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案例详细
标题DJ-3型轨检车检测技术改进的研究
技术领域运动控制
行业
简介
内容


1.引言
    轨道检查车是反映铁路线路动态行车质量最真实、客观的检查工具，通过动态轨检工务系统才会更有针对性的进行日常维修保养，进而从线路设备最薄弱处着手、改善既有设备质量、提高线路运营质量。基于此，轨道检查车在不断的更新换代，从DJ-3型以至发展到DJ-5型，轨检车的运行速度、检测精度得到相应的提高；抗干扰能力不断加强，重复性、稳定性也越来越好。但是，现阶段出于对轨检车时间上的延续和现有经济能力问题的考虑，DJ-3型轨道检查车仍然使用在上为我国的铁路作着贡献，因此，做好DJ-3型轨道检查车的升级换代，对于我国的铁路系统网来说有着重要的意义。DJ-3型轨检车叫三型改造型车，是2004年12月经部铁科院改造后的轨检车，就西安铁路局来说，承担了西安铁路局的大量任务，因而我们对它做了大量的改进型研究。DJ-3改进型轨检车成功研制后通过这三个月的使用，我们发现检测设备还存在不足之处，就这些问题本文对它提出了一些改进的办法。
2.高低、水平、三角坑信号异常的处理方法
    由于DJ-3型改造型车的车体是采用209型转向架，最高时速不超过120km/h，而且经过一个十年大修期，减震差，影响到检测精度。DJ-3型改造型车高低的检测原件（位移计、加速度计）安装在车箱地板之上，使得高低、水平检测系统抗干扰差，易受外界撞击力影响，比如用力走路就会造成三级以上的干扰信号。我们发现，造成干扰的是车箱木地板受冲力而变形，从而影响到固定在木板上的加速度计信号的异常，对于出现的这种情况我们可以通过改变固定高低加速度计和位移计支座的位置，即将其直接固定在车箱的钢支架（在原有的位置上）上，避开与地木板接触从而消除干扰，如下图1、图2：


图1 检测原件在车箱地板              图2检测原件在钢支架上

3.垂直加速度干扰的排除
    垂直加速度的信号是车体垂直方向力的检测。有些是正常的垂直方向的力，比如，钢轨几何尺寸、道床的弹性造成的力，有些是异常的垂直方向的力，不能正确反映线路纵断面的情况，倒挂时作钩就是一个典型的例子。这是由于在检测图上有一个幅值很大，波长很短的一个尖刺，我们应该消掉，因为这不是线路纵断面尺寸造成的，所以我们可以在垂直检测控制板上增加一个低通滤波电路；在进入计算机进行处理之前首先滤除掉这些频率高，而且波幅值大的不正常信号，从而使我们的检测数据客观、精确。该低通滤波电路如图3：


图3  低通滤波器

    其中R、C分别为电阻和电容，X(t)为输入、Y(t)为输出。
4.对轨检车水平加速度检测的改进
    水平加速度数据是车体横向力的体现，但是仅仅用车体横向力所反映的数据来评定线路动态情况是不够准确的。这是因为一方面，直线线路、线路轨向不好、钢轨状态不好（有死弯）都能产生车体横向力，从而产生车体水平加速度；另一方面，在曲线线路段，既有线路轨向不好造成的横向力，也有欠超高与过超高造成的车体横向力。用轨检车的水平力加速度数据评定动态线路质量，应该得到的是线路动态几何尺寸的偏差，而不应该含在既有设计下由车体运行速度造成欠超高、过超高产生偏差。虽然这些偏差影响旅客的舒适度，但不应该用来评定线路动态偏差。所有列车是以各种不同的速度通过曲线的，所设置的超高不可能适应每一列火车，使所产生的离心力完全得到平衡，因而对每一列列车而言，普遍存在着过超高或欠超高的现象。过超高时产生未被平衡向心加速度，欠超高时产生未被平衡的离心加速度，向心加速度、离心加速度都是水平加速度，这些水平加速度的偏差值，不是线路几何尺寸状态不好引起的，而是运行车速引起的。DJ-3型改造车水加检测原理是横向力的检测，包括欠超高、过超高引起的水平加速度，以下分析未被平衡超高与未被平衡加速度。
    未被平衡超高与未被平衡加速度时：由
            H=S/g×V2/R=1500/9.8×V2/R=153×V2/R           （1）
    这一超高表达式可以看出，当通过曲线的列车速度为V时，该曲线应设置的超高度H与列车通过曲线所产生的离心加速度a=V2/R乘以常数153相等，即：
                H=153a                                     （2）
    所以
                   a=H/153≈1/150H                              （3）
    由上式得知，当H=150mm时，a=1m/S2≈0.1g;即大约150mm的超高与列车通过曲线时产生1m/S2的离心加速度相平衡，亦即15mm的欠或过超高相当于存在未被平衡离心或向心加速度0.1m/S2（0.01g）。
    上述分析是在假设列车为一刚体质点的条件下进行的，没有考虑车辆的弹簧装置对未被平衡加速度的附加作用。实际上，当存在过超高，列车通过曲线时，车辆内侧弹簧被压缩，相当于增大了未被平衡向心加速度；当存在欠超高时，车体外侧弹簧压缩，相当于增大了未被平衡离心加速度。所以，实际的未被平衡加速度ak为：
              ak=（1+k）*a                                  （4）
    式中k―弹簧系数，一般为0.2左右。
    从以上分析我们可以知道曲线上未被平衡的加速度a是客观存在的，理论值还略小于实际的未被平衡加速度ak。
    因此，我们建议DJ-3型车采用以下两种办法滤掉未被平衡的加速度，得到线路几何偏差引起的水平加速度值：
    a、增加高通滤波电路，在进入数据处理前，滤掉波长较长（一般在5m以上）、频率低的水平加速度信号，做数据的平滑处理，如下图：


图4高通滤波电路

    其中R、C分别为电阻和电容，X(t)为输入、Y(t)为输出。
    b、增加陀螺仪检测设备，确定曲线的绝对水平和曲线的实际超高H，同时确定曲线实际半径R。
    由计算超高的理论公式
                   H=11.8V2/R                                 （5）
    得检验欠、过超高的式子如下：（式中H为实际超高，Hg为过超高，Hc为欠超高）
          Hc =11.8 V2/R-H     Hc=150ac                                      （6）
          Hg =H-11.8 V2/      Hg = 150ag                                     (7)
    其中：a的单位是(m/s2)
    当Hc=75mm，有a=0.50，ak=0.60，未被平衡的离心加速度数据处理时，计算机根据计算的Hc，使ac取反与a求和：a水=a+ac
    当Hg=50mm，有a=1/3，ak=0.4，未被平衡的向心加速度数据处理时，计算机根据计算的Hg ，使ag与a方向相反，求和：a水=a+ag
a水―计算机输出的水平加速度，
a ―横向力产生的水平加速度，
ac ―Hc产生未被平衡的加速度，方向与a相反，
ag ―Hg产生未被平衡的加速度，方向与a相反，
Hc=75mm，ac取0.50。
    陀螺仪能确定曲线半径R，曲线超高H，计算机能计算出ac和ag，经过合成数据，我们可以得到不受欠或过超高的的a水值，a水将能准确反映车体运行中，由线路几何偏差造成横向力，这正是我们所想要得到的，如下图：


图5  流程图

5.结论
    这样得到的水平加速度a水与高低、水平、三角坑、轨距、轨向、垂加各项形成的汇总表，将是准确反映系统动态情况的汇总表。而不象以前，在管辖曲线过多的工务段中，汇总表中水平加速度比例过大、扣分过多，这样山区小半径曲线多的线路动态检测更加合理，扣分比例更加符合线路实际情况，检测的数据准确、可靠，使DJ-3型轨检车更好地指导线路养护维修工作。
    经过对DJ-3型轨检车的改进，增强了检查车的稳定性，并且合理有效地利用和改善了当前经济上的不足，既使检查结果更能客观反映线路几何尺寸的动态变化，又缓解了经济压力，对现场作业和铁路保养维修更具有指导性的意义。