高精度标准轮对内距尺*

/ .上海市计量测试技术研究院；.广西柳州科路测量仪器有限责任公司

0 引言

轮对内距尺是测量铁路车辆轮对内侧距离的专用量具，按示值形式分为标尺式和数显式两种，测量范围为 1 345～1 365 mm，分辨力不大于 0.1 mm。如图1所示。

图1 普通轮对内距尺

而对于轨道交通标准轮对，上海地铁车辆的标准轮对尺寸变化范围通常为 1 353～1 380 mm，由于测量范围变化大，准确度要求高等问题，使用普通轮对内距尺无法满足检测要求。随着轨道交通的迅猛发展，标准轮对数量日益增多，检测需求也日益提高，因此，研究设计高精度标准轮对内距尺用于标准轮对的内侧距检测成为亟需解决的重要课题。

上海市计量测试技术研究院设计研发了一种高准确度标准轮对内距尺，通过与柳州科路集团合作制造完成了该尺，用于测量铁路标准轮对两车轮内侧面的距离。该尺具有测量准确度高、操作方便、易携带、数据可存储、测量范围宽等优点，在轨道交通轮对内侧距检测方面得到广泛应用。

1 结构

高准确度标准轮对内距尺主要由尺身、限位钩、固定测砧、活动测杆、高精度位移传感器、测杆锁紧螺钉、测量按钮、液晶显示装置、隔热套、电控箱等组成，结构如图2所示。

表1 主要技术指标

图2 高准确度标准轮对内距尺

尺身主体结构采用GCr15材料，该材料是一种合金含量较少的高碳铬轴承钢，经过淬火加低温回火，具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能，其良好的材料性能满足本尺的工作要求。

限位钩用于控制车轮径向自由度，使尺身只能沿轴向测量，提高测量重复性。

由于上海地铁车辆的标准轮对尺寸变化范围较大，为 1 353～1 380 mm，如果采用大量程位移传感器，则无法保证测量的高准确度，因此本装置针对不同尺寸的标准轮对设计了三个不同尺寸的固定测砧，分别为 25 mm、33 mm、50 mm，根据测量范围选用对应的测砧。

活动测杆与高精度位移传感器相连，安装于尺身内部，位移传感器的测量范围为12 mm，为保证测量准确度，将整体安装误差控制在0.3 mm以内。

测杆锁紧螺钉用于固定或松开活动测杆，与测量按钮等装置配合实现内侧距的检测。

检测时，手应抓取在隔热套上，避免直接与尺身接触而引入误差。

通过显示装置可直接读取检测数值，显示屏自动显示每把标准轮对内距尺的拐点数值，并将该数据送入存储器中保存。

2 测量原理

将固定测砧端的限位钩落在车轮轮缘上，测砧与车轮内侧面接触。松开测杆锁紧螺钉使测杆处于自由状态及最长状态，按住测量按钮。将活动端限位钩落在另一车轮轮缘上，轻轻压缩活动端测杆使测头与另一车轮内侧面接触，此时内距尺量测头距离非最小，由外向车轴平行方向（车轮圆周方向）移动，当活动测杆离开车轮内侧面时松开测量按钮，内距尺显示装置中显示的数值即为被测轮对内距，然后再按一次测量按钮，即可将测量数据保存在SD卡中（见图3）。

图3 测量实景

如更换了33 mm测砧，测量轮对内距时，显示屏显示数值加上8 mm即为测量结果；如果更换了50 mm测砧，测量轮对内距时，显示屏显示数值加上25 mm即为测量结果。

3 不确定度评定

参照JJG（铁道）173-2004《内距尺检定规程》和JJG 22-2014《内径千分尺》检定规程，在规定条件下采用测长机配激光干涉仪直接测量高准确度内距尺的示值误差。以分度值为0.000 1 mm 、三段测量范围中的三个点（1 353.2、1 364.5、1 384.8）为例，在（20+1）℃条件下评定示值误差测量结果的不确定度。

3.1 测量模型

由示值误差等于标称值Im减仪器测得值I0即e=Im-I0可得公式：

式中：Im—— 被检高准确度内距尺标称值（20 ℃条件下），mm；

I0—— 测量仪器测得值（20 ℃条件下），mm；

Imm—— 测长机毫米示值，mm；

αm和α0—— 高准确度内距尺和测长机的线胀系数，℃-1；

Δtm—— 高准确度内距尺偏离参考温度（20 ℃）的数值，℃；

Δt0—— 测长机偏离参考温度（20 ℃）的数值，℃；

Δt1—— 激光干涉仪偏离参考温度（20 ℃）的数值，℃

3.2 灵敏系数

在式（1）中，令Im≈Im-Imm

为使输入量独立，舍去括号内微小量，令：

则由（1）可得：

灵敏系数：

3.3 标准不确定度分量

选用高准确度内距尺三段测量范围中的三个点（1 353.2 mm、1 364.5 mm、1384.8 mm），在重复测量条件下，用测长机连续测量10次，由贝塞尔公式计算单次测量实验标准差s=u(lm)。

测量仪器示值误差引入的标准不确定度分量u(l0)：

1）激光干涉仪测长机分米示值误差引入的标准不确定度u(l01)

使用激光干涉仪的读数值作为分米的示值，根据JJG 739-2005《激光干涉仪》检定规程已知，最大允许误差为：±0.03 μm + 1.5×10-6L。在其分布范围内服从正态分布，k= 2，u(l01) =（0.03 μm + 1.5×10-6L）/2。

2）测长机毫米分度尺示值误差引入的标准不确定度u(l02)

测量高准确度内距尺时测长机毫米值只用到12 mm，引用测长机校准规范中毫米分度尺的示值误差：±0.06 μm + 5×10-6L，在其分布范围内服从均匀分布，实际采用测量机校准证书：（0.8 +L/700）/k，k= 2，则：

3）测长机微米分度尺示值误差引起的标准不确定度u(l03)

引用测长机校准规范中微米分度尺示值误差为±0.25 μm，其半区间宽度为0.25 μm，其分布服从均匀分布

将测量仪器引入的不确定度分量合成：

4）由于温度偏离20 ℃，高准确度内距尺与测长机毫米分度尺线胀系数差引起的标准不确定度分量u(δα)

高准确度内距尺线胀系数为(11.5±1)×10-6℃-1，测长机毫米分度尺线胀系数为(10±1)×10-6℃-1，两者之差为 (1.5±2)×10-6℃-1，在其半宽 2×10-6℃-1分布区间内近似取均匀分布，则：

最大偏离温度按Δt= 1 ℃，测量高准确度内距尺测长机毫米值最大用到 12 mm，则：lmm= 12 mm，则：

5）激光干涉仪材料温度传感器测温误差引入的标准不确定度u(δt1)

实际测量时高准确度内距尺和激光干涉仪的偏离温度均由激光干涉仪的温度传感器测量，激光干涉仪自动计算材料温度进行修正补偿，其材料温度传感器的温度测量时的最大允许误差为±0.1 ℃，近似取均匀分布，则：

高准确度内距尺线胀系数按α= 11.5×10-6℃-1，计算结果见表2。

表2 激光干涉仪材料温度传感器测温误差引入的标准不确定度u(δt1)

3.4 合成不确定度

用u(lm)、u(l0)、u(δα)、u(δt)和u(δt1)分别表示由lm、l0、δα、δt和δt1引起的标准不确定度分量。由于各分量彼此独立，按不确定度传播律合成，其输出量估计值e的方差为

3.5 扩展不确定度

取k= 2，于是U= 2u(e)

详见表3。

表3 扩展不确定度汇总表

3.6 测量不确定度报告

本测量装置的最小尺寸和最大尺寸的测量结果的扩展不确定度U为0.005 3 mm 小于目标不确定度Umb= 0.006 mm，达到了技术开发合同的要求。

4 结语

与现有技术相比，本方案的重要特点是采用了三个不同测量测砧，不同测砧的使用避免了测杆采用螺纹拼接而影响其直线性和重复性，有利于提高检测准确性和稳定性；采用了高精度光栅传感器，分辨力可达 0.000 1 mm，示值误差为 ±0.018 mm，有利于提高轮对及标准轮对的检测准确度；安装了存储功能和数据调用功能，有利于在轨道交通一线场合实现便捷快速检测。

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