深圳地铁轨检车检测系统的研制

第26卷,第5期 中国铁道科学Vol 126No 15　2005年9月 CHINA RA IL WA Y SCIENCESeptember ,2005　文章编号:100124632(2005)0520140204・成果简报・深圳地铁轨检车检测系统的研制柴东明,魏世斌,刘玲平,夏亮光,杨爱红(铁道科学研究院基础设施检测研究所,北京　100081) 摘　要:采用构架与轴箱间的侧滚和垂向位移量修正的测量技术、CCD 光电传感器和高频响二维自控电路,研制出构架式光电伺服轨距测量装置,提高了轨道几何检测系统的安全性和稳定性。

钢轨波磨检测系统根据惯性测量原理,采用模拟—数字混合滤波的数据处理方法,消除了速度对检测结果的影响。

由数据库服务、数据采集处理计算机、数据应用计算机、高速网络打印机、QNX4实时多任务操作系统、SQL 数据库管理系统和轨检数据实时处理软件共同构成了车载局域网数据实时处理系统,自动完成检测数据的采集处理、修正、合成,并根据需要以波形和表格的形式实时显示和打印输出轨道几何数据。

关键词:轨检车;地铁;车载局域网;轨距;检测系统;波浪磨耗 中图分类号:U21613 文献标识码:B　收稿日期:2005204211　作者简介:柴东明(1967—),男,浙江宁波人,副研究员。

在广州地铁轨检车检测系统的基础上,对地铁轨道几何检测系统[1,2]进行了改进,研发了波浪磨耗检测系统和深圳地铁轨检车检测系统。

通过车载局域网实现了计算机实时显示轨道几何波形和钢轨波磨波形,以及网络打印机打印波形图的功能。

1　车载局域网数据实时处理系统 深圳地铁轨检车的车载计算机局域网[3,4],其数据实时处理系统由数据库服务器、数据采集处理计算机,数据应用计算机和高速打印机组成。

111　数据库管理数据库服务器是数据存储和分析的核心,在地铁轨检车上利用安装的Windows2000Server 网络操作系统和SQL Server 2000数据库管理系统平台建立数据库。

该系统适用于大、中、小各种规模的数据管理,支持Client/Server 模式的应用,可用于管理轨道检测数据。

轨检数据经网络传送给数据库服务器。

存放在数据库中的数据有轨道几何超限数据、轨道几何波形数据等。

存储的所有轨检数据供工作站应用程序调用,不但可获取超过标准的检测项目的峰值、长度和位置,还能对超限处所进行编辑整理。

同时还可获取曲线起终点位置、曲线长度、半径、平均超高和加宽等曲线要素信息。

并能根据用户需要打印轨道状态报告表。

车载计算机记录的轨道状态信息还可以利用车上或地面计算机通过重放处理,以图表的形式重现轨道状态,计算机对数据库中记录的信息还能进行更详尽的分析和比较处理,用以指导轨道的养护和维修。

112　数据采集和处理数据采集处理计算机采用QNX4实时操作系统,实现了传感器原始信号的实时采集和处理,自动完成数据的修正、滤波和轨道几何参数的合成,在计算机屏幕上实时显示几何参数波形图和里程、速度等信息,如图1所示。

同时经网络将轨检数据传送给数据库服务器。

数据采集处理计算机上安装了QNX4多任务实时操作系统,运行轨检数据实时处理软件。

该计算机上装有多种板卡和A/D 变换板,多功能接口板主要用于接收光电编码器的输出,通过电路计算出305mm 采样的间隔时间,即TBS 值,同时在305mm 时产生一次采样中断信号,触发A/D 对所有传感器进行一次数据采集。

该系统实现了QNX4实时多任务操作系统和Windows 操作系统的不同平台间的数据通信。

113　数据应用数据应用计算机上可以运行超限数据浏览、波形超限浏览、波形打印和超限打印等应用程序。

波形浏览界面见图1。

图1　QNX4实时波形显示界面2　构架式光电伺服轨距测量装置 研制开发的“构架式光电伺服轨距测量装置”如图2所示,采用构架与轴箱间的侧滚和垂向位移量修正的测量技术,保证了跟踪轨距点的稳定性,消除了轴箱式轨距测量系统的不安全隐患[5]。

图2　构架式轨距测量装置 车辆运行时,由于轨道存在着各种不平顺,特别是水平及高低不平顺,会使构架产生复杂的振动(其中包括侧滚及垂向运动)。

如果将原有轴箱式测量装置的测量梁直接安装在构架上,构架的振动会直接影响轨距测量,使轨距光电传感器发出的光束不能保持在轨面下16mm 处的轨距点上,无法确保轨距测量的正确性。

为了解决这一难题,将测量梁安装在构架上,同时在4位轴左右轴箱正上方的构架上分别安装了2个左(右)轴头光电传感器,用于感受构架相对于轮轴的运动情况,并在车辆上相应增加了调制解调器和光束二维自控电路,以确保轨距光电传感器发出的光束打在轨距点上。

211　平顺轨道上的光点跟踪车辆在平顺轨道上运行时,无轨道不平顺激扰,构架未产生任何相对于钢轨的滚动及垂向运动。

此时,构架式轨距测量梁与钢轨保持平行,左(右)轴头光电传感器输出为零。

只有当钢轨产生位移时,左(右)轨距光电传感器感应到其变化,输入相关信号给左(右)光束二维自控电路,并驱动电机,使左(右)光电传感器在伺服机械推动下,跟踪钢轨位移,使其光束保持在钢轨轨距点上。

上述光点跟踪方式与轴箱式轨距测量装置的光点跟踪方式相似。

212　不平顺轨道上的光点跟踪车辆在运动中,构架的侧滚及垂向运动往往不是孤立的,而是同时存在的,如图3所示。

此时左(右)轴头两个光电传感器感受构架相对于轮对轴箱的距离变化并输出电信号H DL 和H DR ,经调制解调器处理后,输出与距离变化成线性比例的电压信号,再经H L 和H R 放大器分别传输给光束二维自控电路。

安装在测量梁上的两个轨距光电传感器感受左、右钢轨相对于测量梁的距离变化并输出电信号I DL 和I DR ,经二维自控电路计算后,得到光束控制信号,再经功放,驱动电机,使左(右)光电传感器在伺服机械的推动下,跟踪钢轨位移,并使光束保持在轨面下的轨距点上。

另外,由于采用了高频响的二维自控电路,改进了伺服功率放大电路,消除了交越失真现象;选用了频率响应较高的CCD 光电传感器,提高了构架式轨距测量系统的频响,使光点跟踪具有良好的稳定性确。

213　计算轨距轨距的计算方法如图3所示,2个轴头光电传感器(L H KAM 、RH KAM )安装在轴箱上方的构架上,它们之间的距离为L ,传感器可测得的构架相对于轮轴的距离分别为H L 和H R ,则测量梁与轨道之间的夹角θ由下式确定: θ=ctgH R -H LL 左右电机间距为D ,轨距光电传感器位于轨顶面斜上方,它与测量梁之间的夹角为α,与钢轨内侧面轨距点之水平距离为I L (I R ),与测量梁上伺服电机水平距离为d L (d R ),则轨距光电传感器所141第5期 深圳地铁轨检车检测系统的研制测量的左右距离分别是 K L =I L cos α K R =I R cos α 因此,构架伺服轨距的计算公式为 G =(K L +d L +D +K R +d R )/cosθ=(I L cos α+dL +D +I R cosα+d R )/cosctgH R -H LL当测量梁与轨道平行时,cos θ=1,G =I L cos α+d L+D +I R cosα+d R 。

图3　构架式轨距测量梁的侧滚、垂向运动和轨距计算简图3　波磨检测系统 波磨检测系统是对钢轨波浪磨耗进行动态检测的测量系统,它采用惯性测量原理,利用N I 公司的虚拟仪器,在Windows 操作平台下实现对轴箱加速度信号进行空间采样、显示和存储;同时通过数字信号处理、积分滤波,输出波磨的峰值或标准差。

该系统还具备打印超限报表、修正里程、对原始数据进行事后处理及回放、输出波形图及相应地点和速度等功能。

波磨检测系统的构成如图4所示。

图4　波磨检测系统的构成311　波磨检测系统的实时检测软件波磨检测系统实时检测的主界面如图5所示,在列车运行中,检测并动态显示左右轴箱加速度、左右轨波磨和地面标志的波形图,显示长度为50m 。

图5　实时检测主界面312　波磨检测系统事后处理软件 波磨检测系统事后处理软件主要用于在线检测结束后,对在线检测过程中存储的原始数据进行读取、处理和回放。

事后处理软件的主界面如图6所示,界面的上半部分显示的是左右轴箱加速度原始波形、处理后的左右波磨波形和地面标志,用户可以任意选择超限报表和波形进行打印。

313　输出结果和现场应用钢轨波磨检测系统采用模拟—数字混合滤波的数据处理方法,消除了速度对检测结果的影响,经241中　国　铁　道　科　学 第26卷图6　事后处理主界面实测试验证明,检测数据准确,能够客观地反映地铁线路的波磨严重情况,为制定钢轨打磨计划提供依据。

4　结束语 深圳地铁轨检车于2004年12月在深圳地铁竹子林车辆段试车线及地铁线路上进行了动态实测试验,试验过程中轨道检测设备稳定可靠,测量准确,多次测量的轨道几何参数波形图具有良好的重复性和一致性。

钢轨波浪磨耗测量装置工作稳定,具有良好的重复性,测量结果客观地反映了钢轨的波浪磨耗状态。

参考文献　[1]　翁绍德,柴东明,徐旭宇.G J 24型轨道检查车的研制[R ].北京:铁道科学研究院,1999.　[2]　翁绍德,高林奎,李志隆.轨道检查车的开发与发展[A ].中国铁道科学技术的进步与发展[C].北京:中国铁道出版社,2000:208—217.　[3]　高林奎,翁绍德,张　晨.安全综合检测车研究[A ].中国铁道科学技术的进步与发展[C].北京:中国铁道出版社,2000:199—208.　[4]　翁绍德,柴东明,魏世斌.轨道状态确认车检测系统研制[R ].北京:铁道科学研究院,2003.　[5]　柴东明,刘伶萍,杜鹤亭.G J 24型轨检车的检测原理[J ].铁道建筑,1999,(12):32—34(2000,(1):38—39).Development of the Inspection System forShenzhen Metro T rack Inspection C arCHAI Dong 2ming ,WEI Shi 2bin ,L IU Ling 2ping ,XIA Liang 2guang ,YAN G Ai 2hong(Infrastructure Ins pection Research Institute ,China Academy of Railway Sciences ,Beijing 100081,China )Abstract :The frame type photoelectric servo gauge measurement device is developed by applying the technology of side 2rolling and vertical displacement correction of the frame and axle box ,adopting CCD photoelectric sensor and high frequency 2D automatic control circuit.It improves the security and the stability of track geometry pro 2file measurement system.According to inertia principle ,rail undulatory wear inspection system adopts analog digital composite filtering method to process data and eliminates the speed influence on measurement results.The on 2board LAN real 2time data processing system is composed of database service ,data collection and processing computer ,data application computer ,high speed network printer ,QNX4real 2time multitask operation system ,SQL database management system and the software for real 2time processing of rail inspection data.On 2board LAN can automatically carry out the collection ,processing ,modification and integration of measurement data.It realizes the functions of displaying the track geometry data waveform in real time and printing the waveform diagrams with the network printer according to demands.K ey w ords :Track inspection car ;Metro ;On 2board LAN ;Track G auge ;Inspection system ;Undulatory wear(责任编辑　杨宁清)341第5期 深圳地铁轨检车检测系统的研制。