摘要：本文根据铁轨的检测要求选用了PIC单片机控制磁栅尺、电涡流传感器、光电编码器、倾角传感器对数据进行采样，并根据传感器的安装以及精度要求完成了小车的结构设计；该设计方案提高了轨检车的测量准确性，对保证铁路运输安全发挥重要作用。
关键词：手推式轨检车，PIC单片机，数据采集
前言
随着铁路、城市轨道交通高速发展，对轨道质量的要求也日趋严格。原用的“看、量、敲、钎、听”等人工测量方法和道尺、拉弦等原始工务轨道检查装备逐步被淘汰，新的先进轨检技术和装备将取而代之[1]。
铁路检测小车是用于检测铁路轨道静态几何尺寸（轨距、水平、轨向、高低和里程）的专用仪器。小车采用精密机械传动、高精度传感系统、智能数据采集模块完成数据的采集以满足轨道检测的智能化要求。
1总体设计
图1 系统检测原理图
本文基于递推测量法和弦测法的原理[2]，将轨检车设计为形式如图1所示的H形结构。轨检车共包括左、右支架、横梁、手柄三部分。在小车横梁上安装有倾角传感器和左右轨距传感器，倾角传感器用于测量两个轨面的水平高度差，而左右轨距测量传感器用于测量轨距和轨向变化。左右支架的安装有电涡流传感器用于测量轮轨中心相对于两端支撑点的凹凸位移量。
测量小车两个涨紧测距轮，用于保证小车始终行驶在轨道上不脱轨，同时小车自重保证小车行驶轮不会在轨面上打滑。装在轨面以下16mm处与轨道内侧面紧密接触的里程编码器的测量轮会反映出从起始点开始至测量点两侧轨道的长度。本系统针对轨距（轨向）、高低、里程、水平项目进行了直接测量。
2 传感器的选择
2.1里程
本系统采用了E40H型中空增量光电旋转编码器，其每转一周可产生3000个脉冲。在里程测量轮直径为58mm的情况下，其测量分辨率为：
58/2×1.8/60×π/180=0.015mm。
轨检车每走过一个测量节距时编码器转过的圈数是：
πd=400/58π≈2.196圈
对里程的测量以左轨里程为基准，右轨测量值为参考。
2.2 高低
高低指的是单股轨道平面沿竖直纵向起伏变化量，反映了轨道在竖直平面内的不平顺。高低测量的检测如下图所示：
图2 高低测量
本系统选用OD9000电涡流位移传感器。如图2所示，涡流传感器安装时测头平面距两车轮底面连线有一初始距离h0，若涡流传感器的测量值为h1，则高低值h为：
h=h1-h0
2.3 水平H
水平定义为同一轨道断面内两轨顶之高差。本系统使用Accustar倾角传感器测得两轨面连线相对于水平线的夹角，进而得到两轨面实际高度差。测量时将基准车体放在铁轨上进行初测，将此初测值减去水平值后得到小车y向水平倾角值φ0。水平H的计算式为：
H=D×tan（φ-φ0）
式中：D—该测量点的轨距；
φ—该测量点的倾角值。
2.4 轨距D
轨距指的是在同一横断面内左右两轨内侧面之间的距离。一般情况下两轨对应测量点为距轨面以下16mm处。
图3 轨距和轨向测量原理图
如图3所示，本系统选用上海平信的XCCB—010型磁栅尺测量轨距。在起始状态下左右磁栅尺复位至零点，此时磁栅尺两测头之间的距离为1435mm，进入测量状态时将左右磁栅尺弹性压紧机构松开，使左右测头分别压紧两面的钢轨内侧面，则随小车的前行，测头会随内侧面形状的改变而伸缩，则轨距的实际值为：
D=1435+D1+D2
2.5 轨向
轨向指钢轨内侧面轨距点沿轨道纵向水平位置的变化，它描述了左右轨侧面在两轨平面内的位置变化。测量小车左右轨距测量磁栅尺所测量的值即为左右轨向值。即：
3小车的结构设计
图4 检测小车整体结构示意图
（1.左支架2.横梁3.涨紧轮4.涨紧测距装置5.右支架6.推杆）
如图4所示小车由六部分组成。其中左支架上安装了两个行走轮，右支架上安装了一个行走轮，这三个行走轮紧压铁轨可稳定地构建一个基准平面；在小车底部距轨面16mm处安装有两个涨紧轮和两个涨紧测距装置，行走时，它们共同作用确保小车紧靠铁轨不发生左右摆动[3]。
4 采集系统硬件架构
如图5所示，系统分为单片机测控部分和主机控制部分。单片机测控部分负责对外围四种传感器信号采集模块的采样控制，而后将采样数据送入主机进行处理[4]。
图5 检测小车数据采集系统架构
5结论
本文在大量参阅高速轨检车和同类手推式轨检车检测技术的基础上，设计完成了手推式轨检车的结构设计以及基于单片机的数据采集硬件架构。本设计能够满足铁轨数据采集要求，有效提高了铁路检测的效率和质量。
参考文献：
[1]刘涛.手推式轨检车测控系统设计.[学位论文].太原.太原理工大学，2007
[2]董志国.铁轨检测小车的机构设计与测量算法.[学位论文].太原.太原理工大学，2006
[3] 龙京，应立军，贾文强，新型轨道静态几何参数检测仪的研制及应用.铁道科学与工程学报，2006
[4] 唐艳.基于PIC单片机的轨检车数据采集系统的设计.农业装备与车辆工程，2007
论文作者:周兴,刘亚军,徐忠迎
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：测量论文; 轨距论文; 小车论文; 传感器论文; 里程论文; 轨道论文; 倾角论文; 《基层建设》2019年第5期论文;