CN113136752B - 尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通安全领域，涉及一种尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定装置及方法。在测量装置安装完成后，将标定装置通过磁吸方式安装在测量装置顶端，其动作引导端与尖轨部分的位移输出杆固连。尖轨移动时带动标定装置上的正交运动平台产生相同的平动，该平动通过运动平台上的光栅尺读出并作为标准位移输入量，且同时被测量装置中的动作引导杆转化为相应的角度与直线位移量。给定不同的输入量，通过标定模型构建关于标定参数的方程组，求解得到需要的标定参数。本发明安装使用方便，所得理论参数作为后续测量过程必不可少的前提输入，为测量过程打好基础。

Description

尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定装置及方法

技术领域

本发明属于轨道交通安全领域，涉及一种尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定装置及方法。

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，具有数量多、构造复杂、养护维修投入大等特点，其中的道岔尖轨更是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，尖轨爬行量指道岔尖轨相对于基本轨的纵向位移，尖轨密贴量是指转辙机与尖轨连接位置尖轨与基本轨之间的间隙。尖轨爬行和不密贴导致出现的事故如失稳、脱轨等，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，现有的测量装置主要是对爬行和密贴单独进行测量，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。北京交通大学的史红梅在《高速铁路无缝钢轨纵向位移在线监测方法研究》中提出一种基于磁致伸缩位移传感器的钢轨纵向位移测量方法，可以实时测量钢轨纵向位移，但其易受磁场干扰，密封防护条件要求高。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。王洪涛在《基于光纤光栅技术进行尖轨密贴监测可行性研究》中提到使用搭载光纤光栅传感器的装置进行密贴间隙的连续测量，但受其传感器限制，该装置不适合进行动态测量，且受恶劣环境影响较大。

为了实现尖轨爬行和密贴间隙的一体化测量，发明专利号201910630367.4任同群等人设计了一种尖轨纵向爬行及密贴间隙的一体化实时测量装置，如今在其整体框架的基础上已经对其结构进行了较大的改进，以达到小型化和简易性的要求。该装置能够精确测量爬行和密贴间隙的前提是知道装置在初始安装状态下的理论杆长和偏角，在实际安装中，还需要考虑理论杆与实际杆的偏心量，因此亟需一种能够快速方便得到上述参数的标定方法。标定的基本思想是通过给定测量模型的标准输入来求解其他中间参数，如祝连庆在《变臂关节式坐标测量机的参数自标定方法研究》中提出一种基于逆运动学分析的自标定方法，根据到达同一标定点的多组可能位姿结合测量模型计算标定点的坐标值。

综上所述，为了实现尖轨纵向爬行及密贴间隙测量装置一体化实时测量，需要配合一套完整的标定方法与装置，该方法能够适用于测量现场，且同时得到多个初始安装状态参数。

发明内容

针对已有的尖轨纵向爬行及密贴间隙的一体化实时测量装置，本发明提出了一种标定装置及方法，将标定装置、测量装置和尖轨部分的位移输出杆连接完成后，根据制定的标定步骤和推导的标定模型完成标定任务。具体为：在测量装置安装完成后，将标定装置(主体为正交位移平台)通过磁吸方式安装在测量装置顶端，其动作引导端与尖轨部分的位移输出杆固连。尖轨移动时带动标定装置上的正交运动平台产生相同的平动，该平动通过运动平台上的光栅尺读出并作为标准位移输入量，且同时被测量装置中的动作引导杆转化为相应的角度与直线位移量。给定不同的输入量，通过标定模型构建关于标定参数的方程组，求解得到需要的标定参数。

本发明的技术方案如下：

一种尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定装置，包括可产生正交运动的滑台5、上滑台底板2、下滑台底板3、两个光栅尺、位移输出杆固定板10和U形固定环14。

所述的测量装置是指将发明专利“尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量装置”(专利号201910630367.4)改进后的新型装置，其结构包括动作引导杆7以及布置于密封箱1中的转台16、直线位移传感器18、磁性块20、传感器固定板17、角度位移传感器21和数据采集处理单元19；所述的转台16固定于密封箱1的底板上，所述的角度位移传感器21安装在转台16上，测量转台16的旋转角度；所述的数据采集处理单元19用于采集直线位移传感器18和角度位移传感器21的测量数据；所述的传感器固定板17为直角板形式，水平板固定在转台16的平台上，竖直板用来固定直线位移传感器18；直线位移传感器18使用磁致伸缩的原理制成，其滑轨中心高度与动作引导杆7轴线等高，与直线位移传感器18配套的磁性块20固定在动作引导杆7上，当动作引导杆7产生直线运动时磁性块20上的凹槽会在直线位移传感器18的滑轨上无接触滑动；动作引导杆7的一端穿过转台16的圆弧形板上的滑动轴承孔，该结构同时起到导向和支撑的作用；位移输出杆13的一端与尖轨12固定连接，用于输出尖轨12的位移；位移输出杆13的另一端上固定有转轴9，位移输出杆13轴线经过转轴9的轴心；动作引导杆7的另一端与L型转接头8的长边固定，转接头8短边一侧开有轴孔，用于套在转轴9上，尖轨12移动时转接头8可绕转轴9旋转，通过转接头8将动作引导杆7与位移输出杆13连接，以测量尖轨12的位移，且转接头8的形状使动作引导杆7端部与转轴9的轴心有一定偏移量；动作引导杆7与转接头8设有橡胶垫块22以消除加工面平面度误差而产生的连接间隙；当尖轨12出现爬行和密贴现象时，通过动作引导杆7将两个方向的直线位移转换成转台16的旋转运动和磁性块20的直线运动，引起角度位移传感器21和直线位移传感器18的示数变化，并将数据传输至数据采集处理单元19中。

所述的标定装置通过下滑台底板3下表面上的磁铁15吸附到密封箱1的上表面；所述的滑台5包括两个滑板和两条滑轨，滑轨固定在滑板的底部，两个滑板交叉布置，使滑台5可产生正交运动；所述的滑台5的两条导轨分别固定于上滑台底板2的下表面和下滑台底板3上表面，可使上滑台底板2产生爬行方向和密贴方向的直线运动；所述的光栅尺包括标尺光栅6和光栅读数头4，两个标尺光栅6分别固定在上滑台底板2和下滑台底板3上，两个光栅读数头4分别固定在滑台5的两个滑板上，滑台5移动时使每个光栅尺的两部分结构标尺光栅6和光栅读数头4产生相对位移，光栅读数头4上连接的数据线将数据传输至外部数显表上用于读数；所述的位移输出杆固定板10由两块直板和一块角板焊接而成，通过螺栓固定在上滑台底板2下表面的一端；U形固定环14上附有螺纹，通过螺母将位移输出杆13端部的接头固定在位移输出杆固定板10上；标定过程中使用自身的两个光栅尺以及测量装置中的直线位移传感器18和角度位移传感器21进行数据采集。

一种尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定方法，采用上述标定装置，具体步骤如下：

(1)初始时尖轨12和基本轨11处于最大间距状态，各部分装置连接完成后，转辙机推动尖轨12朝着靠近基本轨11的方向移动，在中间标定位置停下；通过角度位移传感器21得到测量装置动作引导杆7的角度变化值Δθ₁，通过直线位移传感器18得到动作引导杆7沿轴线方向的移动距离Δl₁，通过外接数显表读出滑台5沿爬行方向的位移s₁和沿密贴方向的位移t₁；

(2)转辙机推动尖轨12继续朝着靠近基本轨11的方向移动到终点标定位置，通过角度位移传感器21得到动作引导杆7的角度变化值Δθ₂，通过直线位移传感器18得到动作引导杆7沿轴线方向的移动距离Δl₂，通过外接数显表读出滑台5沿爬行方向的位移s₂和沿密贴方向的位移t₂；

(3)传感器数值和数显表读数分别通过数据线和上位机传入到数据采集处理单元19中，根据标定模型进行集中计算，得出初始安装状态下的理论杆长、安装角度和标定始末状态的偏角；最后通过数据采集处理单元19中的CAN通信模块将处理后得到的参数数据传输至远程上位机监控端，用于后续爬行和密贴间隙的测量。

所述标定模型基于余弦定理和搜索法构建，根据两个标定位置得到的位移数据，将式(2)和(3)式代入式(1)，建立一个只有动作引导杆7轴线与转轴9轴线之间的偏心距a作为未知参数的等式，将偏心距的设计值a₀作为初始值，通过搜索法不断优化，即可得到符合精度要求的偏心距的理论值a：

将转轴9的轴心与转台6的旋转中心(即角度位移传感器21的轴心)之间的连线命名为理论摆杆，在得到偏心距的理论值a后，通过公式(4)和(5)分别求出初始安装位置和最终位置动作引导杆7与理论摆杆之间的偏角γ₀和γ₂；再通过式(6)得到初始理论杆长l₀′和最终位置杆长l₂′；最后通过式(7)得到理论摆杆的初始安装角度β：

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将以往粗糙测量的参数如初始安装角β、初始杆长l₀’和动作引导杆与转轴之间的偏心距a等利用标定的方式测出，可以得到精确的理论数据，克服了安装、测量过程中累积的误差，为后续爬行和间隙测量任务奠定了基础；

(2)本发明采用磁铁吸附的方式安装在密封箱上，同时采用U形固定环与尖轨连接部分固定，没有破坏测量装置原本的测量结构；对中间标定位置没有具体的要求，只需在相应位置读出对应的各项数据即可；因此安装使用方便，对操作人员的技术要求较低；

(3)本发明对转接头带来的动作引导杆位置和理论摆杆位置之间的偏差通过优化设计方法进行了精确计算，保证偏心距计算值与真值之间的误差在允许的范围内。

附图说明

图1是本发明方法的标定过程图。

图2是本发明装置的整体布置图。

图3是标定装置局部放大图。

图4是测量装置内部结构简图。

图5是尖轨部分的位移输出杆及其连接结构图。

图6是标定位置模型示意图，其中：E为转台及角度位移传感器旋转中心点；A为初始安装状态下转轴轴线的位置；C为标定位置转轴轴线的位置；B为C向爬行方向所做垂线的垂足；D为标定位置理论摆杆的延长线与爬行方向线的交点；F为初始安装位置转轴轴线向动作引导杆轴线作的垂足；F’为标定位置转轴轴线向动作引导杆轴线作的垂足；a为转轴轴线向动作引导杆作垂线得到的偏心距；β为理论摆杆的初始安装角度，即初始安装状态下理论摆杆与密贴方向的夹角；γ₀为初始安装位置动作引导杆与理论摆杆之间的偏角；γ_i为标定位置动作引导杆与理论摆杆之间的偏角；s_i为纵向爬行位移(下角标i为1或2，分别代表中间和终点标定位置，下同)；t_i为横向密贴间隙；d_i为初始安装位置与标定位置之间转轴的连线；l₀为初始安装位置转台旋转中心E到垂足F之间的距离；l₀’为初始安装位置理论杆长；l_i’为标定位置理论杆长；Δθ_i为两个位置的角度位移；Δl_i为两个位置的直线位移。

图中：1密封箱；2上滑台底板；3下滑台底板；4光栅读数头；5滑台；6标尺光栅；7动作引导杆；8转接头；9转轴；10位移输出杆固定板；11基本轨；12尖轨；13位移输出杆；14U形固定环；15磁铁；16转台；17传感器固定板；18直线位移传感器；19数据采集处理单元；20磁性块；21角度位移传感器；22橡胶垫块。

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测量设备的标定过程如图1所示。

(1)如图2、5所示，将测量装置的动作引导杆7与尖轨12部分的位移输出杆13通过转接头8连接，转接头8可绕转轴9转动；位移输出杆13在下方绕过基本轨11和尖轨12，与尖轨12内侧连接；

(2)如图2、3所示，将标定装置通过下滑台底板3下的磁铁15吸附到密封箱1的上表面，安装时尽量保证上滑台底板2和下滑台底板3分别与密封箱1的两条边平行；移动滑台5，使U形固定环14可以将位移输出杆13的接头固定到位移输出杆固定板10上；标定装置上的两个标尺光栅6分别固定在上滑台底板2和下滑台底板3上，两个光栅读数头4分别固定在两个滑台5上，并通过数据线连接到外部数显表上；

(3)如图4、6所示，初始时尖轨12和基本轨11处于最大间距状态，转辙机推动尖轨12朝着靠近基本轨11的密贴方向移动，同时带来一定的纵向爬行量，在中间标定位置停下；此时尖轨部分的位移输出杆13带动测量装置的动作引导杆7绕着转台16顺时针旋转一定角度，同时沿自身轴线方向向后移动一定距离，理论摆杆的位置从EA变化到了EC，通过角度位移传感器21得到角度数值，计算出角度变化值Δθ₁，通过直线位移传感器18得到动作引导杆7沿轴线方向的移动距离Δl₁；同时位移输出杆13带动标定装置的滑台5在滑台底板2、3上运动，使光栅读数头4与标尺光栅6产生相对运动，通过外接数显表读出滑台沿爬行方向的位移s₁和沿密贴方向的位移t₁；

(4)如图4、6所示，转辙机推动尖轨12继续朝着靠近基本轨11的方向移动到终点标定位置，此时尖轨12和基本轨11紧密接触；同样位移输出杆13带动测量装置的动作引导杆7绕着转台16旋转和沿轴线方向移动，通过角度位移传感器21读出角度数值，计算出角度变化值Δθ₂，通过直线位移传感器18读出动作引导杆7沿轴线方向的移动距离Δl₂；同时位移输出杆13带动标定装置的滑台5产生相对运动，通过外接数显表读出滑台5沿爬行方向的位移s₂和沿密贴方向的位移t₂；

(5)得到上述参数后，联立(1)～(3)式，配合搜索法即可得到动作引导杆13与转轴9轴线之间偏心距a的精确理论值；再配合(4)～(7)式，得到偏角、初始安装角度和理论杆长等参数，通过上位机将上述参数传输到数据采集处理单元19中，用于后续纵向爬行和密贴间隙的实时测量。

本发明提供的尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定装置及方法，在尖轨移动时，利用易安装的标定装置测出标定位置的爬行和密贴间隙，同时测量装置将该运动转换成直线位移和角度位移，利用传感器读出；将测出的数据代入标定模型即可得到初始安装状态下多种参数的精确理论数值，没有通过设计尺寸或测量设备直接测量，大幅减小了由于安装误差和结构间隙等对参数带来的影响。通过标定得到的理论参数是后续实时测量的基础，将参数输入到数据采集处理单元中，才可进行后续测量工作。标定装置的安装和标定过程都十分方便，对操作人员的技术要求很低，可以在测量装置安装结束后迅速完成标定工作，因此降低了尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定工作的复杂性和成本。

Claims (2)

1.一种尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定装置，其特征在于，所述的标定装置包括可产生正交运动的滑台(5)、上滑台底板(2)、下滑台底板(3)、两个光栅尺、位移输出杆固定板(10)和U形固定环(14)；

所述的测量设备包括动作引导杆(7)以及布置于密封箱(1)中的转台(16)、直线位移传感器(18)、磁性块(20)、传感器固定板(17)、角度位移传感器(21)和数据采集处理单元(19)；所述的转台(16)位于密封箱(1)的底板上，所述的角度位移传感器(21)安装在转台(16)上，测量转台(16)的旋转角度；所述的数据采集处理单元(19)用于采集直线位移传感器(18)和角度位移传感器(21)的测量数据；所述的传感器固定板(17)为直角板形式，水平板固定在转台(16)的平台上，竖直板用来固定直线位移传感器(18)；直线位移传感器(18)使用磁致伸缩的原理制成，其滑轨中心高度与动作引导杆(7)轴线等高，与直线位移传感器(18)配套的磁性块(20)固定在动作引导杆(7)上，当动作引导杆(7)产生直线运动时磁性块(20)上的凹槽会在直线位移传感器(18)的滑轨上无接触滑动；动作引导杆(7)的一端穿过转台(16)的圆弧形板上的滑动轴承孔，起到导向和支撑的作用；位移输出杆(13)的一端与尖轨(12)固定连接，用于输出尖轨(12)的位移；位移输出杆(13)的另一端上固定有转轴(9)，位移输出杆(13)轴线经过转轴(9)的轴心；动作引导杆(7)的另一端与L型转接头(8)的长边固定，转接头(8)短边一侧开有轴孔，用于套在转轴(9)上，尖轨(12)移动时转接头(8)可绕转轴(9)旋转，通过转接头(8)将动作引导杆(7)与位移输出杆(13)连接，以测量尖轨(12)的位移，且转接头(8)的形状使动作引导杆(7)端部与转轴(9)的轴心具有偏移量；动作引导杆(7)与转接头(8)设有橡胶垫块(22)以消除加工面平面度误差而产生的连接间隙；当尖轨(12)出现爬行和密贴现象时，通过动作引导杆(7)将两个方向的直线位移转换成转台(16)的旋转运动和磁性块(20)的直线运动，引起角度位移传感器(21)和直线位移传感器(18)的示数变化，并将数据传输至数据采集处理单元(19)中；

所述的标定装置通过下滑台底板(3)下表面上的磁铁(15)吸附到密封箱(1)的上表面；所述的滑台(5)包括两个滑板和两条滑轨，滑轨固定在滑板的底部，两个滑板交叉布置，使滑台(5)可产生正交运动；所述的滑台(5)的两条滑轨分别固定于上滑台底板(2)的下表面和下滑台底板(3)上表面，可使上滑台底板(2)产生爬行方向和密贴方向的直线运动；所述的光栅尺包括标尺光栅(6)和光栅读数头(4)，两个标尺光栅(6)分别固定在上滑台底板(2)和下滑台底板(3)上，两个光栅读数头(4)分别固定在滑台(5)的两个滑板上，滑台(5)移动时使每个光栅尺的两部分结构标尺光栅(6)和光栅读数头(4)产生相对位移，光栅读数头(4)上连接的数据线将数据传输至外部数显表上用于读数；所述的位移输出杆固定板(10)由两块直板和一块角板焊接而成，通过螺栓固定在上滑台底板(2)下表面的一端；U形固定环(14)上附有螺纹，通过螺母将位移输出杆(13)端部的接头固定在位移输出杆固定板(10)上；标定过程中使用自身的两个光栅尺以及测量设备中的直线位移传感器(18)和角度位移传感器(21)进行数据采集。

2.一种尖轨爬行及密贴间隙测量设备标定方法，采用权利要求1所述的标定装置，其特征在于，具体步骤如下：

(1)初始时尖轨(12)和基本轨(11)处于最大间距状态，各部分装置连接完成后，转辙机推动尖轨(12)朝着靠近基本轨(11)的方向移动，在中间标定位置停下；通过角度位移传感器(21)得到测量设备动作引导杆(7)的角度变化值Δθ₁，通过直线位移传感器(18)得到动作引导杆(7)沿轴线方向的移动距离Δl₁，通过外接数显表读出滑台(5)沿爬行方向的位移s₁和沿密贴方向的位移t₁；

(2)转辙机推动尖轨(12)继续朝着靠近基本轨(11)的方向移动到终点标定位置，通过角度位移传感器(21)得到动作引导杆(7)的角度变化值Δθ₂，通过直线位移传感器(18)得到动作引导杆(7)沿轴线方向的移动距离Δl₂，通过外接数显表读出滑台(5)沿爬行方向的位移s₂和沿密贴方向的位移t₂；

(3)传感器数值和数显表读数分别通过数据线和上位机传入到数据采集处理单元(19)中，根据标定模型进行集中计算，得出初始安装状态下的理论杆长、安装角度和标定始末状态的偏角；最后通过数据采集处理单元(19)中的CAN通信模块将处理后得到的参数数据传输至远程上位机监控端，用于后续爬行和密贴间隙的测量；

所述标定模型基于余弦定理和搜索法构建，根据两个标定位置得到的位移数据，将式(2)和(3)式代入式(1)，建立一个只有动作引导杆(7)轴线与转轴(9)轴线之间的偏心距a作为未知参数的等式，将偏心距的设计值a₀作为初始值，通过搜索法不断优化，即可得到符合精度要求的偏心距的理论值a：

将转轴(9)的轴心与转台(6)的旋转中心之间的连线命名为理论摆杆，在得到偏心距的理论值a后，通过公式(4)和(5)分别求出初始安装位置和最终位置动作引导杆(7)与理论摆杆之间的偏角γ₀和γ₂；再通过式(6)得到初始理论杆长l₀′和最终位置杆长l₂′；最后通过式(7)得到理论摆杆的初始安装角度β：

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