高速铁路轨道几何状态测量仪设计关键技术研究

能 可靠 、 响应 速度 快 、 量 精 度 高 、 测 成本 低 等 特 点 的增
变化 以及 测量 仪 内部 电子元 器件 的发 热都 可 能引起 梁 体 的 热变 形 。若 温 度 变 化 １℃ 时 ， 长 相 对 变 化 为 梁
２ ￣ ０ 即 １４ ５ｍ 长 的变 化 为０ ０ １ ｍ， 对 轨 ２ １ ～， ． ３ ． ３ ｒ 这 ６ｎ
间的最 小距 离 。它 的实际距 离是 两钢 轨 间的设计 距离 与 钢轨 偏移 量 的代数 和 ， 过 测 量 钢 轨 的偏 移 量 就 可 通
素， 材料选取 以高强度 、 绝缘性好 、 耐磨强 的材料为原 则 ， 缩弹 性 变 形 量 以不 影 响 测 量 精 度 为 准 ； 虑 风 压 考
无砟 轨道 的铺设 施 工 和运 营 维 护服 务 ， 迫切 需 要研 制
达到此 测量 精度要 求 ， 械 构 架 的 强度 、 机 刚度 、 车稳 整 定性 、 数据 采集 与处理 系统设 计 是至关 重要 的保 证 。
２ １ 机 械 构 架设 计 ．
根据 三点 共面原 理 及 考 虑运 输 方 便 等 因 素 ， 体 整
总线 、 数据 总线 、 控制 总 线 与外 设 传感 器 的联 接 ， 现 实 各传 感器数 据 的实 时 同步 采集 与数 据 处 理 ， 并将 各 数 据传 输给 上位 机 进 行 数 据 分 析 计 算 。本 设 计 采 用 Ｔ Ｉ
测 量仪 是 多参数 、 传感 器 的数 据 采集 与 处 理 系 多
统， 根据测量、 布线及美观的需要 ， 所有传感器的安装 、
信 号传 输 及 处 理 功 能 都 必 须 在 测 量 仪 狭 长 梁 体 内完
成 ， 解决 梁体 内部 布线 空 间受 限制 的为 题 ， 计采 用 为 设 了将嵌 入式 微处 理 器 、 能化 传 感 器 技术 和现 场 总 线 智 技 术 相结合 的方 案 。
量 式光 电编 码 器 ， 每 ０ １５ｍ等 距 离 空 间 采 集 脉 冲 按 ．２
数 。编码器 转 动一周 ，发 出 固定 的 脉 冲数 ，当转 动 轮
距 示 值误 差 ０ ３ｍ 精度 值 引起 的测 量 误 差将 是 十 分 ． ｍ 可 观 的 。因此 ， 除在 测 量 仪 的结 构 中选 用 膨 胀 系 数 小 和 导热 性好 的材料 以及 采 取 必 要 的热 隔 离措 施 外 ， 更
由三点 （ ） 成 的等 腰 三角 形 ， 的垂 直平 分 几 轮 组 它
何 关 系是 构成 测量 仪 计算 模 型 的基 准 ， 时金 属 框 架 同
结 构 体也 是 电子元 器 件 的 载 体 ， 即使 按 精 密 级 的要 求 来 控 制 Ｔ形 梁体 的等分 垂 直 度 关 系 ， 装 后 也 要 进 行 组 偏 差 值补 偿 ， 样 才能确 保 轨距 、 这 水平 测量 对应 测量 点
１ ０
铁
道
勘
察
２１ ０ ２年第 ５期
文 章编 号 ：６ ２— ４ ９ ２ １ ） ５— ０ ０—０ １７ ７ ７ （ ０ ２ ０ ０ １ ３
高速 铁 路 轨 道 几 何状 态 测 量 仪 设计 关键 技 术 研 究
袁 玫
（ 中铁 工 程 设 计 咨 询 集 团 有 限 公 司 ， 京 北 １０ ５ ） ０ ０ ５
块保 持智 能全站 仪 与测 量 仪两 者之 间 的联 络 ， 时 进 实
行轨距 、 平 、 程 、 水 里 温度等 多参 数 的数据 交换 ， 通过 上
位机 进行 数据处 理 ， 获取线 路 的轨道 信息 。
为不影 响轨道 电路 ， 整车 采用 了纵 梁 、 梁可 拼装 横 的绝缘 Ｔ形框 架结 构 ， 走行 采 用 三点 绝 缘 并 具有 制 动 功 能 的滚 轮 结 构 ， 内置 数 据 采 集 与 处 理 系 统 的 方 案 。 根 据相 关规 范 ， 量仪计 量 的 主要性 能 指 标 见表 １ 要 测 ；
重要 的是对 温度 引起 的变形误 差 给予修 正 。
的外径 确定 后 ，每个 脉 冲就 代 表 了一 段 确定 的 长度 ，
根 据脉 冲数 就可 以确 定测量 仪所 走过 的空 间里程 。 轨距 指 钢 轨顶 面下 １ ｍ 处 两 股 钢 轨作 用边 之 ６ｍ
测 量轮 和走 行轮 不仅 只是 满 足在轨 道 上连续 滚 动 的要 求 ， 是直 接影 响轨 距 和 水平 测 量 精 度 的重 要 因 更
然 要求 竣工线 路 的轨道 具有 高平顺 性 。高速 铁路在 轨
道铺 设 、 长轨 精调 、 轨道 验 收及运 营轨道 检测 等都 必须
采用轨道几何状态测量仪进行作业。为了使我国在高 速铁路轨道静态精密检测及精调领域有所创新 ， 提高
我 国轨 道检 测技 术水 平 ， 好 地 为 高速 铁 路 客运 专 线 更
Ｙ Ｕ 实际情 况 ， 阐述 了研 制 高速铁 路轨 道 几何状 态测 量仪 的必要性 ， 绍 了总体设 计 介
思路 ， 明 了机械 构 架及零 部件 的设计 方 法、 说 材料 选 用原 则 ， 绍 了数据 采 集与 处理 系统硬件 设计 、 量 介 测
原 理 及 选 型 ， 纳 总 结 了试 验 及 实 际应 用 的 结 果 。 归
道
勘
察
２ １ 第 ５期 ０２年
７ ｍ、 ０ｍ 分辨率为 ≤ ｍ高精度直线位移传感器作为 ２ 轨距 传感 器 。
轨道水 平 指线路 横断 断面 内左右 两股 钢轨 顶面 的
相对 高差 ， 通过 检测 与水平 面 的夹角 ， 利用 三角关 系计
的模块 进行数 据传 输 。
智 能全 站仪 用于 测 量 轨道 的实 际 空 间位 置 ， 而 从 计 算 出轨道 的轨 向 。全 站仪 通过无 线通信 模 块与数 据
０ ０９７ｍｍ， 值 对 于 水 平 示 值 误 差 ０ ３ｍ 精 度 要 ．０ 此 ． ｍ 求， 几乎 没有 影 响 ， 刚度完 全满 足要求 。通 过稳定 性 计
算，Ｇ／（ Ｐ ） ．， 得出 ２ Ｂ３ ∑ 风 ≥１ 可以 轴距Ｂ 确保 ４ 值，
整车 的稳定 性要 求 。
表 １ 测 量 仪 主 要 性 能 指 标 表
速 为 ２ ／ （ ０ｍ ｓ 工作 风速 ≤５ｍ ｓ 、 Ⅱ ２ ０Ｎ ｍ ，坡度 ／ ） ｑ ＝ ５ ／ 按 ３％ ５ ｅ考 虑 ， 据 第 四 强 度 理 论 即 复 合 应 力 根
机械专业 ， 工学 学士 ， 高级工程师 。
￣ ＋ ≤１１ ／ ３ ．［ ， ］ 在沿线路方 向和垂直线路方向上
作业 时 ， 以建 站后 的智能 全站 仪为基 准 ， 由无线 通讯模
收 稿 日期 ：０ ２—０ —１ ２１ ８ ２ 基 金 项 目 ： 道 部 科技 研 究 开 发 项 目 （０ １ Ｏ ４ Ｂ 。 铁 ２ １Ｇ １一 ） 作 者 简 介 ： 玫 （ ９４ ） 女 ，９ ７年 毕 业 于西 南 交 通 大 学 起 重 运 输 袁 １６ 一 ， １８
为主体 结构 ； 按第 Ⅱ类 载 荷 组 合对 本 结 构 体 进 行 零部
件 的静强度 、 稳定 性及 整 车抗 倾 覆稳定 性校 核计 算 ， 以
及制 动器 制动 转矩 的校核 。本 实例 载荷组 合 由整 车重 量、 风载 荷 和坡 度 载荷 构 成 ， 重量 Ｇ＝ ０ｋ ， 压 按 风 ４ ｇ风
出具 有我 国 自主知识 产权 的高 速铁路 轨道 几何 状态测
量仪 （ 以下简称 测 量仪 ） 。
设 计为 纵梁 、 横梁 可拼 装 的 Ｔ形 绝缘 结构 ， 图 １ 见 。作 为 精密 测量仪 器 的基 准体 ， 力 后 的细 微 变形 值 都 直 受 接 影 响测量仪 的准 确 性 ， 以金 属 框 架 结 构体 既要 轻 所
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｙ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｅ ｓ ｉ ｇ Ｉ ｓｒ ｍ ｅ ｔＤｅ ｉ ｎ ｓ ａ ｃ ｎ Ｋｅ ｃ ｎ ｌ ｇ ｆＭ ａ ｕｒｎ ｎ ｔ ｕ ｎ ｓｇ ｆ ｒ Ｔｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｒ ｎ ｉｉ ｎ ｏ ｉ ｈ Ｓ ｅ ｄ Ｒａ ｌ ｙ ｏ ａ ｋ Ｇ ｏ ｔ ｙ Ｃｏ ｄ ｔｏ ｆＨ ｇ ｐ ｅ ｉ ｗａ
便 又要 满足 强度 、 刚度 、 车稳 定 性 的要求 ， 属 材料 整 金 的选取 以密 度低 、 弹性 模量 大为原 则 ， 用航 空铝 合金 选
２ 设 计 总 体 思 路
测 量仪 是用 于无 列 车 轮 载作 用 时 ， 轨 道静 态 不 对
平 顺性 进行 检测 的轻 型便捷 工具 ， 由机械构 架 、 据采 数 集 与 处理 系统 、 专用 测 量 及 分 析软 件 等 组成 。 以 １～ ２名 人 员进行 上下 道操 作为 宜 ， 采用 人 工推 行 方式 ， 满 足走行 速 度 ２～ ｍ／ ， 点精 密 测 量 要 求 。测 量 仪 ３ｋ ｈ 逐
的准 确性 。 测量 仪 应 用 于 野 外 的 工 作 环 境 温 度 是 一１ ０℃ ～ ＋ ０℃ ， 天轨 面温 度 可 高达 ５ ４ 夏 ０℃ 以 上 ， 境 温 度 的 环
测量仪数据采集与处理系统由里程传感器、 轨距传
感器、 倾角传 感器 、 无线 通信模 块及全站仪 、 嵌入式 微处 理器、 上位机 （ 数据 处理及分 析计 算机 ） 等部件组成 。 （ ） 量原 理及传 感器 选 型 １测 安装在 走行 轮轴 头 的里 程 传感 器 ， 采用 了具 有 性
上反 光棱镜 要 高于 轨面 一段距 离 。
通 过 以上 的设计 ， 主体 结构 的强 度 、 刚度 、 定性 、 稳
几何要 素关 系都 得 到充 分 的保 证 ， 机 械构 架 上 确 保 在
了测 量仪 的精 度 。
２ ２ 数 据 采 集 与 处 理 系统硬 件 设 计 ．
图 １ 测 量 仪
载 、 高及 纵 向坡度 等 因素对 稳定 测量 的影 响 ， 超 走行 轮