CN113548068B - 轨面不平顺检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明轨面不平顺检测装置及检测方法，属于轨道参数检测领域，目的是提高检测的精度和范围。利用轨检梁上的惯性检测包测量检测小车车体的垂直振动加速度A(t)和轨检梁相对于轨道顶面的垂直位移D(L)，得出轨道顶面的轨迹P(L)；利用加装于检测小车车底的检测梁一和检测梁二上的2D激光轮廓传感器测量检测小车车体与轮轴之间的相对位移，得出轨道不平顺弦测值；将轨道顶面轨迹与轨道不平顺弦测值进行叠加。本发明，通过加装两根轨检梁的方式将惯性法和弦测法的结合，弥补了测量范围不足以及测量的精准度不够高的问题。使测量的精度和范围都得到了提高，使其无论对短波还是长波都能进行有效的测量。

Description

轨面不平顺检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于轨道参数检测领域，具体的是轨距检测装置及检测方法。

背景技术

随着城市交通需求的增加，推动着运输工具的不断发展。近年来，高速铁路、城市地铁、轻轨技术都进行了大力的发展，轨道交通的发展显得越来越紧迫。轨道交通的列车运行舒适度和安全性一直不容忽视，造就轨道的平面精度与轨道内部的几何精度显得极其重要。

轨道在动力作用下将产生各种因素的轨道不平顺和表面磨耗等缺陷。轨道不平顺向上会引起车辆运行的平稳性和舒适度变化，甚至造成脱轨、倾覆等恶性事件；向下则引发轨道扣件松动、轨下基础设施破坏等后果；对轨道本身而言，可能产生轨道裂纹，最终导致轨道断裂，缩短钢轨的使用寿命。

轨道检测车是检查轨道病害、指导轨道维护、保障行车安全的大型动态监测设备之一，也是实现轨道科学管理和维护的重要手段，其中对轨道平面的磨损状况，高低不平顺的监测，以及对轨面的复原都具有极为重要的贡献。

轨面高低不平顺是指由于轨面磨损或其它缺陷导致的左右轨顶面纵向起伏变化。目前对轨面高低不平顺的检测是通过安装在轨道检测车车底的轨检梁上的传感器来完成的，主要原理利用轨检梁惯性元件测得整个轨检梁的姿态，倾角仪测得其与大地的夹角，摇头陀螺测得轨检梁的摇动，侧滚陀螺测得轨检梁的侧向滚动，进而得左、右轨顶面相对应轨检梁的加速度大小，通过两次积分得到相对惯性位移，2D测得左右轨检梁上点相对轨面的垂直位移，作差得到轨顶面相对惯性基准的位移，滤波得到短波，中波，及部分长波。

目前对轨面高低不平顺的检测主要有惯性基准法和弦测法；

其中，惯性基准法是测量系统在运动的车体内建立一个惯性参考基准,利用位移传感器来测量轨道相对于基准的相对位置,从而得到钢轨顶面在惯性坐标系内的相对位置。基于惯性基准法的轨检系统，虽可以检测轨面一般的长波不平顺，但是对于轨面短波不平顺，其幅值通常小于2mm，波长小于1m，其波长和幅值很小但却对轮轨的冲击，震动和噪声造成极具破坏力的不平顺。其检测的精度和可检测波长范围均已不满足检测短波的检测需求。

发明内容

本发明的目的是解决现有惯性基准法无法检测短波的问题，提供一种轨面不平顺检测，提高检测的精度和范围。

本发明采用的技术方案是：轨面不平顺检测装置，包括检测小车和设置于检测小车车底的车轮转向架上的轨检梁，所述轨检梁上设置有惯性检测包、2D激光轮廓传感器一和2D激光轮廓传感器二；检测小车车底的车轮转向架有三副；在检测小车的车体底部还设置一根检测梁一和一根检测梁二，检测梁一、检测梁二沿检测小车横向布置于另外两副的车轮转向架上；在检测梁一上安装有用于扫描两条铁轨中的其中一条铁轨的2D激光轮廓传感器三和扫描另一条铁轨的2D激光轮廓传感器四；在检测梁二上安装有用于扫描两条铁轨中的其中一条铁轨的2D激光轮廓传感器五和扫描另一条铁轨的2D激光轮廓传感器六。

进一步的，轨检梁位于检测梁一和检测梁二之间。

进一步的，轨检梁、检测梁一和检测梁二等间距布置。

轨面不平顺检测方法，包括检测小车，检测小车的车体底部的车轮转向架上安装有一根轨检梁，所述轨检梁沿检测小车横向布置，轨检梁上安装有一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器一、一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器二和一套惯性检测包；

检测小车的车体底部设置有三组车轮，对应设置三幅所述车轮转向架；

步骤一、在安装有轨检梁外的两副车轮转向架的其中之一安装一根检测梁一，并在检测梁一上安装一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器三和一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器四；在另一副车轮转向架上安装一根检测梁二，并在检测梁二上安装一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器五和一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器六；所述检测梁一和检测梁二均沿着检测小车横向布置；且检测梁一、检测梁二和轨检梁三根梁中，相邻两根梁之间的间距相等，间距为s/2；

步骤二、利用轨检梁上的惯性检测包测量检测小车车体的垂直振动加速度A(t)和车体与轮轴之间的垂向相对位移D(L)，得出轨道顶面的轨迹P(L)；

步骤三、利用检测梁一上的2D激光轮廓传感器三和2D激光轮廓传感器四测量检测小车车体与轮轴之间的相对位移；利用检测梁二上的2D激光轮廓传感器五和2D激光轮廓传感器六测量检测小车车体与轮轴之间的相对位移；利用轨检梁上的2D激光轮廓传感器一和2D激光轮廓传感器二测量检测小车车体与轮轴之间的相对位移；通过检测梁一、检测梁二和轨检梁测得的车轮与轮轴之间的相对位移获得轨道不平顺弦测值；

步骤四、将步骤二中得出的轨道顶面轨迹与步骤三中得出的轨道不平顺弦测值进行叠加。

进一步的，所述轨检梁位于检测梁一和检测梁二之间。

进一步的，1m≤s/2≤2m。

本发明的有益效果是：本发明，通过加装两根检测梁的方式将惯性法和弦测法的结合，在原有基础上弥补了测量范围不足以及测量的精准度不够高的问题，使测量的精度和范围都得到了提高，使其无论对短波还是长波都能进行有效的测量。

附图说明

图1为轨面不平顺检测装置侧向示意图；

图2为轨检梁安装正向示意图；

图3为检测梁一或检测梁二安装正向示意图；

图4为轨面不平顺曲线图。

图中，检测小车1、车轮转向架1A、轨检梁2、2D激光轮廓传感器一2A、2D激光轮廓传感器二2B、惯性检测包2C、检测梁一3、2D激光轮廓传感器三3A、2D激光轮廓传感器四3B、检测梁二4、2D激光轮廓传感器五4A、2D激光轮廓传感器六4B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明如下：

轨面不平顺检测装置，如图1、图2和图3所示，包括检测小车1和设置于检测小车1车底的车轮转向架1A上的轨检梁2，所述轨检梁2上设置有惯性检测包2C、2D激光轮廓传感器一2A和2D激光轮廓传感器二2B；检测小车1车底的车轮有三组，对应三组车轮设置有三幅车轮转向架1A；在检测小车1的车体底部还设置一根检测梁一3和一根检测梁二4，检测梁一3、检测梁二4沿检测小车1横向布置于另外两副的车轮转向架1A上；在检测梁一3上安装有用于扫描两条铁轨中的其中一条铁轨的2D激光轮廓传感器三3A和扫描另一条铁轨的2D激光轮廓传感器四3B；在检测梁二4上安装有用于扫描两条铁轨中的其中一条铁轨的2D激光轮廓传感器五4A和扫描另一条铁轨的2D激光轮廓传感器六4B。

本发明公开的轨面不平顺检测装置，轨检梁2上的惯性检测包2C获取惯性基准法的检测数据，得到轨道顶面在惯性坐标系内的相对位置，获取轨道顶面的轨迹。通过检测梁一3、检测梁二4和轨检梁2按列排布并沿检测小车1横向布置，构成弦测法的测量体系，测量轮轴与车体之间的相对位移，来获取轨道的真正不平顺。轮轴为车轮的转轴。通过将两套测量体系融合到一起，使测量的精度和范围都得到了提高，使其无论对短波还是长波都能进行有效的测量。

该轨面不平顺检测装置，仅需要加装两根检测梁，配合原有的轨检梁2便可实现检测，无需拆解原有的系统结构，保护了检测系统的完整性。而且加装的检测梁，质量轻，成本低，且对车底空间影响小。

可以检测梁一3设置于轨检梁2与检测梁二4之间，但是，为了使得梁的布局更合理，优选的，轨检梁2位于检测梁一3和检测梁二4之间。

为了保证检测精度，优选的，轨检梁2、检测梁一3和检测梁二4等间距布置。

轨面不平顺检测方法，包括检测小车1，检测小车1的车体底部安装有一根轨检梁2，所述轨检梁2沿检测小车1横向布置，轨检梁2上安装有一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器一2A、一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器二2B和一套惯性检测包2C；

步骤一、在安装有轨检梁2外的两副车轮转向架1A的其中之一安装一根检测梁一3，并在检测梁一3上安装一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器三3A和一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器四3B；在另一副车轮转向架1A上安装一根检测梁二4，并在检测梁二4上安装一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器五4A和一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器六4B；所述检测梁一3和检测梁二4均沿着检测小车1横向布置；且检测梁一3、检测梁二4和轨检梁2三根梁中，相邻两根梁之间的间距相等，间距为s/2；

步骤二、利用轨检梁2上的惯性检测包2C测量检测小车1车体的垂直振动加速度A(t)和车体与轮轴之间的垂向相对位移D(L)，得出轨道顶面的轨迹P(L)；

步骤三、利用检测梁一3上的2D激光轮廓传感器三3A和2D激光轮廓传感器四3B测量检测小车1车体与轮轴之间的相对位移；利用检测梁二4上的2D激光轮廓传感器五4A和2D激光轮廓传感器六4B测量检测小车1车体与轮轴之间的相对位移；利用轨检梁2上的2D激光轮廓传感器一2A和2D激光轮廓传感器二2B测量检测小车1车体与轮轴之间的相对位移；通过检测梁一3、检测梁二4和轨检梁2测得的车轮与轮轴之间的相对位移获得轨道不平顺弦测值；

步骤四、将步骤二中得出的轨道顶面轨迹与步骤三中得出的轨道不平顺弦测值进行叠加。

步骤二中，惯性检测包2C包括检测轨检梁2姿态的惯性元件、测量轨检梁2与大地夹角的倾角仪、测量轨检梁2摇动的摇头陀螺以及测量轨检梁2侧向滚动的侧滚陀螺等。通过惯性检测包2C测量出检测梁2的垂直振动加速度A(t)，并由系统对其修正，除去重力分量等不利因素后，对测量出的垂直加速度进行二次积分可获得检测梁2自身的垂直位移。检测梁2自身的垂直位移减去车体与轮轴之间的垂向相对位移D(L)，便得到轨道顶面的轨迹P(L)。其预算表达式为：P(L)＝∫∫A(t)(dL/dt)dt²-D(L)。其中，t为时刻，L为轮轴到车体的距离。DL/dt为车体运行速度。

步骤三中，以轨道的纵向延伸方向为X轴，以竖向为Y轴建立坐标系。检测小车1驶入轨道后，轨面上与轨检梁2对应处的横坐标为x，纵坐标为f(x)，f(x)为轨道顶面的实际轨迹；轨面上与检测梁一3对应处的横坐标为x-s/2，纵坐标为f(x-s/2)；轨面上与检测梁二4对应处的横坐标为x+s/2，纵坐标为f(x+s/2)；系统测量值为y(x)。

假设系统弦测值为y(x),则表达式为：

当轨道不平顺为正弦波时，即：

那么，

其中，H(λ)称为“传递函数”，F0为振幅，λ为波长。

步骤四、将步骤二中得出的轨道顶面轨迹与步骤三中得出的轨道不平顺值进行跌加，即在轨面同一位置，将步骤三测得的轨面不平顺值与步骤四测得的轨面不平顺值相加或者最终的轨面不平顺。

采用惯性基准法、弦测法以及本发明公开的方法对某一轨道进行轨面不平顺检测，结果如下表1，轨面不平顺曲线图如图4所示。

其中，公里标的单位为公里。测得的轨面不平顺的单位为毫米。由于表1的数据和图4的曲线图可以看出，本发明公开的测量方法对短波和长波都能进行有效的测量，测量的精度和范围都得到了提高。

Claims (3)

1.轨面不平顺检测方法，包括检测小车(1)，检测小车(1)的车体底部的车轮转向架(1A)上安装有一根轨检梁(2)，所述轨检梁(2)沿检测小车(1)横向布置，轨检梁(2)上安装有一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器一(2A)、一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器二(2B)和一套惯性检测包(2C)；

其特征在于：检测小车(1)的车体底部设置有三组车轮，对应设置三幅所述车轮转向架(1A)；

步骤一、在安装有轨检梁(2)外的两副车轮转向架(1A)的其中之一安装一根检测梁一(3)，并在检测梁一(3)上安装一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器三(3A)和一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器四(3B)；在另一副车轮转向架(1A)上安装一根检测梁二(4)，并在检测梁二(4)上安装一个对中左侧钢轨的2D激光轮廓传感器五(4A)和一个对中右侧钢轨的2D激光轮廓传感器六(4B)；所述检测梁一(3)和检测梁二(4)均沿着检测小车(1)横向布置；且检测梁一(3)、检测梁二(4)和轨检梁(2)三根梁中，相邻两根梁之间的间距相等，间距为s/2；

步骤二、利用轨检梁(2)上的惯性检测包(2C)测量检测小车(1)车体的垂直振动加速度A(t)和车体与轮轴之间的垂向相对位移D(L)，得出轨道顶面的轨迹P(L)；

步骤三、利用检测梁一(3)上的2D激光轮廓传感器三(3A)和2D激光轮廓传感器四(3B)测量检测小车(1)车体与轮轴之间的相对位移；利用检测梁二(4)上的2D激光轮廓传感器五(4A)和2D激光轮廓传感器六(4B)测量检测小车(1)车体与轮轴之间的相对位移；利用轨检梁(2)上的2D激光轮廓传感器一(2A)和2D激光轮廓传感器二(2B)测量检测小车(1)车体与轮轴之间的相对位移；通过检测梁一(3)、检测梁二(4)和轨检梁(2)测得的车轮与轮轴之间的相对位移获得轨道不平顺弦测值；

步骤四、将步骤二中得出的轨道顶面轨迹与步骤三中得出的轨道不平顺弦测值进行叠加；

步骤三中，以轨道的纵向延伸方向为X轴，以竖向为Y轴建立坐标系；检测小车1驶入轨道后，轨面上与轨检梁2对应处的横坐标为x，纵坐标为f(x)，f(x)为轨道顶面的实际轨迹；轨面上与检测梁一3对应处的横坐标为x-s/2，纵坐标为f(x-s/2)；轨面上与检测梁二4对应处的横坐标为x+s/2，纵坐标为f(x+s/2)；系统测量值为y(x)；

若系统弦测值为y(x),则表达式为：

当轨道不平顺为正弦波时，即：

那么，

其中，H(λ)称为“传递函数”，F0为振幅，λ为波长。

2.如权利要求1所述的轨面不平顺检测方法，其特征在于：所述轨检梁(2)位于检测梁一(3)和检测梁二(4)之间。

3.如权利要求1或2所述的轨面不平顺检测方法，其特征在于：1m≤s/2≤2m。