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      角度補償軌距尺的研究與開發(fā)

      2019-06-12 06:13:58謝嘉誠余朝剛劉以聲徐佳麗葉子紅
      科技視界 2019年9期
      關(guān)鍵詞:軌距偏角管材

      謝嘉誠 余朝剛 劉以聲 徐佳麗 方 正 葉子紅

      (上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 松江 201620)

      0 引言

      本項目基于藍牙技術(shù)的實時傳輸數(shù)據(jù)的軌距尺[1],為解決人工測量時軌距尺與鋼軌垂直關(guān)系的誤差進行設(shè)計。 擬設(shè)計一款角度補償軌距尺,使用平行的兩個傳感器同時測量,通過算法修正誤差,可以有效提高測量精度并大幅減少人為誤差造成的影響,即不需要重復(fù)測量取準(zhǔn)確值,從而減少人工成本,提高測量精度,完成測量方式的改造。

      1 角度補償軌距尺設(shè)計

      1.1 角度補償原理

      圖1 軌距測量示意圖

      限于人工測量無法保證軌距尺與鋼軌完全垂直,通常通過多次測量找到最小值作為測量結(jié)果。 該角度補償軌距尺采用兩個位移傳感器測量, 即使在尺身斜放的情況下, 通過幾何計算即可求得軌距。 因此減少了人工測量產(chǎn)生誤差的可能性并簡化了操作。

      軌距為兩鋼軌軌頂下16mm 處內(nèi)側(cè)垂直平面間的最小距離,

      根據(jù)梯形中位線性質(zhì), 得兩位移傳感器壓縮后長度可視為直角梯形的上下底邊, 可知兩位移傳感器中線長度,

      經(jīng)由三角函數(shù)知,

      使用b,l1,l2,e,r 表達軌距L,即為

      式(1)~(5)中,為軌距;為測量端軌距;為固定端圓半徑; 為測量端基本長度; 為兩位移傳感器距離之半; 分別為兩位移傳感器壓縮后的長度及其中位線長; 為位移傳感器原長; 為軌距尺斜放時與鋼軌的夾角。

      1.2 尺身設(shè)計

      軌距尺整體由管夾及管材構(gòu)成。 管夾采用sla 3D打印技術(shù)制作,材料為高韌性樹脂,基于基本管夾(如圖3)衍生出多種管夾設(shè)計,分別將夾緊管材與定位、握把固定、 電子元件固定、 尺軌接觸等功能融合在一起, 減少了緊固螺絲的數(shù)量以及軌距尺的重量, 同時又保證了強度及可靠性。 管材使用碳纖維管材, 相較于傳統(tǒng)軌距尺尺身所采用的鋁材質(zhì)[2],強度更高的同時降低了質(zhì)量。 雙管與管夾的設(shè)計使軌距尺的功能調(diào)整更靈活,以應(yīng)對不同需求進行擴展及零位標(biāo)定[3]。 下圖為軌距尺基本結(jié)構(gòu),包括測量端管夾、握把管夾、傳感器支架管夾、 固定端管夾以及三根碳纖維管, 使用螺栓緊固,碳纖維管兩端使用塑料管塞。

      圖2 角度補償軌距尺基本結(jié)構(gòu)

      圖3 基本管夾

      1.3 電子系統(tǒng)設(shè)計

      本課題使用auduino micro 單片機為核心, 屬于Arduino leonardo 系列,晶振頻率16MHz,輸入電壓范圍6-12V,工作電壓5V。 使用兩支KTR 自恢復(fù)型位移傳感器進行測量, 相對線性度±0.03% , 重復(fù)性精度0.01mm,能夠滿足軌距測量要求。 測量結(jié)果通過1602顯示屏顯示。

      2 實驗結(jié)果分析

      本次研制的軌距尺主要目的為驗證該種測量方法的可行性, 因此軌距尺總長短于標(biāo)準(zhǔn)軌距。 實驗通過在不同角度下測量兩平行平面間的距離模擬軌距測量,驗證其測量效果。

      使用千分尺精確設(shè)置距離:40.00mm

      角度一:39.91mm

      角度二:40.10mm

      角度三:40.06mm

      其中測量偏角逐漸增大,測量結(jié)果仍然穩(wěn)定,與設(shè)置距離一致,因此認(rèn)為該種測量方法可行。

      使用普通軌距尺測量軌距偏角造成誤差分析如下圖所示,根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對0 級軌距尺提出的示值最大允許誤差為±0.25mm。 當(dāng)偏角大于2.14°時,誤差已超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 角度補償軌距尺的測量方式能夠避免該誤差的產(chǎn)生, 具有實際運用價值。

      圖4 尺身偏角誤差分析

      3 總結(jié)與展望

      本設(shè)計提出的測量方法, 可有效減少人工操作產(chǎn)生的誤差以提高測量效率, 此外使用其他類型傳感器也可達到同樣效果, 如激光測距傳感器等。 同時該軌距尺可與其他軌距檢測設(shè)備,如視覺軌距檢測車[4]配合使用。

      本次研制的角度補償軌距尺仍存在一些不足,例如未設(shè)置傾角傳感器[5],該軌距尺無法測量曲線段超高、電路穩(wěn)定性有待提高、溫度補償[6]功能有待拓展等。 在未來,角度補償軌距尺將會得到進一步優(yōu)化,完善功能, 不斷加入更新的技術(shù)以滿足高速鐵路軌道線路的檢測需要。

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