運(yùn)用慣性法測(cè)量波磨的實(shí)踐及應(yīng)用

劉暢

(朔黃鐵路公司線路檢測(cè)和救援中心,河北肅寧　062350)

運(yùn)用慣性法測(cè)量波磨的實(shí)踐及應(yīng)用

劉暢

(朔黃鐵路公司線路檢測(cè)和救援中心,河北肅寧062350)

基于當(dāng)前檢測(cè)方法,弦測(cè)法的傳遞函數(shù)不恒等于1,不能正確反應(yīng)軌道的不平順性,慣性基準(zhǔn)法受速度影響較大,低速時(shí)加速度信號(hào)比較微弱,信燥比低,要做積分運(yùn)算,且低頻信號(hào)容易引起積分飽和,考慮積分穩(wěn)定性問(wèn)題,誤差較大。因此當(dāng)前檢測(cè)方法還有許多不足之處。隨著光電技術(shù)的發(fā)展,在弦測(cè)法和慣性基準(zhǔn)法基礎(chǔ)上需開發(fā)一種采用光電位移計(jì)或光電攝像技術(shù)獲得位移信號(hào)的檢測(cè)方式,檢測(cè)精度會(huì)大大提高。本文在朔黃鐵路應(yīng)用波磨檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,指導(dǎo)鋼軌銑磨,探索銑磨周期。

波磨RMS值銑磨

波磨是出現(xiàn)于鐵路線路鋼軌頂面呈波浪型的磨耗，軌面光帶忽明忽暗。它有波長(zhǎng)和谷深兩種屬性。波長(zhǎng)是相鄰的兩波峰之間的縱向距離，谷深是相鄰的波峰與波谷間的垂直距離。

1　鋼軌波磨對(duì)列車運(yùn)行的影響

1.1增加工務(wù)部門的維修費(fèi)用,破壞軌道

(1)加速石砟粉碎。當(dāng)軌道受垂向作用力加大后，石砟受擠壓，換砟及補(bǔ)砟工作增多。

(2)空吊、泛白接頭、翻漿冒泥的增多。接頭空吊會(huì)使白色底砟翻到軌道表面，是空吊的典型特征，長(zhǎng)期空吊加上自然災(zāi)害的影響會(huì)使軌道形成翻漿冒泥。(3)枕木裂紋、失效增多。在波磨地段，波峰對(duì)枕木載荷和垂向作用力加大，對(duì)軌道壓潰增加，多處枕木會(huì)形成裂紋、甚至失效。

1.2其他影響

(1)輪軌粘著不良。機(jī)車司機(jī)在波磨軌地段為確保行車安全，要減速行駛。由于波磨軌軌面不平順，導(dǎo)致輪軌粘著不良，增大了列車的運(yùn)行阻力，增加了動(dòng)力損耗。(2)機(jī)車零部件修換率增高。由于列車通過(guò)波磨區(qū)段振動(dòng)加劇，機(jī)車車輛零部件也受損，造成松動(dòng)、斷裂，增加了機(jī)車檢修的工作量，帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。(3)脫軌。波磨嚴(yán)重地段，列車通過(guò)波峰時(shí)，列車沖擊力增大，而通過(guò)波谷時(shí)受力減小，列車的瞬間減載，容易引起脫軌。

2　組成及功能

波磨檢測(cè)系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，硬件主要包括左右軸箱加速度計(jì)、實(shí)時(shí)采集計(jì)算機(jī)、前置預(yù)處理裝置、波磨波形機(jī)等。軟件主要包括鋼軌波磨實(shí)時(shí)檢測(cè)軟件、數(shù)據(jù)接收軟件、超限編輯和報(bào)表生成軟件以及波形分析軟件。

2.1系統(tǒng)各部件功能

(1)軸箱加速度計(jì)。軸箱加速度計(jì)安裝在檢測(cè)車2號(hào)車1軸軸頭左右兩側(cè)，是原始觸發(fā)信號(hào)的主要來(lái)源，是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備，它能感受加速度并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)。實(shí)際生活當(dāng)中，利用加速度計(jì)可以用來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，還可以用于地震檢波器的設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)高壓導(dǎo)線舞動(dòng)。

(2)前置預(yù)處理裝置。前置預(yù)處理裝置由±15V和±5V集成一體化穩(wěn)壓電源、左(L)右(R)加速度處理板組成。前面板設(shè)有調(diào)試和檢測(cè)孔，可在此監(jiān)視各路傳感器的原始信號(hào)及經(jīng)過(guò)處理板進(jìn)入A/D采集板的信號(hào)。左(L)右(R)加速度信號(hào)處理板分別對(duì)左右加速度信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括調(diào)零點(diǎn)、調(diào)增益、抗混疊濾波等。

表1　曲線下股波磨RMS均值排序

表2　鋼軌銑磨作業(yè)地段波磨發(fā)展情況統(tǒng)計(jì)

(3)波磨實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)。波磨實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)是波磨系統(tǒng)的核心和大腦，在波磨實(shí)時(shí)處理平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)原始加速度信號(hào)的等距離采用、顯示、存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)數(shù)字處理、積分濾波等技術(shù)，計(jì)算鋼軌頂面相對(duì)于軸箱的位移，輸出鋼軌波磨幅值。開啟工控機(jī)后需在該界面正確設(shè)置檢測(cè)信息。

實(shí)時(shí)處理界面在采集前應(yīng)正確設(shè)置檢測(cè)線路、方向、起始里程、狀態(tài)，界面自上至下共顯示3組波形，依次為波磨峰值波形圖、波磨RMS值波形、原始觸發(fā)信號(hào)波形，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給波形機(jī)。

(4)波磨波形機(jī)。波磨波形機(jī)位于車內(nèi)波磨實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)下方，主要功能是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和波形顯示，并能對(duì)波形進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)對(duì)比、實(shí)時(shí)輸出超限報(bào)表，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、統(tǒng)計(jì)、打印。

(5)超限報(bào)表包含超限位置、類型、峰值大小、長(zhǎng)度、等級(jí)、速度、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

(6)波形圖包含實(shí)時(shí)檢測(cè)速度和里程、左右股原始觸發(fā)信號(hào)、左右股原始值波形、左右股RMS值波形，瀏覽波形圖可以縱觀軌面波動(dòng)情況及趨勢(shì)，點(diǎn)擊縮放功能，放大波形圖，點(diǎn)擊測(cè)量，可以獲取任意點(diǎn)的波磨原始峰值、任意區(qū)段波磨的均方根值，還可以通過(guò)波形歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，預(yù)見病害發(fā)展趨勢(shì)，指導(dǎo)鋼軌維護(hù)和評(píng)價(jià)軌道維護(hù)質(zhì)量。

2.2檢測(cè)原理

鋼軌波浪磨耗檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)鋼軌頂面波浪磨耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)的系統(tǒng)。它采用慣性基準(zhǔn)法，在QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)原始加速度信號(hào)的等距離采樣、顯示和存儲(chǔ)，由計(jì)算機(jī)對(duì)原始觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行二次積分和濾波處理，計(jì)算出鋼軌頂面相對(duì)于軸箱的位移，從而得到波磨幅值。

2.3實(shí)踐及應(yīng)用

(1)利用RMS值指導(dǎo)鋼軌打磨。波磨采集每米采集100個(gè)點(diǎn)的波磨峰值，當(dāng)前月報(bào)中幅值為波磨RMS值，RMS值為一個(gè)均方根值，每5米為一個(gè)計(jì)算單元，每米中每間隔0.25m計(jì)算出4個(gè)rms值，也叫滑動(dòng)平均值例如k62+100.00的rms值為該點(diǎn)前2.5米和該點(diǎn)后2.5米內(nèi)共500個(gè)點(diǎn)的均方根值。即，通過(guò)這種算法來(lái)反映該區(qū)段鋼軌表面的波動(dòng)情況，rms值越大，說(shuō)明鋼軌表面波動(dòng)越大。

因?yàn)椴ゲ『χ饕l(fā)生在曲線下股，當(dāng)前波磨檢測(cè)系統(tǒng)指導(dǎo)鋼軌打磨，主要依靠曲線下股RMS均值進(jìn)行降序排列，從而制定銑磨或打磨計(jì)劃(如表1所示）。

(2)評(píng)價(jià)軌道維護(hù)質(zhì)量。不論是銑磨作業(yè)還是打磨作業(yè)，利用波磨檢測(cè)系統(tǒng)可以利用波形圖對(duì)施工前后的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用波形圖的縮放及測(cè)量功能，可以讀取具體數(shù)值，灰色波形代表銑磨前軌面波磨幅值，藍(lán)色波形代表銑磨后波磨幅值，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)銑磨后波磨幅值明顯下降。

(3)建立波磨觀測(cè)臺(tái)賬。波磨為軌面主要病害，為了探索線路打磨(銑磨)周期，研究重載鐵路延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的綜合技術(shù)措施，因此需要現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證來(lái)研究綜合技術(shù)措施的有效性和實(shí)用性?；诖?，我們采取對(duì)銑磨地段建立觀測(cè)臺(tái)賬的方式，來(lái)探究打磨(銑磨)周期。如表2所示。

如表2中，4月代表銑磨前波磨情況，5、6、7、8、9月代表銑磨后波磨的發(fā)展情況，明顯看出，銑磨后較銑磨前波磨明顯下降，隨著時(shí)間推移波磨幅值逐月上升。通過(guò)追蹤觀察，當(dāng)波磨幅值與銑磨前相等時(shí)，即得到銑磨周期。

3　結(jié)語(yǔ)

基于當(dāng)前檢測(cè)方法，弦測(cè)法的傳遞函數(shù)不恒等于1，不能正確反應(yīng)軌道的不平順性，慣性基準(zhǔn)法受速度影響較大，低速時(shí)加速度信號(hào)比較微弱，信燥比低，要做積分運(yùn)算，且低頻信號(hào)容易引起積分飽和，考慮積分穩(wěn)定性問(wèn)題，誤差較大。因此當(dāng)前檢測(cè)方法還有許多不足之處。

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，在弦測(cè)法和慣性基準(zhǔn)法基礎(chǔ)上需開發(fā)一種采用光電位移計(jì)或光電攝像技術(shù)獲得位移信號(hào)的檢測(cè)方式，檢測(cè)精度會(huì)大大提高。