CN201136522Y - 高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于铁路运输领域，涉及一种高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置。该装置由安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直和与地面成45°角的两块反射板、两个激光位移传感器及便携式数据处理、显示装置组成，利用与地面成45°角的反射板，将轨道线路的垂向位移按1∶1的比例等值转换成水平距离变化量，两个激光位移传感器的测量头对准两块反射板测量高速列车通过时的动态横向位移与包括横向位移与垂向位移的复合位移，将两个激光位移传感器测量的数据经便携式数据处理、显示装置处理后可以直接读出高速列车通过瞬时轨道线路横向、垂向位移，该测量装置具有测量数据准确、响应速度快的优点。

Description

高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置

技术领域

本实用新型属于铁路运输领域，涉及一种高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置。

技术背景

2007年4月18日，以成功实施第六次大面积提速为重要标志，我国铁路拉开了向高速时代迈进的序幕。随着国民经济的发展，对铁路运输提出了越来越高的要求，在上海、北京，上海、南京，上海、苏州等地区之间出现了运行速度为200km/h-350km/h的动车组列车，为广大旅客出行带来了极大的便利。但是一些问题随之而来，部分线路区段出现动车组和快速列车的明显摇晃，造成快速铁路和高速铁路客运列车旅行舒适度降低，同时也带来一定的安全隐患。经过查阅大量的资料文献，分析有关列车事故、故障案例，并到现场实地了解情况，列车摇晃的主要原因有轨距递减、钢轨接头(焊缝)不平顺(由于轨枕、道床、垫板及焊接等状态不良造成线路或钢轨接头处的横向和垂向相对位移量过大)等，导致列车的横向加速度和垂向加速度剧烈增大。经过理论计算与铁路部门实际测量提供的数据分析，钢轨垂向动态移动5mm时用插入值计算结果为车体垂向加速度＞0.2m/s²；同时，由于接头处5mm的高差变化，两边车轮的运行轨迹发生突变，车体横向加速度大于0.15m/s²，使车辆摇晃加大。经过理论计算与铁路部门实际测量提供的数据分析，线路或钢轨接头(焊缝)垂向位移超过5mm，列车以250km/h速度通过时，会产生相对于平顺线路27倍的动态冲击力，对钢轨接头(焊缝)产生巨大的伤害，轻则造成缩短使用寿命，重则断轨，发生重大事故。目前我国高速铁路位移测量技术主要采用“轨道检测列车动态检测技术”及“晃车检测仪”。铁道部配属各铁路局的轨道检测车是目前唯一能够实现多功能检测的专用列车，能够检测线路的横向和垂向加速度及其它有关项目，但是由于受运行设备及配套技术条件限制，仅能检测速度为160km/h的列车，无法满足速度更高列车的检测要求，而且检测周期长，无法实现实时、随时随地的配合线路日常维修开展检测。同时由于这种方式必须配属于列车系统，整个检测系统庞大，成本近千万元，检测不能随时随地按照要求开展测量。为了及时发现线路发生严重的横向和垂向位移的超限值，铁道部又使用了一种叫“晃车检测仪”设备，它安装在机车和动车组上，当装有“晃车检测仪”设备的机车或动车组经过有严重横向或垂向位移超限值的线路时，会将检测信号及时通过无线网络传输到工务部门和主要领导人的手机上，由工务部门迅速派出维修人员到报警点抢修。但是由于“晃车检测仪”的检测误差大，不能准确报告具体位置，只能报告大概地点，仍然无法对动态的横向和垂向位移的超限偏差值进行测量。因此如何实现快速准确现场动态检测，掌握高速列车通过时线路或钢轨接头(焊缝)的横向和垂向相对位移量，从而研究制定科学的养修对策，减小列车动态冲击力对钢轨的损害，延长钢轨使用寿命及改善高速铁路的旅行舒适度具有重要意义。这也是快速铁路或高速铁路提高客运列车运行安全及旅行舒适度需要解决的重大课题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够实现快速、准确现场检测的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置。

本实用新型采用如下技术方案：所提供的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置是由安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1和与地面成45°角的反射板2，激光位移传感器3、4及便携式数据处理、显示装置5组成，激光位移传感器3、4的测量头分别对准反射板1及反射板2，激光位移传感器3、4的输出接数据处理、显示装置5。

本实用新型所提供的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置的工作如下所述：激光位移传感器3、4的测量头分别对准安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1和与地面成45°角的反射板2上的被测点，当高速列车未来到之前，由激光位移传感器3、4分别测量反射板1和反射板2上的被测点与激光位移传感器3、4测量头间的静态距离，将测量数据送入数据处理、显示装置5，当高速列车通过时，由激光位移传感器3、4分别测量反射板1和反射板2上的被测点与激光位移传感器3、4测量头间的的动态距离，将测量数据送入数据处理、显示装置5进行数据处理并显示，当高速列车通过时与高速列车未来到之前，由激光位移传感器3两次测量的激光位移传感器3的测量头与安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1被测点之间距离变化部分就是高速列车通过时轨道线路的横向位移量；当高速列车通过时与高速列车未来到之前，由激光位移传感器4两次测量的激光位移传感器4的测量头与安装在被测铁路钢轨腰部与地面成45°角的反射板2上的被测点之间距离变化部分就是高速列车通过时轨道线路的包括垂向位移和横向位移的复合位移；由于激光位移传感器3、4的输出接数据处理、显示装置5，由数据处理、显示装置5在其内部程序的控制下对激光位移传感器3、4的输出信号进行数据处理即可得到高速列车通过后的横向、垂向位移量，实现对高速列车运行在高速铁路(200km/h以上)时的动态情况下轨道线路产生的横向和垂向位移量的实时测量。

本实用新型在被测铁路钢轨腰部安装与地面垂直的反射板1和与地面成45°角的反射板2，利用激光位移传感器3和安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1测量高速铁路列车通过时轨道线路的横向位移，利用激光位移传感器4和安装在被测铁路钢轨腰部与地面成45°角的反射板2测量高速铁路列车通过时轨道线路包括垂向位移和横向位移的复合位移。利用反射板2与地面和铁路钢轨腰部成45°角，当高速列车通过时，铁路钢轨由于受到高速列车的冲击力而产生包括垂向位移和横向位移的复合位移，因此安装在钢轨腰部、与地面成45°角的反射板2也随之产生相同的包括垂向位移和横向位移的复合位移。本实用新型采用了与地面成45°角的反射板2作为测量垂向位移的转换媒介，利用等腰直角三角形两腰垂直、且相等的性质，把钢轨的垂向位移量直接按1∶1的比例等值转换成水平距离变化量，实现垂向位移的快速测量。由于采用在钢轨腰部安装反射板，利用激光位移传感器测量轨道线路的横向及垂向位移这种非接触测量方法，不影响线路使用条件，确保在列车高速通过时测量仪器对铁路安全和运行规定没有任何影响。同样高速列车对测量的精度也没有任何影响，测量精度高、测量装置响应时间快。采用便携式数据处理、显示装置，便于现场随机测量。本实用新型所提供的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置利用安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1和与地面成45°角的反射板2，两个激光位移传感器3、4和便携式数据处理、显示装置5实现了快速、准确现场检测的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移量的目的，采用该装置可随时随地配合线路日常维修开展检测，并且检测装置的成本很低。

附图说明

图1是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置的工作原理框图；

图2是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中钢轨腰部安装的反射板1、2第一种实施方式的示意图；

图3是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中钢轨腰部安装的反射板1、2第二种实施方式的示意图；

图4是本实用新型轨道线路垂向位移测量原理几何分析图；

图5是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中测量电路的实施例之一；

图6是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中测量电路的实施例之二；

图7是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中测量电路的实施例之三。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的实施。图1是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置的工作原理框图。由图1可知：本实用新型所提供的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置是由安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1和与地面成45°角的反射板2，激光位移传感器3、4及便携式数据处理、显示装置5组成，激光位移传感器3、4的测量头分别对准反射板1及反射板2，激光位移传感器3、4的输出接便携式数据处理、显示装置5。图2、图3是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中在钢轨腰部安装的反射板1、2两种实施方式示意图。图2中的反射板1是一块后面贴在被测铁路钢轨腰部的竖直板构成。反射板2是一个纵向截面为等腰直角三角形的三角柱体中与两个互相垂直的柱面均成45°角的斜面构成，两个互相垂直的柱面中的一个柱面安装在被测铁路钢轨腰部，另一个柱面与地面平行。图3中安装在钢轨腰部与地面垂直的反射板1是由一个后面板贴在被测铁路钢轨腰部的长方体6的前面板构成。安装在被测铁路钢轨腰部与地面成45°角的反射板2是将一个与长方体6完全相同的柱体顶部削去一个纵向截面为等腰直角三角形的三角柱体形成的异型柱体6’，将该异型柱体6’与长方体6并排贴在被测铁路钢轨腰部，与贴在钢轨腰部的后面板成45°角的顶面就是与地面成45°角的反射板2。与地面垂直的反射板1配合激光位移传感器3用来测量轨道线路的横向位移，与地面成45°角的反射板2配合激光位移传感器4用来测量轨道线路的复合位移，复合位移包括垂向位移和横向位移，用激光位移传感器3、4配合与地面垂直的反射板1和与地面成45°角的反射板2可以快速、准确地测量轨道线路的横向位移量和垂向位移。

当高速列车通过时与高速列车未来到之前，由激光位移传感器3两次测量的激光位移传感器3的测量头与安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1被测点之间距离变化部分就是高速列车通过时轨道线路的横向位移量，激光位移传感器3将两次所测数据输出至便携式数据处理、显示装置，就能直观地读出横向位移量。

图4是轨道线路垂向位移测量原理几何分析图。原理如下：当高速列车压上钢轨时，由于列车的自重，钢轨接头(焊缝)、道岔垂向位移量过大等主要原因迫使钢轨产生垂向位移和横向位移，这里我们主要分析垂向位移。假设钢轨产生的垂向位移量为L，分析如下：

安装在钢轨腰部的反射板2，因其与地面成45°，反射板2与钢轨腰部及地面或地面的平行面围成一个纵向截面为等腰直角三角形的三角形柱体，当钢轨发生垂向位移时，安装在钢轨腰部与地面成45°的反射板2也一同下移，而激光位移传感器4发射的激光方向没有变，即轨道线路没有通过高速列车前反射板2上的被测点a与轨道线路通过高速列车时反射板2上的被测点b在同一水平线上，被测点a、b的横向移动距离为S₂-S₁，即：ab＝S₂-S₁，过被测点a做反射板2与钢轨腰部及地面或地面的平行面围成的三角形柱体的纵向截面为等腰直角三角形edf，过被测点b做反射板2与钢轨腰部及地面或地面的平行面围成的三角形柱体的纵向截面为等腰直角三角形e’d’f’，过b点做一直线平行于直线dd’与直线ed交于c点，点b、c、d、d’连成一个平行四边形bcdd’，各被测点关系如下：

平行四边形bcdd’中：bc＝dd’＝L

因为abc为等腰直角三角形，∠bac＝∠acb＝45°，ab＝bc

所以，L＝ab＝S₂-S₁

钢轨上下移动的距离与地面成45°角的反射板2移动前后被测点移动的距离ab相等，即钢轨没有通过高速列车前的被测点a与钢轨通过高速列车时的被测点b的横向移动距离为S₂-S₁，经过激光位移传感器4的测量差值计算后直接得出垂向位移量L也为S₂-S₁，激光位移传感器4到钢轨被测点a的静态基本距离为S₁是在列车没有通过被测钢轨前，钢轨均处于相对静止情况下的数据，激光位移传感器4到钢轨被测点b的动态距离为S₂是在列车通过被测钢轨时，钢轨处于动态情况下的数据。当高速列车压上被测点钢轨瞬间，钢轨发生垂向位移，位移量为L。此时安装在钢轨腰部的反射板2同时下降L，激光位移传感器4发射到下降后的钢轨反射面的b点，此时激光位移传感器到钢轨的被测点b点距离为S₂，S₂＝S₁+L。

通过这种测量方式，将轨道线路的垂向位移按1∶1的比例等值转换成水平距离变化量，实现垂向位移的快速测量。当列车通过弯道、道岔、钢轨接头或不平顺的道路时，被测点的钢轨既有垂向位移，又有横向位移，此时激光位移传感器4测量的数据是复合位移，即为垂向位移与横向位移之和，如要得到垂向位移再将由激光位移传感器3所测量的横向位移减去即可。

垂向位移包括钢轨下移位移和反弹位移，横向位移包括钢轨水平左右位移(即内外位移)。所以钢轨垂向位移的实际值应该是测量值减去相向的水平位移量；钢轨反弹位移的实际值应该是测量值减去钢轨反向的水平位移量。

图5是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中测量电路的实施例之一。在这个实施例中采用激光位移传感器3、4对准安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1和与地面成45°角的反射板2上面的被测点，测量轨道线路的横向位移及横向加垂向位移的复合位移。激光位移传感器3、4采用JG-1500激光位移传感器，按下测量开关K₁、K₂激光位移传感器3、4即可工作，便携式数据处理、显示装置5采用LD-2008型数字处理仪表，将激光位移传感器3、4的测量信号输出端6和测量信号输出端8接到LD-2008型数字处理仪表的运算分析电路输入端。数字处理仪表内部的运算分析电路自带的软件有自动“去皮”功能，即可以通过内部程序将激光位移传感器3、4到贴在钢轨腰部的反射板1、2上被测点静态基本距离都自动设置为零，直接显示出横向位移与复合位移(横向位移与垂向位移之和)，并保存在仪表记录芯片中，在面板上显示出来，复合位移数据中会有一部分为横向位移分量，直接减去横向位移量即为垂向位移量。同时，将激光位移传感器4到贴在钢轨腰部的反射板2上被测点静态的基本距离自动设置为零，还可有效地消除了列车车轮驶离后，钢轨又会产生轻微的反弹位移的负偏差对测量数据的影响。选择JG-1500激光位移传感器作为测量位移的部件，测量200km/h列车通过速度时的线速度计算：

200km/h＝20000000cm/3600s＝5555cm/s＝5.5cm/ms

根据JG-1500激光位移传感器快速响应时间0.5ms、钢轨受压有效测量长度按50cm计算，车轮通过测量面50cm用时约为10ms，大于0.5ms传感器快速响应时间，测量结果有效。激光位移传感器使用时应固定在牢固的支架上，测量头与钢轨被测点保持在0.5m-2.0m内，不要小于或大于该距离。激光位移传感器测量误差小于等于0.5mm，满足高速铁路的垂向位移和横向位移测量要求。考虑到高速列车通过时测量人员及测量装置的安全检测距离选择在1000-2000mm内。

图6是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中测量电路的实施例之二。这个实施例与实施例一中采用相同的激光位移传感器3、4，便携式数据处理、显示装置采用笔记本电脑，为和实施例一有所区别，这里便携式数据处理、显示装置5’表示笔记本电脑。激光位移传感器3、4自带的RS485串口输出端1、输出端5接到笔记本电脑5’的USB口，配合激光位移传感器专用软件SensoPART数字处理应用软件，在屏幕上直接读出测量结果，同时对所测量的数据进行保存，以便存档及进一步分析，用笔记本电脑通过专用软件的处理可以直接显示出高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移。采用386以上的笔记本电脑即可。

图7是本实用新型所提供高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置中测量电路的实施例之三。该实施例中便携式数据处理、显示装置采用LD-2008型数字处理仪表5与笔记本电脑5’综合了以上两个实施例的优点。

通过以上实施例的分析进一步了解本实用新型所提供的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置利用两个激光位移传感器3、4和安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板1和与地面成45°角的反射板2及便携式数据处理，显示装置5实现了快速、准确现场检测的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移量的目的，该测量装置采用非接触测量方法，不影响线路使用条件，确保在列车高速通过时测量仪器对铁路安全和运行规定没有任何影响。同样高速列车对测量的精度也没有任何影响，测量精度高，测量误差在0.5mm以内，测量装置响应时间快。采用便携式数据处理、显示装置，便于现场随机测量，而且成本仅为“轨道检测列车动态检测技术”的千分之一。本实用新型同时也可以使用在桥梁的位移检测中。

本实用新型的技术核心是采用了与地面垂直和与地面成45°的反射板1、2，针对激光位移传感器不能对钢轨直接作垂向测量(无法把激光位移传感器安装在轨道上面或下面垂直测量钢轨的垂向位移)，采用反射板的方法虽然结构简单，却非常有效。但是，要求对安装在钢轨腰部的反射板的制作和安装要求较严格，具体如下：

(1)反射面不能太光滑，如普通的玻璃镜片、亮度不锈钢板等，使用普通的工程塑料、铝合金板或者喷了漆的不锈钢板、金属板等均可。

(2)反射面不能粗糙，尤其是有明显凹凸而的材料，如木材等。

本实用新型所述反射板1、2的两种实施方式，使用铝金属铣制后，反射面喷一层美联达塑，反射效果很好，而且表面粗糙度小于0.001mm。反射板安装时可使用卡具或在反射板背面安装磁铁，直接吸附在钢轨腰部即可，同时，配合水平仪调整安装角度，要求反射板1与地面必须满足成90°±0.5°，反射板2与地面必须满足成45°±0.5°，确保测量精度。因为垂向位移是由激光位移传感器4对准安装在钢轨腰部与地面成45°的反射板2所测量的复合位移减去由激光位移传感器3对准安装在钢轨腰部与地面垂直的反射板1所测量的横向位移得出的，为使测量数据准确，两个反射板应并排放置，且所选择的两个被测点应距离较小，选择在20cm内。

Claims (4)

1、一种高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置，其特征在于由安装在被测铁路钢轨腰部与地面垂直的反射板(1)和与地面成45°角的反射板(2)，激光位移传感器(3、4)及便携式数据处理、显示装置(5)组成，激光位移传感器(3、4)的测量头分别对准反射板(1)及反射板(2)，激光位移传感器(3、4)的输出接便携式数据处理、显示装置(5)。

2、根据权利要求1所述的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置，其特征在于所述的便携式数据处理、显示装置(5)采用LD-2008型数字处理仪表，所述激光位移传感器(3、4)的两个测量信号输出端接LD-2008型数字处理仪表的内部运算电路输入端。

3、根据权利要求1所述的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置，其特征在于所述的便携式数据处理、显示装置(5)采用笔记本电脑，所述激光位移传感器(3、4)自带的RS485串口输出端接笔记本电脑的USB口。

4、根据权利要求1所述的高速铁路轨道线路横向、垂向动态位移测量装置，其特征在于所述的便携式数据处理、显示装置(5)采用LD-2008型数字处理仪表和笔记本电脑，所述激光位移传感器(3、4)的两个测量信号输出端接LD-2008型数字处理仪表的内部运算电路输入端，所述激光位移传感器(3、4)自带的RS485串口输出端接笔记本电脑的USB口。

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