劉建文，張文亮，李朝正，程紹瀾，林憲旗

(1.濟(jì)南藍(lán)動(dòng)激光技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101;2.山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的為電力機(jī)車供電的特殊供電線路，擔(dān)負(fù)著將牽引變電所獲得的電能輸送給電力機(jī)車的重要任務(wù)，接觸網(wǎng)的質(zhì)量和工作狀態(tài)直接影響著電氣化鐵道的運(yùn)輸安全［1］。隨著電氣化鐵路的提速以及高鐵的規(guī)?；\(yùn)營(yíng)，接觸網(wǎng)幾何狀態(tài)參數(shù)(特別是接觸線高度和拉出值)對(duì)鐵路運(yùn)行安全的影響日益明顯。近年來(lái)，激光技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于接觸網(wǎng)測(cè)量［2－5］。DJJ-8激光接觸網(wǎng)檢測(cè)儀［6］(鐵路專用計(jì)量器具準(zhǔn)入證書(shū)編號(hào)TJR030110-02-0058，以下簡(jiǎn)稱“測(cè)量?jī)x”)實(shí)現(xiàn)了接觸線高度、拉出值等接觸網(wǎng)關(guān)鍵幾何參數(shù)的快速、準(zhǔn)確和安全的測(cè)量。為了對(duì)該測(cè)量?jī)x進(jìn)行校準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x檢定臺(tái)架(鐵路專用計(jì)量器具準(zhǔn)入證書(shū)編號(hào)TJR030111-01-0096，以下簡(jiǎn)稱“檢定臺(tái)架”)。

1 工作原理

檢定臺(tái)架包括模擬接觸線組件和模擬鋼軌組件兩部分(圖1)。檢定臺(tái)架安裝調(diào)試完畢后利用標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺、鎂鋁平尺、數(shù)顯游標(biāo)卡尺以及重錘、魚(yú)線等工具測(cè)量模擬接觸線到模擬鋼軌的垂直高度以及模擬接觸線偏離模擬鋼軌中心的距離得到模擬接觸線高度和拉出值的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值。將待檢定的測(cè)量?jī)x置于模擬鋼軌上，由測(cè)量?jī)x通過(guò)激光測(cè)距等方法得到模擬接觸線高度和拉出值的測(cè)量示值，比較測(cè)量示值與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)測(cè)量示值超出標(biāo)準(zhǔn)值誤差允許范圍時(shí)，調(diào)整測(cè)量?jī)x的內(nèi)部參數(shù)，完成對(duì)測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)方案

圖1 檢定臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure illustration ofthe calibrating rack

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量是對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測(cè)，主要與接觸網(wǎng)和鋼軌有關(guān)。測(cè)量?jī)x工作時(shí)以鋼軌上平面和鋼軌內(nèi)側(cè)(即列車車輪和鋼軌接觸部分)為基準(zhǔn)，置于兩鋼軌上面，瞄準(zhǔn)接觸線后，發(fā)射紅色可見(jiàn)激光進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)測(cè)量?jī)x的工作狀態(tài)和工作環(huán)境，我們模擬設(shè)計(jì)了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x檢定臺(tái)架，包括模擬接觸線組件和模擬鋼軌組件2部分。為減少環(huán)境溫度變化的影響，檢定臺(tái)架的材料采用膨脹系數(shù)較小的碳鋼和鑄鐵，檢定室的溫度要求為20±5℃，溫度波動(dòng)不大于0.5℃/h，相對(duì)濕度不大于80%。此外，在檢測(cè)室內(nèi)布置有防震溝，以排除外界震動(dòng)的干擾，實(shí)現(xiàn)檢定臺(tái)架測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.1 模擬接觸線組件的設(shè)計(jì)

模擬接觸線采用支持裝置和支柱與基礎(chǔ)固定。支持裝置通過(guò)碳鋼材料的角鐵聯(lián)接而成，包括支撐架和連接板等(圖2)，用以懸吊和支撐模擬接觸線，將載荷傳遞給支柱。模擬接觸線在支柱一側(cè)連續(xù)分布。

接觸線高度是指接觸線到軌道頂面的垂直距離，最大值不超過(guò)6500mm，最小值不小于5330mm［7－8］。拉出值是指接觸線在定位點(diǎn)對(duì)受電弓中心的偏移量［7－8］。在電氣化線路上，為延長(zhǎng)受電弓的使用壽命，接觸線在線路的直線段一般布置成“之”字形，拉出值不大于400mm。檢定臺(tái)架模擬接觸線高度的設(shè)計(jì)值為5200～6500mm，模擬接觸線拉出值的設(shè)計(jì)范圍為0～600mm，符合接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工以及測(cè)量?jī)x的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求［7－10］。

圖2 模擬接觸線組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure illustration of simulated contact wire components

2.2 模擬鋼軌組件的設(shè)計(jì)

模擬鋼軌組件(檢定臺(tái))的結(jié)構(gòu)如圖3所示，平臺(tái)采用鑄鐵材料。平臺(tái)和連接座之間是鋼性聯(lián)接，調(diào)節(jié)旋鈕和支撐座之間是柔性聯(lián)接，通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)旋鈕使平臺(tái)的縱向和橫向處于水平狀態(tài)。兩模擬鋼軌測(cè)量面間的距離(軌距)為1470mm。

3 測(cè)量不確定度的評(píng)定

依據(jù)測(cè)量?jī)x器示值誤差符合性評(píng)定的基本要求［11］，使用檢定臺(tái)架校準(zhǔn)和檢定測(cè)量?jī)x前需要對(duì)檢定臺(tái)架的相關(guān)參數(shù)的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。

3.1 接觸線高度測(cè)量的不確定度評(píng)定［12］

3.1.1 測(cè)量方法

檢定臺(tái)架調(diào)整完畢后，將1級(jí)平尺放置在兩模擬鋼軌上，將10m標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺掛在模擬接觸線上并用5kg重錘拉直鋼卷尺。利用分辨力為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量鋼卷尺零刻線與鉤環(huán)內(nèi)頂側(cè)的距離、平尺高度以及模擬接觸線的直徑尺寸。鋼卷尺穩(wěn)定后讀取平尺頂面對(duì)應(yīng)的鋼卷尺示值，重復(fù)測(cè)量3次。模擬接觸線高度實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值由式(1)求出。

3.1.2 數(shù)學(xué)模型

其中，HS:模擬接觸線高度標(biāo)準(zhǔn)值;ˉH:模擬接觸線高度3次測(cè)量的平均值;L0:鋼卷尺零刻線與鉤環(huán)內(nèi)頂側(cè)的距離;ΔLt:鋼卷尺環(huán)境溫度修正值;ΔL:鋼卷尺修正值;d1:模擬接觸線直徑;H1:平尺高度。

3.1.3 分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1的評(píng)定

(1)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺7000mm范圍內(nèi)的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u11的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺精度為±(0.02+0.02L)，實(shí)際使用長(zhǎng)度不大于7000mm，最大示值誤差為±0.16 mm，假定服從均勻分布，則u11=0.0924 mm。

(2)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u12的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的分度值為1 mm，分辨力取分度值的1/4為0.25 mm，分辨力引入的最大可能誤差為±0.125 mm，假定服從均勻分布，則 u12=0.0722 mm。

(3)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺受環(huán)境溫度波動(dòng)影響引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u13的評(píng)定

檢定臺(tái)架工作時(shí)環(huán)境溫度波動(dòng)不大于0.5℃/h，標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺工作長(zhǎng)度按7000mm計(jì)算，假定服從均勻分布，則 u13=0.0233 mm。

圖3 模擬鋼軌組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure illustration of simulated rail components

3.1.3.2 兩模擬鋼軌上表面的橫向高差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2的評(píng)定

橫向高差不大于0.05 mm，由此引起的最大誤差為±0.05 mm，假定服從均勻分布，則u2=0.0289 mm。

3.1.3.3 模擬接觸線兩端高差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3的評(píng)定

模擬接觸線兩端高差不大于0.3 mm，測(cè)量模擬接觸線高度時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺位于模擬接觸線中間，由兩端高差引入的最大誤差為±0.15 mm，假定服從均勻分布，則u3=0.0866 mm。

3.1.3.4 游標(biāo)卡尺引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4的評(píng)定

(1)游標(biāo)卡尺最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u41的評(píng)定

200mm游標(biāo)卡尺的最大允許誤差為±0.03 mm，假定服從均勻分布，則u41=0.0173 mm。

(2)游標(biāo)卡尺分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u42的評(píng)定

游標(biāo)卡尺數(shù)字分辨力為0.01 mm，假定服從均勻分布，則u42=0.0029 mm。

3.1.4 合成不確定度的評(píng)定

3.1.5 擴(kuò)展不確定度

U=k×uc=2×0.151=0.30mm (包含因子 k取2)。

1級(jí)精度的測(cè)量?jī)x的接觸線高度示值允許誤差為±3.0mm［7－8］，檢定臺(tái)架的相應(yīng)精度要求為1.0mm，則檢定臺(tái)架接觸線高度的測(cè)量不確定度不應(yīng)超過(guò)0.33 mm［11］，滿足要求。

3.2 拉出值測(cè)量的不確定度評(píng)定［12］

3.2.1 測(cè)量方法

檢定臺(tái)架軌距和水平調(diào)整完畢后(軌距1470mm)，將鋼直尺700mm刻度處作為拉出值“0”點(diǎn)，把線墜掛在模擬接觸線上，線墜線沿模擬接觸線一側(cè)(靠近0拉出值側(cè))并貼近檢定臺(tái)架鋼直尺邊緣墜下，線墜穩(wěn)定后讀出線墜線對(duì)應(yīng)的鋼直尺讀數(shù)，重復(fù)測(cè)量3次。模擬接觸線拉出值實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值可由式(2)求出。

3.2.2 數(shù)學(xué)模型

其中，SS:模擬接觸線拉出值標(biāo)準(zhǔn)值;ˉS:鋼直尺3次讀數(shù)的平均值;S1:“0”拉出值對(duì)應(yīng)的鋼直尺讀數(shù)值;d:模擬接觸線直徑。

3.2.3 分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.2.3.1 鋼直尺最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1的評(píng)定

鋼直尺的最大允許誤差為±0.20mm，假定服從均勻分布，則u1=0.115 mm。

3.2.3.2 內(nèi)徑千分尺最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2的評(píng)定

內(nèi)徑千分尺測(cè)量軌距時(shí)，在1500mm測(cè)量范圍內(nèi)的最大允許誤差為±0.027 mm，假定服從均勻分布，則 u2=0.0156 mm。

3.2.3.3 內(nèi)徑千分尺與檢定臺(tái)架線膨脹系數(shù)差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3的評(píng)定

內(nèi)徑千分尺與檢定臺(tái)架線膨脹系數(shù)在±1×10－6℃－1范圍內(nèi)引入的不確定度假定服從均勻分布，其線膨脹系數(shù)差Δa在±2×10－6℃－1范圍內(nèi)服從三角分布，檢定臺(tái)架的工作溫度為20±5℃，與標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃的溫差不超過(guò)5℃，則u3=0.00612 mm。

3.2.3.4 線墜引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4的評(píng)定

由于線墜輕微的擺動(dòng)造成定位的不準(zhǔn)確，假定在最高位置模擬接觸線時(shí)，線墜擺動(dòng)±0.1 mm，假定服從均勻分布，則u4=0.058mm。

3.2.3.5 兩模擬鋼軌上表面的橫向高差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5的評(píng)定

橫向高差最大允許值為±0.05 mm，模擬鋼軌間距離為1610mm，則接觸線高度為6500mm時(shí)引入的拉出值偏差約為±0.20mm，假定服從均勻分布，則u5=0.115 mm。

3.2.4 合成不確定度的評(píng)定

3.2.5 擴(kuò)展不確定度

U=k×uc=2×0.13=0.26 mm (包含因子 k取2)。

測(cè)量?jī)x的拉出值的示值允許誤差為±5.0mm［7－8］，檢定臺(tái)架的相應(yīng)精度要求為1.7 mm，則檢定臺(tái)架拉出值的測(cè)量不確定度不應(yīng)超過(guò)0.57 mm［11］，滿足要求。

4 應(yīng)用舉例

表1是檢定臺(tái)架第1、3和6根模擬接觸線的接觸線高度標(biāo)準(zhǔn)值的6次測(cè)量計(jì)算值以及DJJ-8激光接觸網(wǎng)檢測(cè)儀的3次測(cè)量示值。從表中可以看出，檢定臺(tái)架接觸線高度的多次測(cè)量計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)值幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明臺(tái)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，性能可靠。校準(zhǔn)后的DJJ-8激光接觸網(wǎng)檢測(cè)儀3次重復(fù)測(cè)量示值的誤差不大于0.3 mm，符合1級(jí)精度測(cè)量?jī)x的示值允許誤差的要求。

表1 檢定臺(tái)架模擬接觸線高度標(biāo)準(zhǔn)值和DJJ-8激光接觸網(wǎng)檢測(cè)儀測(cè)量示值Table1 Standard values of the contact wire height of the calibrating rack and measurement values of DJJ-8 laser contact wire geometry measuring instrument

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)制造的檢定臺(tái)架是國(guó)內(nèi)首臺(tái)套獲得鐵路專用計(jì)量器具準(zhǔn)入證書(shū)的接觸網(wǎng)測(cè)量?jī)x檢定裝置，已在全國(guó)多個(gè)鐵路計(jì)量機(jī)構(gòu)安裝使用每年檢定、校驗(yàn)的檢測(cè)儀達(dá)千余套。多年的實(shí)際應(yīng)用證明，該檢定臺(tái)架操作簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、性能可靠。

該檢定臺(tái)架接觸線高度和拉出值的精度滿足對(duì)1級(jí)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x的檢定要求。檢定臺(tái)架的推廣應(yīng)用，使測(cè)量?jī)x的定期檢定和校準(zhǔn)更加方便和及時(shí)，可有效保證接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)和維護(hù)工作的準(zhǔn)確、可靠，從而保證了鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。然而，目前檢定臺(tái)架對(duì)安裝的空間要求較高，在一定程度上限制了它的普及，設(shè)計(jì)一種更為方便、輕巧的檢定臺(tái)架是下一步的工作目標(biāo)。

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