CN110422199A - 尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于位移测量的技术领域，涉及一种尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量方法。首先将测量装置中的位移转换传动机构安装在尖轨上，密封箱置于地面上；然后通过两组靶镜和激光位移传感器以及测量装置的传感器测量初始数据；通过初始数据以及每次尖轨移动测量的直线位移和角度位移，结合数据采集处理单元中的位移转换模型求出尖轨的纵向爬行和横向密贴间隙。本发明克服尖轨纵向爬行和横向密贴间隙正交位移同时测量难点，实现爬行和密贴同时监控。
Description
技术领域
本发明属于位移测量的技术领域，涉及一种尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量方法。
背景技术
在高速铁路运行中，道岔是构成铁路轨道的关键设备，而道岔具有数量多、构造复杂、限制列车速度、行车安全性低、养护维修投入大等特点，是轨道的一大薄弱环节，其中的道岔尖轨直接影响列车运行速度和安全。尖轨爬行和不密贴是道岔主要病害，尖轨爬行会将限位器顶死，严重的将顶弯基本轨造成轨向不良并影响道岔的扳动。尖轨与基本轨不密贴，可能会导致列车轮对冲击尖轨和可动心轨尖端，也会导致轮载过早的由基本轨转移至尖轨，造成尖轨寿命极大的降低。一旦由于尖轨纵向爬行和不密贴导致出现的事故如失稳、脱轨，将造成重大的经济损失和人身安全灾难。因此，对尖轨爬行位移和密贴间隙实时监控进行研究具有非常大的意义。
尖轨纵向爬行和密贴间隙的测量，现有的测量方法主要是单独对爬行和密贴间隙进行测量，发明专利号201710719956.0王鹏翔发明了一种基于图像识别的道岔尖轨爬行量监测方法，该方法中用到相机、标尺以及附加光源，在恶劣环境下维护困难。中南大学的傅勤毅论文《基于ZigBee技术的无缝钢轨爬行监测系统设计》选用KTC-75mm拉杆式直线位移传感器监测钢轨爬行位移，针对尖轨工作状态下需要与基本轨实现开合运动，接触式位移测量无法固定安装在轨旁。西门子密贴检查器和中国铁路通信信号集团公司JM1型密贴检查器是已商品化的密贴检查设备，但只能对尖轨密贴是否“到位”给出“通”与“不通”的“开关”信号，不能反映密贴时间隙的连续变化、变动幅度和频率。目前，尚缺少针对尖轨纵向爬行和密贴间隙一体化实时连续测量的方法。
综上所述可知，现有测量方法主要是单独对尖轨爬行和密贴间隙参数进行测量，由于爬行和密贴位移属于正交位移，同时测量两位移变化量时，测量装置的安装和维护难度较大。无法对尖轨爬行和密贴间隙数据变化量、规律、趋势进行综合分析。
发明内容
为解决尖轨纵向爬行和密贴间隙一体化实时连续测量的难题，本发明提出了一种同时测量爬行和密贴变化量的方法，通过测量装置将纵向爬行和密贴间隙这对正交位移通过位移转换成直线位移和角度位移，利用测量装置中的传感器和数据采集处理单元对转换后的位移信号进行采集处理，通过ZigBee无线模块将尖轨状态参数发送到监控端进行监测和判断，并对其参数超过警戒值的情况及时报警。
本发明的技术方案如下：
一种尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量方法，将测量装置中的位移转换传动机构安装在尖轨1上，测量装置中的位移传感器、角度传感器和数据采集处理单元置于密封箱3中，密封箱3置于地面上；通过测量装置中的位移转换传动机构将纵向爬行位移和横向密贴间隙转换成直线位和角度位移，缩小位移测量范围；再通过位移传感器测得直线位移，通过角度传感器测得角度位移；数据采集处理单元将位移传感器和角度传感器采集到的信号进行处理计算，得出纵向爬行位移和横向密贴间隙的连续变化数值；最后通过数据采集处理单元中的ZigBee无线通信模块将处理后的数据进行无线传输至远程PC监控端；
所述的测量装置包括位移转换传动机构、位移传感器、角度传感器和数据采集处理单元；
所述的位移转换传动机构，包括浮动接头6、铰接头8、螺栓9、连接杆10、直线轴承11和导向轴13；所述的连接杆10水平设置，其一端与铰接头8固定连接，另一端与导向轴13固定连接；所述的螺栓9，其顶端和底端均设有螺纹，中部为光轴；螺栓9竖直穿过铰接头8的光孔，二者为间隙配合，实现旋转，铰接头8的光孔的上下位置各设有一个轴套7，使螺栓9位于轴套7内，螺栓9的顶端通过螺纹与螺母配合实现紧固，螺栓9的底端通过螺纹与浮动接头6的上端连接，浮动接头6的下端与尖轨连接板5螺纹连接，尖轨连接板5通过紧固螺钉4固定在尖轨1上，使位移转换传动机构与尖轨1连接为一体，以抵消尖轨1垂直方向的跳动；尖轨1的移动带动螺栓9旋转，从而带动铰接头8和连接杆10旋转；所述的直线轴承11套装在导向轴13上，导向轴13在直线轴承11内左右移动；所述的直线轴承11，其顶端固定安装有直线轴承连接板12，用于安装悬浮滑块16，直线轴承11的底端固定安装有过渡板24，用于安装阶梯轴23；所述的导向轴13端部套有环状的导向轴支座15，二者通过螺钉拧紧，用于安装磁致伸缩位移传感器测杆14，导向轴支座15位于直线轴承11的外侧；测量时，将尖轨1工作时与基本轨25的横向密贴间隙以及纵向爬行位移进行位移转换，扳动尖轨1带动连接杆10和导向轴13产生位移，将位移转换成直线位移和角度位移；导向轴13在直线轴承11中作往复直线移动，通过位移传感器实现直线位移的测量；导向轴13发生旋转运动时带动直线轴承11旋转相同的角度，直线轴承11带动角度传感器旋转，从而实现角度位移的测量。
所述的位移传感器，包括磁致伸缩位移传感器测杆14和悬浮滑块16；所述的磁致伸缩位移传感器测杆14通过卡扣17安装在导向轴支座15上，磁致伸缩位移传感器测杆14位于导向轴13外侧；所述的悬浮滑块16固定安装在直线轴承连接板12上，使悬浮滑块16位于磁致伸缩位移传感器测杆14的外侧；导向轴13、磁致伸缩位移传感器测杆14和悬浮滑块16位于同一水平面上，且相互平行；位移传感器用于测量导向轴13在直线轴承11中的直线位移，悬浮滑块16与直线轴承11位置固定，磁致伸缩位移传感器测杆14固定在导向轴13上，磁致伸缩位移传感器测杆14通过RS485接口输出信号。
所述的角度传感器，包括旋转编码器18、联轴器20、L型支架21、轴承座22和阶梯轴23；所述的旋转编码器18，其底部固定在L型支架21的水平段上，L型支架21的水平段的底部固定在地面上或者密封箱3的底部作为基座；所述的轴承座22水平安装在L型支架21的竖直段上，轴承座22位于旋转编码器18的上方；所述的阶梯轴23穿过轴承座22的中心通孔，其顶端与过渡板24的下表面固定连接，其底端通过联轴器20与旋转编码器18的旋转轴相连接；旋转编码器18通过RS422接口输出信号；
所述的数据采集处理单元是数据采集系统的控制核心，协调和管理传感器信号的转换和采集，包括采集装置和处理器19以及ZigBee无线模块；采集装置通过RS422接口与旋转编码器18的信号输出接口相连，通过RS485接口与磁致伸缩位移传感器测杆14的信号输出接口相连，分别采集角度位移数据和直线位移数据；处理器采用基于ARM Cortex-M3内核架构的STM32单片机，与采集装置相连接，对采集装置采集到的数据进行处理，通过位移转换模型将角度位移和直线位移数据转化为纵向爬行位移量和横向密贴间隙值，然后通过ZigBee无线模块与远程控制终端连接，将处理器处理得到的纵向爬行位移和横向密贴间隙数据传送至远程PC监控端。
具体测量步骤如下：
(1)将测量装置中的位移转换传动机构安装在尖轨1上，密封箱3置于地面上；连接杆10穿过密封箱3侧面的开孔，与密封箱3侧面相接触的连接杆10上套有波纹管2，以实现密封；
(2)将L形的垂直支架28的纵向段安装在尖轨1上，水平面内横向段与尖轨1保持垂直，将第一靶镜29和第二靶镜30分别安装在垂直支架28的横向段和纵向段上，将第一激光位移传感器31和第二激光位移传感器32水平安装，使第一激光位移传感器31和第二激光位移传感器32发出的激光分别正对第一靶镜29和第二靶镜30；将尖轨1移动一定距离，通过两个靶镜和激光位移传感器共同配合，测量此时第一靶镜29和第二靶镜30的距离变化量，即此时的纵向爬行位移t0和横向密贴间隙s0，数据在激光位移传感器上读取；同时由测量装置中的位移传感器测出此时的直线位移Δl0，由角度传感器测出此时的角度位移Δθ0；通过数据采集处理单元将测量数据传输至远程PC监控端；
在远程PC监控端上，通过公式(1)和(2)求出测量装置在尖轨1的初始安装位置，即初始安装位置时铰接头8旋转中心到旋转编码器18旋转中心的距离l和连接杆10垂直于尖轨1安装时的偏差角度β：
(3)通过测量装置中的位移传感器和角度传感器测量每次尖轨1移动时的直线位移Δl和角度位移Δθ，并结合步骤(2)中求得的初始安装位置数据l和β，进而通过数据采集处理单元中的位移转换模型，计算得到尖轨1的纵向爬行t和横向密贴间隙s；位移转换模型如下：
d2＝l2+(l+Δl)2-2l(l+Δl)cosΔθ (3)
∠AA'B＝∠AA'C-β-Δθ (6)
t＝d·sin∠AA'B (7)
s＝d·cos∠AA'B (8)
其中：d是在尖轨1与基本轨25密贴状态下，尖轨1的测量区域相对于初始位移产生的合成位移；
(4)通过ZigBee无线传输模块将步骤(3)得到的纵向爬行位移t以及横向密贴间隙s数据发送到远程PC监控端。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明克服尖轨纵向爬行和横向密贴间隙正交位移同时测量难点，实现爬行和密贴同时监控；
(2)适当的位移转换，降低位移测量范围，测量集中，便于维护；
(3)尖轨爬行和密贴间隙变化量连续，可进行规律分析和实时监控。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是位移转换示意图。
图3是初始安装校准示意图。
图4是位移转换模型示意图，其中：O旋转编码器旋转中心点；A尖轨测量区域初始位置；A’尖轨测量区域移动后的位置；s横向密贴间隙；t纵向爬行位移；Δθ角度位移；β连接杆垂直于尖轨安装时的偏差角度；Δl直线位移；l表示初始安装位置铰接头旋转中心到旋转编码器旋转中心的距离；B为A’在纵坐标上的垂足；C为OA’延长线与纵坐标的交点。
图5是本发明所使用的测量装置的安装示意图。
图6是本发明所使用的测量装置的结构图。
图7是本发明所使用的测量装置的局部放大图。
图中：1尖轨；2波纹管；3密封箱；4紧固螺钉；5尖轨连接板；6浮动接头；7轴套；8铰接头；9螺栓；10连接杆；11直线轴承；12直线轴承连接板；13导向轴；14磁致伸缩位移传感器测杆；15导向轴支座；16悬浮滑块；17卡扣；18旋转编码器；19采集装置和处理器；20联轴器；21L型支架；22轴承座；23阶梯轴；24过渡板；25基本轨；26初始测量点；27位移后测量点；28垂直支架；29第一靶镜；30第二靶镜；31第一激光位移传感器；32第一激光位移传感器。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量方法的具体流程如图1所示。
(1)如图2、图5、图6和图7所示，尖轨1位于基本轨25内侧，转辙机推动尖轨1移动状态始终保持一侧尖轨1与同侧基本轨25处于密贴状态而另一侧尖轨1与同侧基本轨25处于斥离状态，在道岔钢轨同一截面上安装两组测量装置(每一处道岔，在两条基本轨的内侧各有一条尖轨，都需要监控)。首先是位移转换传动机构在尖轨1上的安装，通过连接杆10的一端通过铰接头8、浮动接头6和螺栓9与尖轨连接板5实现连接，尖轨连接板5通过紧固螺钉4固定在尖轨1上，另一端与密封箱3中的导向轴13固定连接，连接杆10穿过密封箱3侧面的开孔，与密封箱3侧面相接触的连接杆10上套有波纹管2，以实现密封。转辙机推动尖轨1或者由于尖轨1爬行和不密贴产生的纵向位移和横向位移带动连接杆产生合成位移，将该合成位移转换成直线位移和角度位移，直线位移即为连接杆10在直线轴承11中运动的位移量，该直线位移通过磁致伸缩位移传感器测杆14和悬浮滑块16测量位移变化量，悬浮滑块16通过直线轴承连接板12固定在直线轴承11上，磁致伸缩位移传感器测杆14通过导向轴支座15和卡扣17固定在导向轴13上，通过RS485接口输出信号，通过MAX485芯片与采集装置和处理器19中的UART(通用异步收发传输器)连接，经处理器处理后得到直线位移Δl；旋转编码器18水平固定，其旋转轴通过联轴器20与固定在通过过渡板24固定在直线轴承11底部的阶梯轴23连接，角度位移即为旋转编码器18中心轴的旋转角度变化量，通过RS422接口输出信号，通过MAX490EPA芯片与采集装置和处理器19中的UART连接，经处理器处理后得到角度位移Δθ。
(2)如图3所示，初始化安装时，在尖轨1的待测部分安装垂直支架28，垂直支架28的两垂直平面上分别安装第一靶镜29和第二靶镜30，将第一激光位移传感器31和第二激光位移传感器32在水平面内垂直安装，移动尖轨1，分别测量此时第一靶镜29和第二靶镜30的一组距离变化量，即横向密贴间隙s0和纵向爬行位移t0。同时由位移传感器测出此时的直线位移Δl0，由角度传感器测出此时的角度位移Δθ0；通过数据采集处理单元将传输至远程PC监控端。
如图4所示，远程PC监控端通过公式(1)、(2)求出初始安装位置，即初始安装位置铰接头旋转中心到旋转编码器旋转中心的距离l和连接杆垂直于尖轨安装时的偏差角度β。
(3)如图4所示，建立位移转换模型(内置于数据采集处理单元)，d是在尖轨1与基本轨25密贴状态下，尖轨测量区域相对于初始位移产生的合成位移，该位移是由于尖轨1的纵向爬行t和横向密贴间隙s综合作用的结果，根据传感器测得的直线位移Δl和角度位移Δθ，最终求解出t和s。
d2＝l2+(l+Δl)2-2l(l+Δl)cosΔθ (3)
∠AA'B＝∠AA'C-β-Δθ (6)
t＝d·sin∠AA'B (7)
s＝d·cos∠AA'B (8)
每次测量尖轨1的移动量时，由公式(1)、(2)计算出l和β，由传感器测得的位移变化量Δθ和Δl，再根据公式(3)～(6)，得到尖轨1的纵向爬行位移t以及横向密贴间隙s。
(4)如图1所示，将步骤(3)得到的纵向爬行位移t以及横向密贴间隙s，利用ZigBee无线传输模块，配置好无线模块的波特率、信道以及通讯模式，将处理后的数据发送到远程PC监控端。
本发明提供的尖轨爬行位移和密贴间隙一体化实时测量方法，利用位移转换传动机构将纵向爬行和密贴间隙转换成直线位移和角度位移，解决了正交位移同时测量，测量装置安装干涉以及维护困难的问题。通过传感器和数据采集处理单元对位移信号进行采集处理，通过ZigBee无线模块将尖轨状态参数发送到监控端进行监测和判断，并对其参数超过警戒值的情况及时报警，可以进行规律分析和实时监控，降低了测量系统的复杂性和成本，测量设备便于维护，因而具有很高的实用价值和良好的市场应用前景。
Claims (1)
1.一种尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量方法，其特征在于，将测量装置中的位移转换传动机构安装在尖轨(1)上，测量装置中的位移传感器、角度传感器和数据采集处理单元置于密封箱(3)中，密封箱(3)置于地面上；通过测量装置中的位移转换传动机构将纵向爬行位移和横向密贴间隙转换成直线位移和角度位移，缩小位移测量范围；再通过位移传感器测得直线位移，通过角度传感器测得角度位移；数据采集处理单元将位移传感器和角度传感器采集到的信号进行处理计算，得出纵向爬行位移和横向密贴间隙的连续变化数值；最后通过数据采集处理单元中的ZigBee无线通信模块将处理后的数据进行无线传输至远程PC监控端；
所述的测量装置包括位移转换传动机构、位移传感器、角度传感器和数据采集处理单元；
所述的位移转换传动机构，包括浮动接头(6)、铰接头(8)、螺栓(9)、连接杆(10)、直线轴承(11)和导向轴(13)；所述的连接杆(10)水平设置，其一端与铰接头(8)固定连接，另一端与导向轴(13)固定连接；所述的螺栓(9)，其顶端和底端均设有螺纹，中部为光轴；螺栓(9)竖直穿过铰接头(8)的光孔，二者为间隙配合，实现旋转，铰接头(8)的光孔的上下位置各设有一个轴套(7)，使螺栓(9)位于轴套(7)内，螺栓(9)的顶端通过螺纹与螺母配合实现紧固，螺栓(9)的底端通过螺纹与浮动接头(6)的上端连接，浮动接头(6)的下端与尖轨连接板(5)螺纹连接，尖轨连接板(5)通过紧固螺钉(4)固定在尖轨(1)上，使位移转换传动机构与尖轨(1)连接为一体，以抵消尖轨(1)垂直方向的跳动；尖轨(1)的移动带动螺栓(9)旋转，从而带动铰接头(8)和连接杆(10)旋转；所述的直线轴承(11)套装在导向轴(13)上，导向轴(13)在直线轴承(11)内左右移动；所述的直线轴承(11)，其顶端固定安装有直线轴承连接板(12)，用于安装悬浮滑块(16)，直线轴承(11)的底端固定安装有过渡板(24)，用于安装阶梯轴(23)；所述的导向轴(13)端部套有环状的导向轴支座(15)，二者通过螺钉拧紧，用于安装磁致伸缩位移传感器测杆(14)，导向轴支座(15)位于直线轴承(11)的外侧；测量时，将尖轨(1)工作时与基本轨(25)的横向密贴间隙以及纵向爬行位移进行位移转换，扳动尖轨(1)带动连接杆(10)和导向轴(13)产生位移，将位移转换成直线位移和角度位移；导向轴(13)在直线轴承(11)中作往复直线移动，通过位移传感器实现直线位移的测量；导向轴(13)发生旋转运动时带动直线轴承(11)旋转相同的角度，直线轴承(11)带动角度传感器旋转，从而实现角度位移的测量；
所述的位移传感器，包括磁致伸缩位移传感器测杆(14)和悬浮滑块(16)；所述的磁致伸缩位移传感器测杆(14)通过卡扣(17)安装在导向轴支座(15)上，磁致伸缩位移传感器测杆(14)位于导向轴(13)外侧；所述的悬浮滑块(16)固定安装在直线轴承连接板(12)上，使悬浮滑块(16)位于磁致伸缩位移传感器测杆(14)的外侧；导向轴(13)、磁致伸缩位移传感器测杆(14)和悬浮滑块(16)位于同一水平面上，且相互平行；位移传感器用于测量导向轴(13)在直线轴承(11)中的直线位移，悬浮滑块(16)与直线轴承(11)位置固定，磁致伸缩位移传感器测杆(14)固定在导向轴(13)上，磁致伸缩位移传感器测杆(14)通过RS485接口输出信号；
所述的角度传感器，包括旋转编码器(18)、联轴器(20)、L型支架(21)、轴承座(22)和阶梯轴(23)；所述的旋转编码器(18)，其底部固定在L型支架(21)的水平段上，L型支架(21)的水平段的底部固定在地面上或者密封箱(3)的底部作为基座；所述的轴承座(22)水平安装在L型支架(21)的竖直段上，轴承座(22)位于旋转编码器(18)的上方；所述的阶梯轴(23)穿过轴承座(22)的中心通孔，其顶端与过渡板(24)的下表面固定连接，其底端通过联轴器(20)与旋转编码器(18)的旋转轴相连接；旋转编码器(18)通过RS422接口输出信号；
所述的数据采集处理单元是数据采集系统的控制核心，协调和管理传感器信号的转换和采集，包括采集装置和处理器(19)以及ZigBee无线模块；采集装置通过RS422接口与旋转编码器(18)的信号输出接口相连，通过RS485接口与磁致伸缩位移传感器测杆(14)的信号输出接口相连，分别采集角度位移数据和直线位移数据；处理器采用基于ARM Cortex-M3内核架构的STM32单片机，与采集装置相连接，对采集装置采集到的数据进行处理，通过位移转换模型将角度位移和直线位移数据转化为纵向爬行位移量和横向密贴间隙值，然后通过ZigBee无线模块与远程控制终端连接，将处理器处理得到的纵向爬行位移和横向密贴间隙数据传送至远程PC监控端；
具体测量步骤如下：
(1)将测量装置中的位移转换传动机构安装在尖轨(1)上，密封箱(3)置于地面上；连接杆(10)穿过密封箱(3)侧面的开孔，与密封箱(3)侧面相接触的连接杆(10)上套有波纹管(2)，以实现密封；
(2)将L形的垂直支架(28)的纵向段安装在尖轨(1)上，水平面内横向段与尖轨(1)保持垂直，将第一靶镜(29)和第二靶镜(30)分别安装在垂直支架(28)的横向段和纵向段上，将第一激光位移传感器(31)和第二激光位移传感器(32)水平安装，使第一激光位移传感器(31)和第二激光位移传感器(32)发出的激光分别正对第一靶镜(29)和第二靶镜(30)；将尖轨(1)移动一定距离，通过两个靶镜和激光位移传感器共同配合，测量此时第一靶镜(29)和第二靶镜(30)的距离变化量，即此时的纵向爬行位移t0和横向密贴间隙s0，数据在激光位移传感器上读取；同时由测量装置中的位移传感器测出此时的直线位移Δl0，由角度传感器测出此时的角度位移Δθ0；通过数据采集处理单元将测量数据传输至远程PC监控端；
在远程PC监控端上，通过公式(1)和(2)求出测量装置在尖轨(1)的初始安装位置，即初始安装位置时铰接头(8)旋转中心到旋转编码器(18)旋转中心的距离l和连接杆(10)垂直于尖轨(1)安装时的偏差角度β：
(3)通过测量装置中的位移传感器和角度传感器测量每次尖轨(1)移动时的直线位移Δl和角度位移Δθ，并结合步骤(2)中求得的初始安装位置数据l和β，进而通过数据采集处理单元中的位移转换模型，计算得到尖轨(1)的纵向爬行t和横向密贴间隙s；位移转换模型如下：
d2＝l2+(l+Δl)2-2l(l+Δl)cosΔθ (3)
∠AA'B＝∠AA'C-β-Δθ (6)
t＝d·sin∠AA'B (7)
s＝d·cos∠AA'B (8)
其中：d是在尖轨(1)与基本轨(25)密贴状态下，尖轨(1)的测量区域相对于初始位移产生的合成位移；
(4)通过ZigBee无线传输模块将步骤(3)得到的纵向爬行位移t以及横向密贴间隙s数据发送到远程PC监控端。
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