杏彩官方网址:钢轨平直度测量pdf

　　钢轨平直度测量原理及技术应用探讨 第六图书馆 钢轨 平直度测量 激光测距法攀钢技术胡晴莽 杜军生不详2000第六图书馆 攀 钢 技 术 ·67 … … 一 及… … 胡晴莽 杜军生 』洪晓东 ) 7 意 平 一 摘 要 介绍 了非接触激光测距法测量钢轨平直度 的原理厦应用技术 ．探讨 了攀钢 引进 钢轨平直 的 直 一 度测量技术应注 同 度一 题 测一 U ；『_4J 关键词 钢轨 、术 激 光测距法 盘 1 引言 检测系统工作稳定可靠 、测量精度高、盲 区 钢轨平直度是高速铁路用轨 的一项基本 小 ，可满足连续规模生产的要求 。本文着重 指标 ，其意义在于最大 限度地 降低列车运行 对激光测距法 的原理和应用实例进行分析和 时的振动 ，减轻轮轨磨耗 ，为列车乘客提供舒 探讨 。 适感和安全感。测量钢轨平直度 的方法主要 2 钢轨平直度 测量指标及要 求 有人工靠尺法、模拟接触测量法、CCD实物 钢轨平直度是指沿钢轨纵 向方 向上反映 成像法和非接触激光渊距法4种 。由于人工 波浪起伏状况 的指标 。由于在钢轨 1～3m 靠尺法测量平直度效率较低 、精度不稳定 ，因 范 围内存在 的周期性波浪严重影响列车运行 此在高速钢轨生产线上不适合采用 ；模拟接 质量 ，因此必须对其进行检测 ，并根据测量结 触测量法 曾在德 国蒂森 (Thyssen)公司获得 果对钢轨进行分类和补矫 。检测方式如 图 1 运用，涣I量系统模拟 车轮与钢轨接触时的状 所示 ，图中d是平靠尺与钢轨被测表面之间 态，借此间接反映出钢轨的平直度，但 由于测 最大的间隙值 。现行 的 “EN”标准 (欧洲铁路 量盲区大 (300～400mm)、设备技术落后 ，已 标准)和我 国200以及 300km／h铁路钢轨 被蒂森公司淘汰 ；CCD实物成像法采用现代 生产暂行技术条件 中，对钢轨平直度提出了 数字成相技术——ccD摄像机获取实 物轮 较高要求 ，并对平直度检测方法作 了具体详 廓外形 ，使实物外形尺寸数字化 、虚拟化，多 细规定 ，因此在钢轨生产线上必须对钢轨通 用于棒材 、管材 、方坯等的弯曲度 的涣I量，但 长 的平直度进行在线测量 。在钢轨生产标准 渊量精度不高 ，目前 未见有用于钢轨 的平直 中，对不 同等级标准 的钢轨 ，其平直度指标有 度测量；采用非接触激光测距方法检测钢轨 不 同的要求 ，图2反映了 EN标准与 UIc标 平直度是最近 4年 才开发成 功 的一项 新技 准在平 直度指标方 面的差别 。我 国200和 术，在德国蒂森、法国沙西诺 (Sogerail)、波兰 300krr-／h铁路钢轨生产暂行技术条件 中对 卡特维滋 (Katowice)等钢轨厂 ，均采用 了类 钢轨平直度测量的要求与 EN标准相似，对 似技术用于高速钢轨的生产 。人工靠尺法是 测量系统的渊量精度要求为≤+003mm。 攀钢 目前测量钢轨端部弯曲的唯一方法，不 能满足 “EN”标准及我 国 200和 300km／h 铁路钢轨生产暂行技术条件 中对钢轨平直度 三兰 测量的要求和规模生产要求。 在这 4种方法中，非接触激光测距法 因 图 1 平直度测量定义 · 68 2000年第 23卷第 3期 轨道 是 非 常平 直 的 ，即道轨 的表 面起 伏 。 7 Y()，探头 的振动 0()均为一常数 ，则有 ： 。 6 ，()=S() 0．5 当f( )确定后 ，这根钢轨 的外形弯 曲 度状况就可 以虚拟化、数字化，这时运用计算 重 机运算，采用一种所谓的 “软靠尺”去评价钢 。 3 轨的平直度是否满足标准要求 。 。 2 显然 ，这种测量原理在工程上是行不通 的，其原因是：①如果钢轨的长度很长，则测 0 l 量轨道的造价极高．且 25ra长的高精度道轨 靠尺长度 t 在工程上几乎不可能实现 ；②效率低 ，无法满 足大批量生产连续检测的要求。 圈 2 EN标准与 UIC标准平直度 的差异 因此，必须采用钢轨主动运动，探头固定 静止的方法。但如前所述 ，运用这种方法又 3 激 光测距法测量钢轨平直度 有 3个未知数：①钢轨运动时 的上下跳动 3．1 基本 原理 (z)；②钢轨运 动时的左右摆动 仍( )；③ (1)单个探头的测量 钢轨的弯曲 ，()。因此也不可行 。 采用激光探头测距 (图3)，可 以将被测 (2)3个探头 的测量 表面至探头的距离测出。图4为被测物静止 为了解决上述问题，运用傅立叶级数展开方 不动，而测距探头沿水平的钢轨从左向右移 法，可将距离函数 S )分解为数个不同频率、相 动进行测距的原理示意 图。 位不等的谐波分量，即 s()可被分为 f(x)， 探头距钢轨表面的距离 S()反映了钢 y(x)，烈x)3个分量 ，理论上只需要 3个测距探 轨表面的外形弯曲f( )。如果探头的支持 头就可以确定出函数 )，如图5所示。 图5 3个探头测量时的复台渡浪 但实际上 ，采用 3个探头仍存在 以下缺 ‘ ^射点 点：①不能测出两个探头之间的复台波；②不 圈3 激光测距原理 能消除噪音、震动等信号的干扰 。 ． (3)多个探头的测量 为 了获得更精确 的测量结果 ，消除噪音 信号干扰，测出两个探头之间的多个波浪，还 须增加探头的数量 。如采用 4个探头，可 以 L 消除异常 的噪音信号和测 出多种复台波浪 ； 如果采用 5个或更多探头，可 以获得极高的 精度，如图6所示。 固4 单个探头的测量 为确定，(z)，y(z)，口(z)，将各个探头 攀 钢 技 术 ·69 图6 多探头布置 图 (a)及各探头波形 曲线 图(b) 测距 函数 的线性结合为 g(z)： 0(z)滤除。一般而言，式 (1)经积分计算后 可得到一正弦函数 ： g(z)= 口 (z十Axf) ’ 一 式 中 al一 参数 ； r(z)= asin A +C (2) S(z)一 距离函数； 在工程运用 中，有几点值得注意 ：① 参 Ax。一 沿长度方 向的距离增量 。 数 a是根据实际经验选定的；传感器探头之 间的布置距离 △zl对于测量分析结果影响很 运用频域分析理论作傅立 叶变换 ，可得 大 ．它决定 了某些波长 的弯曲度是否都能被 到如下 的矩 阵函数表达式 ： 探头测到 。② 钢轨实际的波长范 围，必须通 ()=苔()／盲() 过生产实践得出。从理论上讲 ，所有的波长从 式 中 ( )一，(z)的傅 氏矩阵； 毫米级到米级都可 以通过增加多个探头来测 茜()一系统传递函数； 得 。钢轨实物上的短波波浪主要是 由于钢轨 表面上氧化铁皮和粗糙度引起的，而长的波 苔()一g(z)的傅氏矩阵。 浪主要是 由于钢轨的支撑辊道问距和钢轨 自 当参数 a及 Ax 确定后 ，钢轨表面弯曲 重引起 的，在检测分析中要特别注意区别开 。 度 ，(z)可 以通过对 F(∞)作博立叶逆变换 ③ 钢轨实物波浪数量 和波长 的测量范 围选 求得 ： 择是至关重要的，它们决定 了探头的数量与 lr+∞ 位置 ，甚至决定 了测量分析精度 。 ，()二J一F() )3．2 技术应用 上述数学过程 ，实际上是一种数字滤波 根据对数学原理的分析 ，只要找出钢轨 过程，即将 S(z)经线性结合后，得到一个 表面曲率 f(z)，就可以通过如下公式计算 出 g(z)函数 ，为得到真实的f()，须将 (z)， 钢轨波浪曲率范围。如图7所示 ： 钢轨长度 ) 图7 软靠尺原理 图(a)及钢轨宴物平直度 曲线(小告+告一 mm，当钢轨运动时上下左右都会有不 同程 度的跳动，使单光束激光不能对准轨头踏面 ( ～ 3ITI波长) 的中部和轨头侧面的中部位置，因此若不采 △1()：告+告 取措施，测量结果误差较大。为了修正这种误 差 ，实例 1采用与标准轨头截面 比较补偿的 【( ～1m波长) 方法 ，如 图8所示 ，如果钢轨在水平方向偏移 式中 △3()，△ ()一 3ITI，1m 以内各个 了△ ，会被水平方 向探头测出△ 的具体值 ， 波浪的弯曲度值 ： 然后在计算程序 中与标准的轨形作 比较，求 L2，L1，L2，Ll一 各探头 的布置 出 △^的值 ，作为垂直方 向的距离补偿 。反 距 离 ； 之 ，如果在垂直方 向偏移 (上下跳动)，用垂直 n，6，c，6一 探 头至被测表 面 的距 方向的探头来补偿水平方 向的距离。 离 ； 存在的问题是 ，如果钢轨头部轧制精度 ， 一 3m，1m 以内的各波波长。 不高 ，形状不规则 ，会 引起测量精 度误差增 根据式(2)则有 ： 大 。 ()：T3asi[ ] 3 ( ～3m波长) △()：Ttpi[ ÷三 】 “l ( ～ lm波长) 式中 T3，Tl一 传递函数 ； 0 ，X 01 一 沿钢轨长度方向的增量 ； ， 口一 波 幅 (波 峰与 波谷距离值 的 图8 钢轨在水平方向上的偏移与测量朴偿 1／2)； 下面是国外某钢轨厂实例应用中的参 实例 2 数 ： 采用 单束激光 测距 ，探头距 钢轨 150 (1)钢轨实物波长范 围：0．4～3．7m； mm，当激光束不能对准钢轨头部中间时，依 (2)对应波长选取的传递函效 T1，T3在 靠 由伺服 电驱动的探头支持粱来跟随钢轨的 0-87～ 1．3m范围内取值 ； 摆动 ，使光束始终保持在轨头中间。这种方法 (3)辊道速度 2m／s，辊道标高 ±1．0 的问题是 ：① 伺服机构复杂 ，维修不便；② 增 mm，跳动 ±15mm； 加投资；③ 如果伺服机构响应速度跟不上 ， (4)探头数量：水平方向4个 ，垂直方 向 会造成测量误差 。 (踏面)4个 ，外侧两探头距离 2．6m。 实例 3 4 应 用实例 采用 10束激光测距探头 ，光带宽度约为 在工程运用 中，由于要考虑钢轨头部外 45mm，测量过程 中当钢轨在一定范 围 内偏 形 的不规则等因素 ，因此 ，使用 的激光测距探 移时 ，总能有一束光束对准轨头部中间，因此 头各有特点 ，现分析 比较如下。 能可靠地解决钢轨偏移时带来的影响。 实例 1 造成 以上实例采用不 同的探头 的原 因 采用单光束激光探头 ，探头距钢轨 50 是 ，钢轨生产的方法不同。实例 1中的钢轨生 攀 钢 技 术 71 产采用 了万能轧制法 ，轨头形状标准、规范 ， 为准。对于万能法轧制的钢轨 ，其头部尺寸形 对补偿 的精度影响小 ；实例 2及 3采用 了孔 状都比较规范 ，尺寸精度较好 ；采用孔型法轧 型轧制法钢轨 ，轨头形状不标准 、不规范 ，因 制的钢轨 ，常存在头部尺寸波 动、形状不规 而采取 了特殊措施予 以修正。 则 ，因而在平直度测量 中采用 的动态补偿技 5 技术引进需注意的几个问题 术若选择不当，会造成较大的测量误差 ，实例 根据对激光测距法测量钢轨平直度技术 3采绢的lO束激光测距探头能够可靠消除钢 的认识和理解 ，结合攀钢的实际情况 ，笔者认 轨运输 中以及钢轨头部尺寸带来的影响，其 为应注意 以下 问题 。 补偿精度好于实例 1和 2。 5．1 平直度测量设备 的工艺布置 5．3 辊道安装标高精度和运动精度 国外厂家在实际应用 中，都将平直度测 作为平直度检测设备 的辅助设备 ，其前 量设备布置在成品检测中心内，说明该设备 后辊道一般 由用户配套，在外方报价技术条 对工作环境 、钢轨 的端部和表面状况 ，设备 的 件中对辊道 的标高精度 、辊子 的偏心误差作 前后辅助设备及装置都有一定 的要求 。目前 ， 了量化的规定 ，精度要求达到 ≤±0．2～± 攀钢钢轨采用孔型法生产 、25m 定尺矫直 、 0．3mm。攀钢 目前辊道安装精度 只能够达到 锯钻加工工艺 ，在矫直后加工前的半成 品钢 ≤±0．5mm ，而且在大批量钢轨生产 中极易 轨端部存在毛刺、飞边和表面疏松及氧化铁 造成上述精度丧失 ，这对系统 的测量结果影 皮等 ，这对平直度测量系统 的检测精度 、盲 区 响程度有多大。