构架式光电伺服轨距测量装置的应用

陈建国 吴兴华 上海铁路局工务处

1 GJ-4型轨检车检测系统组成

GJ-4型轨检车的检测系统主要由模拟信号处理系统和数字信号处理系统两部分组成。模拟信号处理系统由各路传感器、信号转接及监视装置、信号处理装置、功率放大装置、调制/解调装置和电源等五个单元构成。数字信号处理系统由主电脑、编辑电脑、打印机等组成。

2 构架式光电伺服轨距测量装置

构架式光电伺服轨距测量装置是GJ-4型轨检车安装于检测梁上主要测量轨距、轨向的装置。检测梁上安装有伺服机构、左右光电传感器、左右轨距位移计、轨向加速度计、地面标志传感器等设备。

我局GJ-4型轨检车（DJ997759）上的构架式光电伺服轨距测量装置是2011年在原有轴箱式测量装置的基础上改造而成的，采用了构架与轴箱间的侧滚和垂向位移量修正的技术，保证了跟踪轨距点的稳定性，消除了轴箱式轨距测量的不安全隐患。

2.1 构架式轨距测量装置基本结构

构架式轨距测量装置由原理和结构完全相同的左右两部分组成。它们各自测量左轨及右轨的轨距变化分量。两个轨距分量之和可得到轨距值。左右轨距测量装置包括八个部分：左右轨距光电传感器、调制解调器Ⅰ、左右轴头光电传感器、调制解调器Ⅱ、信号处理器、功放、伺服机构和左右位移计。

检测梁吊挂在四位轴后方的转向架的构架上，如图1所示。调制解调器Ⅰ、调制解调器Ⅱ、信号处理器及功放安装在车内。左右轴头光电传感器安装在四位轴左右轴箱正上方的构架上，如图2所示。

图 1 构架式轨距检测梁构造

图 2 轴头光电传感器

2.2 轨距点的跟踪方法

轨检车动态检测时，由于轨道存在着各种不平顺，使构架产生上下浮动、左右摇摆，使轨距光电传感器发出的光束不能保持在轨距点（轨面下16mm）处。为了解决这一难题，在四位轴左（右）轴箱正上方的构架上，分别安装了两个轴头光电传感器，用于测量构架相对于轮轴的相对位置，和轨距光电传感器一起，通过数学模型，确保光电传感器发出的光束打在轨距点处。

3 测量装置的应用

3.1 轨距的计算方法

如图3所示，左右轴头光电传感器之间的距离为L,该传感器测得构架相对应轮轴的距离为HL和HR,检测梁与轨道之间的夹角为θ：

图 3 构架式轨距测量装置轨距的计算

左右伺服电机间距为D（定值），轨距光电传感器光束与检测梁之间的夹角为α(DJ997759轨检车α=45°)，传感器与钢轨轨距点的距离为IL、IR,与检测梁上伺服电机的水平距离为DL、DR（它们由轨距位移计测得），与轨距点的水平距离为KL、KR。

构架式光电伺服轨距的计算公式为：

当检测梁与轨道平行时，θ=0°cosθ=1

3.2 轨距测量

上面已经计算了轨距是轨距测量装置的左右轨的轨距分量值之和。轨距光电传感器位于轨顶面斜上方的检测梁内，分别投射到左右轨内侧面的轨距点处，漫反射光被光电接收器接收。

轨检车动态检测时，钢轨产生位移使轨距发生变化，光电传感器非常敏感轨距的变化，及时输出相关的电信号，经调制解调器处理后变成与轨距变化成线性比例的电压信号，再经过信号处理器、功放，驱动伺服电机。光电传感器在伺服机构的作用下跟踪钢轨位移，测得不同的轨距值。

在钢轨轨形完好和磨耗小的区段动态检测中，轨距的重复性良好。测量值通过对地面的复合，数值基本一致，动态检测数据反映了轨距的实际情况。但是在钢轨侧磨严重的小半径曲线区段光点上下稍有变化，横向轨距的变化就较大，轨距变化率数值也较大。在道岔区域和钢轨接头部位，轨检车快速运行中车体上下振动加剧，受伺服机构灵敏度影响，光点跟踪延时，轨距测量值就有误差，轨距变化率超限值将变大。

3.3 轨向测量

轨向的测量采用的是惯性基准法。轨向测量包括两个部分，一部分是安装于轨距检测梁中央位置的轨向加速度计，来测量轨距检测梁中央部位的横向惯性位移。另一部分是左右轨距测量装置所测得的左右轨距分量。由惯性位移和左右轨距分量计算得到左右轨的轨向。

轨检车动态检测时，轨向加速度计输出的信号经过频率响应为二阶模拟滤波器进行预处理，处理后的信号被采样进入计算机解编后，再由与水平测量子系统中相同的数字滤波器来滤波，得到加速度信号的短弦中支距。由于加速度输出信号中包含有重力加速度、离心加速度以及振动等影响，因此还必须对其补偿或滤除。

在钢轨轨形完好和磨耗小的区段动态检测中，轨向的重复性良好，测量值较准确。同样在钢轨侧磨严重的小半径曲线区段，道岔区域轨向测量值要比实际的大。在直缓点、缓圆点、圆缓点和缓直点等曲线特征点部位，系统会判成直线段的轨向，尤其是长波轨向，我们在编辑超限报告中必须要注意。

3.4 波形图分析

图4所示为曲线区段的波形图，右股为上股，侧磨较大。从波形图上可以看出，在圆曲线和部分缓和曲线区段轨距和轨距变化率的波动大，钢轨右股的短波和长波轨向波动也大，左、右股的长波轨向在特征点处的峰值明显变大。

图 4 曲线区段轨距轨向波形图

图5所示为道岔区域的波形图，轨距、轨距变化率、轨向波形上象针一样上下分布的为道岔岔心有害空间部位，是因光束打在此部位而形成的。岔区右侧的小曲线区段的70m轨向较大，是把曲线判成了轨向。

图 5 道岔区域轨距轨向波形图

4 结束语

我局GJ-4型轨检车改造后的构架式轨距测量装置，通过一年来的使用，由于测量装置安装在转向架的构架上，由原轴箱式的几十个g甚至上百个g的垂向振动加速度改小为仅有几个g的垂向振动加速度，安装在检测梁上的伺服机构的插头、导线、伺服电机、光电传感器、位移计等零部件完好无损，且有利于维护和修理。采用的全新封闭式检测梁设计，使轨道检查在寒冷和雨雪天气保证正常工作。