理论-机械车检测系统.docx

授课人：
培训班名称：铁路大型养路机械司机转岗培训
课 题
机械车测量系统
教学目的与
教学要求
目的：熟悉机械车测量机构检测原件的功能。
要求： 此教案让学员熟悉机械车测量机构检测原件的功能。
教学重点与
教学难点
重点：铁道线路方向及水平的检测与整正原理、线路方向偏差检测及拨道原理、线路水平检测及起道原理。
难点： 铁道线路方向及水平的检测与整正原理、线路方向偏差检测及拨道原理、线路水平检测及起道原理。
课型
理论课
课时
分配
讲授
270分钟
其他

合计
270分钟
教学方法、手段（教具）
1、方法：讲授法、示范法。2、手段：多媒体课件3、教具：现场实物机具
教学过程（教学步骤与内容）

【一、组织教学】:引导学生进入学习状态。
【二、导入新课】:通过机械车测量系统引入课题.
【三、讲授新课】
铁道线路方向及水平的检测与整正原理
对铁路轨道进行拨道与起道抄平作业的目的是消除轨道在使用过程中产生的轨道方向，左、右水平，前、后、高低的偏差，使轨道达到新线设计标准或线路维修规则所要求的尺寸。
08-32捣固车采用单弦检测轨道方向，双弦检测轨道的前、后高低。这两种检测方法都有一定的数学原理。本章运用数学分析的方法重点论述单弦法检测轨道方向的数学原理，推出单弦四点法和三点法检测拨道的数学模型。
一、 单弦法整正曲线的基本原理
铁路曲线半径都是很大的，现场无法用实测半径的方法来检查曲线的圆顺。通常是利用曲线的半径、弦长、正矢之间的几何关系，用一定长度的弦线测量曲线正矢的方法，来检查线路曲线的圆顺，人工用这种方法来检查整正曲线的圆顺被称作绳正法。
捣固车上线路方向的检测也是运用绳正法曲线检测的基本原理。通过传感器把方向偏差转换成电信号，经过电路运算产生驱动信号控制电液伺服系统自动整正线路方向，达到整正曲线的目的。在08-32捣固车上的这一自动检测拨道系统，称为单弦检测拨道系统。
二、曲线半径、弦长与正矢之间的关系
如图2-1,在圆曲线上连一条直线BD，这条直线叫弦。弦上任一点倒曲线上的垂直距离叫做矢距，在中央点M的矢距叫正矢。
在图中三角形△DMO为直角三角形，根据勾股定理：
R2=(L/2)2+(R-H)2=(L/2)2+R2-2RH+H2
则：2RH=(L/2)2+H2
式中 R-----圆曲线半径
L-----弦长
H-----正矢
单位 (m)
由于铁道线路曲线半径很大，H2与R相比不到万分之一，故H2可忽略不计，则上式可以写成：
R=(L/2)2/2R （2-1）
通过简化得到的公式（2-1）可知：正矢与圆半径成反比线性关系，与弦长的平方成正比。如果用一定的弦长把圆曲线分成若干弧段，则每个弧段的正矢必然相等。
三、线路方向偏差检测及拨道原理
使轨道在水平面享有或向左进行拨道，称为拨道作业。其目的是为了消除线路方向偏差使曲线圆顺，直线直。捣固车进行拨道作业时，拨道量的大小方向，是由安装在捣固车上的线路方向偏差检测装置（正矢传感器）测出的电压信号，。经电路调理后输出控制信号，给电液伺服控制的博导机构自动地进行拨道作业。
08-32捣固车采用单弦检测装置检测线路方向偏差，它有四点法偏差检测，三点法偏差检测及激光直线矫正三种偏差自动检测拨道方式。
下面我们先介绍线路方向偏差自动检测拨道原理
线路方向偏差检测装置，是根据单弦检测拨道理论设计的，它的构成如图3-1所示：
在线路方向偏差检测装置的A、D检测小车之间，拉一根钢丝绳作为检测基准，A点检测小车上的气缸把钢丝弦线拉紧，在B、C检测小车各装有一个矢距传感器pot1,pot2,弦线穿过矢距传感器上的拨叉，当线路方向有偏差时，弦线带动拨叉使矢距传感器上的电位器转动，输出一个模拟矢距的电压值H1,H2, 经运算放大器输出一个比较偏差信号Diff1,与前端偏移信号Dig（人工提供）或GVA来的拨道修正信号V（自动给出）进行比较，输出拨道信号Diff2给电液伺服阀HY,HY将电信号转换成液压信号，使液压油进入拨道油缸，拨道油缸推拉拨道轮R使轨道左右移动来消除线路偏差。
3．1四点法检测原理

前面提到线路方向偏差检测有四点法、三点法、激光矫直法三种检测方式。下面我们先介绍四点法。在介绍四点法之前，我们先介绍几个数据大家要记住。我国引进的08-32捣固车的方向偏差测量弦长A、D间的距离为21.1m,A、C间的距离10.5m,A、B间的距离5.315m,C、D间的距离10.6m,B、C间的距离5.185m,B、D间的距离15.783m.为了叙述方便,用L1表示AB长，L2表示BC长，L3表示CD长，L表示AD长。
四点法顾名思义有四个测量点，分别为A、B、C、D(从后向前排布)A、D为固定点,B、C为矢距点H2、H1。如图3-2所示：
当A、B、C、D个点在同一的圆曲线上时，H2H1可由2-1式近似得出。
H1=AC*CD/2R=L3*(L1+L2)/2R---------(3-1)
H2=AB*BD/2R=L1*(L2+L3)/2R---------(3-2)
将（3-1）（3-2）两式相除得到
H1/H2=AC*CD/AB*BD=L3*(L1+L2)/L1(L2+L3)=Kb-----(3-3)
H1=H2*Kb--------------------------------------(3-4)
由(3-4)式看出消去了半径R,因此此式适合任何半径和直线上进行方向偏差检测工作。为08-32捣固车的拨道奠定了理论基础。
将08-32捣固车给出的各点线长的数据代入（3-3）得出08-32捣固车检测装置的B点的比例常数为:
Kb=L3*(L1+L2)/L1*(L2+L3)=10.6*(5.315+5.185)/5.315*(5.185+10.6)=1.3266从而得出H1=H2*1.3266,在08-32捣固车上kb是个固定的比例常数。
也就是说当捣固车在同一圆曲线上时，H1与H2满足关系式H1=H2*Kb,线路方向偏差信号为零，说明线路方向良好。当不满足关系式H1=H2*Kb时，线路方向存在偏差通过拨道使偏差为零。这里要强调的是在四点法检测拨道系统中，B点检测的是已整正好的矢距，作为标准的给定信号，C点检测的是未整正好的矢距，作为反馈信号。两者通过电路调理按照比例关系进行比较，产生的差值作为拨道的依据。这就是四点法检测和拨道的调节过程。
3．2三点法检测原理
理解了四点法检测拨道原理，再学习三点法检测拨道原理就不难了。三点法检测拨道原理顾名思义检测点由四点改为三点。它是如何实现的呢？A、B、C、D四点，我们想办法去掉一点，不就变成三点了吗？08-32捣固车在设计时就事先考虑了如何处理。A点检测点不用，将B点的拨叉固定。将B点的矢距传感器的信号在电路上用开关短路，这样C点测出的矢距H1就是圆曲线上矢距。这里必须注意在圆曲线上C点测出的矢距H1不能作为测量偏差当作拨道信号。他必须与标准的给定信号进行比较后产生的差值才能作为拨道信号，这个标准的给定信号是由计算机或人工按照该段线路的设计正矢值V决定的。只有将C点测出的信号H1与V进行比较得出的差值才可作为拨道信号.
设计正矢值就是理论矢距值,计算方法如下:
V=BC*CD/2R=L2*L3/2R=5.185*10.6/2R=27.48/2R----(3-5)
拨道的差值为
δ=V-H1--------(3-6)
由于直线的R为无穷大，所以V为零,只有在直线拨道时H1可直接作为拨道值使用。
从上面的分析可见四点法与三点法的不同之处在于所取的给定值不同，弦线的总长度不同，四点法的给定值是整正好的轨道测量矢距值H2,三点法的给定值是该段圆曲线路的设计矢距值V。而实际拨道的值是它们与H1按照关系式计算出的差值。记住了这些区别就不难理解三点法和四点法的检测拨道原理了。
3．3线路直线段的激光矫直原理
捣固车在很长的直线上机型拨道作业时，由于检测线长的长度有限，所以整正后的直线方向不理想，仍有大慢弯存在，为了提高直线的矫直精度，只能通过加长检测弦线的长度才能达到。
而要在现有捣固车的长度上机械的加长钢丝绳的长度，是不现实的的事情。那么能否用一种简单的方法实现弦线的延长呢？设计师想到了用激光束的直线特性实现了这一想法。在D点检测小车上安装一个激光接收器，担任接收距捣固车300—500m激光发射器射来的光束，这条激光束相当于把D点的弦线延长了300—500m。
使用激光矫直法作业时，采用三点法检测，B点固定，D点固定.激光接收器相对D点移动的距离由安装在跟踪机构上的位移传感器测出，按照相似三角形的比例关系计算出移动距离ED对C点矢距的影响值HD，如图3-3所示。
HD与实测的C点矢距叠加即为拨道值，HD的正负由激光接收器移动是向左还是向右的方向确定。
HD=(L2/L2+L3)*ED=KD*ED------(3-7)
根据08-32弦线间的距离得到
HD=(5.185/18.785)*ED=0.328*ED
0.328为D点偏离对C点矢距影响的系数
根据这一比例关系,在电路里安排运算器自动运算完成拨道过程
G
C’ HD ED
B C D
L2 L3
图3-3
四、线路水平检测及起道原理
线路水平包括线路横向水平和纵向水平。纵向水平检测装置和横向水平检测装置同时进行测量，起道量要考虑横向水平和纵向水平的偏差，使起道作业后的线路轨道的前、后左、右都处在同一平面上。符合线路维修规则的要求。通常把这一作业过程称为起道抄平作业。
4．1线路横向水平检测及起道原理
线路横向水平又称轨道左右水平。 人工检测轨道的横向水平通常用道尺，用眼睛观察气泡所在的位置来判断轨道左右水平的偏差。捣固车上检测线路横向水平使用水平传感器（电子摆）。08-32捣固车在D、C、B点检测小车上分别装有电子摆，用来测量起道前、起道中、起道后的轨道横向水平偏差。其中D点的电子摆测量起道前的横向水平偏差，此水平偏差信号输入起道控制电路，与设定的起道量进行比较，其差值通过电液伺服阀控制起道油缸提起轨道，，直到基准股钢轨的提起高度达到设定值时起道停止。C点电子摆测量起道过程中横向水平的偏差，此偏差与理论超高值比较不参与作业，仅供仪表显示，由司机根据仪表显示了解起道状况，若发现横向水平仍有偏差，可通过人工调节电位器，改善起道质量。B点电子摆测量起道后的横向水平的偏差，此偏差也不参与作业，主要是给记录仪提供记录数据用途和给仪表显示用。
水平检测的基准钢轨，在直线地段任一股轨都可以，在曲线上必须要以有超高的一股钢轨为基准，另一股钢轨就以基准轨为基准提起。
圆曲线的外股钢轨要设置一定的超高，其超高值在缓和曲线内顺完，顺坡度不应大于20/00，超高值的输入由GVA自动输入，或者用起道量手动输入器人工输入来实现。
4．2线路纵向水平检测及起道原理
线路纵向水平检测原理与线路方向偏差检测的三点法检测原理相同，只是各测点间的距离和传感器的结构不同。如图4-1在左右两股钢轨上各有一套单弦纵向水平检测装置，我们称抄平传感器。抄平传感器将检测到的纵向轨道高低偏差信号输入起道电路。
探测杆RM间的距离为4.5m,MF间的距离为9.15m,纵向水平偏差残留系数为:
T=(4.5+9.15)/4.5=3.033
如果只依靠捣固车纵向水平检测装置测出的水平偏差进行起道作业,线路纵向水平偏差不能完全消除,仍有近1/3的偏差残留,这种起道抄平作业就称为近似法。为了保证纵向水平的作业精度,实际作业时都采用精确法起道抄平。在捣固车作业前，用仪器测量出线路的纵向水平，每隔5米在轨枕上标注纵向偏差，作业时由前司机室操作人员将标注的偏差用起道量设定输入器依次输入起道电路，则可以完全消除纵向水平偏差。如果在引进时同样引进纵向激光准直系统，可将残留偏差减到最小。或者采用纵向水平绝对测量法，即以固定参照物的水平线为基准可解决起道的精度问题。感兴趣的话，这可以作为今后研究的一个课题。
各传感器介绍
750型滚轮式传感器
一、概要说明
1．主要用途
750型滚轮式传感器是用来测量捣固头的作业深度及拨道弦横向移动位置信号。
2．适用范围
CD08-475型道岔捣固车等大型养路机械。
3．特点
体积小、耐振动、性能稳定、精度高。
4．功能与原理
捣固车工作时带动传感器里面的测量钢丝绳，钢丝绳拽动绳轮，绳轮与小齿轮共轴，小齿轮再与大齿轮啮合，再拖动高精度电位器（精度0.75‰）旋转，输出信号电压，见图一。
5．结构
750型滚轮式传感器的结构紧凑，与其它传感器不同，传感器的测量钢丝绳收放功能全由巻收弹簧来完成，巻收弹簧安装在绳轮内。为防止钢丝绳脱槽，该传感器前面有一钢丝绳导向装置，在工艺上选择合理配合，易松部件涂防松胶，并有密封容器装齿轮电位器等精密核心部件，见图二。
二、主要规格与技术参数
1．使用环境条件（符合捣固车的作业要求）
工作环境温度： -10℃/+40℃
环境相对湿度： ≤70％
能承受风沙、雨、雪等恶劣环境的侵袭。
2．技术规格
全量程： 780mm
测量范围： ±390mm
信号刻度： 23.7mV/mm
线性度： ±0.2%
间隙误差： ＜0.5mm
外电源： ±10V
操作力： 2～10N
三、安装与维护
为了保证传感器的测量精度，在传感器安装时必须把钢丝绳导向装置一起固定，连接牢固可靠，同时钢丝绳必须穿过导向装置前端小孔，保证钢丝绳伸缩灵活。
750型滚轮式传感器在正常作业时不需要额外的维修工作，只需定期清除表面尘土，但由于捣固车工作环境恶劣，加上传感器工作频繁，振动剧烈，如钢丝绳、巻收弹簧、轴承、精密齿轮及电位器等损坏时，则会影响传感器作业精度，这时就要及时更换和维护。
1．钢丝绳
750型滚轮式传感器所用的钢丝绳为：EL-T576.1.35，长度为2340mm，若发现有一股钢
丝绳断裂或折叠时，则必须更换整根钢丝绳。更换时注意将钢丝绳拉力调节2 N～10 N ，保证钢丝绳伸缩灵活。
2．巻收弹簧
卷收弹簧是750型滚轮式传感器关键零件，钢丝绳收放功能全由巻收弹簧来完成，发现钢丝绳拉力不够时就由调节头来调节巻收弹簧工作巻数，如巻收弹簧折断就必须更换。
3．轴承
轴承是750型滚轮式传感器敏感传动零件，轴承状态好坏直接影响传感器作业精度，所以当传感器出现故障时，则要判别装在750型滚轮式传感器内各轴承的状态，如轴承损坏时需及时更换。
4．电位器
750型滚轮式传感器所用的电位器为：EL-T500，线性度±0.075％。电位器是传感器心脏，当传感器掉信息时，首先要检查电位器状态，如发现螺丝、焊点松动，导线断裂及电位器输出无阻值等故障时，则需要及时维修和更换，更换时要对导线做上标记以免极性接错。更换电位器后的传感器必须进行相关技术参数测试，测试合格后才能装车使用。
5．齿轮副
750型滚轮式传感器所用的齿轮为高精度、小模数齿轮。齿轮副由大齿轮和小齿轮组成，齿轮副状态好坏直接影响到传感器线性度及间隙误差等技术参数，所以当传感器线性度及间隙误差超标时，则需要检查齿轮副的状态，如发现螺丝、螺母松动，大小齿轮啮合间隙过大等故障时，则需要及时调整和更换，更换齿轮副后的传感器必须进行相关技术参数测试，测试合格后才能装车使用。
2044型抄平传感器
一、概要说明
1．主要用途
2044型抄平传感器是大型养路机械的专用传感器，用于测量轨道前后的坡度量即纵向高度差。
2．适用范围
08-32型捣固车等大型养路机械。
3．特点
采用高精度电位器及精密加工零部件组成传感器的核心，线性度好，工作性能稳定，精度高。
4．功能与原理
2044型抄平传感器分左右型二种，二种传感器其内部结构相同，但平衡框架安装方向相反。2044型抄平传感器安装在捣固车上部，左右各装一台，互相独立，通过传感器平衡框架上的滑块与捣固车上端张紧钢丝绳联接，随捣固车上端张紧钢丝绳上下运动，拖动抄平传感器平衡框架转动，同时通过同步带和离合器，按一定比例拽动电位器一起转动，输出信号电压，见图十。
5．结构特点
为了克服因振动而引起的颤抖，在平衡框架轴的两端安装了阻尼油盒，油盒内加有粘度很高的硅油及阻尼块。这样当捣固车作业时，安装在捣固车上的传感器不会因为捣固车的急剧振动而使输出电压波动。结构见图十一、图十二、图十三。
二、主要规格与技术参数
1．使用环境条件：（符合捣固车的作业要求）
工作环境温度： -10℃/+40℃
环境相对湿度（贮存环境）： ≤70％
能承受风沙、雨、雪等恶劣环境的侵袭。
2．技术规格
全量程： 120mm
测量范围： ±60mm
信号刻度： 90mV/mm
线性度： ±2%
间隙误差： ＜0.2mm
操作力： ≤1N
外电源： ±10V
三、安装与维护
为了保证传感器的测量精度，要求传感器安装使用时，安装尽量平稳，紧固件连接牢固可靠，并使平衡框架上、下摆动灵活。抄平传感器在正常作业时不需要额外的维修工作，只需定期清除表面尘土，但由于捣固车工作环境恶劣，传感器工作频繁，若发现硅油漏油，同步皮带松动，轴承、离合器及电位器损坏时，则会影响传感器作业精度，这时就要及时更换和维护。若发现传感器因故障而影响工作时，则需要判别故障原因，查找易出故障的零部件，如硅油、防油密封轴承、电位器等零件。
1．硅油
2044型抄平传感器所用的硅油为：201～100000甲基硅油。只要2044型抄平传感器工作正常，无需更换硅油，若发现漏油明显而影响工作时，则需要更换硅油。更换办法：打开阻尼杯盖，慢慢将油倒入阻尼杯内，不断摇动滑杆，使硅油均匀分布，直至全部注满。在常温下放置24小时，使硅油完全渗透，再加至满。
2．轴承
轴承是2044型抄平传感器敏感传动零件，轴承的好坏直接影响传感器作业精度，若发现传感器平衡框架上滑杆上下摆动不灵活，操作力偏大时，则需要及时更换轴承。
3．同步皮带
同步皮带是2044型抄平传感器传动主要零件，若同步皮带松动或损坏时，会影响传感器精度（间隙误差），则需要及时调整或更换，组装时要调节同步皮带张力适中。
4．滑块
滑块材料为尼龙，如发现滑块磨损严重时，则需要及时更换。更换滑块只要把滑杆两端螺母打开，换上新的滑块即可，注意换上时滑杆两端螺母必须上防松胶。
5．电位器
2013型大抄平传感器所用的电位器为：EL-T500，线性度±0.075％。电位器是传感器心脏，当传感器掉信息时，首先要检查电位器状态，如发现螺丝、焊点松动，导线断裂及电位器输出无阻值等故障时，则需要及时维修和更换，更换时要对导线做上标记，以免极性接错。
6．离合器
离合器是由上、下离合器和离合器轴组成的，离合器轴固定在离合器上。它的好坏直接影响传感器线性度及间隙误差等技术参数，如发现离合器轴与下离合器孔配合松动时则及时更换。
注意：2013型大抄平传感器的轴承、同步皮带、离合器和电位器等零件更换后，必须进行相关技术参数测试，测试合格后才能装车使用。
2036型电子摆传感器
一、概要说明
1．主要用途
2036型电子摆传感器是大型养路机械上专用传感器，主要用途检测左右钢轨高度差。在直道上用于测量左右钢轨是否水平，弯道上用于检测超高量。
2．适用范围
08-32型捣固车，09-32型捣固车，WD-320型动力稳定车，08-475型岔道捣固车等大型养路机械。
3．特点
由于2036电子摆分辨率高，工作条件恶劣（振动大、尘土多、温差影响大），不但要求机械加工、放大电路等具备较高精度，而且摆锤间隙H（见2036电子摆工作原理图）补偿塑料套的膨胀、阻尼油的粘度变化三者需要很好的匹配。温度升高时，阻尼油粘度减小，因而摆锤阻尼减小，又由于补偿塑料套受温度升高而膨胀使间隙H减小从而摆锤阻尼增加，最终三者保持平衡。温度降低时，以上三者类似道理而保持平衡状态。所以无论温度上升或下降，只要三者之间匹配合理就能保证摆锤阻尼稳定，确保电子摆信号输出的稳定和精度。
4．功能与原理
电子摆传感器用于检测左右钢轨高度差。在直道上用于测量左右钢轨是否处于同一水平，弯道上用以检测超高量。它的工作原理如图五所示：利用一摆锤，在重力作用下，当钢轨左右有高度差时摆锤偏转一角度，与摆锤共轴的电位器也相应偏转同样角度，于是电位器输出一微小电压，再经过线性放大后作为电子摆输出。图六为2036型电子摆电路图。
5．结构特点
稳定可靠，坚固耐用。对防水，防松，防尘，防漏油等有很高的要求，对某些机械零件表面有特殊工艺处理要求，各零部件配合有很高组装工艺要求。图七为2036型电子摆的结构图。
二、主要规格与技术参数
1．使用环境条件
工作环境温度： -10℃/+40℃
环境相对湿度（贮存环境）： ≤7０％
能承受风沙、雨、雪等恶劣环境的侵袭
2．主要技术参数
全量程： 360mm
测量范围： ±150mm
信号刻度： 25mv/mm
线性度： ±0.3%
间隙误差： ＜1mm
返摆时间： 0.9～1.2S
外电源： ±15V
三、安装维护
1．电路板

在2036电子摆中有一块信号调节电路板，该板主要有调零、调节左右超高的放大量、提供±10V基准电源三个功能作用。
电位器P1用来调零，P2、P3分别用来调节左、右超高的放大量。
2．硅油
2036电子摆所用的硅油为：201-5000甲基硅油。只要电子摆工作正常无需更换硅油，为保持电子摆工作稳定，必须保持硅油的清洁。一般每二年更换一次硅油，如有污物或水汽渗入，则必须更换硅油。更换硅油办法：
① 在电子摆底部有一放油孔，缷下放油孔塞，让硅油缓慢流出，时间约3小时。
② 缷电子摆罩盖。
③ 清洗旧油和杂物，以确保所有零件清洁和干燥。
④ 加硅油，数量0.25升，并摆动摆锤使硅油均匀分布整个摆锤阻尼面上。
⑤ 重新组装。
3．电位器
2036型电子摆所用的电位器为：EL-T595A，线性度±0.05％。电位器是传感器心脏，当传感器掉信息时，首先要检查电位器状态，如发现螺丝、焊点松动，导线断裂及电位器输出无阻值等故障时，则需要及时维修和更换。更换时要对导线做上标记，以免极性接错。更换电位器后的传感器必须进行相关技术参数测试，测试合格后才能装车使用。
课堂小结： 加强学员对电机械车测量系统的理解。

课后作业或
思考题
1、 捣固车三点法拨道的工作原理？
2、 线路横向水平检测及起道原理？
3、 750型滚轮式传感器的特点是什么？