鋼軌焊接接頭平直度測量固定式試驗機設計

王 東 ，倪崢嶸 ，代 韜 ，程亞萍

（1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京100081）

0 前言

我國現(xiàn)有16個焊軌基地（或焊軌工廠），28條焊軌生產(chǎn)線，鐵路正線上80%的鋼軌焊接接頭在焊軌基地內(nèi)完成焊接，鋼軌基地焊接質(zhì)量對無縫線路整體質(zhì)量和壽命有很大影響，同時根據(jù)鐵道行業(yè)標準TB/T1632-2014[1]，鋼軌固定式閃光焊接頭實行廠內(nèi)質(zhì)量驗收，內(nèi)容包括測量接頭平直度，避免平直度超標的接頭鋪設上道，保證軌道平順性。因此，鋼軌基地焊接接頭平直度驗收設備的可靠性直接影響出廠上道后線路的平順性狀態(tài)。設備本身可靠性不佳或驗收人員操作不當，都可能會將平直度超標的接頭放行，危害列車行車安全[2-3]。

目前，鋼軌基地焊接接頭出廠前的平直度檢查普遍采用德國施密特公司生產(chǎn)的便攜式SEC電子平直儀，該儀器在國外主要用于鐵路線上焊接接頭的平直度測量。我國在基地接頭檢驗中仍采用這種便攜式SEC電子平直儀，這種模式的缺點是：便攜式檢測儀適合線路上的低頻次測量，而焊軌基地的測量頻率高，測量儀器精度的穩(wěn)定性容易受到影響；人工操作便攜式檢測儀測量平直度，可能會因錯誤操作導致測量結(jié)果不準確[4]。例如：在測量工作邊時因測量梁抖動而導致測量結(jié)果不真實，在非工作邊一側(cè)測量鋼軌行車面導致測量圖形與真實圖形相反。

設計的固定式平直度測量試驗機是用于鋼軌基地焊接接頭平直度檢驗的驗證設備，通過使用高精密度的直線導軌和同步帶減少運動機構(gòu)振動對數(shù)據(jù)的影響，采用可編程邏輯控制器實現(xiàn)自動測量，選用直線度極高的電渦流測距傳感器配合數(shù)據(jù)采集板卡顯示平直度數(shù)據(jù)，最后反復自動測量檢查設備測量精度的穩(wěn)定性，通過以上方法驗證本設備對平直度測量結(jié)果的科學性。

1 機械結(jié)構(gòu)設計

試驗機軸側(cè)圖、側(cè)面圖和組成零件如圖1所示。

本試驗機的機械結(jié)構(gòu)主要由整機支撐單元、運動驅(qū)動及導向單元、平直度測量單元、控制及電線組件單元等組成。整機支撐單元包括底部支撐板、方管支架、直線導軌安裝板、立柱、立柱底板；運動驅(qū)動及導向單元包括電機及其安裝板、同步齒形帶、同步帶輪、超精密級直線導軌、滾動滑塊；控制及電線組件單元包括限位開關(guān)及其安裝板、遮光片、線纜拖鏈及其導向槽。平直度測量單元包括直線檢測懸臂梁、絲杠模組、伺服電機、聯(lián)軸器、C型支架及其吊臂、電渦流傳感器及其安裝板。

圖1 試驗機結(jié)構(gòu)

采用同步齒形帶在伺服電機的驅(qū)動下，通過同步帶金屬件連接平直度測量單元帶動其沿導軌方向平穩(wěn)滑動。懸臂梁與絲杠模組連接，在伺服電機的驅(qū)動下可以精確調(diào)整C型支架的高度，同時可以調(diào)整傳感器距鋼軌的距離，選用自帶動態(tài)制動功能的伺服電機，防止C型支架在電機故障、急停、電源斷電等情況時向下滑落發(fā)生危險。C型支架及其吊臂選用6061鋁合金材料可以減小測量機構(gòu)的質(zhì)量。C型支架上分別在頂面和兩側(cè)各安裝1個電渦流傳感器。通過控制伺服電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整傳動懸臂梁和測距傳感器的移動速度。

2 電氣控制設計

試驗機采用PLC可編程邏輯控制器進行動作控制，共2個伺服電機，一個控制平直度測量的電機通過軸鍵連接同步帶輪，帶動測量支架沿導軌水平移動；另一個控制C型支架升降的電機，通過軸鍵與聯(lián)軸器連接帶動絲杠模組上下移動來調(diào)節(jié)測距傳感器同鋼軌之間的距離；在測量電機軸和升降電機軸的起始、終止和零點位置分別安裝接近開關(guān)，以設定測量支架的走行范圍，同時確認電機的零點位置，伺服電機采用閉環(huán)控制，電機外設編碼器可將電機走行距離反饋給PLC，從而實現(xiàn)走行位置的精確。在觸摸屏上設定電機軸的運行速度、加速度和減速度，以便試驗時根據(jù)需要調(diào)節(jié)啟動和制動的快慢以及測量速度[5-6]。

3 數(shù)據(jù)采集方案

使用多功能采集板卡將測距傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過Labview軟件編寫的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號的采集、圖形繪制和儲存分析[7]，采集流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

將傳感器探頭內(nèi)線圈導入一個交變電流，可在探頭線圈周圍形成一個磁場。如果將一個導體放入該磁場，根據(jù)法拉第電磁感應定律，導體內(nèi)會激發(fā)出電渦流，電渦流測距傳感器探頭如圖3所示。根據(jù)楞茲定律，電渦流的磁場方向與線圈磁場正好相反，而這將改變探頭內(nèi)線圈的阻抗值。這個阻抗值的變化與線圈距被測物體之間的距離成線性關(guān)系。傳感器探頭連接到控制器后，控制器可從傳感器探頭內(nèi)獲得電壓值的變化量，并以此為依據(jù)計算出對應的距離值。

本試驗機選用的傳感器量程為6 mm，測量零點為 0.6 mm，輸出電壓范圍 0.5～9.5 V，線性度 15 μm，分辨率3 μm，重復性小于等于0.05%，最大靈敏度偏差小于等于 1%。在 б（電導率）、ξ（磁導率）、τ（尺寸因子）、I（電流）和ω（頻率）一定的條件下，線圈的阻抗Z與D（線圈端部與被測磁導體表面的距離）成正相關(guān)關(guān)系，D參數(shù)來描述函數(shù)特征為“S”型曲線，但在量程范圍內(nèi)的曲線函數(shù)接近線性函數(shù)，線性關(guān)系如圖4所示（SMR：最小測量范圍），可根據(jù)其輸出電壓直接算出距離。

試驗機采用多功能數(shù)據(jù)采集板卡將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并在PC機上顯示與存儲。采用的數(shù)據(jù)采集板卡參數(shù)如表1所示。

圖3 電渦流測距傳感器探頭

圖4 信號電壓值與測量距離關(guān)系

表1 數(shù)據(jù)采集板卡參數(shù)

本研究使用Labview軟件編寫數(shù)據(jù)采集程序，可實現(xiàn)傳感器與采集板卡的通訊、采集板卡的信號處理、平直度圖形繪制和數(shù)據(jù)存儲，Labview程序如圖5所示。

該程序的運行流程如下：①打開軟件，選擇板卡號、板卡通道、輸入模擬信號的電壓范圍；②被選通道號與該通道的輸入電壓合并為數(shù)組流入板卡的模擬量解析模塊，板卡在此步驟將傳感器采集的模擬量電壓連續(xù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量電壓；③執(zhí)行一次程序循環(huán)，循環(huán)頻率為20 Hz，即程序每秒運行20次。此程序每次運行，板卡會讀取一個數(shù)字量電壓并在界面的“當前電壓”框中顯示,對該數(shù)字量進行電壓與距離的線性關(guān)系換算將電壓值轉(zhuǎn)換為距離值，并在界面的“當前絕對距離”框中顯示；④循環(huán)程序中的每一個電壓值和距離值會以數(shù)組方式合并存入txt文件中，同時以波形圖的方式在界面中顯示，如圖6所示。

圖5 程序結(jié)構(gòu)

圖6 波形圖

4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過對電機啟動和停止動作設置加速度參數(shù)，使得平直度測量單元在啟動和停止達速期間更加平穩(wěn)，避免因快速啟動/停止而造成測量支架震顫，影響測量結(jié)果。對試驗機進行100～400 mm/s速度范圍內(nèi)的大量試驗，將試驗結(jié)果與德國施密特SEC電子尺進行圖形對比、極值比較，發(fā)現(xiàn)在350 mm/s的運動速度以下，可以滿足測量精確度。對試驗機的重復測量精度、系統(tǒng)測量精度[8]進行分析。

4.1 重復性測試

試驗機在大量測量的調(diào)試后，重復測量標定尺平直度30次，傳感器運動速度在350 mm/s以內(nèi)。隨機挑選10個數(shù)據(jù)，在不作任何數(shù)據(jù)處理的條件下繪制對比曲線，對比情況如圖7所示。由圖7可知，10次測量的平直度曲線高度吻合。

圖7 對比曲線

匯總10條曲線的峰值M/谷值m，求取平均峰值Ma/平均谷值ma，結(jié)果如表2所示，M-Ma和m-ma兩列最大值均小于0.005，說明任意一條曲線與這10條曲線的平均峰值/平均谷值在相同時刻的數(shù)值偏差都小于0.005 mm，可見試驗機的重復測量精度很高，設備自身的機械震動對測量精度的影響很小。

4.2 準確性測試

利用SEC標定尺的平直度數(shù)據(jù)對試驗機的測量數(shù)據(jù)進行標定處理。再利用試驗機標定后的測量曲線與SEC尺的測量數(shù)據(jù)進行對比。隨機抽取一次測量結(jié)果，對比曲線如圖8所示。平直度數(shù)據(jù)如表3所示，兩組數(shù)據(jù)的峰值相等，谷值相差0.005。所有試驗結(jié)果中最大的差值為0.032。

圖8 一次測量結(jié)果對比曲線

表2 平均峰值Ma/平均谷值ma結(jié)果

表3 平直度數(shù)據(jù)

通過對標定尺進行一系列的數(shù)據(jù)采集試驗和平直度曲線繪制，得到結(jié)論如下：

（1）在測量機構(gòu)移動速率小于或等于350mm/s的條件下，震動因素對測量結(jié)果的影響小于0.005 mm。

（2）每米的采樣點大于300個的條件下，由測量數(shù)據(jù)得到的平直度曲線重合度很高。

（3）合理地設置電機轉(zhuǎn)速和采樣頻率，可使試驗機的重復測量精度小于0.005 mm。

（4）利用SEC電子尺配備的標定尺對試驗機進行標定，得到的曲線與SEC尺測得的曲線重合度很高。

5 結(jié)論

經(jīng)過試驗機反復試驗及與同類設備對比測量分析，本設計具有以下優(yōu)點：

（1）觸摸屏控制一鍵啟動，可同時自動完成鋼軌頂面和側(cè)面工作邊的平直度測量，操作簡單，工作效率得到顯著提高。

（2）無需人工操作確定測量尺的測量位置，減少了人為操作帶來的誤差影響。

（3）非接觸式測量設計，滿足焊軌基地高頻次的測量需求，壽命更高。

（4）大量測量試驗表明，試驗機對鋼軌頂面和工作邊測量的重復測量精度高。

（5）與同類設備測量結(jié)果對比表明，試驗機系統(tǒng)測量精度很高，可以滿足鋼軌焊接接頭平直度測量的要求，為今后推廣研制固定式平直度測量設備提供理論支撐和實踐借鑒。

參考文獻：

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