五型軌道檢查車水平加速度計更型研究

鄧正杰

摘 要：文章詳細分析了GJ-5型軌檢車的水平加速度計的構(gòu)造、參數(shù)及工作原理，嘗試將JSD-I/C國產(chǎn)加速度計改造后替代美國FLEX-26加速度計，使GJ-5型軌檢車的水平加速度檢測項目數(shù)據(jù)準確，精確度高，具有很好的可靠性和重復(fù)性。

關(guān)鍵詞：軌道檢查車；加速度計；5型軌檢車；鐵路設(shè)備

自1999年以來，全路先后有18輛美國進口的GJ-5型軌檢車投入到我國既有干線檢測試驗過程中，為我國列車的安全運輸提供了有力的保障。近年來，因為長時間運行設(shè)備老化等問題，相當一部分5型軌檢車出現(xiàn)了配件損壞的情況，而此時美國ImageMap公司因軌檢車業(yè)務(wù)停產(chǎn)，停止向中國出售相關(guān)配件。國內(nèi)又無可以直接替代的同類配件產(chǎn)品，各路局軌檢部門都處于無配件可用的尷尬階段。2011年11月，我局WX998949軌檢車平加速度計損壞，水平加速度這個重要項目無法檢測。在這種情況下，我們想從水平加速度計入手，嘗試將國產(chǎn)JSD-I/C石英撓性加速度計改造后用以替代美國FLEX-26應(yīng)變式加速度計，使水平加速度項目恢復(fù)檢測，為國內(nèi)5型軌檢車配件國產(chǎn)化提供新思路。

因為GJ-5型軌檢車是引進設(shè)備，核心技術(shù)資料掌握在外國公司手中，要想更換水平加速度計首先必須根據(jù)車體振動特點、測量的精度及范圍來選定合適的水平加速度計型號；其次，水平加速度計輸出的原始信號必須經(jīng)過前置預(yù)處理電路進行處理；然后需要對系統(tǒng)進行標定及試驗；最后更換加速度計后的系統(tǒng)的可靠性和重復(fù)性也必須得到驗證。

1 加速度計的選型

車體振動加速度測量要求加速度傳感器安裝位置在車體底板上，距車體縱向中心線1m，車輛尾部靠近第4軸處。車輛振動對行車安全具有直接影響，車體垂直振動所產(chǎn)生的附加力時上時下，附加力向下加重軌道負荷，易加劇軌道狀態(tài)惡化和部件損壞。附加力向上引起車輪減載，易產(chǎn)生脫軌事故。車輛振動對旅客乘座舒適也具有較大影響，車體橫向振動會加劇輪軌橫向作用力，同時會造成車體蛇行運動，易造成旅客乘車疲勞、眩暈等生理不適癥狀。

列車車體的振動頻率低，加速度值小，所以在選擇加速度計方面要考慮其頻率響應(yīng)及靈敏度，圖1和圖2分別是軌檢車測的車體水平和垂直方向振動加速度的功率譜圖，從圖可以看出車體振動加速度的能量多分布在1Hz左右，隨著列車速度的不同及轉(zhuǎn)向架類型的不同，振動加速度的頻譜也會有所差異。

根據(jù)車體的振動特點，目前我們暫選用伺服式加速度計作為前級傳感器。伺服加速度計低頻響應(yīng)好，可以低至零頻率，靈敏度高，穩(wěn)定性好，比較適合用于對車體的低頻加速度值的振動加速度測量。其類型是石英撓性加速度計，當加速度計在其輸入加速度時，其內(nèi)部的檢測質(zhì)量擺將產(chǎn)生慣性力矩，并使質(zhì)量擺繞撓性軸產(chǎn)生角位移，角位移使差動電容傳感器產(chǎn)生電容差值？蓀C，？蓀C經(jīng)伺服變換成電流信號，使力矩器產(chǎn)生一電磁反饋力矩，當該反饋力矩與質(zhì)量擺的慣性力矩相平衡時，力矩動圈所需電流I與輸入加速度成正比，因此測量I值即可得加速度值。根據(jù)軌檢車對車體振動的測量，車體振動加速度值范圍在±0.5g以內(nèi)，所以我們選擇輸入選擇輸入范圍±0.5g的加速度計。

2 前置預(yù)處理電路及濾波特性的分析

水平加速度計輸出的原始傳感器信號需要經(jīng)過前置預(yù)處理電路進行處理，前置預(yù)處理電路如圖3所示。

則當單個二階濾波器的值取時，可以使兩個二階低通濾波器級聯(lián)后，，這時截止頻率f0=，目前暫取f0=10Hz，經(jīng)過運算可得電路參數(shù)，根據(jù)只要改變電路參數(shù)，f0還可以改變。四階低通濾波器的幅頻特性和相頻特性如果過渡帶衰減約-62dB十倍頻程，可見過渡帶有較高的衰減率。圖3框圖最后增加了一個二階高通濾波器，以濾除車體水平加速度中未被平衡的離心加速度。

車體振動加速度經(jīng)過模擬預(yù)處理電路后，輸出至計算機進行A/D采樣，根據(jù)管理標準進行超限斷，打印報表，同時再通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬圖形。

3 系統(tǒng)的標定

軌檢車更換完水平加速度計后需要對系統(tǒng)進行標定，為了對電路板進行單獨調(diào)試，在電路中設(shè)計了標定信號及輸入短路信號，如果不與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，電路板上有自己的±5V穩(wěn)壓電路，具體標定如下：

（1）將輸入短路，調(diào)節(jié)調(diào)零電位計，使輸出為0±0.005V。

（2）將加速度計的輸出與電路輸入相連，將加速度計放置在較為水平的平面上，調(diào)節(jié)調(diào)零電位計，使電路輸出為0±0.005V。將加速度計放置在與水平面成30度的斜坡上如圖4，使加速度計輸出為-0.5g，調(diào)節(jié)增益電位計，使計算機對加速度的采樣值等于-0.5g。

圖4 加速度計擺放角度

a=gsin30°=0.5g

（3）重復(fù)步驟1，將標定信號+1V接入電路輸入端，檢測電路輸出電壓值，可得電路的增益，這時計算機的采樣值為0.06g，傳感器安裝以后可直接用標定信號進行標定，而不用經(jīng)常拆卸傳感器。

（4）將傳感器固定安裝好，軌檢車停在平直的線路上時，調(diào)節(jié)電路上的調(diào)零電位計，使電路輸出等于0±0.005V。

4 系統(tǒng)可靠性及重復(fù)性的驗證

系統(tǒng)可靠性及重復(fù)性是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確的重要指標。2012年11月至今，車體水平加速度計更換后，期間共檢查線路29082公里，工作時間總計392小時，其中最長單次不間斷工作時間為16小時，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何故障，說明系統(tǒng)是可靠的。

作為線路檢測設(shè)備，系統(tǒng)的重復(fù)性也是必須得到驗證。也就是說，如果線路沒有進行大的施工，線路條件沒有發(fā)生變化，那么軌檢車檢查同一條線路的數(shù)據(jù)、圖形應(yīng)該一致。在這里我們采用WinDBC數(shù)據(jù)圖形軟件進行11月6日和11月20日二次數(shù)據(jù)的比對，如圖5、圖6：

由此可見先后二次檢查圖形能夠完全重合，波形走勢高度一致，證明系統(tǒng)重復(fù)性良好。

5 結(jié)束語

新加速度計已應(yīng)用于我局所有軌道檢查車上，取得良好的效果。并得到基礎(chǔ)檢測中心的認可，出具水平加速度檢測項目合格證明，同時我們也將進一步計劃對軌道檢查車其他進口配件進行深入研究，并同國內(nèi)配件進行比較，逐步用國產(chǎn)配件替代進口配件，進一步提高軌道檢查車配件的國產(chǎn)化率，降低生產(chǎn)成本。

參考文獻

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[3]鐵道部基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心譯 《ControlConsole用戶指南》 2003年2月1日版本1.0.X.

[4]中華人民共和國鐵道部鐵運[2006]146號部令《鐵路線路修理規(guī)則》.