T型轨道静态几何参数检查仪的研制
刘刚，梁海啸
（中南大学交通运输工程学院，长沙，410075）
摘要:本文是关于T型轨道静态几何参数检查仪的研制，它采用单片机、位移传感器、倾角传感器和旋转编码器以及各种先进的测试和控制技术，对轨道的主要参数实现自动测量，可彻底改变人工测量线路的状态，改善工人劳动条件，提高工作效率和测量准确度，能够为轨道维护施工提供可靠的原始数据和管理决策信息，推动轨道维护信息化的发展。 关键字:T型;轨道；静态几何参数
1．概述
在对轨道参数检查中，静态检查是线路日常养护的主要信息来源。目前，在我国轨道状态的日常检查和作业质量验收的过程中，静态检查主要由经验丰富的工人人工拉弦线进行轨向检测，轨道尺检测超高和轨距。人工检查存在着诸多问题，已不能满足铁路高速化的需要。
近年来，铁路部门开始使用轨检车对线路轨道状态进行检查。轨检车用于检测轨道的各种动态参数，其检测的稳定性、可靠性、准确度等各方面都较高。但是我国轨检车总量少，只在铁路局配属，并且，轨检车的造价昂贵，检测成本很高，设备投资大，维修保养费用高。
对轨道参数检测中，手工检测落后且存在很多问题，高科技轨道检查车动态检查又存在着使用的局限性。因此，运用智能检测技术，研制一种便捷、轻巧、准确度高、连续测量，具有数据显示、存储、传送等功能的轨道参数检测仪器势在必行。
2．总体方案
根据现场需要，轨道静态几何参数检查仪设计成人工推行的小型推车。检查仪在T型的机械结构上安装检测装置，整个检查仪由锂电池供电，检测系统中的微型计算机系统自动控制整个检测过程和记录数据，能实时显示所测参数，包括里程、轨向、轨距、水平（超高）、高低，具有人机对话功能，可以在自动检测过程中随时记录轨道的各种缺陷。
2.1 机械结构
轨道静态几何参数检查仪外观图如图1所示。
图1 轨道静态几何参数检查仪外观图
参照附图，图2、3、4为相关机构图。如图：单轮梁3
腹腔中安装有水平（超高）传感
器22、动力电池23、轨距传感器24。轨距传感器24通过安装在滑动机构15、25上的可移动的定位机构16的相对移动来推算轨距，弹簧机构27提供压紧力使左侧定位机构1和右侧定位机构16能贴紧钢轨内侧面；超高传感器22与单轮梁固定，通过倾角来推算超高的大小。正矢定位机构1安装在长双轮梁中部的托架33和滑块机构35、36上，能在弹簧机构37的作用下根据长双轮梁上定位机构29、30之间的位置变化进行正矢测量。长双轮梁和单轮梁的下部安装有行走轮17、31、38；行走轮17外侧安装有里程旋转编码器18，用于测量小车行走的距离；行走轮17可以根据轨道轨距的变化相对钢轨中心来回滑动。长双轮梁中部安装有直线导轨36、弹簧机构37、矢距测量传感器托架33、正矢传感器34和纵平传感器32。
轨距传感器24、超高传感器22、里程旋转编码器18、正矢传感器34和纵平传感器32的测量值通过屏蔽电缆（图中未作标记）送入控制盒12中进行数据处理，计算后的轨距、超高、里程、正矢、纵平、三角坑值通过控制盒12上液晶显示屏显示，同时存入控制盒12中的IC卡中；通过控制盒12上的键盘可以实时输入检测过程中轨道上的各种缺陷及标记；交接班时IC卡中的数据通过IC卡读写器读入计算机中，通过专门编写的软件进行分析处理，推算三角坑，对检测数据进行统计、分析，并以图表方式显示、打印和存储，为线路的维护提供依据。
图2 总装图
图3 单轮梁
图4 双轮梁
2.2 电气测量系统
电气测量系统原理框图见图5。
图5 电气测量系统原理框图
各传感器测量值通过信号调理电路调理后送入A/D转换器，转换后的数据送入单片机进行数据处理和存贮，计算后的轨距、水平（超高）、里程、轨向和高低值通过液晶显示屏进行显示，当通过单片机处理分析，发现某个检测参数超限而影响行车安全时，单片机将发出声光报警信号，以便做出及时处理。操作人员通过键盘可以实时输入检测过程中轨道上的各种缺陷及标记。现场检测的数据都存储在IC卡内，在交班时，可以通过读卡器将IC卡中的测量数据读入计算机中做进一步的数据处理、分析和打印。
3．测量原理
轨道静态几何参数检查仪的测量项目包括：轨距、水平（超高）、轨向、高低、里程和三角坑。 3.1 轨向测量原理
测量轨向的原理图如图6所示。
轨向测量时，间距1m的两定位点在单轮梁右弹簧的作用下压紧钢轨左内侧，安装在单轮梁左侧滑块上的轨向测头在左弹簧的作用下始终紧贴左轨内侧轨顶下部16 mm内，轨向传感器测量出1m弦长的轨向D1，每前进0.25m测一次。将测得的数据按叠加原理可以推算出10米弦的轨向值。
图6 轨向和轨距测量原理图
3.2 轨距测量原理
轨距测量原理图见图6。轨距测量时位于双轮梁上的两个定位头和轨距测头在右弹簧的作用下贴紧钢轨内侧面。轨距是由两钢轨间的设计距离D(D=1435mm)与两侧钢轨偏移量D1和D2组成。左侧的偏移量D1由轨向传感器测量得到，D2由轨距传感器测量得到。
S=D+D1+D2＋Lt (1)
Lt为温度补偿修正值，其数值为11.1×10-6×1400×(Tc-T0)mm，Tc为仪器工作时温度，T0为仪器标定时温度。
3.3 水平（超高）测量原理
水平定义为同一轨面断面的两轨顶之高度差，曲线上称为超高。水平（超高）测量原理如图7所示。
图7 水平（超高）测量原理图
单轮梁上的水平（超高）传感器能测量出左、右钢轨高差形成的角度的Ө。水平（超高）计算公式如下：
HStgθ (2)
式中：H—水平（超高）值； Ө—水平（超高）传感器测量值。
hh1
h0 (3)
3.5 里程测量
里程测量的目的是确定检查仪的行进位置。采用1000线／转的旋转编码器来测量轨检仪走过的距离，根据测量开始前输入的起始里程，即可确定检查仪当前的位置。旋转编码器转动一周，发出固定的脉冲数，当与旋转编码器连接的行走动轮的外径（64mm）确定后，每个脉冲代表的的长度也随之确定，因此根据脉冲数就可以确定检查仪所走过的里程。
4．传感器选型
传感器选用时要考虑的性能指标包括：线性量程、供电方式、输出方式、非线性误差、灵敏度、分辨力、温漂、工作温度等。除此之外，由于系统采用电池供电，还要考虑耗电量。准确度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量准确度的一个重要环节。传感器的准确度越高，其价格越贵，因此，传感器的准确度只要满足整个测量系统的准确度要求就可以，不必选得过高。
根据检查仪的测量原理可知，轨距、轨向和高低测量可以选用位移传感器， 而水平（超高）由于采用了三角关系进行间接测量，需要选用倾角传感器，里程测量选用旋转编码器。
5．硬件结构
下图为检测系统的硬件原理框图
图9 检测系统硬件原理框图 5.1 MCU
MCU选用华邦公司的W77E58，该单片机的速度是普通51系列单片机的3倍，具有32K ROM和1k RAM。 5.2 模拟电路
模拟信号输入电路和A/D转换两部分电路合称为模拟部分。检查仪的许多技术指标都是由模拟部分来决定的。经过模拟输入电路处理后的信号即可直接连接AD 转换器。AD选用的12位并行AD(MAX197)
5.3 串行Flash存储器
在检查仪的设计中，采用了两片ATMEL公司生产的串行Flash存储器AT45DB041。其中一片用于存放用于中文显示的汉字库。另外一片是IC卡，通过IC卡座与电路相连，它用于采集数据的存储，在采集结束后通过IC卡读写器转存到PC机。
5.4 报警电路
为了指示按键已按下、错误操作以及超限报警，电路设计了报警电路。用单片机I/O接一晶体三级管控制蜂鸣器发声。在有按键按下、错误操作（如IC卡错误）或线路超限时，通过软件编程控制端口来发声报警，以提示操作人员
6．单片机软件设计
6.1 软件结构
程序采用模块化设计，每一个模块自成体系并对外提供完善的接口。程序采用自顶向下的设计思路。函数主要分为四类：底层函数，负责提供和硬件的基本接口和驱动程序；功能函数，负责控制硬件的基本工作以及提供接口协议；系统函数，负责系统的自校准，故障检测和报警；主程序，即void main（），组织并调用其他各个函数。 6.2 功能模块
控制软件设计为四个功能模块：自动运行、查询数据、状态监测、系统设置。
7. 数据分析处理系统
检查仪记录的数据通过串行通讯传输到PC机内，利用数据分析软件进行后期处理，生成工务生产要求的各种规范化统计报表，为生产决策提供依据。
数据处理程序根据轨道几何状态参数的关系模型对检测数据进行处理，推算超高、轨距、10 m弦高低和轨向的不平顺度（即高低和轨向），并可对三角坑进行判别。
8. 试验验证
为了验证设计原理、数据采集系统、机械设计及各传感器选型的正确性，我们在铁路线路上进行了试验验证。
试验前在实验室标定台上对各传感器进行校准。
试验在长沙工务段所辖的1570＋848.5米到1571+112.18米区段的下行线进行，该区段参数为：缓和曲线长80m；曲线全长263.68m；半径300m；超高100mm。
试验采取同条线路测量多次的方法，以检查其重复性。通过对试验数据进行处理，取其中两组数据对比如下图24到227所示。图中上半部分为两组数据中第一组测量处理结果，下半部分为第二组测量数据处理结果。
m
m
m
mm
mm
m
m
图10 轨距测量结果 图11 超高测量结果
mm
m
mm
m
m
m m
图12 轨向测量结果 图13 高低测量结果
由图可以看出，重复性非常好，因此测量准确度高，满足测量要求。
参考文献 【1】 【2】 【3】 【4】
孙国瑛，沈善良等．铁路工务．成都：西南交通大学出版社，1998．5-30 铁路线路维修规则．北京：中国铁道出版社，1998
韩守昌．利用轨检车检测资料指导线路养护维修．铁道建筑，2001，7 徐灏等．机械设计手册（4）．北京：机械工业出版社，1992
王英杰，秦勇，贾利民等．铁路工务管理信息系统现状分析．铁路计算机应用，2002
T型轨道静态几何参数检查仪的研制
刘刚，梁海啸
（中南大学交通运输工程学院，长沙，410075）
摘要:本文是关于T型轨道静态几何参数检查仪的研制，它采用单片机、位移传感器、倾角传感器和旋转编码器以及各种先进的测试和控制技术，对轨道的主要参数实现自动测量，可彻底改变人工测量线路的状态，改善工人劳动条件，提高工作效率和测量准确度，能够为轨道维护施工提供可靠的原始数据和管理决策信息，推动轨道维护信息化的发展。 关键字:T型;轨道；静态几何参数
1．概述
在对轨道参数检查中，静态检查是线路日常养护的主要信息来源。目前，在我国轨道状态的日常检查和作业质量验收的过程中，静态检查主要由经验丰富的工人人工拉弦线进行轨向检测，轨道尺检测超高和轨距。人工检查存在着诸多问题，已不能满足铁路高速化的需要。
近年来，铁路部门开始使用轨检车对线路轨道状态进行检查。轨检车用于检测轨道的各种动态参数，其检测的稳定性、可靠性、准确度等各方面都较高。但是我国轨检车总量少，只在铁路局配属，并且，轨检车的造价昂贵，检测成本很高，设备投资大，维修保养费用高。
对轨道参数检测中，手工检测落后且存在很多问题，高科技轨道检查车动态检查又存在着使用的局限性。因此，运用智能检测技术，研制一种便捷、轻巧、准确度高、连续测量，具有数据显示、存储、传送等功能的轨道参数检测仪器势在必行。
2．总体方案
根据现场需要，轨道静态几何参数检查仪设计成人工推行的小型推车。检查仪在T型的机械结构上安装检测装置，整个检查仪由锂电池供电，检测系统中的微型计算机系统自动控制整个检测过程和记录数据，能实时显示所测参数，包括里程、轨向、轨距、水平（超高）、高低，具有人机对话功能，可以在自动检测过程中随时记录轨道的各种缺陷。
2.1 机械结构
轨道静态几何参数检查仪外观图如图1所示。
图1 轨道静态几何参数检查仪外观图
参照附图，图2、3、4为相关机构图。如图：单轮梁3
腹腔中安装有水平（超高）传感
器22、动力电池23、轨距传感器24。轨距传感器24通过安装在滑动机构15、25上的可移动的定位机构16的相对移动来推算轨距，弹簧机构27提供压紧力使左侧定位机构1和右侧定位机构16能贴紧钢轨内侧面；超高传感器22与单轮梁固定，通过倾角来推算超高的大小。正矢定位机构1安装在长双轮梁中部的托架33和滑块机构35、36上，能在弹簧机构37的作用下根据长双轮梁上定位机构29、30之间的位置变化进行正矢测量。长双轮梁和单轮梁的下部安装有行走轮17、31、38；行走轮17外侧安装有里程旋转编码器18，用于测量小车行走的距离；行走轮17可以根据轨道轨距的变化相对钢轨中心来回滑动。长双轮梁中部安装有直线导轨36、弹簧机构37、矢距测量传感器托架33、正矢传感器34和纵平传感器32。
轨距传感器24、超高传感器22、里程旋转编码器18、正矢传感器34和纵平传感器32的测量值通过屏蔽电缆（图中未作标记）送入控制盒12中进行数据处理，计算后的轨距、超高、里程、正矢、纵平、三角坑值通过控制盒12上液晶显示屏显示，同时存入控制盒12中的IC卡中；通过控制盒12上的键盘可以实时输入检测过程中轨道上的各种缺陷及标记；交接班时IC卡中的数据通过IC卡读写器读入计算机中，通过专门编写的软件进行分析处理，推算三角坑，对检测数据进行统计、分析，并以图表方式显示、打印和存储，为线路的维护提供依据。
图2 总装图
图3 单轮梁
图4 双轮梁
2.2 电气测量系统
电气测量系统原理框图见图5。
图5 电气测量系统原理框图
各传感器测量值通过信号调理电路调理后送入A/D转换器，转换后的数据送入单片机进行数据处理和存贮，计算后的轨距、水平（超高）、里程、轨向和高低值通过液晶显示屏进行显示，当通过单片机处理分析，发现某个检测参数超限而影响行车安全时，单片机将发出声光报警信号，以便做出及时处理。操作人员通过键盘可以实时输入检测过程中轨道上的各种缺陷及标记。现场检测的数据都存储在IC卡内，在交班时，可以通过读卡器将IC卡中的测量数据读入计算机中做进一步的数据处理、分析和打印。
3．测量原理
轨道静态几何参数检查仪的测量项目包括：轨距、水平（超高）、轨向、高低、里程和三角坑。 3.1 轨向测量原理
测量轨向的原理图如图6所示。
轨向测量时，间距1m的两定位点在单轮梁右弹簧的作用下压紧钢轨左内侧，安装在单轮梁左侧滑块上的轨向测头在左弹簧的作用下始终紧贴左轨内侧轨顶下部16 mm内，轨向传感器测量出1m弦长的轨向D1，每前进0.25m测一次。将测得的数据按叠加原理可以推算出10米弦的轨向值。
图6 轨向和轨距测量原理图
3.2 轨距测量原理
轨距测量原理图见图6。轨距测量时位于双轮梁上的两个定位头和轨距测头在右弹簧的作用下贴紧钢轨内侧面。轨距是由两钢轨间的设计距离D(D=1435mm)与两侧钢轨偏移量D1和D2组成。左侧的偏移量D1由轨向传感器测量得到，D2由轨距传感器测量得到。
S=D+D1+D2＋Lt (1)
Lt为温度补偿修正值，其数值为11.1×10-6×1400×(Tc-T0)mm，Tc为仪器工作时温度，T0为仪器标定时温度。
3.3 水平（超高）测量原理
水平定义为同一轨面断面的两轨顶之高度差，曲线上称为超高。水平（超高）测量原理如图7所示。
图7 水平（超高）测量原理图
单轮梁上的水平（超高）传感器能测量出左、右钢轨高差形成的角度的Ө。水平（超高）计算公式如下：
HStgθ (2)
式中：H—水平（超高）值； Ө—水平（超高）传感器测量值。
hh1
h0 (3)
3.5 里程测量
里程测量的目的是确定检查仪的行进位置。采用1000线／转的旋转编码器来测量轨检仪走过的距离，根据测量开始前输入的起始里程，即可确定检查仪当前的位置。旋转编码器转动一周，发出固定的脉冲数，当与旋转编码器连接的行走动轮的外径（64mm）确定后，每个脉冲代表的的长度也随之确定，因此根据脉冲数就可以确定检查仪所走过的里程。
4．传感器选型
传感器选用时要考虑的性能指标包括：线性量程、供电方式、输出方式、非线性误差、灵敏度、分辨力、温漂、工作温度等。除此之外，由于系统采用电池供电，还要考虑耗电量。准确度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量准确度的一个重要环节。传感器的准确度越高，其价格越贵，因此，传感器的准确度只要满足整个测量系统的准确度要求就可以，不必选得过高。
根据检查仪的测量原理可知，轨距、轨向和高低测量可以选用位移传感器， 而水平（超高）由于采用了三角关系进行间接测量，需要选用倾角传感器，里程测量选用旋转编码器。
5．硬件结构
下图为检测系统的硬件原理框图
图9 检测系统硬件原理框图 5.1 MCU
MCU选用华邦公司的W77E58，该单片机的速度是普通51系列单片机的3倍，具有32K ROM和1k RAM。 5.2 模拟电路
模拟信号输入电路和A/D转换两部分电路合称为模拟部分。检查仪的许多技术指标都是由模拟部分来决定的。经过模拟输入电路处理后的信号即可直接连接AD 转换器。AD选用的12位并行AD(MAX197)
5.3 串行Flash存储器
在检查仪的设计中，采用了两片ATMEL公司生产的串行Flash存储器AT45DB041。其中一片用于存放用于中文显示的汉字库。另外一片是IC卡，通过IC卡座与电路相连，它用于采集数据的存储，在采集结束后通过IC卡读写器转存到PC机。
5.4 报警电路
为了指示按键已按下、错误操作以及超限报警，电路设计了报警电路。用单片机I/O接一晶体三级管控制蜂鸣器发声。在有按键按下、错误操作（如IC卡错误）或线路超限时，通过软件编程控制端口来发声报警，以提示操作人员
6．单片机软件设计
6.1 软件结构
程序采用模块化设计，每一个模块自成体系并对外提供完善的接口。程序采用自顶向下的设计思路。函数主要分为四类：底层函数，负责提供和硬件的基本接口和驱动程序；功能函数，负责控制硬件的基本工作以及提供接口协议；系统函数，负责系统的自校准，故障检测和报警；主程序，即void main（），组织并调用其他各个函数。 6.2 功能模块
控制软件设计为四个功能模块：自动运行、查询数据、状态监测、系统设置。
7. 数据分析处理系统
检查仪记录的数据通过串行通讯传输到PC机内，利用数据分析软件进行后期处理，生成工务生产要求的各种规范化统计报表，为生产决策提供依据。
数据处理程序根据轨道几何状态参数的关系模型对检测数据进行处理，推算超高、轨距、10 m弦高低和轨向的不平顺度（即高低和轨向），并可对三角坑进行判别。
8. 试验验证
为了验证设计原理、数据采集系统、机械设计及各传感器选型的正确性，我们在铁路线路上进行了试验验证。
试验前在实验室标定台上对各传感器进行校准。
试验在长沙工务段所辖的1570＋848.5米到1571+112.18米区段的下行线进行，该区段参数为：缓和曲线长80m；曲线全长263.68m；半径300m；超高100mm。
试验采取同条线路测量多次的方法，以检查其重复性。通过对试验数据进行处理，取其中两组数据对比如下图24到227所示。图中上半部分为两组数据中第一组测量处理结果，下半部分为第二组测量数据处理结果。
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图10 轨距测量结果 图11 超高测量结果
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图12 轨向测量结果 图13 高低测量结果
由图可以看出，重复性非常好，因此测量准确度高，满足测量要求。
参考文献 【1】 【2】 【3】 【4】
孙国瑛，沈善良等．铁路工务．成都：西南交通大学出版社，1998．5-30 铁路线路维修规则．北京：中国铁道出版社，1998
韩守昌．利用轨检车检测资料指导线路养护维修．铁道建筑，2001，7 徐灏等．机械设计手册（4）．北京：机械工业出版社，1992
王英杰，秦勇，贾利民等．铁路工务管理信息系统现状分析．铁路计算机应用，2002