道岔尖轨降低值测量仪的研制与应用

游彦辉，高春雷，王发灯

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

道岔尖轨降低值测量仪的研制与应用

游彦辉，高春雷，王发灯

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

道岔尖轨及心轨降低值不良会引起列车通过时晃车和轨件非正常磨耗。本文分析了国内外测量道岔尖轨及心轨降低值设备的现状，介绍了型号为JCY-30的尖轨降低值测量仪。该测量仪可以测量高铁道岔尖轨相对基本轨的降低值及心轨相对翼轨的降低值，测量精度达到0.1 mm，替代了传统的效率低下的测量方式，填补了国内在尖轨和心轨降低值测量设备上的空白。

降低值 测量仪 尖轨

1 概述

根据现场道岔维护情况分析，尖轨降低值不良可造成列车在通过道岔尤其是顺向过岔时轮轨接触在从尖轨到基本轨过渡时不平稳，轨道承受的压力没有平稳过渡，运行过程中形成轮径差从而导致列车晃车，并造成道岔钢轨光带不良和轨件非正常磨耗，影响道岔使用寿命和列车运行的平稳性。列车速度越高，降低值不良的影响就越明显。此外，无论是长心轨还是短心轨，心轨降低值不良将导致车轮通过道岔区时轮轨之间形成的轨道垂向不平顺波幅更大、压力过渡更不平顺，从而影响列车运行的平顺性和旅客的舒适度。因此，为了改善轮岔的接触特性和磨耗性能，合理的心轨降低值是十分重要的。

根据《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》的规定，尖轨相对于基本轨降低值及心轨相对于翼轨的降低值偏差超过1 mm且对行车平稳性有影响时，将对尖轨和心轨进行修理或更换。因此，精确测量尖轨相对于基本轨降低值及心轨相对于翼轨降低值是十分必要的。

1.1 国外测量仪器

国外主要使用以下三款产品:

1)瑞士Railmonitor轨道测量仪。其采用了无接触激光测量技术，可测量钢轨轮廓、轨头高度、打磨深度、轨距、水平、钢轨半径、环境温度等。该仪器使用了彩色液晶监测屏并提供了钢轨打磨过程中所需全部参数的计算软件。测试曲线实时显示在彩色液晶监测屏上并可保存在CF存储卡中。

2)波兰Graw轨道检测仪。该设备可用于道岔维修，随机赠送的微机软件可以产生各种道岔的横断面理论剖面，可以将测量的剖面与理论剖面进行比较，也可以将不同时间测量的剖面资料加以比较。软件的图形处理功能有增加图形尺寸，进行标示、缩放等。

3)丹麦生产的钢轨轮廓测量仪。其功能是对钢轨轮廓进行测量。

1.2 国内测量仪器

从山海关桥梁厂及武广高速铁路武汉桥工段、株洲工务段等6个工务段的调研情况来看，目前用于测量尖轨对基本轨的降低值、心轨相对于翼轨的降低值的主要工具还是很传统的测量工具平尺、塞尺、高度尺，已不适应我国高速铁路的快速发展。

山海关桥梁厂在铺设道岔时对尖轨相对基本轨的降低值使用的测量工具为平尺、钢板尺、深度尺和塞尺，如图1所示。

1.3 国内外测量仪器对比分析(表1)

表1 国内外测量仪器对比分析

虽然国外已有钢轨轮廓测量仪，但由于价格昂贵实用性差未能在我国推广使用。因此，急需研制具有自主知识产权的道岔测量仪器，满足我国高速铁路和客运专线道岔铺设、检查和维修需求。

图1 降低值测量方法

2 尖轨降低值测量仪的功能及技术参数

2.1 功能需求

根据调研情况，对尖轨降低值测量仪提出了以下功能需求:①对道岔尖轨各控制断面相对基本轨的降低值进行测量;②对道岔心轨各控制断面相对翼轨的降低值进行测量;③标定初始值;④实时显示测量数据;⑤可以保存20组测量数据。

2.2 技术参数

测量行程:竖向-6～29 mm，横向0～200 mm;

分辨率:0.01 mm;

测量误差:±0.2 mm;

待机时间:8 h;

线性误差:±0.5%;

工作温度:-20～50℃;

质量:尺体3.1 kg;支腿1.6 kg;

外形尺寸:1 550 mm×120 mm×140 mm。

3 测量原理及技术方案

3.1 测量原理

基于自恢复型线性位移传感器，应用模/数转换技术，通过单片机采集数据，再用液晶显示屏实时显示数据，如图2所示。

图2 测量原理示意

图2 中，线性位移传感器输出位移的电压值到A/D转换电路，转换电路出来的数字量经过单片机处理，在液晶显示屏上显示相应的降低值。控制面板用来方便用户对设备进行操作。

3.2 技术方案

尖轨降低值测量仪的机械设计技术方案如图3所示。仪器分为电器盒主体、折叠支腿两部分，并以两者作为基体，用一线性位移传感器进行降低值位移测量;该测量仪分别由传感器手把、拆卸螺栓、辅助支腿、折叠关节、固定支座、滑移座、传感器滑轨、标尺、传感器、充电电池、电池门等部分组成。

图3 机械设计技术方案

4 软硬件设计

4.1 硬件设计

本套测量设备基于精简的设计思路，采用高可靠性的稳压电源给传感器、单片机以及LCD显示屏提供稳定的电压，直接用单片机可采集模拟量的I/O口对线性位移传感器的位移量进行采集，然后通过LCD显示屏实时显示测量结果。

4.2 软件设计

软件流程如图4所示。通过“标零”按键，可标定零点(一般为尖轨末端的基本轨的测量值或心轨末端的翼轨的测量值)。在不断电的情况下，通过在测量数据稳定后按下“保存”键可保存最多20组数据，通过“上翻”和“下翻”键可查看保存的数据，系统断电后，已保存的数据将自动清除。

图4 软件流程

5 数据分析

5.1 竖向行程范围内精度分析

竖向行程范围内整机测量精度试验结果见表2。其中，理论值为用标准量块及塞尺测得的数据，实测值为测量仪测得的数值。可见，整机测量数据的误差在0.1 mm以内，能满足现场高铁维护的要求。

表2 竖向行程范围内测量精度试验结果mm

5.2 横向行程范围内精度分析

在200 mm的横向测量行程内选取不同位置的3个点，每个点在35 mm的竖向测量行程内选取2个固定点并测量3组数据(采用不同厚度的塞尺作为基准)，横向行程范围内测量精度试验结果见表3。可见仪器在横向行程范围内移动均能保证测量的精度。

表3 横向行程范围内测量精度试验数据mm

5.3 工作时间试验

每个时间点在35 mm的竖向测量行程内选取1个点，对传感器在不同时间点的位移值进行测试。在室温条件下，降低值测量仪工作时间试验结果如表4所示。

表4 工作时间试验结果

可见，在8 h的工作时间内，数据的重复性很好，说明电池能提供足够的电量。

5.4 高低温试验

利用高低温试验箱，在-20～50℃范围内选取3个温度值，在200 mm的横向测量行程内选取3个固定点，每个点测量6个数据(采用不同厚度的塞尺)，通过对传感器在不同温度条件下的性能进行测试，得到如表5的结果。可见，在-20～50℃的温度范围内，数据的重复性很好。

表5 高低温试验测试结果mm

6 现场使用说明

6.1 尖轨降低值测量

道岔尖轨相对于基本轨的降低值现场测量如图5所示。整机操作简单，将支腿与尺体连接上，之后把支腿一端放在无尖轨的另一侧钢轨上，将尺体放在有尖轨的钢轨上，先在基本轨上标定零点，然后移动整机，可测量尖轨相对基本轨的降低值。整机两端与钢轨接触部位之间具有良好的绝缘性，绝缘电阻值＞1 MΩ，不会对轨道电路产生任何影响。

6.2 心轨降低值测量

道岔心轨相对于翼轨的降低值测量现场如图6所示。将支腿与尺体分开，将尺体放在翼轨上，先在翼轨上标定零点，然后移动尺体，可测量心轨相对翼轨的降低值。

图5 尖轨降低值测量

图6 心轨降低值测量

7 结语

新研发的道岔尖轨和心轨的降低值测量仪适用于道岔检测和维修，测量效率高、精度高，结构简单、紧凑，重量轻，携带方便，为保证道岔施工质量和改善道岔养护性能提供了新测量设备。

［1］铁道部工程管理中心.客运专线铁路道岔铺设手册［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］卢祖文.客运专线铁路轨道［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］孙贵菊，游彦辉.高速铁路道岔检查与维修的成套工具研制分报告之一——尖轨降低值测量仪研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2011.

［4］中华人民共和国铁道部.铁运［2012］83号高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2012.

［5］蒋兵，奚绍良.高速铁路道岔尖轨降低值不良分析与整治［J］.铁道建筑，2013(12):128-131.

［6］任尊松，刘志明，金学松.心轨轨顶降低值对轮岔动态相互作用影响研究［J］.铁道学报，2009，31(4):79-83.

［7］任尊松，孙守光.道岔区轮轨接触几何关系研究［J］.工程力学，2008(11):223-230.

［8］孟祥红，王平.道岔转辙器轮载过渡区段优化设计研究［J］.铁道工程学报，2013(5):35-39.

［9］王永华.京沪高铁黄渡线路所2#道岔晃车原因分析及初步整治［J］.上海铁道科技，2012(1):102-104.

(责任审编李付军)

U216.66

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.39

1003-1995(2015)05-0154-04

2014-09-05;

2014-11-10

游彦辉(1983—)，男，云南镇雄人，助理研究员，硕士。