一種新的起重機軌道檢測方法和裝置

孔慶彬 程維明

(上海大學機電工程與自動化學院1，上海 200072；上海工程技術大學機械工程學院2，上海 201620)

一種新的起重機軌道檢測方法和裝置

孔慶彬1程維明2

(上海大學機電工程與自動化學院1，上海 200072；上海工程技術大學機械工程學院2，上海 201620)

現(xiàn)有起重機軌道檢測方法存在檢測范圍小、檢測精度低、安全性差等不足，為解決現(xiàn)有起重機軌道檢測方法存在的問題，提出了一種新的起重機軌道檢測方法，并研究了基于該方法的一種新型起重機軌道檢測裝置。介紹了檢測方法的檢測方案和實現(xiàn)方式，并詳細分析了檢測算法，設計了檢測裝置樣機并進行了多次現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗結果表明，提出的檢測方法滿足標準中對起重機軌道檢測的精度要求，具有檢測安全性強、檢測成本低、檢測方便等優(yōu)點。

起重機 全站儀 檢測裝置 軌道檢測 參數(shù)檢測

0 引言

隨著工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的擴大，起重機在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應用越來越廣泛，社會對起重機的要求也越來越高。起重機運行中的一個主要問題是車輪啃軌?？熊墖乐貢r，可能造成脫軌事故。因此對軌道進行定期檢測具有十分重要的意義[1-2]。

國家標準規(guī)定的起重機軌道檢測參數(shù)主要包括單軌水平面內(nèi)和鉛垂面內(nèi)直線度、雙軌同截面內(nèi)跨距及高度差[3]。目前,檢測主要基于兩種方法：激光準直法[4-5]和全站儀法[6-7]。前者檢測方便，但對于大跨度軌道，光斑圖像出現(xiàn)飄動及波紋現(xiàn)象，檢測效果不理想。后者利用全站儀可以獲得比較高的檢測精度，而現(xiàn)有方法在檢測大車軌道時作業(yè)環(huán)境建立在空中，存在危險系數(shù)高、檢測不方便等問題。

本文提出了一種新的起重機軌道檢測方法，在獲得較高測量精度和較遠測量距離的同時，將作業(yè)環(huán)境移至地面，由全站儀建立統(tǒng)一的全局坐標系，對兩根軌道進行檢測。該方法提高了安全性，且無需挪動全站儀位置即可進行雙軌檢測，使得檢測更方便，數(shù)據(jù)處理更簡單。

1 檢測方法設計

軌道檢測的基本思路是采用一定的方法和裝置獲取軌道實際曲線，然后根據(jù)相應算法通過數(shù)據(jù)處理得到軌道的各項待求參數(shù)。對于軌道曲線的獲取，一般是通過設計相應的軌檢裝置如軌檢小車或軌檢儀，使其在軌道上運行，利用其行走軌跡得到軌道實際曲線。然而由于起重機軌道雙軌跨距較大，考慮到軌道的超大跨度，不可能像測量機床、電梯和鐵軌一樣設計一輛橫跨兩根軌道的測量橋，從而一次性測出兩根軌道的所有參數(shù)。

對于起重機軌道來說，一般是設計可在單根軌道上運行的軌檢裝置，分別對兩根軌道參數(shù)進行測量，然后采用一定的方式將兩條曲線置于同一個坐標系下，通過相應算法得到雙軌聯(lián)合參數(shù)。

以全站儀為原點建立坐標系，軌檢裝置分別在兩根軌道上運行。通過固定在某位置的全站儀瞄準檢測裝置上的反射棱鏡或反射靶，測量出反射棱鏡或反射靶中心到全站儀的斜距以及全站儀在水平方向和垂直方向旋轉的角度α和θ，即可根據(jù)式(1)得到兩根軌道測點在全站儀坐標系中的空間坐標，重構出軌道頂面中心線的空間形狀。

(1)

式中：xP、yP、zP為測點三維坐標；s為測點到全站儀的斜距；θ為測點垂直角；α為測點水平角。

全站儀法基于激光三角測量原理，利用全站儀和在軌道上移動的軌道檢測裝置進行測量。全站儀檢測原理圖如圖1所示。

圖1 全站儀檢測原理圖

本文提出的檢測方案如圖2所示。

圖2 檢測方案示意圖

將全站儀固定于地面，位于兩根軌道之間某個位置，將檢測作業(yè)環(huán)境移至地面，由全站儀建立統(tǒng)一的全局坐標系對兩根軌道進行檢測。搭載反射靶的兩部軌檢儀分別運行在兩根軌道上，對軌道進行采樣，全站儀瞄準反射靶，測量軌檢儀在軌道不同位置處的靶心坐標。在測量過程中，靶心與軌道頂面中心線的相對位置保持不變，這樣可以用靶心的運動軌跡代替軌道頂面中心線的輪廓。測量結束后分別獲得位于同一坐標系的兩組坐標值。通過這兩組坐標即可重構出兩條軌道曲線，進而可獲得兩根軌道的直線度、雙軌跨距和雙軌高差等待測參數(shù)。

在該檢測方法中，只要反射靶能夠實現(xiàn)沿水平軸和沿反射靶支撐軸兩個方向的旋轉，即能滿足不同檢測環(huán)境和任意軌道位置的要求。而對于特定的檢測環(huán)境，軌道高度固定不變，在檢測過程中一般無需沿水平軸方向旋轉反射靶，因此反射靶在該方向上的旋轉可設計為手動旋轉固定，由檢測人員在軌道上安裝檢測裝置時一并調(diào)節(jié)到合適角度即可。

軌檢控制系統(tǒng)的核心是控制反射靶沿其支撐軸方向的精確旋轉，保證在不同軌道位置全站儀總是能夠瞄準反射靶靶心。由于全站儀實際測量的數(shù)據(jù)是不同位置處靶心距全站儀的斜距s以及水平方向角度α和垂直方向角度θ，因此利用全站儀測量的水平角α即可實現(xiàn)上述反射靶的控制，相鄰兩測點水平角之差即為反射靶旋轉角度。

2 檢測算法設計

檢測完成后全站儀得到的數(shù)據(jù)為A、B兩軌的距離和角度數(shù)據(jù)：(SAi，αAi，θAi)和(SBj，αBj，θBj)，其中i=1,…,n，j=1,…,m，分別表示A、B兩軌采樣點點號。由式(1)可得到位于同一坐標系下的兩組坐標數(shù)據(jù)(xAi，yAi，zAi)和(xBj，yBj，zBj)。檢測算法就是利用這兩組坐標數(shù)據(jù)處理得到各項檢測參數(shù)的。

2.1 單軌參數(shù)算法

國家標準規(guī)定的起重機軌道彎曲偏差是分水平和垂直兩個方向分別測量的。因此，對于單軌參數(shù)來說，應分為單軌水平面內(nèi)直線度和單軌鉛垂面內(nèi)直線度分別評定。

平面內(nèi)直線度評定方法有兩端連線法、最小二乘法和最小包容區(qū)域法三種。其中，兩端連線法精度較低，一般對于精密檢測不宜采用。最小二乘法比兩端連線法精度高，盡管其直線度相比最小區(qū)域法仍有誤差，但由于最小二乘法相對最小區(qū)域法算法簡單，非常易于計算機實現(xiàn)，對于起重機軌道檢測來說是一種較為適宜的選擇。

最小二乘法已比較成熟，分別對兩組坐標的x、y坐標應用最小二乘法即可得到兩軌的水平面內(nèi)直線度，分別對兩組坐標的x、z值應用最小二乘法即可得到兩根軌道的鉛垂面內(nèi)直線度。

2.2 雙軌參數(shù)算法

提出的雙軌參數(shù)算法是該檢測算法的核心，其基本思路如下。

分別對A軌和B軌作線性擬合，得到兩條擬合曲線，然后分別過這兩條曲線作鉛垂平面(分別記為A面和B面)。因為一般來說這兩個平面是不平行的，因此作第三個鉛垂平面(記為C面)，其為A面和B面的“平均平面”，即以A面和B面法線平均值作為其法線的平面。這樣，以C面的法線作為計算同截面內(nèi)雙軌跨距和高差的評定方向。這樣與起重機在軌道上運行的方式比較接近，計算得到的跨距和高差有較為實際的意義。

確定評定方向之后，以任一軌(如A軌)的測量值開始評定：依次取A軌各測點A(xAi，yAi，zAi)，從這一點出發(fā)，沿C面法線方向，與B面交于B點，則A、B兩點之間的距離就是雙軌在該測點同截面內(nèi)的跨距值。A、B兩點具有相同的z值，而B點與其在B軌擬合直線上的投影點BT的z值之差則為雙軌在該測點同截面內(nèi)的高度差。

2.2.1 雙軌跨距

對A軌、B軌分別作線性擬合，可得兩條擬合直線：

式中：kA、bA、mA、nA為A軌線性擬合系數(shù)；kB、bB、mB、nB為B軌線性擬合系數(shù)。

由式(2)可知，過LA的鉛垂面即A面的方程為y=kAx+bA，其法線斜率為：

KnA=-1/kA

(4)

同樣，B面法線斜率為：

KnB=-1/kB

(5)

則A、B面的平均平面即C面的法線斜率為：

KnC=(KnA+KnB)/2

(6)

過A軌各測點Ai(xAi，yAi，zAi)，以KnC為斜率作直線，與B面y=kBx+bB交于點Bi：

式中：xAi、yAi為A軌各測點坐標；KnC為平均平面法線斜率，由式(6)得到；kB、bB為B軌線性擬合系數(shù)。

由式(8)可得在該點的雙軌同截面跨距為：

(9)

由式(4)～(9)聯(lián)立即可計算出各個位置處的雙軌跨距。

2.2.2 雙軌高差

令x=xBi，由式(3)可得到Bi點在B軌擬合直線LB上的投影點BTi的z值：

zBTi=mBxB+nB

(10)

則在該點的雙軌同截面高差為：

hi=zBi-zBTi=zAi-(mBxBi+nB)

(11)

式中：zAi為測得的A軌各測點z坐標；xBi為由式(8)得到的Bi點x坐標。

由式(4)～(11)聯(lián)立即可計算出各個位置處的雙軌高差。

3 檢測裝置設計

軌道檢測要求檢測裝置運行時盡可能平穩(wěn)，以減少運行的振動和搖晃。整體重心應盡可能貼近軌道頂面且位于軌道的中軸線附近，以保持裝置的平穩(wěn)。反射靶靶心應盡可能地貼近軌道頂面中心線且要保證測量時不被自身遮擋光線。儀器的軌道夾緊裝置通過導向輪夾緊軌道側面，以保持運行姿勢，并有彈簧施力機構保持導向輪伸縮性，便于其通過軌道接頭以及軌道側面不平整處。

設計的檢測儀構件主要有定位部件、夾緊部件、接近開關、前輪部件、驅動部件、電路板支架、后輪部件、托盒、框架、反射靶升降桿、反射靶底座、反射靶等，如圖3所示。

圖3 檢測儀機械結構示意圖

儀器一側為定位部件，用來保障其運行方向沿軌道方向，并保障其外形中心線與軌道頂面中心線重合。定位臂與軌道1∶10的傾斜側面相接觸，采用關節(jié)軸承為接觸零件，接觸由線接觸變?yōu)槊娼佑|，保障了定位夾緊精度。

儀器另一側為夾緊部件，采用彈簧和螺栓將關節(jié)軸承座和定位臂相連接，主要是為配合其定位部件在保障定位精度前提下保障運行過程中不被“卡死”。在軌道上安裝時，兩個夾緊部件和兩個定位部件可繞固定軸旋轉180°至軌面以下，以夾緊軌道側面(如圖3所示)，從而夾緊軌道。

夾緊部件和定位部件均安裝防側翻臂，其在扭簧作用下可繞轉軸扭動。當遇到障礙時，防側翻臂可以轉動，避開障礙；而當裝置在突發(fā)狀況下發(fā)生側翻時，防側翻臂則可以緊緊抱住軌道，保障安全可靠。反射靶升降桿可調(diào)節(jié)反射靶伸長距離，以保證在不同軌道高度下其測量光線不被儀器自身遮擋。

4 試驗

在中鍛重型水電設備公司的起重機地面軌道上進行了現(xiàn)場試驗，應用提出的起重機軌道檢測方法和設計的檢測裝置對軌道進行了采點，軌長74 m，采樣間隔1點/2 m。測量完成后，利用所提出的檢測算法對數(shù)據(jù)進行了處理，將處理后的檢測結果同上海市計量測試技術研究院對該軌道的檢測鑒定結果進行了對比，如表1所示。表1中，試驗序號1為本次試驗檢測結果，試驗序號2為上海市計量測試技術研究院檢測鑒定結果。

通過試驗對比可知，提出的起重機軌道檢測方法和基于該方法設計的檢測裝置的檢測精度接近于采用原有全站儀方法和檢測裝置的檢測精度，參數(shù)中最大誤差也在3 mm以內(nèi)。

考慮到本試驗采用的是測量精度較低的全站儀，其測距精度為2 mm，低于結果2的徠卡全站儀的1 mm測量精度。因此，提出的新方法和據(jù)此研制的檢測儀檢測精度可以滿足要求，并且系統(tǒng)所需成本更低，檢測更安全、更方便。

表1 試驗檢測結果對比

5 結束語

本文針對現(xiàn)有起重機軌道檢測方法的不足，提出了一種新的檢測方法，并研究了一種新型起重機軌道檢測儀。該方法在檢測過程中，無需將全站儀架至起重機高空軌道，檢測更安全、更可靠。詳細分析了各項檢測參數(shù)的計算算法，該算法不依賴于坐標系的位置，不需特意設定坐標系方向，算法更簡單，檢測更方便。

試驗結果表明，該方法和裝置檢測精度接近于采用傳統(tǒng)全站儀法檢測的精度，而系統(tǒng)成本大大降低，檢測更安全。若采用更高精度的全站儀測量，能達到更高的檢測精度。研究的檢測方法為起重機軌道檢測提供了一條更安全、更可靠、成本更低、更易實現(xiàn)的途徑，可替代原有全站儀法進行較長軌道的檢測，具有重要的實際應用和推廣價值。

[1] 牛潔,陶元芳.橋門式起重機車輪啃軌現(xiàn)象的研究[J].機械工程與自動化,2010(1):115-117.

[2] 解春花.論橋門式起重機啃軌原因分析[J].煤炭技術,2003,22(10):23-25.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 10183-2005橋式和門式起重機制造及軌道安裝公差[S].北京:中國標準出版社,2006.

[4] 程維明,宋偉,劉亮.一種新型橋門式起重機軌道測量方法[J].中國機械工程,2010,21(18):2187-2191.

[5] 宋偉,程維明,劉亮.一種大長度軌道直線度的測量方法和裝置[J].機械工程師,2010(2):32-35.

[6] 吳恩啟,杜寶江,張輝輝.橋門式起重機軌道檢測系統(tǒng)[J].起重運輸機械,2008(7):89-91.

[7] 吳恩啟,杜寶江,張輝輝.橋門式起重機軌道檢測技術研究[J].無損檢測,2007,29(10):578-579.

A New Kind of Crane Rail Detection Method and Device

The existing crane rail detection method features deficiencies including small detection range, low detection accuracy, and poor security, etc., to solve these problems, a new kind of crane rail detection method is proposed; in addition, relevant detection device based on this method is researched. The detection strategy and implementing mode of this method are introduced, and the detection algorithm is analyzed in detail. The prototype of the detection device is designed, and tested on site. The results of field test indicate that this method meets the detection accuracy for crane rail requested in the standard, and features advantages of strong detection security, low detection cost, and ease operation, etc.

Crane Total station Detection device Rail detection Parameters detection

孔慶彬(1990-)，男，現(xiàn)為上海大學精密儀器及機械專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事單片機應用技術、自動化控制及精密檢測等方面的研究。

TP206+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504014

修改稿收到日期：2014-08-12