；為多次測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值。

3.2千分尺引入的不確定度u1

使用深度千分尺測(cè)量軌面波形模擬面到大理石平尺的高度，根據(jù)高度值的不同需要將深度千分尺設(shè)定在不同量程擋位。不同量程對(duì)應(yīng)不同的最大允許誤差MPE記為m。由千分尺不同擋位引入的不確定度

3.3千分尺讀數(shù)裝置引入的不確定度U2

千分尺最小分度值為0.01 mm，其最小分度值的一半即為0.005 mm。記千分尺讀數(shù)裝置引入的不確定度為u2，則

3.4千分尺與檢定器線膨脹系數(shù)不確定度引入的不確定度u3% %%%%

假設(shè)千分尺與檢定器的線膨脹系數(shù)在±1×10-6C-1范圍內(nèi)均勻分布，其線膨脹系數(shù)差δa應(yīng)在±2×10-6C-1范圍內(nèi)服從三角分布。該分布的半寬為2×10-6C-1，若標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃，記千分尺與檢定器線膨脹系數(shù)不確定度引入的不確定度為u3，其計(jì)算公式為：u3=L（t-20）·u（δa）。其中L為千分尺測(cè)量桿的長(zhǎng)度，t為測(cè)量時(shí)的氣溫，δa為千分尺與檢定器的線膨脹系數(shù)差，被測(cè)距離為波形面和大理石平尺之間的高度，千分尺實(shí)測(cè)物為大理石平尺，因此線膨脹系數(shù)差為大理石平尺和千分尺之間的差值。因?yàn)榉娜欠植迹?/p>

3.5千分尺與檢定器間的溫度差δt引入的不確定度u4%%%%

千分尺與檢定器間存在溫差，假設(shè)δt在等±0.3℃范圍內(nèi)服從均勻分布，則δt的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（δt）為：，于是：u4=L·a·u（δt）。其中L為千分尺測(cè)量桿的長(zhǎng)度，a為千分尺線膨脹系數(shù)。

3.6橫向間距測(cè)量誤差引起的縱向誤差u5% %%%%

使用鋼板尺等間距劃分平臺(tái)的測(cè)量點(diǎn)，由于鋼板尺存在測(cè)量誤差記為σ，從而引起縱向最大誤差。A為設(shè)計(jì)波形幅值，λ為設(shè)計(jì)波形波長(zhǎng)。

3.7合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定uc%%%%%。其中u6為大理石平尺的直線度誤差。選擇兩倍的uc作為整個(gè)平臺(tái)的擴(kuò)展不確定度U，其置信概率達(dá)到94.5%。

根據(jù)國(guó)家鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3276-2011高速鐵路用鋼軌規(guī)定，鋼軌軌頂平直度要求為≤0.2mm/1m，因此檢測(cè)鋼軌所用動(dòng)態(tài)平直度測(cè)量?jī)x的精度要求為。這是因?yàn)樵谶x用測(cè)量?jī)x器時(shí)，要遵循最大允許誤差為被測(cè)對(duì)象所要求誤差的1/3～1/5。同理，檢測(cè)動(dòng)態(tài)平直度測(cè)量?jī)x的設(shè)備其精度必須達(dá)到。在測(cè)試平臺(tái)安裝不同波形軌面波形模擬條的情況下分別計(jì)算其對(duì)應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)不確定度，其最大誤差值為0.0175 mm，小于0.0222 mm，因此測(cè)試平臺(tái)滿足測(cè)量動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)需求。

4　結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)模擬真實(shí)軌道，擁有標(biāo)準(zhǔn)軌距和11 m的長(zhǎng)度，加強(qiáng)型鋼筋混凝土地基有效防止外界振動(dòng)干擾，為核查動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度提供了一個(gè)穩(wěn)定基礎(chǔ)。平臺(tái)提供不同波長(zhǎng)、不同波幅的軌面波形模擬條，更換方便，可模擬現(xiàn)場(chǎng)鋼軌軌面的不同波形，用于驗(yàn)證測(cè)量?jī)x的數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)處理的正確性。平臺(tái)基于計(jì)量原理設(shè)計(jì)，其最大誤差值小于國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足測(cè)量動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)需求，因此可以用于校驗(yàn)動(dòng)態(tài)鋼軌平直度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)結(jié)果。

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責(zé)任編輯：宋飛 張建強(qiáng)

來(lái)稿時(shí)間：2016-05-13