轨检仪轨距测量误差的温度影响与补偿

朱洪涛，王 昆，王志勇

(南昌大学机电工程学院，南昌 330031)

轨道检查仪(以下称轨检仪)是既有线平顺性静态检测的专用仪器［1］。作为一种高精度的轨道几何参数检测仪，得到了各铁路局的广泛使用。其能够检测到的轨道几何参数包括:轨距，里程，水平，轨向及高低。轨距是指钢轨头部踏面下16 mm处［2］，两股钢轨工作边之间的距离。轨检仪分为0级、1级两个准确度等级，0级轨检仪用于测量线路允许速度不大于350 km/h的铁路，其轨距的测量误差要求在0.3 mm以内，1级轨检仪用于线路允许速度不大于200 km/h的普通铁路，其轨距的测量误差要求在0.5 mm以内［3］。

由于轨检仪的现场测量条件较差，误差传递复杂，影响轨距测量的因素很多，其中温度变化对测量精度的影响尤为显著，特别的当现场温度与轨距传感器的标定时温度相差很大的情况下，测量误差更加明显，通常这类问题的解决办法有2种［4］:一种是严格控制现场的测量温度，使其保持轨检仪标定时候的温度;二是根据现场测量温度与轨距传感器标定温度的温差进行温度补偿。由于第一种方法需要高精度的测量环境，经济代价过高，难以实现。而采用温差补偿方法只需要在上位机软件上进行修正即可，方法简单可行，而温补因子的准确设定是轨检仪在温度环境变化的情况下准确测量的保障。温补因子是指测量时候环境温度与轨距传感器标定时候环境温度相差1℃所需要进行的测量补偿量。

现行的轨检仪在轨距测量当中尚无对温补因子进行准确的实验及相关计算，制定准确的温补因子可以提高轨检仪的轨距测量准确性及稳定性。

1 温补因子实验分析计算

轨检仪主要由侧臂及大梁两部分组成，主要的传感器及电路板都安装在大梁结构当中，轨距测量采用了直线位移传感器，是一种将直线位移转化为电信号的装置，固定在轨检仪的大梁一端，通过运行过程中传感器位移的变化量测量轨距［5］，上位机显示数据为轨距值与标准轨距1 435 mm的差值，工作过程中大梁始终与轨道踏面16 mm处保持接触，能够实时测量轨距，其测量结构如图1所示。

图1 轨检仪测量简图

轨检仪在使用前都需要对各传感器进行标定，主要用来提高轨检仪的测量准确度［6］。标定温度与测量温度的温差将会给轨距测量带来影响，选取2台合格的0级轨检仪产品分别在不同的温度下进行标定，标定后将轨检仪降温然后置于室内环境温度恒定的标定器上，记录轨检仪升温至环境温度时轨距测量数据，得到表1数据。

通过对2台不同标定温度下轨检仪的轨距测量数据分析，可以发现轨距测量值都是随着温度的上升而减小的，这是符合温度对轨距测量的影响变化规律的，测量最大误差达到了0.2 mm，这是不符合轨检仪要求的。当温度回到标定温度时，轨距示值接近0，传感器零点存在小范围的漂移是传感器参数决定的，在可接受范围内［7］。利用最小二乘法对数据进行进一步拟合分析，轨距测量数据与温度变化之间存在线性关系，而且2台轨检仪的线性程度一致，如图2所示。

表1 未做补偿轨距偏差

图2 实验结果分析

拟合后的两条直线分别为

(1)式和(2)式斜率相当，也就意味着温度变化1℃，轨距测量的变化量一致，截距不同是因为标定温度的不同而引起的，由此设定实验温补因子

式中，k1，k2为前两条直线斜率绝对值。

2 温补因子理论计算

对物体长度而言，当只存在简单的热变形误差，而没有弯曲、扭曲等复杂变形时，由于温度对20℃有偏差而产生的尺寸变化通常可以用下式表示［8］

式中 Δl——尺寸变化;

L——物体尺寸;

α——物体线性膨胀系数;

t——物体温度。

当测量件和量具的温度对20℃都有温差时，温度所引起的测量误差为两者的尺寸变化之差，即有如下计算公式［9］

式中 Δl——测量尺寸变化;

L——测量件尺寸;

α1、α2——分别为量具、测量件材料的线性膨胀系数;

t1、t2——分别为量具、测量件的温度。

由于测量件为标定器，其一直处于环境室温为16.5℃当中，有效测量长度为1 435 mm，材料为铸铁，轨检仪处于标定器上的测量长度为1 435 mm，轨检仪大梁使用的材料主要为铝合金及45号钢，其温度逐渐上升至室内环境温度。轨检仪与标定器组成的测量尺寸链如图3所示。

图3 轨距测量尺寸链(单位:mm)

图3中①为标定器长度为1 435 mm，②、③、④组成轨检仪大梁，其中②为45号钢，③为轨距传感器，④为铝合金。热膨胀系数是指物质在热胀冷缩效应作用之下，几何特性随着温度的变化而发生变化的规律性系数，各材料的膨胀系数如表2所示［10］。

表2 各材料膨胀系数 10－6/℃

查阅轨距传感器型号［7］及参数可知传感器本身的膨胀系数非常小，几乎为0，在此忽略不计，由此计算出轨距测量误差

代入相关尺寸及系数可得

上式中的斜率为－0.025 2，与实验结果相当，截距的不同是由标定温度的不同引起的。实验及理论结果计算表明，温度上升1℃，轨距测量减小0.025 mm左右。因此设定轨检仪轨距测量的温度补偿因子为

假设轨检仪的标定温度为tb，通常标定之后软件都自动认为该温度下的零点和增益是标准值，测量的时候环境温度为tc，轨检仪只由于自身膨胀变化造成的轨距测量误差，需要增加的补偿量为

按照铁道部门对轨检仪设计的最新要求［1］，轨检仪的标定需要在环境温度为20℃时进行，因此，此时的误差补偿量则变得更加简单

3 增加温补因子实验结果

根据设定的温补因子k，对轨检仪的轨距测量进行了温度补偿，两台合格样机的标定温度与之前的实验标定温度一致，置于标定器上进行测量，得到如图4所示的轨距随温度变化误差曲线。

图4 温度补偿后误差

根据实验结果可以计算出2台轨检仪轨距测量平均值和均方差分别为［11］

实验结果表明，2台轨检仪的最大测量误差都在0.03 mm以内，平均值均在0.004 mm以内，均方差均在0.02以内，温度补偿效果明显，较没有做温度补偿的实验结果有了很大的改善，明显减少了温度变化带来的测量误差，提高了测量准确性。

4 结语

大尺寸量具的测量误差受温度变化较为明显，这一特点在轨检仪上体现得更加突出，通过实验验证了温度变化对轨检仪的测量误差的影响，当测量时环境温度与轨检仪标定时环境温度相差很大时，误差更加明显，并从实验和理论上分析计算了温度变化对测量的影响程度，两者结果基本一致，由此设定了轨距的温补因子，实验结果表明，温度补偿提高了轨距测量的准确性，使其不再受标定温度与测量温度的温差影响，大大改善了轨检仪的轨距测量稳定性。

［1］中华人民共和国铁道部.TB/T3147—2001 铁路轨道检查仪［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10621—2009 高速铁路设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［3］中华人民共和国铁道部.铁运［2006］146号 铁路线路修理规则［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［4］程真英，陈晓怀，唐燕杰.大尺寸测量的温度误差修正的不确定度分析［J］.工业计量，2004，14(2):46-48.

［5］王仲楠.铁路轨道主要静态参数测量技术中的关键问题研究［D］.中国优秀硕士学位论文全文数据库，2010.

［6］张标.GJY-T-4型轨道检查仪常见问题的分析与处理［J］.上海铁道科技，2009(2):115-116.

［7］科宇传感器全系列产品手册［DB/OI］.www.hfkycg.com，2012.

［8］郭宪臣.温度对长度计量的影响［J］.工业计量，1997(3):30-31.

［9］李慧鹏.大尺寸工件测量中的温度误差修正［J］.航天制造技术，2006，4(2):38-41.

［10］丁鸿章.工程金属材料线膨胀系数的计算［J］.浙江工业大学学报，2000，28(2):358-366.

［11］谢少锋，代大山.测量系统分析及其动态不确定度研究［J］.电子质量，2003，5(2):26-28.