弦測法原理及其在軌道檢測中的應(yīng)用分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23847弦測法原理及其在軌道檢測中的應(yīng)用分析案例 1135421.1弦測法原理 1288661.2弦測法檢測 120721.3鋼軌波浪型磨耗測試裝置 4258001.4小結(jié) 71.1弦測法原理在傳感器中有張拉緊的鋼繩，當傳感器受到外力作用時，管柱的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化。隨著管柱內(nèi)應(yīng)力的變化，其固有振動頻率也相應(yīng)變化。弦的張力越大，固有振動頻率越高。因此，利用固有振動頻率隨鋼弦張力（應(yīng)力）的不同而相應(yīng)變化的原理，從測得的頻率變化可以看出壓力傳感器膜上壓力的變化。關(guān)系式為：P=K((5-1)1.2弦測法檢測在檢測實際鋼軌波紋時，由于檢測設(shè)備直接或間接的放置在鋼軌上，需要沿鋼軌移動，因此可以得到連續(xù)的鋼軌不平順曲線。因此，在檢測過程中，檢測設(shè)備會受到機械振動和鋼軌起伏的影響，導(dǎo)致檢測基準線的變化，難以恢復(fù)鋼軌的不平順。為此，引入弦測量法來解決檢測參考線不穩(wěn)定的問題。下面簡要介紹和弦測量的基本理論——三點部分和弦法的原理。如圖5-1所示，三個位移傳感器S1、S2和S3分別安裝在檢測機構(gòu)的同一平面上。S1和S2的安裝距離為a，S2和S3的安裝距離為B，l為a和B之和（單位：mm）。以軌道表面S1和S3激光傳感器的激光投影點AC，其中作為檢測的“參考線”，以軌道表面S2的激光投影點B偏離該弦的距離BD作為軌道不平順（當前測弦）的檢測值。測量值BD可通過以下公式計算。圖5-1三點偏弦法因為BD=B又因為OOBE≈BD(5-3)所以BD=BE=BO(5-4)式中:A'A為傳感器S1當前檢測值;B'B為傳感器S2當前檢測值;C'C為傳感器S3當前檢測值;BO2為激光投射點B偏離實際基準線的數(shù)值。(數(shù)值單位均為mm)將鋼軌不平順的實際值BO2在X坐標方向上變化的函數(shù)用M(x)表示。將弦測值BD在X坐標方向上變化的函數(shù)用y(x)表示。則可得出下式:yx(5-5)將公式5-4進行傅里葉變換，可得：y（5-6）設(shè)H（5-7）則y（5-8）式中：H（w）是y（x）和M（x）之間的傳遞函數(shù)；I是傅里葉變換的虛單位；w是頻率變量。實際參考線為理想狀態(tài)下的軌道完全平順狀態(tài)（x軸列車前進方向為正，x軸前進方向為被測鋼軌沿軌道方向的位移距離），即軌道不平順的實際值M（x）。由式（5-8）可知，鋼軌不平順的實際值M（x）可由實測值y（x）求得。根據(jù)波浪磨耗列車的技術(shù)要求，鋼軌波浪磨耗檢測裝置應(yīng)能檢測出30-1000mm范圍內(nèi)的鋼軌波浪磨耗。根據(jù)傳遞函數(shù)H（W）的幅頻和相頻特性，傳遞函數(shù)中的變量a可以設(shè)置為30mm，變量B可以設(shè)置為300mm，即，鋼軌波浪磨耗檢測系統(tǒng)三點位移傳感器的安裝距離分別設(shè)置為30mm和300mm，弦長比為1∶10.根據(jù)上述傳遞函數(shù)，仿真結(jié)果表明該算法能夠準確恢復(fù)波長λ它是30-1000mm范圍內(nèi)的鋼軌波浪磨損曲線。選擇合適的傳遞函數(shù)和弦長比對恢復(fù)精度有很大影響。30mm≤λ≤1000mm時傳遞函數(shù)幅/相頻特性如圖5-2所示。圖5-2傳遞函數(shù)的幅/相頻率特性1.3鋼軌波浪型磨耗測試裝置隨著我國提速和高速鐵路的快速發(fā)展，線路條件對列車運行的影響越來越集中在兩個方面：長波不平順影響列車運行的舒適性；長波不平順影響列車運行的舒適性；短波不平順對列車運行部分的影響更為嚴重。鋼軌波紋和表面磨損是鋼軌短波不平順的主要表現(xiàn)形式。嚴重時，不僅會加劇車輛傳動裝置的振動，還會影響行車安全。列車的這種反應(yīng)反過來又加劇了線路狀態(tài)的惡化。近年來，我國新引進的鋼軌檢測技術(shù)之一是意大利tecnogamma公司的瓦楞測量裝置。以往的波磨測量裝置有所不同，它是通過弦測量和激光位移測量來實現(xiàn)的?，F(xiàn)已安裝在檢測中心時速200公里的軌道檢測車上。利用弦測量原理實現(xiàn)鋼軌波紋檢測。該系統(tǒng)采用三個光電位移計測量三個不等弦點。如圖5-3所示，其中數(shù)字1為第一測量點，數(shù)字2為第二測量點，數(shù)字3為第三測量點.。圖5-3波浪磨耗檢測系統(tǒng)測量示意圖根據(jù)弦測法檢測原理，鋼軌每側(cè)需要配備三點激光位移傳感器，因此鋼軌每一次安裝3個激光傳感器。系統(tǒng)采用非接觸式激光位移傳感器。采用三角形法檢測電流位移，檢測精度可達0.02mm。此外，該傳感器還可以接收外部觸發(fā)信號，并在觸發(fā)時刻進行檢測。該傳感器具有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換功能，可以將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過控制器局域網(wǎng)（can）總線接口上傳。通過計算機的智能處理，在儀器上可以顯示有關(guān)鋼軌的各種實時數(shù)據(jù)，再通過大數(shù)據(jù)分析等方式對鋼軌的相關(guān)值進行精準計算，從根本上代替了早期的人工計算方式。這種方式更加得簡單、快速。鋼軌波磨檢測裝置主要由激光位移傳感器、采樣觸發(fā)控制單元和嵌入式中央控制器組成。其檢測裝置一般跟隨檢測車一起運行，一般安裝在機車車輛的下方，有時也會安裝在機車的轉(zhuǎn)向架上。通過機車上有脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，列車在鋼軌的行駛，可以通過接收器同步對軌道波磨狀況進行及時地檢測根據(jù)儀器上所顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過計算不難得出有關(guān)檢測過程中軌道的幾何偏差，從而對軌道作出相應(yīng)調(diào)整。為了在30mm～3000mm的測量范圍內(nèi)獲得最佳的波長測量效果，根據(jù)傳遞函數(shù)將三個測量點按一定距離布置。具體來說：第一和第二測量點之間的距離為19mm，稱為弦。第一和第三測量點之間的距離為250mm，這是基準。采用三個光電位移計組成三點不等弦測量傳感器，安裝在轉(zhuǎn)向架上，使系統(tǒng)本身只受第一彈簧懸掛的影響。這種裝置在水平和垂直方向上都能獲得最佳的檢測效果。檢測系統(tǒng)可以檢測波長范圍為10毫米到3000毫米的波紋，圖5-4是其傳遞函數(shù)。圖5-410mm～3000mm波長的傳達函數(shù)嵌入式中央控制器采用PCI擴展的PXI總線結(jié)構(gòu)，主要包括中央處理器板、can總線接口板和I/O接口板。實時系統(tǒng)集成（RTSI）信號可以通過PXI總線在板間傳送，解決了數(shù)據(jù)的實時獲取。脈沖發(fā)生器發(fā)出的信號經(jīng)由I/O接口板進行數(shù)據(jù)收集與分析。I/O接口板通過在小車上的脈沖發(fā)生器，實時獲取波磨檢測裝置的采樣時間，同時外部輸出接口向激光位移傳感器發(fā)送檢測觸發(fā)信號，并通過內(nèi)部PXI總線向CAN總線接口板發(fā)送RTSI信號，通知CAN總線接口板準備隨時接收傳感器發(fā)送的有關(guān)鋼軌檢測數(shù)據(jù)。CAN總線接口板負責接收激光位移傳感器發(fā)送的鋼軌檢測數(shù)據(jù)。接口板由兩個獨立的can總線接口組成，分別與鋼軌一側(cè)的三個位移傳感器相連。利用I/O接口板傳輸?shù)腞TSI信號，CAN總線接口板可以對每個觸發(fā)時刻的測試數(shù)據(jù)進行封裝。CPU控制板包括CPU、內(nèi)存、硬盤等基本計算機部件，完成對測試數(shù)據(jù)的操作和存儲。其中鋼軌檢測系統(tǒng)如圖5-5所示。圖5-5波浪磨耗檢測系統(tǒng)