运用惯性法测量波磨的实践及应用

刘畅

(朔黄铁路公司线路检测和救援中心,河北肃宁　062350)

运用惯性法测量波磨的实践及应用

刘畅

(朔黄铁路公司线路检测和救援中心,河北肃宁062350)

基于当前检测方法,弦测法的传递函数不恒等于1,不能正确反应轨道的不平顺性,惯性基准法受速度影响较大,低速时加速度信号比较微弱,信燥比低,要做积分运算,且低频信号容易引起积分饱和,考虑积分稳定性问题,误差较大。因此当前检测方法还有许多不足之处。随着光电技术的发展,在弦测法和惯性基准法基础上需开发一种采用光电位移计或光电摄像技术获得位移信号的检测方式,检测精度会大大提高。本文在朔黄铁路应用波磨检测系统基础上,指导钢轨铣磨,探索铣磨周期。

波磨RMS值铣磨

波磨是出现于铁路线路钢轨顶面呈波浪型的磨耗，轨面光带忽明忽暗。它有波长和谷深两种属性。波长是相邻的两波峰之间的纵向距离，谷深是相邻的波峰与波谷间的垂直距离。

1　钢轨波磨对列车运行的影响

1.1增加工务部门的维修费用,破坏轨道

(1)加速石砟粉碎。当轨道受垂向作用力加大后，石砟受挤压，换砟及补砟工作增多。

(2)空吊、泛白接头、翻浆冒泥的增多。接头空吊会使白色底砟翻到轨道表面，是空吊的典型特征，长期空吊加上自然灾害的影响会使轨道形成翻浆冒泥。(3)枕木裂纹、失效增多。在波磨地段，波峰对枕木载荷和垂向作用力加大，对轨道压溃增加，多处枕木会形成裂纹、甚至失效。

1.2其他影响

(1)轮轨粘着不良。机车司机在波磨轨地段为确保行车安全，要减速行驶。由于波磨轨轨面不平顺，导致轮轨粘着不良，增大了列车的运行阻力，增加了动力损耗。(2)机车零部件修换率增高。由于列车通过波磨区段振动加剧，机车车辆零部件也受损，造成松动、断裂，增加了机车检修的工作量，带来不必要的经济损失。(3)脱轨。波磨严重地段，列车通过波峰时，列车冲击力增大，而通过波谷时受力减小，列车的瞬间减载，容易引起脱轨。

2　组成及功能

波磨检测系统由软件和硬件两部分组成，硬件主要包括左右轴箱加速度计、实时采集计算机、前置预处理装置、波磨波形机等。软件主要包括钢轨波磨实时检测软件、数据接收软件、超限编辑和报表生成软件以及波形分析软件。

2.1系统各部件功能

(1)轴箱加速度计。轴箱加速度计安装在检测车2号车1轴轴头左右两侧，是原始触发信号的主要来源，是一种能够测量加速力的电子设备，它能感受加速度并将其转换成可用输出信号。实际生活当中，利用加速度计可以用来分析发动机的振动，还可以用于地震检波器的设计和监测高压导线舞动。

(2)前置预处理装置。前置预处理装置由±15V和±5V集成一体化稳压电源、左(L)右(R)加速度处理板组成。前面板设有调试和检测孔，可在此监视各路传感器的原始信号及经过处理板进入A/D采集板的信号。左(L)右(R)加速度信号处理板分别对左右加速度信号进行预处理，包括调零点、调增益、抗混叠滤波等。

表1　曲线下股波磨RMS均值排序

表2　钢轨铣磨作业地段波磨发展情况统计

(3)波磨实时处理计算机。波磨实时处理计算机是波磨系统的核心和大脑，在波磨实时处理平台下实现对原始加速度信号的等距离采用、显示、存储，同时通过数字处理、积分滤波等技术，计算钢轨顶面相对于轴箱的位移，输出钢轨波磨幅值。开启工控机后需在该界面正确设置检测信息。

实时处理界面在采集前应正确设置检测线路、方向、起始里程、状态，界面自上至下共显示3组波形，依次为波磨峰值波形图、波磨RMS值波形、原始触发信号波形，并将数据实时传递给波形机。

(4)波磨波形机。波磨波形机位于车内波磨实时处理计算机下方，主要功能是数据存储和波形显示，并能对波形进行历史数据对比、实时输出超限报表，可对数据进行编辑、统计、打印。

(5)超限报表包含超限位置、类型、峰值大小、长度、等级、速度、检测标准。

(6)波形图包含实时检测速度和里程、左右股原始触发信号、左右股原始值波形、左右股RMS值波形，浏览波形图可以纵观轨面波动情况及趋势，点击缩放功能，放大波形图，点击测量，可以获取任意点的波磨原始峰值、任意区段波磨的均方根值，还可以通过波形历史数据对比，预见病害发展趋势，指导钢轨维护和评价轨道维护质量。

2.2检测原理

钢轨波浪磨耗检测系统是一个对钢轨顶面波浪磨耗进行动态在线检测的系统。它采用惯性基准法，在QNX实时操作系统平台下实现对原始加速度信号的等距离采样、显示和存储，由计算机对原始触发信号进行二次积分和滤波处理，计算出钢轨顶面相对于轴箱的位移，从而得到波磨幅值。

2.3实践及应用

(1)利用RMS值指导钢轨打磨。波磨采集每米采集100个点的波磨峰值，当前月报中幅值为波磨RMS值，RMS值为一个均方根值，每5米为一个计算单元，每米中每间隔0.25m计算出4个rms值，也叫滑动平均值例如k62+100.00的rms值为该点前2.5米和该点后2.5米内共500个点的均方根值。即，通过这种算法来反映该区段钢轨表面的波动情况，rms值越大，说明钢轨表面波动越大。

因为波磨病害主要发生在曲线下股，当前波磨检测系统指导钢轨打磨，主要依靠曲线下股RMS均值进行降序排列，从而制定铣磨或打磨计划(如表1所示）。

(2)评价轨道维护质量。不论是铣磨作业还是打磨作业，利用波磨检测系统可以利用波形图对施工前后的作业质量进行评价。利用波形图的缩放及测量功能，可以读取具体数值，灰色波形代表铣磨前轨面波磨幅值，蓝色波形代表铣磨后波磨幅值，通过对比发现铣磨后波磨幅值明显下降。

(3)建立波磨观测台账。波磨为轨面主要病害，为了探索线路打磨(铣磨)周期，研究重载铁路延长钢轨使用寿命的综合技术措施，因此需要现场验证来研究综合技术措施的有效性和实用性。基于此，我们采取对铣磨地段建立观测台账的方式，来探究打磨(铣磨)周期。如表2所示。

如表2中，4月代表铣磨前波磨情况，5、6、7、8、9月代表铣磨后波磨的发展情况，明显看出，铣磨后较铣磨前波磨明显下降，随着时间推移波磨幅值逐月上升。通过追踪观察，当波磨幅值与铣磨前相等时，即得到铣磨周期。

3　结语

基于当前检测方法，弦测法的传递函数不恒等于1，不能正确反应轨道的不平顺性，惯性基准法受速度影响较大，低速时加速度信号比较微弱，信燥比低，要做积分运算，且低频信号容易引起积分饱和，考虑积分稳定性问题，误差较大。因此当前检测方法还有许多不足之处。

随着光电技术的发展，在弦测法和惯性基准法基础上需开发一种采用光电位移计或光电摄像技术获得位移信号的检测方式，检测精度会大大提高。