新型電子擺在搗固車上的應(yīng)用

劉中田

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司 研究院，云南 昆明 650215）

0 引言

鐵道線路水平的檢測是搗固車起道作業(yè)的前提條件，只有對既有線路的水平進(jìn)行正確的定量檢測，才能完成良好質(zhì)量的搗固作業(yè)。而目前完成上述檢測功能的傳感器采用橫向水平電子擺EL-T2036，在DC-32搗固車、DCL-32連續(xù)式搗固車、CDC-16道岔搗固車和WD-320穩(wěn)定車中，此類型電子擺得到了廣泛的應(yīng)用。起道作業(yè)完成后線路達(dá)到±2mm以內(nèi)的橫平作業(yè)精度，電子擺起到了關(guān)鍵的作用。

1 電子擺EL-T2036

搗固車系列橫向水平檢測裝置通常由3個電子擺組成，分別安裝在B，C，D點的三個測量小車架的中央，如圖1所示。安裝在D點前張緊車上的前電子擺Pf是用來檢測起道前線路的實際橫向水平值，與其他途徑輸入的起道量進(jìn)行比較，控制起道裝置的動作；安裝在C點撥道小車上的中電子擺Pm用來檢測起道作業(yè)過程中軌道水平變化，若起道表顯示有水平不良時，作業(yè)人員可隨時進(jìn)行調(diào)整，以保證起道作業(yè)質(zhì)量；安裝在B點小車的后電子擺Pr用來檢測作業(yè)后的線路橫向水平，向記錄儀提供信號，是記錄專用電子擺。

圖1 電子擺安裝示意圖

1.1 電子擺工作原理

電子擺是一種檢測物體水平狀態(tài)的機(jī)械電子傳感器，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。當(dāng)?shù)鬃幱谒轿恢脮r，擺錘保持垂直狀態(tài)，此時電位計上的可動觸點處于中立位置，電路平衡，無電信號輸出。當(dāng)測量小車左右傾斜時，擺錘將向一側(cè)擺動，經(jīng)機(jī)械傳動系統(tǒng)使電位計轉(zhuǎn)動，并輸出相應(yīng)的電信號，該電信號的大小實際上就是與底座相連的測量小車的傾斜度，即線路兩股鋼軌的橫向水平差值。

圖2 電子擺結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電子擺性能參數(shù)

電子擺性能參數(shù)如下：

全量程（mm）： 360；

有效量程（mm）： ±180；

信號比例（mV/mm）：25；

線性度（%）： ±0.3；

工作電源： ±15VDC；

響應(yīng)時間（s）：0.9～1.2；

外形尺寸（mm）：350×196×394；

安裝孔：4－Φ12，中心距320×100；

質(zhì)量（kg）：27.3。

該電子擺量程范圍寬、線性度好、精度高，但其質(zhì)量大、拆裝不方便、價格貴。其電信號為模擬量，調(diào)試校正步驟多，需要調(diào)整機(jī)械水平零點、電氣零點、左右對應(yīng)值等。

2 新型電子擺——高精度電壓型單軸傾角傳感器

新型電子擺是一款高精度模擬電壓或數(shù)字量輸出的單軸傾角傳感器，其最高精度可達(dá)到0.001°，是國內(nèi)為數(shù)不多的高精度傾角儀，主要用來測量物體與水平面的傾斜，其外觀圖如3所示。內(nèi)部采用高分辨率差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換器，通過自動補償方法，減小了環(huán)境變化引起的誤差。微型固體擺錘通過測量靜態(tài)重力場變化，轉(zhuǎn)換成傾角變化，其變化通過電壓（0V～5V）方式輸出。在安裝調(diào)試過程中，無機(jī)械水泡調(diào)整步驟，因此節(jié)約了調(diào)試時間，具體的精度校準(zhǔn)可以在軟件中進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖3 單軸傾角傳感器外觀圖

2.1 工作原理

新型電子擺采用傾角單元，電容微型擺錘原理。利用地球重力原理，當(dāng)傾角單元傾斜時，地球重力在相應(yīng)的擺錘上會產(chǎn)生重力的分量，相應(yīng)的電容量會發(fā)生變化，通過對電容量進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換處理之后得出傾角。

2.2 主要特性參數(shù)

高精度電壓型單軸傾角傳感器主要特性參數(shù)如下：

量程（mm）： ±180；

長期穩(wěn)定性（°）： ＜0.002；

寬電壓輸入（V）：9～36；

輸出電壓（V）：0～5；

工作溫度（℃）： －40～＋100；

防護(hù)等級：IP67；

高抗振性能（g）： ＞20 000；

高分辯率（°）：0.000 8；

體積（mm）：90×45×29。

傾角傳感器采用非接觸式測量原理，能實時輸出當(dāng)前的姿態(tài)傾角，其使用簡單，無需找回相對變化的兩個面安裝，安裝方便；精度高、體積小、價格便宜、對外界電磁抗干擾能力強(qiáng)、承受沖擊振動能力強(qiáng)。

3 新型傾角傳感器實驗測試和數(shù)據(jù)處理

為測試新型傾角傳感器在搗固車上檢測和記錄橫平作業(yè)的可用性，做如下電子擺的測試實驗。電子擺實驗測試示意圖如圖4所示。首先將傾角傳感器（包括模擬和數(shù)字型）安裝在DCL-32連續(xù)式搗固車的前張緊小車上，保證傾角傳感器和原電子擺EL-T2036在同一測量點。按圖4測試原理，采集原電子擺和傾角傳感器的模擬和數(shù)字信號到計算機(jī)系統(tǒng)。其中，模擬型傾角傳感器和原電子擺通過PCLD-8710和PCL－7410數(shù)據(jù)卡采集信號，數(shù)字型傾角傳感器通過485/232轉(zhuǎn)換器、232通訊接口采集信號。再使用Analyze專業(yè)工具軟件記錄各傳感器的測量數(shù)據(jù)圖形。

3.1 實驗數(shù)據(jù)和分析

圖5為3種傳感器測量數(shù)據(jù)。曲線①為數(shù)字型傾角傳感器記錄的數(shù)據(jù)；曲線②為模擬型傾角傳感器記錄的數(shù)據(jù)；曲線③為原電子擺EL-T2036測量的數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)為采樣時間（s），縱坐標(biāo)為橫平超高幅度。

圖4 電子擺實驗測試示意圖

圖5 3種傳感器測量數(shù)據(jù)

從圖5可以看出：3種傳感器的波形基本相同，原電子擺的波形曲線連續(xù)平滑，波動量?。荒M傾角傳感器波形與原電子擺波形幾乎相同，但波動量比原電子擺稍大些；數(shù)字傾角傳感器波形與原電子擺也幾乎相同，但曲線波動量較大。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是：原電子擺中的硅油產(chǎn)生一定的阻尼，濾去了搗固車振動的影響，相當(dāng)于機(jī)械式的濾波器，因此測量的曲線連續(xù)平滑、波動量??；而傾角傳感器采用電容微型擺錘，沒有硅油等產(chǎn)生的阻尼，所以產(chǎn)生曲線的波動量較大。

為更準(zhǔn)確地記錄和測量鐵路線路的數(shù)據(jù)，減少搗固車振動對記錄數(shù)據(jù)的影響，必須對模擬和數(shù)字型傾角傳感器的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件上的優(yōu)化處理。

3.2 數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化

原電子擺記錄的曲線平滑、波動量小，能夠準(zhǔn)確地測量和記錄作業(yè)線路的前后超高情況。為了使傾角傳感器同時能達(dá)到原電子擺的記錄效果，減少搗固車振動的影響，現(xiàn)采用滑動平均濾波法對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理。該濾波法可以抑制和消除曲線上的毛刺干擾，能較好地濾除搗固車高頻振動的干擾信號。其滑動平均濾波法的計算公式為：

其中：X為顯示值；X1為上一次的顯示值；Ap－1為堆棧累加值，p為地址指針；C為本次采樣值；n為采樣次數(shù)。

滑動平均濾波法的具體實現(xiàn)可在PLC中進(jìn)行，可以減輕設(shè)計和計算滑動平均濾波法的工作量。因此首先創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)堆棧，長度取決于最大采樣次數(shù)，堆棧越長，用于求平均的數(shù)據(jù)越多，平均后的數(shù)據(jù)曲線越平滑（即濾波效果越好）。圖5中A－A區(qū)域濾波后的數(shù)據(jù)圖形如圖6所示。

圖6 圖5中A－A區(qū)域濾波后的數(shù)據(jù)圖形

從圖6可以看出：經(jīng)濾波后模擬型傾角傳感器的數(shù)據(jù)和原電子擺曲線擬合程度高，并減少了曲線的毛剌干擾；而數(shù)字型傾角傳感器也減少了信號干擾成分、曲線趨于平滑，在此區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)都偏離原電子擺上方，但差值在0.4mm以內(nèi)；對于數(shù)字型傾角傳感器可以增加采樣次數(shù)，其優(yōu)化結(jié)果會變得更好?？傊?，兩種傾角傳感器所測試的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理后，均可以滿足搗固車的作業(yè)使用要求。

4 結(jié)束語

目前，穩(wěn)定車和搗固車系列普遍采用2～4個電子擺對線路進(jìn)行測量和記錄作業(yè)的數(shù)據(jù)。通過以上實驗分析和探討，模擬和數(shù)字型傾角傳感器可基本替換原電子擺（EL-T2036）的測量和記錄功能。對于搗固車系列的模擬系統(tǒng)改造和升級，可用模擬傾角傳感器替代原電子擺，且改造方便、無需信號的轉(zhuǎn)換；對于新型數(shù)字網(wǎng)絡(luò)搗固和穩(wěn)定車型可采用數(shù)字傾角傳感器替代原電子擺，且集成性好，信號處理方便。新型電子擺如果能在搗固車和穩(wěn)定車上普遍應(yīng)用，則會在很大程度上降低生產(chǎn)成本。

［1］韓志青，唐定全.抄平起撥道搗固車［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［2］楊新軍，張文東，胡躍進(jìn)，等.大型養(yǎng)路機(jī)械檢修技術(shù)基礎(chǔ)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2005.

［3］王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1998.