弦測法原理及其在軌道檢測中的應用分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23847弦測法原理及其在軌道檢測中的應用分析案例 1135421.1弦測法原理 1288661.2弦測法檢測 120721.3鋼軌波浪型磨耗測試裝置 4258001.4小結 71.1弦測法原理在傳感器中有張拉緊的鋼繩，當傳感器受到外力作用時，管柱的內應力發(fā)生變化。隨著管柱內應力的變化，其固有振動頻率也相應變化。弦的張力越大，固有振動頻率越高。因此，利用固有振動頻率隨鋼弦張力（應力）的不同而相應變化的原理，從測得的頻率變化可以看出壓力傳感器膜上壓力的變化。關系式為：P=K((5-1)1.2弦測法檢測在檢測實際鋼軌波紋時，由于檢測設備直接或間接的放置在鋼軌上，需要沿鋼軌移動，因此可以得到連續(xù)的鋼軌不平順曲線。因此，在檢測過程中，檢測設備會受到機械振動和鋼軌起伏的影響，導致檢測基準線的變化，難以恢復鋼軌的不平順。為此，引入弦測量法來解決檢測參考線不穩(wěn)定的問題。下面簡要介紹和弦測量的基本理論——三點部分和弦法的原理。如圖5-1所示，三個位移傳感器S1、S2和S3分別安裝在檢測機構的同一平面上。S1和S2的安裝距離為a，S2和S3的安裝距離為B，l為a和B之和（單位：mm）。以軌道表面S1和S3激光傳感器的激光投影點AC，其中作為檢測的“參考線”，以軌道表面S2的激光投影點B偏離該弦的距離BD作為軌道不平順（當前測弦）的檢測值。測量值BD可通過以下公式計算。圖5-1三點偏弦法因為BD=B又因為OOBE≈BD(5-3)所以BD=BE=BO(5-4)式中:A'A為傳感器S1當前檢測值;B'B為傳感器S2當前檢測值;C'C為傳感器S3當前檢測值;BO2為激光投射點B偏離實際基準線的數值。(數值單位均為mm)將鋼軌不平順的實際值BO2在X坐標方向上變化的函數用M(x)表示。將弦測值BD在X坐標方向上變化的函數用y(x)表示。則可得出下式:yx(5-5)將公式5-4進行傅里葉變換，可得：y（5-6）設H（5-7）則y（5-8）式中：H（w）是y（x）和M（x）之間的傳遞函數；I是傅里葉變換的虛單位；w是頻率變量。實際參考線為理想狀態(tài)下的軌道完全平順狀態(tài)（x軸列車前進方向為正，x軸前進方向為被測鋼軌沿軌道方向的位移距離），即軌道不平順的實際值M（x）。由式（5-8）可知，鋼軌不平順的實際值M（x）可由實測值y（x）求得。根據波浪磨耗列車的技術要求，鋼軌波浪磨耗檢測裝置應能檢測出30-1000mm范圍內的鋼軌波浪磨耗。根據傳遞函數H（W）的幅頻和相頻特性，傳遞函數中的變量a可以設置為30mm，變量B可以設置為300mm，即，鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)三點位移傳感器的安裝距離分別設置為30mm和300mm，弦長比為1∶10.根據上述傳遞函數，仿真結果表明該算法能夠準確恢復波長λ它是30-1000mm范圍內的鋼軌波浪磨損曲線。選擇合適的傳遞函數和弦長比對恢復精度有很大影響。30mm≤λ≤1000mm時傳遞函數幅/相頻特性如圖5-2所示。圖5-2傳遞函數的幅/相頻率特性1.3鋼軌波浪型磨耗測試裝置隨著我國提速和高速鐵路的快速發(fā)展，線路條件對列車運行的影響越來越集中在兩個方面：長波不平順影響列車運行的舒適性；長波不平順影響列車運行的舒適性；短波不平順對列車運行部分的影響更為嚴重。鋼軌波紋和表面磨損是鋼軌短波不平順的主要表現形式。嚴重時，不僅會加劇車輛傳動裝置的振動，還會影響行車安全。列車的這種反應反過來又加劇了線路狀態(tài)的惡化。近年來，我國新引進的鋼軌檢測技術之一是意大利tecnogamma公司的瓦楞測量裝置。以往的波磨測量裝置有所不同，它是通過弦測量和激光位移測量來實現的。現已安裝在檢測中心時速200公里的軌道檢測車上。利用弦測量原理實現鋼軌波紋檢測。該系統(tǒng)采用三個光電位移計測量三個不等弦點。如圖5-3所示，其中數字1為第一測量點，數字2為第二測量點，數字3為第三測量點.。圖5-3波浪磨耗檢測系統(tǒng)測量示意圖根據弦測法檢測原理，鋼軌每側需要配備三點激光位移傳感器，因此鋼軌每一次安裝3個激光傳感器。系統(tǒng)采用非接觸式激光位移傳感器。采用三角形法檢測電流位移，檢測精度可達0.02mm。此外，該傳感器還可以接收外部觸發(fā)信號，并在觸發(fā)時刻進行檢測。該傳感器具有內置的A/D轉換功能，可以將檢測結果轉換成數字信號，并通過控制器局域網（can）總線接口上傳。通過計算機的智能處理，在儀器上可以顯示有關鋼軌的各種實時數據，再通過大數據分析等方式對鋼軌的相關值進行精準計算，從根本上代替了早期的人工計算方式。這種方式更加得簡單、快速。鋼軌波磨檢測裝置主要由激光位移傳感器、采樣觸發(fā)控制單元和嵌入式中央控制器組成。其檢測裝置一般跟隨檢測車一起運行，一般安裝在機車車輛的下方，有時也會安裝在機車的轉向架上。通過機車上有脈沖發(fā)生器的轉子轉動，列車在鋼軌的行駛，可以通過接收器同步對軌道波磨狀況進行及時地檢測根據儀器上所顯示的相關數據，通過計算不難得出有關檢測過程中軌道的幾何偏差，從而對軌道作出相應調整。為了在30mm～3000mm的測量范圍內獲得最佳的波長測量效果，根據傳遞函數將三個測量點按一定距離布置。具體來說：第一和第二測量點之間的距離為19mm，稱為弦。第一和第三測量點之間的距離為250mm，這是基準。采用三個光電位移計組成三點不等弦測量傳感器，安裝在轉向架上，使系統(tǒng)本身只受第一彈簧懸掛的影響。這種裝置在水平和垂直方向上都能獲得最佳的檢測效果。檢測系統(tǒng)可以檢測波長范圍為10毫米到3000毫米的波紋，圖5-4是其傳遞函數。圖5-410mm～3000mm波長的傳達函數嵌入式中央控制器采用PCI擴展的PXI總線結構，主要包括中央處理器板、can總線接口板和I/O接口板。實時系統(tǒng)集成（RTSI）信號可以通過PXI總線在板間傳送，解決了數據的實時獲取。脈沖發(fā)生器發(fā)出的信號經由I/O接口板進行數據收集與分析。I/O接口板通過在小車上的脈沖發(fā)生器，實時獲取波磨檢測裝置的采樣時間，同時外部輸出接口向激光位移傳感器發(fā)送檢測觸發(fā)信號，并通過內部PXI總線向CAN總線接口板發(fā)送RTSI信號，通知CAN總線接口板準備隨時接收傳感器發(fā)送的有關鋼軌檢測數據。CAN總線接口板負責接收激光位移傳感器發(fā)送的鋼軌檢測數據。接口板由兩個獨立的can總線接口組成，分別與鋼軌一側的三個位移傳感器相連。利用I/O接口板傳輸的RTSI信號，CAN總線接口板可以對每個觸發(fā)時刻的測試數據進行封裝。CPU控制板包括CPU、內存、硬盤等基本計算機部件，完成對測試數據的操作和存儲。其中鋼軌檢測系統(tǒng)如圖5-5所示。圖5-5波浪磨耗檢測系統(tǒng)