实现轨距水平直接测量的轨检小车新结构研究

罗丽萍，卢 俊，朱洪涛，，林晓峰，钱计妙

(1.南昌大学机电工程学院,南昌 330031；2.江西日月明铁道设备开发有限公司,南昌 330029)

实现轨距水平直接测量的轨检小车新结构研究

罗丽萍1，卢 俊1，朱洪涛1，2，林晓峰1，钱计妙2

(1.南昌大学机电工程学院,南昌 330031；2.江西日月明铁道设备开发有限公司,南昌 330029)

国内外常用于检测轨道几何参数的”T”形结构轨检小车在线路曲线段走行时，存在因结构原因而产生的假轨距、假水平问题，其原理性误差可达10-1mm量级。相对于轨检小车行业标准规定的轨距、水平测量允差+0.3～+0.5mm而言，该误差不可忽略，故控制与消除该误差的影响已成为新修订的轨检小车计量检定规程的新增项目。基于此，设计一种”工”形结构的轨检小车，该结构直接测量左右轨作用边，故其因结构因素造成的轨距、水平原理性误差仅为10-4mm到10-5mm量级，可显著提高轨距、水平测量精度。

轨检仪；轨道检测；轨距；水平；传感器

随着我国铁路运输朝着高速、重载、大密度方向的发展,对严重影响行车安全的轨道平顺性的检测与控制越来越重视和精细,在这种背景下高精度的数字化轨道检测设备得到了广泛的使用［1-2]。轨距和水平(超高)是表征轨道平顺性的2个最基本的指标,当其存在较大的偏差时有可能引起列车的振动,以致脱轨［3-4],因此,无论是以检测轨道内部几何状态为主要目的轨道检查仪,还是以检测轨道外部几何状态检测为主要目的的轨道测量仪,都把轨距和水平(超高)检测项目放在了最显著的位置上［5-6]。

轨道检查仪和轨道测量仪的外观基本相似,可通称为轨检小车。目前国内常见的轨检小车都不约而同地采用了“T”形结构,其主要目的是在维持小车沿轨道走行姿态的同时,简化结构、减轻质量、提高便携性,但“T”形结构隐含着一个达0.1 mm以上的原理性误差［7-8],即假轨距、假水平问题。相对于轨道检查仪、轨道测量仪轨距、水平检测项目测量允差+0.3 mm［9]而言,假轨距导致的误差不能忽略,必须在测量时采用软件或硬件的方法对其进行适当的补偿［10]。这一方面会增加轨检小车的软硬件复杂度,同时也不可避免地会带来一定的新误差。

本文提出一种轨检小车“工”形新结构,能实现对轨距、水平的直接测量,从结构防止假轨距、假水平问题的产生。采用“工”形结构的轨道检查仪、轨道测量仪不仅适用于正线轨道,还能适应道岔等复杂线形。

1 ”工”形结构的轨检小车机械结构设计

1.1 ”T”形结构轨检小车假轨距、假水平问题的产生

“T”形结构的轨检小车由侧臂梁和主梁组成,轨距传感器和水平传感器安装于主梁中。由于T形轨检小车的主梁一端直接与钢轨工作边接触,而另一端是通过侧臂与钢轨另侧工作边接触,单从结构上考虑,当在直线段走行时,轨距传感器测得值为轨距的真实值；当为曲线段走行时,侧臂梁在钢轨上变成了钢轨的一条弦,主梁的一端在此弦的中点上,由于轨距传感器所测得的轨距值为主梁两端的距离而非钢轨两作用边的距离,因此轨距传感器所测得的轨距值存在较大的误差,该差值即为假轨距。如图1所示,当轨检小车在曲线段走行时,轨距传感器所测得的轨距值为D,而真实的轨距值为测量轨距与假轨距之差,取曲率半径最小值R=300 m时,现有产品中“T”形轨检小车侧臂梁长度L=750 mm,取实际轨距为标准轨距1 450 mm。轨距误差分析有

式中,R为线路曲率半径,mm；X为假轨距值, mm；L*为侧臂梁长度,mm。

代入数据有:X=0.23 mm。

图1 “T”形结构轨距小车轨距误差分析

水平值的测量由式(2)得到,与测量所得的轨距值、水平传感器所测的角度有关。

水平误差为

式中,el为水平误差值,mm；L1为轨检小车测量所得的轨距,mm；L为钢轨真实轨距,mm；θ为倾角传感器所测的水平角,°。

根据经验,倾角θ所达到的角度最大值为7°。el≤0.028 mm。

通过理论推理,“T”形轨检小车轨距误差达到了0.1 mm以上,水平误差达到了0.01 mm以上,即假轨距、假水平问题,实际操作中,必须采取相应的软件或硬件进行补偿。同理,“H”形轨检小车虽可显著减小原理性误差,但由于其依然不是直接测量左右轨作用边的距离,其轨距、水平测量仍是有偏的。

1.2 总体设计

“工”形结构的轨检小车机械结构主要由前主梁、后主梁、中间回转机构3部分组成。前、后主梁主体结构基本相同,均包含中心体和左、右对称的翼梁等部分。前主梁横跨左右轨,且两端通过走行轮与导向轮分别与钢轨踏面及作用边接触,主要用于安装轨距、水平传感器等检测元件与机构；中间回转机构用于实现前、后主梁的联接并起到维持轨检小车姿态的作用,后主梁外形和前主梁相同,主要用于安装电路及起到维持轨检小车姿态作用,如图2所示。

图2 “工”形结构轨检小车总体结构

1.3 轨距、水平检测与传感器安装

“工”形结构的轨检小车主梁的左、右翼梁在内置弹簧的作用下,各自轮系分别与轨道左、右轨保持密贴。左、右走行轮同时也是水平测量轮,其下母线所决定的主梁水平姿态直接反映了钢轨踏面的水平状态,水平传感器安装于主梁的中间体中,可实现真水平的测量；左、右导向轮同时也是轨距测量轮,其外侧母线决定的主梁左、右翼梁之间的相对位置变化即反映了轨道轨距的变化,安装于左翼梁上的位移传感器测头顶在右翼梁的测量探杆上,由于左右导向轮在同一横断面内接触两侧钢轨的作用边,故可实现真轨距的测量。轨距传感器安装如图3所示。

2 ”工”形结构的轨检小车轨距、水平误差分析

2.1 轨距、水平定义

图3 轨距传感器安装

轨检小车所指轨距,系指钢轨踏面下方16 mm处左右两股钢轨内侧作用边之间的最小距离。我国铁路直线轨距标准规定为1 435 mm,称为标准轨距。轨距偏差过大,会使车轮掉道和卡轨,即使轨距尚未扩大到会使车轮掉道的程度,如果车轮锥形踏面的大坡度段已进入轨顶内侧圆弧内,依然会在轮轨间产生较大的横向推力［11- 12]。

轨检小车所指水平,系指铁路两钢轨面中心线之间的竖直面内高差,如图4所示。水平(超高)不平顺可能导致列车脱轨或者倾覆等危险［11- 12]。

图4 超高分析示意

2.2 轨距、水平测量原理

当轨检小车走行时,如果钢轨的轨距发生变化,如上述所示,导向轮是紧贴钢轨踏面下方16 mm处,轨距传感器直接测量出钢轨的轨距变化值。轨距传感器测得的值X,钢轨的轨距值L为“工”形结构的轨检小车的设计轨距值L0与传感器测量值X之和。

式中,L为钢轨轨距真实值,mm；L0为轨检小车设计轨距基准值,mm；X为轨距传感器测得值,mm。

当两钢轨不在同一水平位置时,倾角传感器就会显示两钢轨表面中心线与水平线的夹角值。因为水平值为两钢轨面中心线之间在竖直面内高差。因此,水平值d为钢轨的轨距值L与倾角θ的正弦值的乘积。

式中,d为水平值,mm；L为钢轨轨距值,mm；θ为倾角传感器所测的夹角,(°)。

2.3 “工”形结构的轨检小车轨距、水平误差分析2.3.1 轨距误差分析

“工”形结构的轨检小车因轨距测量轮、水平测量轮均直接与被测钢轨密贴,从结构上消除了假轨距和假水平问题对轨距、水平测量精度的影响。直线段测量时,轨检小车大梁与轨道处于垂直状态,但在曲线段检测时,这种垂直关系因前、后主梁之间的距离差而发生了细微的变化,将导致一项与曲率半径相关的原理性误差的产生,如图5所示。

如图5所示,前主梁真实轨距L与测量轨距L1之间存在夹角a,则

图5 “工”形结构轨检小车轨距误差分析

式中,a为前主梁接触点的钢轨内法线与前主梁的夹角,(°)；D为前主梁和后主梁中心线间的距离, mm；R为线路曲率半径,mm。

由于R远大于L

式中,L为钢轨真实轨距,mm；L1为轨检小车测量轨距,mm；a为曲率半径与前主梁的夹角,(°)。

轨距误差eg为

联立(5)～(8)式,则轨距误差

从(8)式可知,影响轨距误差e的因素主要是轨检小车前后主梁之间的中线距离D、轨距值L、线路的曲率半径R等。由于D、L远小于R,且变化较小,它们对误差产生的影响较小。轨检小车的误差主要由曲率半径R决定。取D=500 mm,轨距值取标准轨距值L=1 435 mm,通过分析不同的线路的曲率半径得出相应轨距理论误差,见表1。

表1 小车姿态引入的轨距系统误差

根据《中华人民共和国铁路技术管理规程》,通常普通铁轨最小曲率半径是R=300 m。从上述表中可以得知:当曲率半径不小于300 m时,“工”形结构的轨检小车检测轨距的原理性误差不大于4.98×10-4mm,且随曲率半径的加大而减小。

2.3.2 水平误差分析

水平值的测量由公式(2)可知,与测量所得的轨距值、水平传感器所测的角度有关。

水平误差为

由轨距误差分析可知,轨距误差不大于4.98× 10-4mm,根据经验,倾角θ所达到的角度最大值为7°。可计算出水平误差e1不大于6.069×10-5mm。

由于“工”形结构的轨检小车因线路曲率半径产生的轨距、水平原理性误差分别为10-4、10-5mm量级,相对于当前轨检产品的轨距、水平项目测量允差而言,完全可以忽略不计。

3 结语

针对目前轨道检查仪、轨道测量仪多采用“T”形结构的轨检小车结构所存在的假轨距、假水平问题及其补偿所带来的系统复杂度提高、测量误差加大的情况,本文设计了一种“工”形轨检小车结构,计算结果表明,在曲率半径不小于300 m的情况下,其轨距、水平测量的原理性误差分别为10-4、10-5mm量级,相对于当前最高精度等级的轨检产品轨距、水平测量项目允差+0.3 mm而言,该原理性误差完全可以忽略不计。因此,“工”形结构的轨检小车是一种实用的对轨距、水平直接测量的结构,适用于轨道检查仪、轨道测量仪等轨检产品结构的升级换代。

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Research on a New Structure of Track InsPection Instrument That Can Directly Measure Rail Gauge and Level

LUO Li-ping1,LU Jun1,ZHU Hong-tao1,2,LIN Xiao-feng1,QIAN Ji-miao2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China；2.Jiangxi Everbright Railway Equipment Development Co.,Ltd.,Nanchang 330029,China)

There are problems of false rail gauge and level measurement values when inspecting track geometry parameters along curved railway line by using T-shaped track inspection instrument which is widely used in domestic and abroad.It is the structure itself of this kind of instrument that results in the error.This principle error may reach up to 10-1mm；then compared with the rail gauge and level measurement's permissible error values of+0.3 to+0.5mm which are stipulated in industry standard code,this error should not be neglected.So controlling and eliminating the influence of this error has become a new subject in newly revised measurement verification standard code of track inspection instrument.For this reason,this research developed an H-shaped track inspection instrument.With this new instrument,the action edges of both the left and right rails can directly be measured,so the principle error on rail gauge and level measurement caused by structure itself of the new instrument is only 10-4mm to 10-5mm；therefore the measurement accuracy of rail gauge and level can be significantly improved.

track inspection instrument；track inspection；rail gauge；rail level；sensor

U216.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.008

1004-2954(2014)07-0035-03

2013-09-07；

2013-11-12

江西省科技支撑项目(工业领域)(20112BBE50040；20132BBE50036)

罗丽萍(1956―),女,教授,硕士生导师,E-mail:xlp830@ 163.com。