DC-32型搗固車加裝二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān) 偉，王發(fā)燈，牛懷軍

(1.廣州鐵路(集團(tuán))公司 工務(wù)處，廣東 廣州 510095;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

DC-32型搗固車加裝二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān) 偉1，王發(fā)燈2，牛懷軍2

(1.廣州鐵路(集團(tuán))公司 工務(wù)處，廣東 廣州 510095;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

介紹了DC-32型搗固車激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的工作原理，分析激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在DC-32型搗固車上的使用情況，對(duì)現(xiàn)有的一維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，闡述了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案及軟硬件設(shè)計(jì)，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了二維激光準(zhǔn)直功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高了搗固車作業(yè)效率。

搗固車 改造 二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

1 概述

在我國大型養(yǎng)路機(jī)械中搗固車保有數(shù)量是最多的。我國引進(jìn)的第一臺(tái)大型養(yǎng)路機(jī)械就是08-32型搗固車(國產(chǎn)化后為DC-32型)。搗固車通過對(duì)軌道進(jìn)行撥道、起道抄平、石砟搗固及道床肩部石砟的夯實(shí)作業(yè)，使軌道方向、左右水平和前后高低均達(dá)到線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或線路修理規(guī)則的要求，從而改善線路條件，保障列車運(yùn)行安全。

1.1 搗固車作業(yè)模式

搗固車的起撥道及搗固作業(yè)有4種作業(yè)模式:

1)搗固車?yán)米陨頇z測系統(tǒng)的測量弦作為基準(zhǔn)線，將檢測到的信號(hào)值輸入到運(yùn)放電路進(jìn)行比較，再將偏差值輸出到伺服閥進(jìn)行控制，修正線路幾何尺寸。

2)由工務(wù)段人員根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)指揮大型養(yǎng)路機(jī)械操作人員進(jìn)行作業(yè)。

3)由工務(wù)段每隔2.5 m(5根軌枕)把線路方向、高低偏差值用油漆或粉筆標(biāo)注在軌枕上，再由人工輸入起撥道數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確撥道。

4)利用搗固車配備的激光測量系統(tǒng)，通過激光發(fā)射和接收裝置，根據(jù)三點(diǎn)法作業(yè)原理對(duì)線路幾何尺寸進(jìn)行測量，測量弦長度得到延長，激光發(fā)射器就相當(dāng)于原來的D點(diǎn)測量小車，測量精度得到很大提高。

上述4種作業(yè)模式，第1種已經(jīng)較少采用;第2種已經(jīng)基本不用;第3種在新線建設(shè)時(shí)使用較多，在運(yùn)營線路中使用較少;第4種在新線建設(shè)和線路的日常運(yùn)營中使用較多。

DC-32搗固車激光準(zhǔn)直作業(yè)目前僅限用于線路方向偏差的測量，而沒有針對(duì)線路高低的激光測量矯平系統(tǒng)。目前只能利用激光對(duì)長距離的線路方向偏差進(jìn)行測量矯正，而無法對(duì)線路上存在的長距離高低偏差進(jìn)行測量矯正。測量線路高低偏差的基準(zhǔn)線仍然是張緊于B，D兩臺(tái)測量小車中間的兩根鋼弦線，基準(zhǔn)長度只有15.785 m，對(duì)于長直線路其精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，無法將距離較長的高低不良(俗稱慢塘)起平。

1.2 激光準(zhǔn)直原理

目前DC-32型搗固車上安裝的激光準(zhǔn)直系統(tǒng)為一維系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 JZT-B型激光準(zhǔn)直系統(tǒng)

一維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的工作原理為:定位在搗固車前方數(shù)百米處的激光發(fā)射器，向搗固車前端下方的激光接收器射出一束基準(zhǔn)激光束，激光接收器將收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)控制電路處理后，指導(dǎo)搗固車的撥道機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)激光束準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)接收器中央時(shí)，接收電路處于平衡狀態(tài)，無任何信號(hào)輸出，搗固車中位指示燈亮(遠(yuǎn)距離時(shí)，由于激光束在空氣中會(huì)有規(guī)則漂移，搗固車的左右指示燈有節(jié)奏地交替閃爍)。當(dāng)搗固車沿著左右彎曲的軌道前進(jìn)，接收器隨之偏離激光束中心。這時(shí)接收器立即輸出左路或右路控制信號(hào)，通過接收控制電路板觸發(fā)接收跟蹤架的伺服電機(jī)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)接收器向激光束中心移動(dòng)，同時(shí)牽動(dòng)位移傳感器，向搗固車撥道控制系統(tǒng)輸出相應(yīng)的位移值，操縱撥道裝置將軌道撥至正確的位置。隨著搗

固車向前作業(yè)，激光接收器自動(dòng)跟蹤基準(zhǔn)激光束，撥道裝置相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)搗固車自動(dòng)撥道的功能。

為了提高搗固車的作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起撥道功能，需要對(duì)DC-32型搗固車上的激光電路系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

2 加裝二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理上與一維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)原理不同，需要對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。二維激光的撥道、起道值為模擬量，需要接入前端模擬輸入板合適位置。由于增加了起道功能，需要在前司機(jī)室合適位置內(nèi)外各增加上、中、下指示燈，并且要設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集與輸出控制的電路板，實(shí)現(xiàn)正常的起撥道作業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)直線與豎曲線作業(yè)模式的選擇，需要增加一個(gè)作業(yè)選擇開關(guān)。

2.1 前端模擬量輸入方案

搗固車上的手動(dòng)起道量和手動(dòng)撥道量為模擬量，通過手動(dòng)起道碼盤和手動(dòng)撥道碼盤調(diào)節(jié)滑線電阻，輸入前端模擬信號(hào)板。激光撥道量為模擬量值，通過激光撥道傳感器輸入前端模擬信號(hào)板。為了能夠?qū)崿F(xiàn)改造后激光撥道、起道兩路模擬量數(shù)值的正常輸入，將原車激光撥道傳感器與4U5前端模擬量信號(hào)處理板的連線斷開，并將二維激光的撥道值輸出回路與10d連接。為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)起道和激光起道數(shù)值通過一個(gè)通道進(jìn)入4U5前端模擬量信號(hào)處理板，將手動(dòng)起道碼盤與4U5電路板接線斷開。手動(dòng)起道碼盤與新增指示燈控制板接線相連，激光起道輸出與4U5前端模擬量信號(hào)處理板20d相連。通過改造，能夠?qū)崿F(xiàn)搗固車手動(dòng)、手動(dòng)加激光的不同作業(yè)模式。

2.2 作業(yè)模式選擇

為了實(shí)現(xiàn)激光光點(diǎn)和光條作業(yè)的不同需要，增加一個(gè)作業(yè)選擇開關(guān)。在直線段作業(yè)時(shí)，選擇“起撥道”，激光發(fā)射器發(fā)出光點(diǎn)信號(hào)，激光接收器輸出撥道和起道數(shù)值到前端模擬輸入系統(tǒng)。在豎曲線段作業(yè)時(shí)，選擇“只撥道”，激光發(fā)射器發(fā)出光條信號(hào)，激光接收器輸出撥道數(shù)值到前端模擬輸入系統(tǒng)。作業(yè)選擇開關(guān)選擇帶指示燈的開關(guān)，“起撥道”位指示燈滅，“只撥道”位指示燈亮。由于車載電源為直流24 V，故選用24 V的作業(yè)選擇開關(guān)。

2.3 外部指示燈選型

由于新增起道功能，需要在前司機(jī)室內(nèi)外各新增上、中、下三個(gè)指示燈。由于車載電源為直流24 V，并參考原有撥道系統(tǒng)的指示燈，司機(jī)室內(nèi)B4箱面板上的指示燈選用24 V二極管，司機(jī)室外對(duì)光指示燈選用24 V，8 W工作燈。

前端模擬改造后電氣系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 電氣系統(tǒng)改造原理

3 電路的硬件設(shè)計(jì)及濾波算法

3.1 硬件設(shè)計(jì)(圖3)

圖3 硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，系統(tǒng)電路共有8個(gè)子電路:①單片機(jī)。單片機(jī)作為控制核心，采用20 M晶振，另有1路指示燈用于指示系統(tǒng)是否正常工作。②232通訊。232通訊電路以MAX232芯片為核心，通過6N137實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，再通過 74HC244實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)程增大。③開關(guān)量輸入。系統(tǒng)具有6路24 V開關(guān)量輸入采集功能，通過TLP521-4芯片實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號(hào)隔離及信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。④開關(guān)量輸出。系統(tǒng)具有8路24 V開關(guān)量輸出功能，通過繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號(hào)隔離及信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。⑤模擬量采集。系統(tǒng)具有6路 ±10 V模擬量輸入采集功能，以芯片 AD7656為核心，通過LM747芯片實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)濾波，再通過 OP37實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。⑥模擬量輸出。系統(tǒng)具有4路 ±10 V模擬量輸出功能，以芯片MAX532為核心實(shí)現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換，再通過OP177實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離輸出。⑦里程采集。系統(tǒng)具有1路里程脈沖信號(hào)采集功能，通過74HC244芯片實(shí)現(xiàn)里程信號(hào)增強(qiáng)及隔離輸入。⑧電源模塊。系統(tǒng)通過DC-DC轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有極性保護(hù)功能，防止接錯(cuò)電源正負(fù)極。

3.2 軟件濾波及軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 異常噪聲處理

由于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集密度不需很大，2 Hz的采樣頻率就可以滿足規(guī)范要求。所以本系統(tǒng)測量單元的采樣頻率都比較低。因此，本文采用了3σ法則和滑動(dòng)平均濾波的復(fù)合處理方式來剔除異常噪聲。

滑動(dòng)平均濾波法把N個(gè)測量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為N，每進(jìn)行一次新的采樣，把測量結(jié)果放入隊(duì)尾，而去掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)最新的數(shù)據(jù)。

應(yīng)用3σ法則來剔除粗差。凡殘余誤差大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的都被認(rèn)為是粗差，其所對(duì)應(yīng)的測量值就是壞值，應(yīng)予以舍棄。

如圖4所示，系統(tǒng)對(duì)接收器圖像信號(hào)(該數(shù)據(jù)樣本是在野外有大風(fēng)的情況下采樣得到的)采用復(fù)合濾波技術(shù)進(jìn)行處理后，噪聲得到了比較明顯的剔除，不但提高了系統(tǒng)測量精度，而且使遠(yuǎn)距離測量時(shí)激光光束的穩(wěn)定性得到了很好的控制，減少了由于空氣擾動(dòng)給光束帶來的隨機(jī)誤差，延長了激光測量行程。

圖4 濾波處理前后數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 測試方案

1)開關(guān)量輸入輸出測試

開關(guān)量輸入測試可通過電路板上的指示燈來進(jìn)行，通過給6路開關(guān)量輸入24 V高電平，若相應(yīng)的指示燈會(huì)發(fā)光則認(rèn)為開關(guān)量輸入正常。同樣地，通過單片機(jī)往外發(fā)出開關(guān)量輸出指令，若相應(yīng)的繼電器會(huì)吸合則對(duì)應(yīng)的指示燈也會(huì)點(diǎn)亮。

2)模擬量采集精度測試

AD芯片AD7656的量程設(shè)置為－10～+10 V，采集的數(shù)值0～32 767對(duì)應(yīng)0～10 V;32 768～65 535對(duì)應(yīng)－10～0 V。通過直流穩(wěn)壓電源輸入特定電壓，然后根據(jù)單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)量換算為模擬量，比較輸入值和換算值可得到采集精度。

3)模擬量輸出精度測試

DA芯片MAX532可輸出－10～10 V范圍內(nèi)的電壓，通過單片機(jī)設(shè)定輸出值，再利用萬用表測量實(shí)際輸出值，然后對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，繼而修改單片機(jī)程序，可使輸出值更加接近設(shè)定值。擬合前后的效果如圖6所示。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)如圖7所示。DC-32型搗固車加裝二維激光自動(dòng)起撥道系統(tǒng)后，作業(yè)效果良好，滿足現(xiàn)場需要，體現(xiàn)在:①作業(yè)時(shí)數(shù)值輸出穩(wěn)定，參數(shù)顯示符合作業(yè)要求。②與整車兼容性好，沒有給其他系統(tǒng)帶來干擾。③能夠在直線段進(jìn)行自動(dòng)起撥道作業(yè)，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。④作業(yè)完成后，采用其他設(shè)備對(duì)線路進(jìn)行測量，線路不平順減小。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

圖6 數(shù)字濾波前后效果對(duì)比

圖7 二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)

5 結(jié)語

對(duì)現(xiàn)有的DC-32型搗固車激光準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了加裝二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的改進(jìn)方案，并研發(fā)了相關(guān)電路板，進(jìn)行了試驗(yàn)和性能檢測?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了DC-32型搗固車的二維激光準(zhǔn)直功能，提高了線路作業(yè)質(zhì)量。

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(責(zé)任審編 李付軍)

U216.63

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.32

2015-04-06;

:2015-05-12

關(guān)偉(1969— )，男，湖南長沙人，工程師。

1003-1995(2015)09-0114-04