钢轨磨耗及轨底坡便携测量仪的研究

钢轨磨耗及轨底坡便携测量仪的研究 . 密级:公开 国内图 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 分类号: 国际图书分类号: 西南交通大学 研究生学位论文 年 姓 专 二零一二年四月二十一 . : ..: : : : : : .西南交通大学 囱南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 .保密口,在 年解密后适用本授权书; .不保密‖使用本授权书。 请在以上方框内打“” 指导老师签名: 指导老师签名: 学位论文作者签名:渗曹 学位论文作者签名:渗沟 闹文样 ‘ 日期:矽,妒.占 日期:吱/.夕,石西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下: 、根据测量范围及精度要求,建立测量机构的数学模型及逆解模型,利 用进行运动学仿真,设计了双型五连杆测量机构,并优化结构参数, 使其可测量、、三种钢轨包括双侧下颚的轨头外形曲线。 、根据仿真结果,利用 对钢轨外形测量仪的机械结构进行研究设计,包 括外形、双型测量机构、测头、停靠位及连接杆的设计,并进行干涉检测, 进一步确 保选取参数的合理性。 、利用对测量仪的数据处理算法进行仿真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,确定半径补偿、 数字对齐等算法,编程实现对钢轨磨耗和轨底坡参数的测量。 、分析钢轨外形测量仪的误差来源,对其实际测量过程进行仿真,分析 其量化误差及各单因素误差,给出仿真结果。 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者硌;生落 。艰?多 沙 日期:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 摘 要 车轮和钢轨的滚动接触是承载、导向、牵引及制动的基础。在列车运行时, 轮轨接触会产生磨耗,从而影响车辆动力学性能。研究检测钢轨磨耗及轨底坡 的便携式仪器,对于轮轨技术的科学研究,铁路安全经济运行有着重要意义。 本论文就增大便携式仪器对钢轨的测量范围及提高精度展开研究,主要完成 以 下工作: 、根据测量范围及精度要求,建立测量机构的数学模型及逆解模型,利 用进行运动学仿真,设计了双型五连杆测量机构,并优化结构参数, 使其可测量、、三种钢轨包括双侧下颚的轨头外形曲线。 、根据仿真结果,利用 对钢轨外形测量仪的机械结构进行研究设计,包 括外形、双型测量机构、测头、停靠位及连接杆的设计,并进行干涉检测,进一步确 保选取参数的合理性。 、利用对测量仪的数据处理算法进行仿真分析,确定半径补偿、 ‘ 数字对齐等算法,编程实现对钢轨磨耗和轨底坡参数的测量。 、分析钢轨外形测量仪的误差来源,对其实际测量过程进行仿真,分析 其量化误差及各单因素误差,给出仿真结果。 仿真分析表明,设计的基于双型五连杆测量机构的便携式钢轨外形磨耗 测量仪一次测量能够得到钢轨轨头、双侧下颚、及双侧侧面的外形曲线。实际 仪器试验表明:所研究的数字处理算法可得出符合精度要求的钢轨侧面、垂向 磨耗及轨底坡参数。 关键词钢轨测量;双型五连杆;半径补偿;数字对齐:误差仿真西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页?? / , . /, ,’ . , .弧 ’. : 矗 ., ’ .,, , ., 诵廿, , ’,.,. ?. , ,. . ,. , ..; ; ; ; 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 目 录 。摘 要??. ........??..?..............?...........??..?.............?....... ......?...?.... 目 录. 第章绪 论?. .课题研究背景及其意义??.. .国内外的研究现状?. ..国外的研究现状 ..国内的研究现状??. .论文的工作与内容..完成主要工作?.. ..论文主要内容?.. 第章 外形测量仪的系统 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 研究 .铁道钢轨? . 外形测量仪系统组成及其特点? ..外形测量仪系统组成.. ..外形测量仪的特点?.. .外形测量仪的数学测量模型 ..双型五连杆数学模型.外形测量仪测量原理仿真研究?.. ..外形测量仪的逆解模型??.. ..仿真结果? .本章小结.. 第章 外形测量仪的结构实现?.. .外形测量仪总体设计研究? .外形测量仪机械结构设计?. ..选定参数的干涉检测.. ..基准的选取??.. ..连接杆的选择?. ..测量杆停靠位的设计.. ..滚轮测头的选取.页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 ..外形测量仪机械结构?.:.测量仪数据采集系统研究? .数据处理模块?. .本章小结.. 第章面向数据采集处理的仿真研究.. .外形测量仪的信息流程??.. .滚轮测头的半径补偿算法研究?.. ..测头半径补偿方法?.. .曲线对齐方法研究..曲线的平移和旋转.数据拼接及其平滑处理??.. .钢轨磨耗参数的计算? .轨底坡测量??.. .本章小结.. 第章外形测量仪的误差研究 .精密仪器误差?. .仪器误差来源研究?.. .误差模型的建立与仿真结果 ..测量过程仿真研究?.. ..数学模型误差仿真研究??.. ..各参数误差仿真研究.. .本章小结.. 第章标定及轨底坡测量试验??. . 型轨头外形测量仪标定试验 ..测量仪参数标定 ..标定方法的不确定度分析? ..标定试验.. .轨底坡参数测量试验.. ..轨底坡参数测量试验??.. .本章小结.. 结 论??.. 致射??。??.. 参考文献攻读硕士学位期间发表论文?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 论 第章绪 .课题研究背景及其意义 列车运行时,车轮与钢轨间的滚动接触起到了承载和导向的作用,除此之 外,还负责传递牵引和制动力。列车与钢轨之间的相互作用保证了列车在预先 铺设的轨道上运行。在列车的重压之下,车轮和钢轨都会产生弹性变形,形成 接触斑,久而久之钢轨轨头则出现不同程度的磨耗。从而降低了列车动力学性 年的历 能,使列车安全运行得不到保障。另一方面,距今铁路发展已经近 史,根据长期的实践经验和系统优化设计来看,车轮和钢轨的外形存在最佳匹 配的问题:理想匹配能够有效降低接触应力,从而改善列车曲线通过能力,以 此保证轮对与钢轨的长期稳定状态,降低车轮和钢轨的磨耗。因此合理的轮轨 外形对于保证列车行车安全具有重要意义。 就目前铁路发展来看,铁路经历了一个高速发展的时期,铁路向着高速、 重载等方向发展,这也加剧了车轮与钢轨之间的磨耗损伤。 在轨道的结构中,钢轨是最昂贵的。在尽可能不用承担风险的情况下,延 迟钢轨的更换可以带来显著的经济效益【。对钢轨型面进行维护,打磨钢轨踏 面损伤的钢轨,从而改善轮轨接触状况和延长使用寿命。为了实现有效维护 钢轨型面,研究开发钢轨外形精密测量仪器具有现实意义,为在高轴重高速情 况下的钢轨疲劳状态检测与维修提供一个理想的手段,从而保证列车安全经济 运行】。 .国内外的研究现状 钢轨外形及磨耗参数对于列车安全经济运行意义重大,因此精确测量钢轨 外形及磨耗参数成为一个重要的研究课题。在钢轨外形检测课题上,国内外方 面对这一课题都进行了积极的研究探索,成功研制开发了多种形式的检测装 置。 ..国外的研究现状 .在钢轨断面检测方面,图分别为 钢轨外形绘制装置、/第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 轨头磨耗检测装置以及波形磨损检测装置。这三款装置是由德国公司 是借助探针对钢轨表面进行扫 研制开发【。其中 描,并在记录纸上以:的比例绘制出探针的轨迹曲线,其精度能达到.历坍。 图.钢轨外形记录装置 图./轨头磨耗检测装置 .世纪年代,英国的道比研究中心研发了一款钢轨断面测量仪;该测 量仪由导轨和测头组成。测量仪采用三点定位的方式将半圆形的导轨固定在 钢 轨上,测头在导轨上进行滑动,采集钢轨外形数据,最后在计算机上对采集的 数据进行处理分析。 .图.为系列便携式轮廓检测装置,它是由丹麦的绿林 公司研制开发。此外形测量仪分为两个部分:计算机处理系统和测量单 元。测量单元采用的是串联二连杆结构,测量轮通过磁力贴靠在钢轨表面。 它 的测量速度比较快,能够在秒内完成到个点的采集,计算机处理系 统分析处理采集到的数据,计算磨耗、项圆半径等钢轨参数。 图卜路轨检测仪及测量显示界面西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图卜钢轨检测仪 图?钢轨检测仪? 研制的 .奥地利格拉茨是世界上第一种专利的手持电子测量仪,采用非接触式的测 量方法,主要用于 铁路车轮与钢轨外形的磨耗测量【】。测量时在车轮或钢轨上方移动感应器, 智 能图像处理系统记录被测对象型面,并组合在一起。此测量仪能够在数秒中 完 成对车轮或钢轨轨头横截面的测量,计算出磨耗等参数。如图卜所示。 .波兰研制的轨头剖面测量仪主要用于测量轨头的横断面【。如图 。的角度范围内旋转,能够测量钢轨踏 所示。测量探头的连杆能够在大约 面以及钢轨两侧。采用的是非接触型激光测量方式及测量探头自动驱动方 式, 该设备具有较高的测量精度精度为.。测量完成后,将数据拷贝到计 算机中进行分析处理等。 公司研制了世界上第一款用激光技术的便携 .瑞士 轨道检测仪,即 【】。如图.所示。图.为其研制的轨 检车车用测量系统。 .美国的 公司研制开发了系统光学钢轨检测和分析系统 及系统【】,其中系统能够实现实时测量。如图.、所示。 图. 测量铁路钢轨第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ~ ~ : 一一 , , , 一一 , 一一 一一 . . ?;: ,::?。 。.。。 “岫 ? 硼 、 一 一 .. 一 ? ? 一 一 誊: 一 一一? 一? ? 一二 ? ?瞳 。誊 、一一 一一 图. 图. 图.的轨检车用系统图.系统西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图系统 ..国内的研究现状 .目前国内现场铁路工务作业主要是机械接触式的测量方式。目前使用 的主要是测绘式和测点式量具式的磨耗检测器,有标尺、游标以及数字等读数 方式【 。其中,代表测量仪主要有九针式钢轨磨耗测量尺、钢轨断面测量尺, 其中包括有游标式和数显式断面测量尺。 图游标式断面测量尺 图.钢轨断面测量装置 图九针式磨耗测量尺 图一数显式磨耗测量尺 .同济大学研制开发的钢轨轨头外形检测装置和丹麦系列外形 测量装置相似,测量机构为二连杆。测头在轨头表面滚过,采用接口将 采集到的编码器脉冲数据传送到计算机上进行存储、处理、显示等,从而得到西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 钢轨的外形磨耗等参数。如图.所示。 图同济大学钢轨外形磨耗检测设备 .在 年西南交大光电研究所开发了钢轨磨耗自动测试系 统,主要包括数据采集与图像处理系统两部分。利用计算机对光学数据采集系 统进行控制,用于对钢轨断面亮带光图形信号数据的提取采集,数据传输给图 像采集卡,最后比较测量钢轨轮廓和标准轮廓,处理显示钢轨磨耗等参数。 垂?‘毒一’“圈 。赛。 甄. 譬一 图?钢轨外形测量仪 图?钢轨外形测量仪 .西南交大牵引动力国家重点实验室研制开发的外形测量装置包括有车 轮外形测量仪,轨道轮外形测量仪以及钢轨外形测量仪。下面主要介绍钢轨 外 形测量仪。此便携式钢轨外形测量仪不同于丹麦和同济大学研制的测量仪, 其 采用的是五连杆的测量机构。其具体结构如图所示。其采用的是机械定 位的方式,手动滑动测头,将外形曲线的坐标数据转化编码器的脉冲数据,通 过蓝牙无线通信,将此脉冲数据发送到处理终端上进行处理存储显示等。 在此仪器的基础上,牵引动力国家重点实验室对其进行研究改进:主要改 进有:改进了仪器的定位方式,从过去的机械定位改为数字定位,这样更加 方便测量操作,提高测量精度。改进了五连杆测量结构的测量形式。改进后 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 的测量仪采用的是型五连杆,能够测量钢轨非工作面的下颚面、两侧侧面以 及轨头,扩宽了测量仪的测量范围。改进了硬件电路设计,采用基于 的数据采集系统,选用更高分辨率的编码器,使数据采集更精确。如图一 所示。 综合比较以上仪器,我们可以看到: 、德国 钢轨外形绘制装置、/轨头磨耗检测装置、 波形磨损检测装置以及目前我国铁路上广泛使用的钢轨外形检测设备都属于 机械卡具式接触测量,此方法优势体现在:较低的成本,良好的稳定性以及方 便现场携带,因此使用较为广泛。但依靠人工读数,较为繁琐,效率较低。 、对于采用激光技术非接触式仪器,例如前面介绍的测量铁路钢 .、美国 研制的系统、波兰 轨、瑞典的 的以及西南交大光电研究所的钢轨测试系统等。这些都是采用 激光技术的代表。非接触式的激光测量装置可以安装在轨检车上,在车辆运行 由于钢轨表面 过程中测量钢轨外形,此方法效率和精度都比较高。与此同时, 的粗糙程度及测量环境对其测量误差影响较大,且成本较高。 、丹麦系列外形测量仪及同济大学二连杆钢轨外形测量仪采用 的机械接触式电测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,采用二连杆测量机构,利用机械测头对被测对象表面 进行扫描,采集其外形数据,有线传输到计算机上进行处理计算,得到外形曲 线和磨耗等参数。二连杆测量机构较为灵活,数据处理系统比较完善,能够实 时处理显示。但此种结构是将光电编码器安装在连杆的端部,造成测量所需的 力相对比较大,这样带来较大的角度测量误差;另外,仪器采用的都是有线的 数据传输方式,制约了现场测量操作的灵活性;目前此两种仪器尚不能测量钢 轨的两段下颚,测量范围上受到限制。 、西南交大研制的钢轨磨耗测量装置也属于接触式电测方案,其采用的 是五连杆测量机构,尤其是后续改进设计的型五连杆结构,能够对钢轨非工 作面的下颚面进行测量。采用蓝牙无线通信技术传输数据,方便现场操作。 数 据处理在手持终端中进行,能够及时显示测量曲线并将数据存储在 卡中,方便后续的进一步观察研究,体积小,方便携带。但此仪器仍然不能测 量钢轨工作面的下颚面。 本论文针对现有的研究状况,扩展仪器的测量范围,确定最终的测量方法 和测量机构。在现在的型五连杆测量机构的基础上改进设计,设计双侧 型五连杆测量结构,此机构能够完整的测量钢轨两侧下颚、侧面以及轨头曲 线。 采用数字定位,数据传输采用无线蓝牙传输方式,将数据传输到上进行 存储、处理、显示等。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .论文的工作与内容 ..完成主要工作 、根据测量范围及精度设计要求,建立测量机构的数学模型及逆解模型, 利用仿真工具对其运动过程进行仿真分析,设计出双型五连杆测量 机构,仿真优化测量结构参数,使得测量仪能够测量、、三种 规格的钢轨双侧侧面、双侧下颚及轨头踏面的外形曲线。 .、根据仿真分析结果,利用 对钢轨外形测量仪的机械结构进行研究设 计,主要有仪器的外形设计、双型测量机构的设计、测头的设计、停靠位的 设计、连 接杆的设计等。并对设计的结构进行干涉检测,进一步确保选取参数的合理 性。 .、在仿真环境下,对测量仪的数据处理算法进行仿真分析,确定 半径补偿、数字对齐等算法。实现对钢轨磨耗的测量。 、分析钢轨外形测量仪的误差来源,对其实际测量过程进行仿真,分析 其量化误差及各单因素误差,给出仿真结果。 、在.开发环境下编写轨底坡参数测量程序。并利用现有仪器进 行轨底坡参数测量测试。 ..论文主要内容 第章绪论,主要介绍课题的研究背景、意义及目前国内外研究情况。 第章研究被测对象,并依据设计要求建立测量仪的数学模型,并对其 参数进行优化设计,以满足测量范围的要求和精度要求。 第章结合仿真结果,对测量仪进行机械结构设计研究。 第章面向数据处理算法的仿真研究,包括半径补偿、数字对齐、曲线 平滑拼接等算法; 第章对测量过程中产生的误差来源进行研究分析,建立仪器的误差仿 真模型,给出误差仿真结果。 结论西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 外形测量仪的系统方法研究 第章 本章主要介绍测量对象钢轨的基本特征,以及外形测量仪的系统组成、特 点。最后介绍外形测量仪的工作原理、测量模型和逆解模型。 .铁道钢轨 .钢轨的几何尺寸 铁道钢轨为工字型断面,左右对称,扎制而成。其主要包含三个部分:轨 头、轨腰以及轨底,如图.所示。钢轨固定 轨央 安装在轨枕上,其公称距离约为,相 向设有或者/的轨底坡。钢轨主要承 轨腰 载来自铁道车轮的垂向作用力,作用的结果是 使钢轨上发生挠曲变形;而轨枕上的钢轨可看 成是支撑在一个连续具有弹性的连续长梁上, 轨底 而钢轨“工’’字形的断面是长梁抵抗挠曲变形 的最理想的断面形状。 钢轨的轨头是和铁道车轮直接接触的,其 图.钢轨横断面分区图 直接承载车轮的滚动,在列车运行中,钢轨除 。雩. 恩. , 弋:.. ..西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 表.三种类型钢轨 钢轨类型 质量 截面积 轨高 轨头宽 轨头高 轨底宽 轨腰厚 / / . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 、、这三种钢轨是本论文的研究对象。正如前面提到,列 车运行中,钢轨会长期受到动力的作用,其端面的形状会发生磨耗变形,主要 会产生以下五种变形 】:轨身发生倾斜;轨头部分被压溃以及轨头轨面部分 凸 出;工作侧轨扼发生下移;飞边以及两边的上翘。图.为钢轨五种变形形态。 . . 融 葛批 石?..亟 、 卜?孰身豫鼻 ?一馕,筑 苞喇 柚凸出 工作舅孰 卜一触 舞下擎 卜飞边? 秀边上曩 ? 图?几种钢轨变形形式 鉴于运行中的钢轨产生这几种变形,钢轨产生损伤,就其性质和程度来进 行划分为两种:一种为轻伤钢轨,另一种为重伤钢轨。前者只是轻度损伤,在 特定的时间内对列车安全运行还不会造成危害,此种钢轨需要及时检修或者 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 性的更换新钢轨。后者是指钢轨的损伤已经危害到列车安全运行,此种 钢轨需尽快安排更换。因此为了确保铁路运行安全,我们需要对钢轨进行及 时 检测检修。根据钢轨损伤标准的相关规定,对于钢轨来说,其几何位置及磨耗 的检测参数主要有: .轨距的测量:轨距的测量是以钢轨断面项部的公切线作为基准线,基线往 下 处的轨头内侧距离为轨距。 .钢轨外形曲线的测量。钢轨主要的测量区域是轨头及轮轨相互作用的区域, 而钢轨非工作面下颚及侧边可以作为基准面。以实现钢轨完整断面的测量, 更全面更准确的评判钢轨。 .钢轨的垂向磨耗和水平磨耗。参照《铁道线路维修标准》,垂向磨耗是指在 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 钢轨的顶面距离标准作用边的/处进行测量;对于侧面磨耗来说,在欧洲 国家是指在钢轨标准踏面下处测量,而我国的标准是钢轨标准踏面 下 处测量,与欧洲国家的标准有所不同。 .轨底坡:轨道的几何参数之一,即钢轨与轨枕之间的倾斜度。世纪 年代,我国将:的轨底坡修改为:,并沿用至今。 图.为钢轨侧面磨耗、垂直磨耗及轨底坡示意图。 图钢轨垂磨、侧磨定义 根据上述定义,图中所示为钢轨垂直磨耗,为钢轨侧面磨耗。在 上钢轨磨耗参数及外形曲线进行显示及存储。 . 外形测量仪系统组成及其特点 ..外形测量仪系统组成 便携式钢轨外形测量仪的测量机构主要分为三个部分:机械结构部分、数 据采集系统部分以及数据处理系统部分。如图?所示:。?。。: 终端 ?塑塑皇王? 图.外形测量仪的系统模块西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ..外形测量仪的特点 相比较以往的外形磨耗测量仪,其具有以下几个特点: .测量仪采用双型五连杆的测量机构,整个测量分左右两段进行。滚轮测头 滑过被测对象的表面,得到钢轨整个轨头及两侧下颚的形状曲线数据,其测 量 范围更宽。 .在数据处理方面依靠下颚和侧面的测量数据实现数字定位,从而取代了以 往 的机械定位,大大简化了测量仪的机械结构和降低了安装使用要求。 .数据采集盒采集角度变化数据,采用蓝牙无线传输的方式发送到终端 上,对接收到的数据进行处理、显示和存储,方便现场操作和使用。 .外形测量仪的数学测量模型 为了实现对钢轨踏面、双侧侧面及双侧下颚的测量,本文采用的是双型 测头的五连杆机构。整个测量过程分成两段测量来进行,通过左右两侧的 型测头对测量面进行测量。 ..双型五连杆数学模型 .测量机构左侧测量模型 如图.所示,其中 ,,,,,,, ,, 左侧和右侧标注一致。已经两编码器之间距离以及五 连杆各杆的杆长,以左侧编码器作为坐标原点建立平面坐标系,如图所 示,其中连杆、连杆与轴正向之间的夹角为%‖。由此得到,点 坐标。 、 。 卜“, 口 【。 ?”~ 三:.,。,。 ‖圪 【 由、两点的坐标可以得到: ? 么屉?吃?而虼%第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 恐,一 图测量仪左侧数学模型 与轴正方向的夹角: 协糕 么剐二? 与轴正方向之间的夹角为:第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 图所示: 石,,, 图测量仪右侧数学模型 口 口 口 【。 ‖一 ? ‖一 【上 由、两点的坐标可以得到: 与轴正方向的夹角: ? ,,: 盟 ’ 一。/ 一 么删:一壁垡 弘 / 与轴正方向之间的夹角为: ? ? ?嚣卜警卜等西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 其中 : 【一 . \ / 由此得到测头轮心点坐标,为:,一三 口 ,一 由此得到了左右两侧型测头的轮心坐标轨迹。在此需要补充的是:得到 的轮心坐标曲线还需要经过半径补偿算法处理后才能得到钢轨外形的实际 坐 标曲线。 .外形测量仪测量原理仿真研究 外形测量仪的测量对象为:、、钢轨。为了保证能够完整 的测量钢轨断面形状,需要对测量仪的五连杆测量机构参数进行仿真研究。 杆 长参数设置过大,虽能够满足测量范围的要求,但可能会带大较大的测量误 差。 另一方面,杆长参数设置过小,则可能不能测量完整的钢轨外形。下面将建立 双型五连杆测量机构的逆解模型,由已知的外形曲线数据,推算出测量杆的 角度数据,角度数据代入测量模型,便可以重现五连杆的运动姿态,比较各种 参数下五连杆的运动姿态,找到合理的杆长参数,既满足测量范围上的要求, 又使得测量误差在合理的范围内。 ..外形测量仪的逆解模型 如图?所示,由五连杆的原理,已知测头轮心坐标为,, ~ 由此可以得到口: , 工 ?叫~。错 厶、/, 一 由此得到点坐标: 口 工口 的 【儿厶口 一与轴正方向之间的夹角为: / 、 卜 :口生丝 四 ?。/ ?第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ,西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 ..仿真结果 此处以钢轨作为仿真对象,仿真过程是将标准钢轨曲线离散成点的 坐标。得到测头的各点坐标值,,,/,从而模拟五连杆测量结构测头在钢轨 上的运动过程。由坐标数据。,,反求出角度,,卢,值;通过前面建立的 测量模型,由角度值,,‖,即可再现双侧型测头的坐标及各连接杆节点坐 标。图为轨的仿真结果。 杆长轨迹与钢轨外形左侧型测头轨迹 堙 剥 。 番 套 最 杆长轨迹与钢轨外形右侧型测头轨迹 加 。 锄 乓 肇 前 剥 厦 蒜 柳 恭 幂 舶 伽 伽 钢轨横向坐标, 图钢轨测量模型仿真效果图页 第 西南交通大学硕士研究生学位论文 图中黑色加粗部分的钢轨曲线为测量机构对钢轨的有效测量区域。仿真分 析得到合理的杆长参数,实现对钢轨双侧下颚、侧面及钢轨踏面的测量。 扦长孰述与悄轨外形左侧型舅头孰遮 杆长轨迹与钢轨外形右侧型测头轨迹 ? ? ? ? 锄 ? 却 柏 ? ? ?塞手匠螽冉摹 馨割星、善序举 ? 瑚 ? 储 ? 伪 ? 御 锄 加?柏 ? ? .??舶 钢轨横向坐标, 钢轨横向坐标, 图.钢轨测量模型仿真效果图 杆长轨迹与钢轨外形左佣型测头轨迹 杆长轨迹与钢轨外形右侧型测头轨迹 外形测量仪的结构实现 第章 外形磨耗测量仪选用双侧型五连杆测量机构,测量钢轨双侧下颚,侧面以及 轨头 踏面本章结合结构模型仿真结果,对外形测量仪的机械结构实现进行研究。 .外形测量仪总体设计研究 外形磨耗测量仪主要由三个部分组成:机械测量结构、数据采集系统以及数 据处理 系统。如图所示: 图.外形测量仪系统组成 在测量的过程中,手动挪动五连杆,使五连杆测头在被测对象钢轨上平顺滚动,编 码器将连杆的转动角度数据转化为脉冲数据,数据采集系统采集此脉冲数据,传输到数 据处理系统终端上进行存储、处理、显示等。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .外形测量仪机械结构设计 ..选定参数的干涉检测 在第二章中,利用仿真工具对五连杆测量机构建立了数学模型和逆 设计工 解模型,设计与优化双侧型五连杆的杆长参数。在此利用 具,将钢轨外形测量过程中特殊位置点的连杆形态绘制出来,以此进一步检测 干涉。图、、分别为以、、三种型号钢轨为测量对 象时五连杆在代表位置点的形态。有图可知不会出现干涉。由此进一步保证连 杆参数设置的合理性。 逼皂眦岛皂 逼鬯一罨温 喝温一喝温 黾温一是温 图钢轨五连杆形态图第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 逞喝喝 鸟温温 立重复 图钢轨五连杆形态图 ..基准的选取 钢轨非工作侧轨头侧面和两轨颚 面的制造公差最小。钢轨外形检测器测 量基准面选取应该尽量避免选择发生 变形的部分。而实际的使用中的钢轨会 发生譬如轨身发生倾斜、轨头部分被压 溃以及轨头轨面部分凸出、工作侧轨扼 发生下移、飞边以及两边的上翘五种变 图基准的选取 形,因此,应选取钢轨非工作侧轨头 侧面和两轨颚面作为钢轨外形检测器的测量基准,从而使测量误差达到最 小。 如图.所示,选取?两个面作为测量基准【。 ..连接杆的选择 在测量中,为了能够得到轨距参 数,将测量仪设计成两端的形式,中间 依靠连接杆连接。以的轨距为 例,为了将误差降到最低,同时也方便 运输,通过比较,最终选用如图所 一 示的连接结构。 图.仪器连接杆第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ..测量杆停靠位的设计 在仪器的停靠位设计中,要全面考虑到测量仪结构的紧凑,美观,使用中 的运输方便以及在保证测量过程的平滑等要求。双侧型五连杆测量机构左右 对称,因此将停靠位放在面板的中心线上。在主面板相应的位置上内嵌一定吸 力的磁铁。此磁铁与连杆上停靠位螺钉相吸,从而实现连杆结构稳定的停靠。 ..滚轮测头的选取 钢轨表面的非接触面大部分都是锈迹斑斑,而接触面的粗糙程度却随机性 较大。这样给钢轨外形测量造成一定难度。因此设计测量仪的测头需要考虑到 被测对象的实际情况。经过实践证明,采用凸轮一滚子从动这样的机构较为合 理。图.为测头的机构原理图。 从图.中我们可以看出,直接得到的是轮心的曲线数据,如图中虚线所 示。被测对象的实际外形曲线与轮心曲线相差测头半径的距离,因此需要对其 进行半径补偿算法处理,关于半径补偿将在后续章节中展开阐述。 在设计中,为了使滚轮与被测对象表面实现可靠的接触,本论文采用的是 带有磁性的滚轮,从而实线滚轮与被测对象钢轨的有效可靠接触。如图所 示,选用标准化生产的深沟球轴承作为测量轮,该轴承沟道密合度好,摩擦阻 力较小,并且具有耐磨灵活的特性。 一测杆 一测头轴 一轴承 一磁铁 .测头挡板 图外形测量测头 图.滚轮测量形状原理 ..外形测量仪机械结构 外形测量仪机械结构如图?所示: 为数据采集盒。放置数据采集电路板。项部贴有仪器简要说明标签,侧面有 仪器操 作按钮贴膜。 为光电编码器。采集角度数据,转化为脉冲数。西南交通大学硕士研究生学 位论文 第页 . 静蕾嘲射?井秘箱嵋艘/ 由回国由囱 .声 / /坶 / 戚瓜 莲 蚤 ,一飞 .... 口 .. 幽 口 互. 。\ \\ \ 芑鼍? 一 一 \迎 翩,一 锄 图外形测量仪主视图、左视图及后视图 为双侧型五连杆结构左视图。两个测量杆分别固定于编码器的轴心位置,杆 与 杆之间的连接轴承使得连杆运动过程光滑顺畅。 ..为双侧型测量杆。左侧的测量杆用于测量钢轨非工作侧侧面、下颚和部分 钢 轨踏面。右侧测量杆则测量钢轨工作面下颚、侧面及部分钢轨踏面。 为左侧定位量块,为内嵌于定位量块的量块具有一定磁力的磁铁。便于测量 安装第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 时固定仪器以得到轨距数据。 底板磁铁。用于吸合钢轨,固定安装仪器。 为测量仪停靠位,在测量仪闲置和运输过程中,测量结构要放置在停靠位处,依 靠一定的磁力吸附在主面板上,以免测量机构在运输中发生损伤。 为连接杆杆箍,为仪器连接杆,为卡箍。连接杆为分段式,连接处用卡箍连 接固定,方便运输安装。 、为轨距测量基准块,用于测量钢轨轨距。 为被测对象.钢轨。本仪器主要用于检测、、钢轨外形磨耗参数。 为测量轮。测量轮上安装有磁铁,依靠磁力吸附在钢轨上,保证测量轮和钢轨的 有效接触。驱动测量轮在钢轨表面平稳滑过,采集钢轨表面坐标数据。 为电源工作指示灯,开始测量时,按下电源开关,该灯亮,为红色。 为仪器电源打开按钮,开始测量前,按下电源按钮,给测量仪上电。 为蓝牙信号指示灯,测量仪蓝牙模块连接匹配上上的蓝牙时,该灯为蓝色。 为仪器电源关闭按钮,当测量完成的时候,关闭电源。 为连接杆固定装置。使用蝶形螺母,便于装卸。 该仪器完成一次测量的具体过程为:钢轨磨耗外形测量仪测量时,将仪器通过定位 量块的磁力吸附在钢轨上,另一端放置在另一端钢轨上,并调节轨距测量基准块到合适 位置,得到轨距数据。打开仪器和电源,打开上的测量程序,等待仪器上蓝 牙灯亮,从停靠位处取下五连杆测量机构的测头放置到钢轨非工作面的下颚 面,即开始 一次测量。 .测量仪数据采集系统研究 如图.所示,钢轨磨耗外形测量仪的数据采集系统主要用于将坐标数据转换 为角度 数据,并将采集到的角度数据通过蓝牙传输到处理终端上。其主要包括:编码 器、 基于的数据采集电路。 一一一一一一一一一一一一一一一一一 隔网,厂: 连杆 数据 采集 数掘处理 系统 系统 编码器 连杆 门呈厂一: 数据采集模块图数据采集模块组成西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .光电编码器 数字化传感器之一一光电编码器能够转化输出轴上的转角或者直线位移量为脉冲或 者数字量,其采用光电转化技术,能够高精度的检测输出轴的角度变化及直线位移量。 光电编码器按照编码方式来分,主要有增量式、绝对式、混合式三种。其中增量式光电 编码器构造简单,耐用,且分辨能力强,测量范围大,抗干扰能力较强。 钢轨外形磨耗测量仪选用的是增量式编码器来捕捉旋转角度信息,在测量过程中, 五连杆两个测量杆分别带动左右两个编码器,捕获角度变化。编码器输出三相脉冲,即 、、三相,由于和两相为正交脉冲,因此可以利用这个特性来判断旋转的方向, 利用相脉冲来定位测量基准点。 .】 数据采集模块选用的是基于芯片的数据采集电路,其主要负责脉冲 信号的采集,并实现与手持终端之间的通信。提高了运算精度和系统处 与 相比, 理能力。中有两个事件管理器、。其中、各 自都有全比较单元/单元、定时器、捕捉单元、电路。电路 计数解码编码器输出的正交脉冲,并通过、相正交脉冲次序来确定测量杆 的旋转方向。其中脉冲的频率对应于测量杆的转动角速度,脉冲的个数则对 应 于测量杆的角位置。 .数据处理模块 手持终端是外形测量仪的数据处理终端,如图所 的英文缩写,即掌上电脑。 示。是 其相比较台式计算机或者笔记本来说,更小巧,更轻便,适用 于现场操作。 钢轨外形磨耗测量仪数据采集系统采集角度脉冲数据,蓝 牙模块将数据发送到上,在上数据进行存储、处理 以及显示。蓝牙是主要用于短距离数据传输的通信技术,由于 是无线通信形式,因此极大的方便了移动电话、笔记本等设备 之间的短距离通信。蓝牙通信采用的是调频数据传送机制,能够 图 在一秒钟进行 次的跳频动作,蓝牙短封包、快速调频的特性 使其无线传输能够抗干扰、更稳定的通信。 其中掌上电脑的应用程序开发是在操作平台基础上。是微软 公司自行研发的开放的嵌入式操作系统。它具有强大的通信功能,并且具有 良好的实时宣置萱萱萱萱暑葺鼍高第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 开发环境,即, 性。在进行应用开发的时候,主要用到 应用程序的开发?。 它是一种可视化的开发工具,主要用于基于. .本章小结 研究了基于双型五连杆测量模型的钢轨磨耗外形测量仪的系统组成,分别介绍了 测量仪的机械设计,数据采集模块及数据处理终端。系统采用为核心的数据采集系 统,通过蓝牙无线传输到掌上电脑上进行处理显示等。第章面向数据采集处理的仿真研究 本章针对钢轨外形磨耗测量仪的系统功能,研究其数据处理算法,包括: 测头半径补偿、曲线数字对齐、数据拼接和磨耗、轨底坡参数计算。 .外形测量仪的信息流程 在第二章节中,对钢轨外形磨耗测量仪系统组成及测量模型做了研究,其 信息流程如图.所示。 影 羹\ 图.测量仪系统信息流程图 驱动五连杆测量结构滚轮测头,在钢轨表面平顺滚过,得到测量轮轮心坐 标点,测量轮在不同位置,对应不同五连杆形态。编码器捕获两测量杆的角度西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 变化,并量化为脉冲数据,在此将轮心坐标点转化为二维脉冲数组。第一段轮 心曲线坐标对应于二维数组,,第二段轮心曲线坐标对应于,。基 于 的数据采集系统捕获此脉冲数据,并发送到手持终端上进行 存储处理显示等。在中,首先利用第二章中介绍的测量模型,将角度脉 冲数据进过模型计算,得到轮心坐标曲线。由于采集过程中存在噪声等,数据 需要进行滤波处理。经过半径补偿处理后得到钢轨实际曲线。由于标准曲线所 在坐标系是以钢轨两侧下颚直线段交点为坐标原点,因此需要对测量曲线进行 坐标平移及旋转处理,比较标准曲线与测量曲线,计算钢轨垂磨及侧磨参数。 .滚轮测头的半径补偿算法研究 利用滚轮接触式测头测量钢轨外形曲线时,直接采集到的是测头的轮心坐 标曲线。测头是具有一定半径的轴承,因此实际钢轨外形曲线应该是测头轮 心曲线与被测曲线相距坝头半径的包络线。在得到测头轮心轨迹后,为了得 到实际钢轨外形曲线,我们需要由圆心轨迹求解出包络线,即测头的半径补偿 处理。 ..测头半径补偿方法 微平面法 对于某一未知的物体轮廓,由于测头不能准确的定位其法线方向,所以不 能准确的算出物体轮廓的实际形状曲线。这种情况下可以采用微平面法得到解 决。微平面法的思想是:选取测量曲线上某一点,等距离的在其四周取三点。 此三点可以构成一个平面。当距离足够小的时候,可将平面的法向量看成测 量 点的法向量。得到测量点的法向量后,沿着法向量方向补偿测量半径的距离, 便可得到对应实际曲线的点。这是在曲面的情况下,在钢轨外形测量过程中, 可以简化为二维曲线的半径补偿。微平面法即简化为两点直线法。在测量得 到 的数据中,选取两个相邻点的坐标,如图.所示。点与点为测头轮心坐 标曲线上相邻的两点,坐标分别为,、 ,,由于测量点比较密集, 、两点的距离非常近,可认为是一段直线。过点画的垂线,与被测 量的钢轨外形曲线的交点为点。点相对于点的,方向的增量为, ,从图中可看出:两个三角形?与?相似,由此得出点的坐标 ,,此即为经过半径补偿处理后的点。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 件, ?廿丽×六 \ ./ . .松../二 . 、?。,。, ‘\ 二/‰, 图微平面法原理图 三点共圆法 如图.所示,在曲线或者曲面上测量得到个点,如,,以??。 其坐标分别表示为 。、,、,??。,,。在曲线上连续位置上 任意取三个测量坐标点:。西,、:,、,,。当三个连续的点曲 线段较小时候,可近似认为是同一段圆弧上的三点,即三点共圆,满足同一个 圆方程。利用已知、彳,、彳,坐标,可以求解三点所在圆的圆心坐标及半 径。则彳,为过彳,点的法线,然后以作为圆心画圆,其中圆的半径为测头 的半径,所作圆与,有交点只,即为所需的半径补偿后的点。在此分别计算 出各点的包络线即得实际曲线。 ‰:二型止蔓?生三尘丛止蓝蛐 ?一一??】 ,矿虹丛止兰:垡二鱼二坠丛止垃?苎:二盟 。“ 一【一少?一??】 经过坐标偏移得到轮廓点之坐标 :尸: ? :矗乍?』丝三坠生一 一勤,一%。 ? 少:尸少:一下?些车丝与 一少一%第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 图三点共圆法原理图 上述两种半径补偿的办法,前者比较适合于测量点密集,近似认为相邻两 个测量坐标点为直线的情况下进行半径补偿;后者则更加适合于测量点较为稀 松的情况。考虑到钢轨外形测量仪采用的一万线的编码器采集角度数据,其数 据采集点较为密集,因此采用的是微平面法即两点直线法进行半径补偿。图 .为半径补偿效果图。 图.半径补偿效果图第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 曲线对齐方法研究 . 测量仪的定位方式上用数字定位代替了机械定位。因为机械定位的方式的 测量结果准确度受到仪器测量安装的影响。而数字定位则在测量过程中对仪器 的安装位置不做具体要求。因此在测量时,测量曲线和标准曲线存在一定的偏 差,需要通过数据处理算法进行校正,对曲线进行一定的平移和旋转等操作, 实现测量曲线的数字对齐,从而得到磨耗等参数。 ..曲线的平移和旋转 在实际的一次测量中,测量得到的曲线与标准曲线位置上存在偏差,在设 计的时候,取左侧编码器轴心为原点,标准曲线则取钢轨两侧下颚的交点为原 点,因此对曲线进行数字对位的时候,主要是坐标系的平移及曲线旋转。 ? 加 加 。 锄 加 舶 . 一 ;、 厂 一 .一 \?/ . 一 图.原始测量曲线与标准曲线位置关系