手推式钢轨平直度测量仪的研制

吴元良 上海铁路局科研所

手推式钢轨平直度测量仪的研制

吴元良 上海铁路局科研所

研制一种手推式钢轨平直度测量仪，可实现对双轨顶面连续快速的检测，并介绍其主要结构与测量原理。测量仪采用三点弦测法与机械滤波相结合的形式，测量钢轨各种不平顺波形，通过数学算法计算处理，得到被测钢轨真实平直度数据，其结果以图表方式展现。通过实验室与现场的试验，验证测量仪检测效率高，测量结果稳定准确。

平直度；测量仪；弦测法；机械滤波

钢轨的作用是直接承受列车车轮巨大压力并引导车轮运行方向，因此为了保证列车按照规定速度安全、平稳和不间断地运行它必须具备足够的强度、稳定性和耐磨性。平直度是钢轨各项指标中的一项，它特指沿钢轨纵向轨顶面不平顺的指标，研究其意义在于最大限度地降低列车运行时的振动，减轻轮轨磨耗，为乘客提供舒适感和安全感。钢轨不平顺会严重影响列车运行质量，一方面直接影响高速行车的安全与平稳，另一方面由于钢轨不平顺引起的动荷载将进一步加速钢轨的恶化和不平顺的发展。因此，在有限的天窗时间内对钢轨不平顺进行快速准确的检测是当前工务部门急需解决的问题。

目前在线路上测量钢轨平直度的方法主要有使用基于惯性基准法的大型轨检车，但其检测系统和数据处理系统复杂且价格昂贵，检测精度也受到轨检车运行速度的影响；其次是工务养护人员最常使用的人工靠尺法，主要利用SECRC电子平直尺或同类检测仪器检测，其缺点是不能实现对钢轨的连续检测，效率较低。

针对上述不足，研制一种方便现场使用的钢轨平直度测量仪，具有使用方便，检测速度快且精度高的特点。

1 测量仪研制方案

测量仪设计为一种可以在钢轨上推行的小车，可实现同时对双轨顶面的非接触式连续测量，使用方便且便于运输；由测量仪上安装的各种传感器采集数据并上传存储，通过滤波以及数学模型分析计算展现被测钢轨不平顺状态的实际情况；对钢轨顶面不平顺波长、幅值、周期性等进行分析和统计，其结果以波形图、报表等形式展现，为钢轨打磨参数设置及钢轨铣磨修理质量分析评估等工务养护作业起参考作用。

2 主要结构

测量仪由走行系统，检测系统和数据处理系统三个主要模块组成。

2.1 走行系统

走行系统由连接架和走行架组成，使用时两者组装呈工字型架在轨道上，平时可拆卸成单独部件方便运输。设备整体采用铝合金材料制成，如图1所示。

图1 测量仪走行系统

连接架用于连接左右走行架，其中间的主轴可以自由旋转使两个走行架在各自测量过程中相互独立不受干扰。主轴同时安装了气体支撑杆向两边施加压力，可让走行架紧贴钢轨，确保检测传感器始终测量在钢轨轨顶的同一位置。

走行架底部安装具有机械滤波功能的排轮组，侧边安装有侧导向轮，两端安装有走行轮，如图1所示。当测量仪处于工作状态时，走行轮上翻，并不与钢轨相接触，此时测量仪与钢轨之间的滑动主要通过排轮组完成。同时，侧导向轮紧贴钢轨内侧予以提高走行的顺畅性。当测量仪处于非工作状态时，走行轮下放，此时测量仪会被略微抬起，排轮组与钢轨之间处于悬空状态，此时测量仪的走行主要依靠走行轮，走行速度快。

2.2 检测系统

检测系统主要由激光位移传感器，里程记录仪，数据采集器等组成。他们的关系如图2所示。

图2 检测系统

激光位移传感器可以实现非接触快速测量且精度高，将其三个一组构成三点弦测法方式分别安装在测量仪左右走行架上，测量其与钢轨轨顶之间的距离，测量得到的数据由数据采集器采集并上传至上位机。三点弦测中间的激光位移传感器位置可调，可根据具体测量需求将其调整为三点等弦或不同弦比的三点偏弦。

里程记录仪根据传统计米轮设计，使用已知直径的测量轮和编码器组成。它可以精确的记录测量仪在工作过程中走过的距离，里程数据通过数据采集器采集并上传至上位机处理。同时里程记录仪通过数据采集器内部指令控制，等距给激光位移传感器发出数据采集命令，确保测量仪在不同的测量速度下依然能够等距离的采集钢轨平直度数据。

2.3 数据处理系统

数据处理系统主要由数据采集、波形回放、滤波分析、拉弦分析这几个模块组成。

数据采集模块主要负责完成测量仪的数据采集。在测量工作开始前，可输入被测线路名称、上下行线路以及三点弦侧法弦比等信息以便数据处理和存档归类。数据采集开始后，六个激光位移传感器和里程记录仪将同步进行数据采集，并上传至上位机。

测量工作结束后，使用三点弦测法和机械滤波法叠加处理采集数据，得到被测钢轨真实平直度数据。

波形回放功能可将钢轨平直度数据以波形的方式展现，形象的表现被测钢轨轨顶的几何形态，如图3所示。

图3 波形回放

滤波分析主要对平直度数据按不同波长段进行分析。采用快速傅里叶变换将检测信号转换到频域，在频域内提取相关频率范围，再利用傅里叶逆变换将该频率范围内的信号转换到时域，实现不同波长段的滤波。图4为对某一段检测数据进行滤波。

图4 滤波分析

拉弦分析主要模拟人工靠尺法原理。在被测钢轨平直度数据拟合的波形图中通过计算机人工“拉弦”，得到对应被拉弦位置的峰值和谷值，并将这些数据列表筛选，以供工务养护人员参考。弦长可设定为1 m，2 m不等，拉弦位置也可根据需要设定。

3 测量原理

采用三点弦测法与机械滤波相结合的形式，分别测量轨道长波不平顺和短波不平顺，并将其分别进行处理后叠加，得到被测钢轨真实平直度数据。

3.1 长波不平顺检测

测量仪采用三点弦测法对钢轨轨顶平直度进行检测。左右走行架分别安装三个激光位移传感器构成三点弦测法，检测其与钢轨轨顶之间的距离，中间的位移传感器位置可调，根据需要将弦测法模型改为不同弦比的偏弦法或等弦法。

图5 弦测法原理图

如图5所示为弦测法原理图A，B，C，三处为激光位移传感器安装位置，m，n代表三者之间的距离。设l为总弦长，即l=m+n，f为测量值，那么通过如图所示几何关系以及根据傅里叶变换的线性性质及时移性质，可以得到：

其中，ω为空间域角频率，ω=2π/λ；λ为轨道不平顺波长。F(ω)和Y(ω)分别为测量值f和轨道不平顺值y的傅立叶变换。

三点弦测法传递函数为：

将轨道不平顺频谱Y(ω)进行傅立叶逆变换即可得到轨道不平顺的时域波形y。

由公式2可知三点弦测法其相频特性没有畸变，测量值不受测量仪检测速度的影响，但是其幅值增益随轨道不平顺波长的变化而在0～2之间变化。由此可见，弦测法在复原某些特定波长特别是短波长的情况下存在缺陷，为了减小幅值增益误差需要通过单独测量短波不平顺予以弥补。

3.2 短波不平顺检测

走行架底部安装有小直径高精度辊子组成具有机械滤波功能的排轮组，辊子都布置在同一水平面上近似于一条直线，方便测量仪在钢轨上自由滑动的同时，也有效减小了钢轨不平顺对车体带来的影响。

设轨道不平顺波长为λ，测量仪总长为L，排轮长度为x。当不平顺波长小于排轮组长度，即λ＜x，排轮与钢轨不平顺波形的最大波峰相接触，此时测量仪检测值是长度为L弦的弦高，即被测钢轨短波不平顺实测值。因为轨道的不平顺波形是空间分布的随机变量，长波与短波不平顺总是复合存在，因此需对测量值进行频谱分析，滤除长波的影响，即可得到轨道短波不平顺的数据。

4 试验分析

4.1 平直度测量仪测试平台校验

使用测试平台校验平直度测量仪。平直度测量仪测试平台是一种适用于校验钢轨平直度测量仪功能及精度的平台，它基于计量原理设计，结构模拟真实轨道，配有不同波长及波幅的可更换式轨面波形模拟条用来模拟钢轨不平顺波。通过对比分析波形模拟条的设计波形和平直度测量仪的检测波形，予以校验平直度测量仪。校验结果表明，平直度测量仪的检测结果正确，如图6所示。

图6 测量仪与测试平台检测结果对比

4.2 何杨线K1-250路段试验

对何杨线军工路陈家宅道口K1-250路段进行平直度的检测，检测对象为某100 m长的直线段，使用平直度测量仪在同一路段多次检测后其重复性结果表现良好，如图7所示。

在同一直线段上选取一段25 m左右的长度，用SEC-RC电子平直尺进行检测，其检测结果作为1 m以下轨面短波不平顺真实值的参考值，以此评价平直度测量仪检测结果的精度。对电子平直尺拼接而成的25 m数据进行（10~1 000）mm带通滤波，并与对应段三点弦测法（10~1 000）mm带通滤波的波形对比，可见两者吻合度较高，检测结果准确，如图7所示。

图7 何杨线K1-250路段试验结果

5 结束语

手推式钢轨平直度测量仪具有检测速度快，精度高以及便于运输等特点。弥补了大型轨检车造价昂贵以及电子平直尺人工靠尺法效率低下等不足。通过其对双轨轨顶面的连续非接触式测量，经过数学模型滤波计算，复原被测钢轨真实平直度数据，以波形图和列表的方式予以展现，为钢轨打磨作业参数设置及对钢轨修理质量的分析评估提供依据和建议。大量试验证明手推式钢轨平直度测量仪使用方便，检测效率高且结果稳定准确，对指导高速铁路和客运专线线路养护维修具有重要意义。

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责任编辑：许耀元

来稿日期：2016-11-23