基于弦测法的H型中低速磁浮轨检仪应用研究分析.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 5 9-0 7基于弦测法的H型中低速磁浮轨检仪应用研究分析刘 鑫1,雷 莉2,黄金宝3,刘青山1,龚晓波1,康兴东1,宗凌潇4(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛2 6 6 0 3 1;2.中车南京浦镇车辆有限公司,江苏 南京 2 1 0 0 3 1;3.中车唐山机车车辆有限公司,河北 唐山 0 6 3 0 3 5;4.中铁磁浮交通投资建设有限公司,湖北 武汉4 3 0 0 0 0)摘 要:针对现有中低速磁浮轨道敷设后验收困难,后期运维检测效率低、精度差等问题,文章研制了一种采用弦测法、自带动力跟随遥控的H型中低速磁浮轨检仪,通过多组激光测距传感器测距进行换算,用以检测轨道主要特征,包括里程、高低、水平、三角坑、轨距、轨向、轨缝、错牙等几何参数。为验证其可靠性和精确度,采用人工、全站仪以及轨检仪3种不同方式以不同速度下对线路进行了测量,并与设计值进行了对比分析。结果表明,3种测量方式的整体趋势与设计值具有较高的一致性,轨检仪检测精度较高,且不受自身运行速度变化的影响。关键词:中低速磁浮;轨检仪;弦测法;轨道检测中图分类号:U 2 1 6.3 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 1 2收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 6基金项目:中国铁建股份有限公司科研项目(2 0 1 8-A 0 1)第一作者:刘 鑫(1 9 8 8),男,硕士,工程师。R e s e a r c h a n d A n a l y s i s o n t h e A p p l i c a t i o n o f H-t y p e M e d i u m a n d L o w S p e e d M a g l e v T r a c k D e t e c t o r w i t h C h o r d M e a s u r e m e n t M e t h o dL I U X i n1,L E I L i2,HUANG J i n b a o3,L I U Q i n g s h a n1,GONG X i a o b o1,KANG X i n g d o n g1,Z ONG L i n g x i a o4(1.C R R C Q i n g d a o S i f a n g R o l l i n g S t o c k R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 0 3 1,C h i n a;2.C R R C N a n j i n g P u z h e n R o l l i n g S t o c k C o.,L t d.,N a n j i n g 2 1 0 0 3 1,C h i n a;3.C R R C T a n g s h a n L o c o m o t i v e&R o l l i n g S t o c k C o.,L t d.,T a n g s h a n 0 6 3 0 3 5,C h i n a;4.C h i n a R a i l w a y M a g l e v T r a n s p o r t a t i o n I n v e s t m e n t C o n s t r u c t i o n C o.,L t d.,W u h a n 4 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e p r o b l e m s s u c h a s l o w e f f i c i e n c y a n d p o o r a c c u r a c y i n l a t e o p e r a t i o n a n d d e t e c t i o n a r e a i m e d a t t h e d i f f i c u l t i e s i n t h e a c c e p t a n c e o f t h e e x i s t i n g m e d i u m a n d l o w s p e e d m a g l e v t r a c k a f t e r l a y i n g.I t h a s d e v e l o p e d a n H t y p e m e d i u m a n d l o w s p e e d m a g n e t i c l e v i t a t i o n t r a c k d e t e c t o r w h i c h a d o p t s t h e c h o r d m e a s u r e m e n t m e t h o d a n d c o m e s w i t h p o w e r f o l l o w i n g r e m o t e c o n t r o l.M u l t i p l e s e t s o f l a s e r s r a n g i n g s e n s o r s a r e u s e d t o c o n v e r t a n d d e t e c t t h e m a i n t r a c k c h a r a c t e r i s t i c s,i n c l u d i n g d i s t a n c e,v e r t i c a l p r o f i l e,c r o s s-l e v e l,t r i a n g u l a r p i t,g a u g e,t r a c k d i r e c t i o n,r a i l g a p,c e n t r e-a l t e r n a t i n g a n d o t h e r g e o m e t r i c p a r a m e t e r s.I n o r d e r t o v e r i f y t h e r e l i a b i l i t y a n d a c c u r a c y,t h r e e d i f f e r e n t m e t h o d s,m a n u a l,t o t a l s t a t i o n a n d t r a c k d e t e c t o r a t d i f f e r e n t s p e e d s,a r e u s e d t o m e a s u r e t h e l i n e.T h e d e s i g n v a l u e s a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d t o s h o w t h a t t h e o v e r a l l t r e n d o f t h e t h r e e m e a s u r e m e n t m e t h o d s i s i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e d e s i g n v a l u e s.T h e t e s t d a t a o f t h e t r a c k d e t e c t o r h a s h i g h e r a c c u r a c y a n d i s n o t a f f e c t e d b y t h e c h a n g e o f i t s o w n r u n n i n g s p e e d.K e y w o r d s:m e d i u m a n d l o w s p e e d m a g l e v;t r a c k d e t e c t o r;c h o r d m e a s u r e m e n t m e t h o d;t r a c k d e t e c t i o n 中低速磁浮交通是一种新型的轨道交通工具,可以实现低噪声无碳运行,具有转弯半径小、爬坡能力强,不受恶劣天气影响全天候运营的特点。中低速磁浮列车沿轨道“零高度飞行”,虽然不接触轨道,但是磁95 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 浮轨道状态直接影响行车安全和运行效率。中低速磁浮列车轨道采用高架F型轨道,列车运行的稳定性、安全性及乘坐舒适性在很大程度上与F型轨道的几何参数状态有关,需要定期对F型轨道进行检测维护。磁浮轨道在建设维护过程中存在诸多问题:一是高架夜间作业的人员安全难以保证;二是人工测量精度差、数据粗糙,长期数据累计挖掘难;三是人工测量劳动强度大、效率低。因此,需要研发一套针对中低速磁浮F型轨道的轨道检查仪(以下简称轨检仪),提高轨道建设维护的效率和质量。铁路轨检车发展有近百年的历史,特别是2 0世纪7 0年代以来,欧美日等许多发达国家相继研究了各种先进的轨道检测技术和新的测量原理,开发出了应用现代高新技术的轨检车。国内第一代轨检车于1 9 5 3年面世,至今已研制了五代不同型号的轨检车。轨道不平顺检测方法主要有惯性基准法和弦测法,欧美等国基本采用惯性基准法,日本主要采用弦测法。国内大量应用的主要是G J-4型、G J-5型和G J-6型轨检车。目前,国内外关于磁浮轨道检测技术的研究较少,还没形成系统的研究方向,更无成熟的磁浮轨道检测车。国内现阶段磁浮系统轨道检测方法仍采用轨道施工定位方法,该方法效率低下,测量的轨道参数有限。上海磁悬浮示范线轨道的检测是利用轨道梁上的定位销孔坐标进行检测,测量基准是地面及轨道平台,在测量过程中需要3名工作人员一同操作,该测量方法含较多主观因素且检测周期较长。赵春发1深入研究了磁浮线路的不平顺问题,从线路不平顺的产生原因、不平顺的种类等入手进行了分析,指出磁浮列车线路不平顺的分类与轮轨线路不平顺基本一致,主要分为高低、水平和轨向3类。文献2-3 指出,磁浮线路不平顺的产生原因主要包括功能件几何误差、支撑梁几何误差、桥墩和地基沉陷、安装误差等,其中影响车辆乘坐舒适性的长波不平顺主要来自于轨道梁和地面基础的变形。时瑾等4基于动力有限元和耦合振动理论的方法建立了高速磁浮列车-轨道梁动力学模型。通过仿真计算得到了高速磁浮线路确定性不平顺及随机不平顺对系统动力指标的影响规律,并且对控制磁浮线路的不平顺提出了参考建议。陈果等5基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了车辆-轨道的垂横耦合模型,采用谱分析的方法详细研究了轨道高低、水平和轨距不平顺对车辆、轨道横向随机振动的影响。研究结果表明,车辆及轮轨横向力表现为低频振动,主要受轨道方向和水平不平顺影响;钢轨的横向振动频率分布很广,其低频段主要受轨道方向和水平不平顺的影响,而高频段的振动主要是由轨道垂向短波不平顺所激发。文献6 以中低速磁浮列车为研究对象,在建立悬浮控制系统模型的基础上,通过分析磁浮列车悬浮控制系统与轨道的相互作用规律,研究了轨道周期性不平顺条件下的悬浮控制系统设计,给出了不同车速、不同梁跨条件下的悬浮间隙变化研究结果,对于磁浮列车的工程应用具有重要的参考价值。文献7 通过仿真计算分析了磁浮轨检车横向振动对磁浮轨道几何参数测量精度的影响,结果表明该影响在所要求的测量精度范围之内。文献8 通过仿真计算分析了磁浮轨检车随机振动对磁浮轨道几何参数测量精度和列车速度测量的影响,仿真结果表明,车速为1 0 k m/h时的测量精度满足实测要求(0.1 mm)。文献9 分析了磁浮轨道高低不平顺对磁浮列车悬浮系统状态的影响,并利用磁浮列车的状态综合监测系统提供的列车运行状态数据预估了轨道不平顺对列车运行的影响。本文针对F型轨道的不平顺检测,开展了基于弦测法的自走行轨检仪的研究,研发了一种可以对磁浮轨道进行动态测量的H型中低速磁浮轨检仪,该设备主要检测F型轨道的几何参数,是检查线路病害、指导线路维修、保障行车安全的重要检查设备,可提高轨道建设维护的效率和质量,为磁浮线路建设、运营前期线路验收、后期维护保养提供支撑。1 轨道不平顺检测原理1.1 弦测法的基本原理弦测法的基本原理是利用钢轨上两测点的连线作为测量弦,中间测点到该弦的弦测值作为钢轨的测量值。弦测法是将车体作为测量基准,最基本的弦测系统是三点等弦测量系统,如图1所示。s为基准弦长,在间距为s/2的3个轴上分别安装位移传感器,用于测量轴头与车体之间的相对位移。图1 弦测法示意图假设轨道不平顺的实际值为f(x),系统测量值为y(x),当轨道不平顺为正弦波,则二者关系可表示为:06铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 y(x)=f(x)-12f(x-s2)+f(x+s2)(1)其中,f(x)=F0s i n2 x(2)因此:y(x)=F0s i n2 x-12F0s i n2(x-s2)+F0s i n2(x+s2)=F0s i n2 x(1-c o s2 s2)=f(x)H()(3)式中:为正弦波不平顺的波长,H()为传递函数。图2为弦测法系统的幅频特性,从式(3)和图2可以看出,弦测值y(x)并不等于轨道不平顺的实际值f(x),而是等于实际值f(x)与H()的乘积。显然,只有当传递函数H()=1时,弦测值y(x)才等于实际值f(x),而H()随不平顺波长在02之间变化。图2 弦测法系统的幅频特性由于弦测法通过直接测量位移来检测轨道不平顺,故测量值不受列车速度的影响。但该方法的不足之处为:测量波形不能正确反映轨道不平顺状态且传递函数不恒为1,不是对任意波长都适用。1.2 “以小推大”算法原理由图2可知,弦长为波长的一半时,即H()=1时,不平顺值可以通过弦测法直接获得。因此,通过数学方法改变测弦的长度不失为一种拟合不同波长轨向不平顺的简易有效的方法。图3所示为“以小推大”方法示意图。图3“以小推大”方法示意图图3中,设AD为一段弧,其半径为R,以长为l的弦分割这段弧,步距为l/2,可得点0(即A点),1,2,2n-1,2n(即D点)。点0至2n各点的x轴坐标分别为x(0),x(l),x(2n l),正矢值为v1,vn,v2n-2,v2n-1,其与O P的夹角依次为1,n,2n-2,2n-1,且R远大于l,又设所计算的弦长L为点0至2n的弦线,R亦远大于L。由图3可知:V(L)=A B+C D /2A B=2ni=1viiklc o sk C D=22n-1i=n+12n-1k=ivilc o sk (4)求解式(4)并整理得:V(L)ni=1i vi+2n-1i=n+12n-i vi(5)式中:V(L)为弦长为L的弦测的正矢值。式(5)推导并不直接基于不平顺为圆曲线的假设,其系统误差与切向角n有关,只要n足够小即可保证测量的准确性。一般情况下,线路的半径远远大于待测轨道不平顺的波长。因此,这一约束条件是不难满足的。1.3 检测波长的选取轨向、高低和三角坑这3个数据需要通过上节中的弦测法和“以小见大”方法进行换算,轨检仪采集的是1 m弦下的数据。日本H S S T采用的检测弦长为1 0 m,长沙磁浮工程中采用的检测弦长为4 m。轨检仪检测弦长选取3 m,主要考虑磁浮列车悬浮系统的敏感波长。中低速磁浮车辆悬浮系统中,电磁铁与轨道的间隙是通过电磁铁两端的悬浮传感器检测的,这不能代表整个电磁铁的间隙,也不能代表电磁铁平均间隙。将电磁铁看成弦,那么轨道不平顺直接影响电磁铁的平均间隙,也就影响悬浮系统的动力学模型。从这个16 基于弦测法的H型中低速磁浮轨检仪应用研究分析 刘 鑫,雷 莉,黄金宝,刘青山,龚晓波,康兴东,宗凌潇角度看,悬浮系统对波长与电磁铁长度(3 m)相近的不平顺更为敏感。当不平顺的波长比电磁铁长度(3 m)大得多时,可以忽略不平顺对电磁铁平均间隙的影响。此时,主要考虑悬浮系统的跟随能力或带宽。2 H型轨检仪系统简介本文研制了一款自带动力应用于中低速磁浮F型轨轨道检测的H型轨检仪,体积小,质量轻,拆装快捷,携带方便,能够自带动力行走,并可实现F型轨道几何参数的自动检测。该轨检仪是一种跟随遥控、自走行和无线数据传输的自动检测设备,主要检测项目包括F型轨道里程、高低、水平、三角坑、轨距、轨向、轨缝、错牙等。该产品具有以下关键技术和创新点:(1)采用三维数字设计平台设计的一款一体化的测量架,具有质量轻、拆装快捷、稳定度高的特点,可为实现高精度检测提供重要保障。(2)创新设计新的结构形式,采用H型测量架,三点支撑的走行机构,一方面实现了左右两侧高低参数均为直接测量,提高了测量精度;另一方面也实现了平稳自走行。(3)采用多传感器融合技术以抑制轨检仪快速检测过程中振动对检测精度的影响,提高了快速检测的精度。(4)采用高速无线传输方式,实现了数据采集记录与上位机无缝衔接,不再需要检测完后人工导出数据等繁琐过程。(5)优化体系结构,数据采集平台中利用F P GA并行处理能力完成部分参数计算,加速了计算过程,相较传统的完全由上位机计算参数的模式,实时性更强。轨检仪在运行过程中主要通过多个位移传感器进行数据检测,所有数据均可以直接得出或是进行简单换算得出。H型轨检仪结构示意图如图4所示,电气示意图如图5所示,主要技术参数见表1。图4 H型轨检仪结构示意图图5 H型轨检仪电气示意图表1 H型轨检仪主要技术参数序号测量范围精度要求备注109 9 9 9 k m3编码器21 8 5 01 8 8 0 mm0.3 mm水平激光位移计33 0 0 mm1.5 mm垂向激光位移计42 0 0 mm1.0 mm水平激光位移计(3 m弦)51 0 0 mm0.7 mm垂向激光位移计(3 m弦)63 0 mm1.0 mm垂向激光位移计(3 m弦)71 0 mm0.3 mm垂向激光位移计841 0 0 mm0.8 mm垂向激光位移计905 k m/h巡航速度3.6 k m/h1 0 4 h3 轨检仪检测试验为了验证中低速磁浮H型轨检仪的适用性,在清远磁浮银盏特大桥(温泉站莲湖站)现浇连续梁承轨台D K 2 2+7 2 6.4 4 0至D K 2 2+7 7 6.3 9 1区间左线J D 6位置,采用人工、全站仪以及轨检仪开展相关测量研究,对高低、轨向进行人工拉弦测量,采用数字水平仪与平尺对轨道水平(超高)参数进行测量。人工测量的间隔为5 0 0 mm,同样在采样点使用全站仪进行数据测量。3.1 轨检仪3种速度下重复性检测轨检仪分别以1.5 k m/h、3.6 k m/h、5.0 k m/h 3种速度进行了检测试验,采样步长为2 5 mm,将激光位移传感器测的1 m弦数据经过“以小推大”变换为3 m数据,输出3 m弦下左右轨向、左右高低、水平超高和三角坑6个轨道参数,测量数据如图6所示。将检测数据进行对比分析,统计结果如表2所示。结果表明:在1.5 k m/h、3.6 k m/h、5.0 k m/h 3种速度下,检测得到的6个轨道参数变化几乎保持一致,且在设计值附近波动,均方根误差和最大偏差也在合理范围内。说明轨检仪检测数据不会受自身运行速度变化的影响。26铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 图6 轨检仪在3种速度下的检测数据表2 轨检仪在3种速度下的检测数据偏差统计mm速度/(k mh-1)测量参数设计值平均值均方根误差最大偏差1.5 轨向(左/右)2.4 7/2.4 72.5 5/2.5 40.1 7/0.2 10.7 4/0.7 9高低(左/右)0/0-0.0 7/0.2 00.6 3/0.7 32.2 0/2.1 0水平超高/三角坑1 3 4/01 3 4.2 9/0.0 41.3 8/2.2 94.2 0/6.9 93.6轨向(左/右)2.4 7/2.4 72.5 0/2.5 30.1 7/0.2 00.5 8/0.7 4高低(左/右)0/0-0.0 6/0.2 00.6 3/0.7 32.2 0/2.2 0水平超高/三角坑1 3 4/01 3 4.3 5/0.0 31.3 0/2.1 44.0 1/6.6 15.0轨向(左/右)2.4 7/2.4 72.5 3/2.5 30.1 8/0.2 20.6 5/0.7 6高低(左/右)0/0-0.0 5/0.2 10.6 3/0.7 32.2 0/2.2 0水平超高/三角坑1 3 4/01 3 4.4 1/0.0 11.2 6/2.0 54.2 6/6.8 43.2 3种测量方式的对比研究人工测量方式是在轨道左右两侧做好等间距标记,标记间距为5 0 0 mm。然后用弦尺进行拉弦,弦长为3 m,用钢直尺测量并记录弦线中间点位置到轨道的值。测量工具包括弦尺、平尺、数显水平仪、钢直尺、游标卡尺、记号笔,共进行4次测量然后取平均值,输出3 m弦下左右轨向、左右高低、水平超高和三角坑6个轨道参数。全站仪测量方式是轨道施工方采用全站仪对轨道两侧的标记点位置进行坐标测量,得到每个测量点的三维坐标。测量点位置为承轨台内侧,共进行4次测量然后取平均值,再根据三维坐标进行3 m弦的换算,输出3 m弦下左右轨向、左右高低、水平超高和三角坑6个轨道参数。36 基于弦测法的H型中低速磁浮轨检仪应用研究分析 刘 鑫,雷 莉,黄金宝,刘青山,龚晓波,康兴东,宗凌潇上述3种测量方式的检测结果见图7,将检测结果进行对比分析,结果如表3所示。图7表明:3种测量方式的结果均在设计值附近波动,且波动趋势一致,轨检仪波动幅度较大。由于轨道敷设时肯定会存在误差,3种测量方式的结果趋势一致,恰好反映了轨道实际敷设下的平顺特征。从数据统计结果来看,3种测量方式的偏差值均在合理范围以内,轨检仪检测数据整体偏差最小,只有全站仪部分检测数据偏差较大。图7 3种测量方式下的检测数据表3 3种测量方式下的检测数据偏差统计mm测量方式测量参数设计值均方根误差最大偏差人工轨向(左/右)2.4 7/2.4 70.4 2/0.3 50.9 7/0.6 0高低(左/右)0/00.6 6/0.7 52.3 0/1.7 0水平超高/三角坑1 3 4/01.3 8/2.2 24.7 6/6.8 9全站仪轨向(左/右)2.4 7/2.4 70.4 5/0.6 91.5 5/2.4 3高低(左/右)0/00.6 0/0.7 21.6 5/2.0 5水平超高/三角坑1 3 4/01.7 3/2.2 87.5 8/7.6 9轨检仪轨向(左/右)2.4 7/2.4 70.1 7/0.2 10.6 6/0.7 6高低(左/右)0/00.6 3/0.7 32.2 0/2.2 0水平超高/三角坑1 3 4/01.3 1/2.1 64.1 6/6.8 146铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 4 结论本文基于弦测法和“以小见大”方法的基本原理,选取了3 m检测弦长,研发了一套自走行的中低速磁浮F型轨道的H型轨检仪,在实际线路上进行了试验,并与人工测量和全站仪测量进行了对比分析。结果表明,3种测量方式的整体趋势与设计值具有较高的一致性,轨检仪检测数据精度较高,能够反映线路实际敷设下的平顺状态,且不受自身运行速度变化的影响。采用本设备可提高轨道建设维护的效率和质量,为磁浮线路建设、运营前期线路验收、后期维护保养提供支撑。参考文献:1 赵春发.磁浮车辆系统动力学研究D.成都:西南交通大学,2 0 0 2.2 郑树彬,林建辉,林国斌.基于惯性法的磁浮轨道长波不平顺检测及其发现J.电子测量与仪器学报,2 0 0 7,2 1(1):6 1-6 5.Z HE N G S h u b i n,L I N J i a n h u i,L I N G u o b i n.I m p l e m e n t a-t i o n o f d e t e c t i n g m a g l e v t r a c k l o n g w a v e i r r e g u l a r i t y b a s e d o n i n e r t i a l m e a s u r e m e n t p r i n c i p l eJ.J o u r n a l o f E-l e c t r o n i c M e a s u r e m e n t a n d I n s t r u m e n t,2 0 0 7,2 1(1):6 1-6 5.3 范钦海.高速常导磁悬浮车辆对轨道平顺性要求的探讨J.中国铁道科学,2 0 0 2,2 3(1):7 3-7 6.F AN Q i n h a i.D i s c u s s i o n o n t h e d e m a n d o f h i g h-s p e e d EM S v e h i c l e o n g u i d e w a y i r r e g u l a r i t yJ.C h i n a R a i l w a y S c i e n c e,2 0 0 2,2 3(1):7 3-7 6.4 时瑾,魏庆朝.线路不平顺对高速磁浮铁路动力响应特性的影响J.工程力学,2 0 0 6,2 3(1):1 5 4-1 5 9.S H I J i n,WE I Q i n g 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d u c t i o n t o a p p l i c a t i o n a n d f a u l t h a n d l i n g o f a u x i l i a r y p o w e r s u p p l y s y s t e m f o r h i g h-s p e e d EMU sJ.C h i n a S t r a t e g i c E m e r g i n g I n d u s t r y,2 0 1 8(2 4):8 2.1 3 彭博.中国标准动车组蓄电池充电控制研究D.北京:北京交通大学,2 0 2 0.1 4 丁龙海,史小利,刘明,等.高速动车组运行工况对蓄电池性能影响探究J.电池工业,2 0 1 8,2 2(6):2 8 3-2 8 6.D I NG L o n g h a i,S H I X i a o l i,L I U M i n g,e t a l.T h e I n-f l u e n c e o f h i g h-s p e e d EMU s o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o n t h e p e r f o r m a n c e o f b a t t e r i e sJ.C h i n e s e B a t t e r y I n d u s t r y,2 0 1 8,2 2(6):2 8 3-2 8 6.(责任编辑:孙丽丽)56 基于弦测法的H型中低速磁浮轨检仪应用研究分析 刘 鑫,雷 莉,黄金宝,刘青山,龚晓波,康兴东,宗凌潇