1、第5期2 0 2 3年9月N o.5S e p t.2 0 2 3运用检修文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 3)0 5-0 0 7 3-0 5 非接触式车辆运行轮廓姿态在线检测装置及方法王丰东1,宋 阳1,桑淑娟2,王明海1,高世卿1,孟琳山1,杨 斐1(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 2 6 6 0 3 1;2.中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 1 3 0 0 6 2)摘 要:现有的车辆限界检测方法精度与效率较低,人工成本高,不适用于多种车型同时检测。针对车辆限界检测方法、原理及存在的问题,本文提出了一种新的非接触式车辆运行轮廓姿态在线检测装置及方
2、法,并设计了相关试验进行验证。检测装置主要由传感器安装柱、激光距离传感器等组成;通过激光水平仪和距离标定工装调整检测装置安装精度,通过激光距离传感器检测车辆轮廓距离,与理论数值进行比较,判断列车是否超出限界;试验结果表明,检测精度与重复性精度均较高,软件运行稳定。本文提出的检测方法可以实现对不同型号轨道车辆运行轮廓姿态的在线检测,检测精度及检测效率高,人工成本低,有必要在城市轨道交通检修市场中应用推广。关键词:运行安全;轮廓姿态;车辆限界;检测装置;应用推广中图分类号:U 2 6 0.2 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2
3、 0 2 3.0 5.0 1 4D e v i c e a n d M e t h o d f o r O n-l i n e D e t e c t i o n o f N o n-c o n t a c t V e h i c l e R u n n i n g C o n t o u r P o s t u r eWANG F e n g d o n g1,S ONG Y a n g1,S ANG S h u j u a n2,WANG M i n g h a i1,GAO S h i q i n g1,ME NG L i n s h a n1,YANG F e i1(1.C R R C
4、 Q i n g d a o S i f a n g R o l l i n g S t o c k R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 0 3 1,C h i n a;2.C R R C C h a n g c h u n R a i l w a y V e h i c l e s C o.,L t d.,C h a n g c h u n 1 3 0 0 6 2,C h i n a)A b s t r a c t:T h e e x i s t i n g v e h i c l e g a u
5、 g e d e t e c t i o n m e t h o d s h a v e l o w a c c u r a c y a n d e f f i c i e n c y,h i g h l a b o r c o s t,a n d a r e n o t s u i t a b l e f o r s i m u l t a n e o u s d e t e c t i o n o f m u l t i p l e v e h i c l e t y p e s.A i m i n g a t t h e v e h i c l e g a u g e d e t e c
6、 t i o n m e t h o d,p r i n c i p l e a n d e x i s t i n g p r o b l e m s,t h e p a p e r p r o p o s e s a n e w o n-l i n e d e t e c t i o n d e v i c e a n d m e t h o d f o r n o n-c o n t a c t v e h i c l e r u n n i n g c o n t o u r p o s t u r e,a n d d e s i g n s r e l e v a n t t e s
7、 t s f o r v e r i f i c a t i o n.T h e d e t e c t i o n d e v i c e i s m a i n l y c o m p o s e d o f s e n s o r m o u n t i n g c o l u m n,l a s e r d i s t a n c e s e n s o r,e t c.T h e i n s t a l l a t i o n a c c u r a c y o f t h e d e t e c t i o n d e v i c e i s a d j u s t e d b y
8、 t h e l a s e r l e v e l a n d t h e r a n g e c a l i b r a t i o n t o o l i n g.T h e v e h i c l e c o n t o u r d i s t a n c e i s d e t e c t e d b y t h e l a s e r r a n g e s e n s o r a n d t h e n c o m p a r e d w i t h t h e o r e t i c a l v a l u e s t o d e t e r m i n e w h e t h
9、 e r t h e t r a i n e x c e e d s t h e g a u g e.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e a c c u r a c y a n d r e p e a t a b i l i t y a r e b o t h h i g h a n d t h e s o f t w a r e r u n s s t a b l y.T h e d e t e c t i o n m e t h o d p r o p o s e d i n t h i s p a p e r c a n r
10、 e a l i z e t h e o n l i n e d e t e c t i o n o f t h e r u n n i n g c o n t o u r p o s t u r e o f d i f f e r e n t t y p e s o f r a i l v e h i c l e s,w i t h h i g h d e t e c t i o n a c c u r a c y a n d e f f i c i e n c y a n d l o w l a b o r c o s t.T h e r e f o r e,i t i s n e c e
11、 s s a r y t o p r o m o t e t h e a p p l i c a t i o n i n t h e u r b a n r a i l t r a n s i t m a i n t e n a n c e m a r k e t.K e y w o r d s:o p e r a t i o n s a f e t y;c o n t o u r p o s t u r e;v e h i c l e g a u g e;d e t e c t i o n d e v i c e;a s p p l i c a t i o n p r o m o t i o
12、 n收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 5第一作者:王丰东(1 9 8 9),男,工程师。为保证轨道车辆的运行安全,对轨道车辆的车体两侧、顶部的限界有严格的要求,若在运行过程中,车体两侧、顶部的限界超过一定值时,会给轨道车辆的运行带来很大的安全隐患。因此,在新车出厂或者车辆运营 一 段 时 间 以 后,都 需 要 对 车 辆 的 限 界 进 行 检测1-3。现有的车辆限界检测方法是在轨道两侧立柱上安装多块钢板或塑料板,钢板或塑料板的轮廓就是车辆第6 0卷第5期2 0 2 3年9月限界所规定允许的极大值,当车辆限界超过规定允许的极大值时,车辆与立柱上的钢板或塑料板发生接触,以此判断车辆限界超标
13、4-6,现有的车辆限界检测装置如图1所示。图1 现有车辆限界检测装置 由于立柱一般是通过地脚螺栓安装于土建基础上,而土建基础建设精度较低,因此导致立柱安装精度低,继而导致立柱上安装的钢板或塑料板的轮廓模拟的车辆限界精度降低7-9,由此可知,采用上述方式进行车辆限界检测的精度比较低。其次,采用上述方式检测车辆限界时,每检查一种车型就需要更换一批钢板或塑料板,导致检测检测效率低,还增加了人工成本,多种车型同时检测时,还会影响不同车型在轨道上的通过性1 0。此外,采用上述方式检测车辆限界,所用的钢板或塑料板在与车体接触时可能会导致车体划损,且在与车体多次接触后可能导致钢板或塑料板变形,影响检测精度1
14、 1。为解决上述问题,本文提出了一种新的非接触式车辆运行轮廓姿态在线检测装置及方法,该检测方法可通过提前录入不同车辆轮廓的理论最大限界,增加检测的车型种类,在多种车型同时检测时能够大大提高检测效率,且该方法为非接触检测,不会对车体造成损伤,检测精度及检测效率高,人工成本低。1 工作原理车辆运行轮廓姿态在线检测装置主要由传感器安装柱、标定工装、激光距离传感器等组成,其总体布置图如图2所示。不同车型具有不同车辆轮廓的理论最大限界,车辆通过时,激光距离传感器检测车辆轮廓距离,通过实际检测到的数值与理论数值进行对比,判断列车是否超出限界。运行过程中车辆轮廓在理论最大限界以内则认为合格,若超出该限界则认
15、为不合格。以左侧传感器安装柱为例。竖向传感器安装柱从图2 总体布置图下到上依次安装有激光距离传感器a1、a2an,横向传感器安装柱上从右往左依次安装有激光距离传感器b1、b2bm,其中各激光距离传感器相对轨道顶面的距离为设定值,根据不同车型轮廓的检测需求,可在关键检测位置增加激光距离传感器的数量,以提高检测精度。建立坐标系X O Y,如图3所示,坐标系的横坐标为轨道顶面,纵坐标为轨道侧面。当车辆沿轨道通过时,各激光距离传感器检测到的数值依次为La 1、La 2La n及Lb 1、Lb 2Lb m。图3 坐标系X O Y 根据车辆理论最大限界曲线设立虚拟坐标系,其中虚拟坐标系的横坐标为轨道顶面,
16、虚拟坐标系的纵坐标为轨道侧面,虚拟坐标系如图4所示。虚拟坐标系X O Y 中取系列点a1、a2an和b1、b2bm,分别和坐标系X O Y中实际激光距离传感器a1、a2an以及b1、b2bm所在位置对应,即在虚拟坐标系X O Y 中,an点与bm点的坐标值与坐标系X O Y中an点与bm点的坐标值相等。在虚拟坐标系X O Y 中,a1、a2an和b1、b2bm到车辆理论最大限界曲线的距离为La 1、La 2La n及Lb 1、Lb 2Lb m,分别进行以下计算Mi=La i-La i(其中:i=1n)及Nj=Lb j-Lb j(其中:j=1m),若Mn和Nm的值均大于0,则认为该车辆轮廓限界合
17、47非接触式车辆运行轮廓姿态在线检测装置及方法 王丰东,宋 阳,桑淑娟,王明海,高世卿,孟琳山,杨 斐格,否则为不合格。图4 虚拟坐标系X O Y 2 安装精度补偿方法及验证为保证检测精度,对车辆运行轮廓姿态在线检测装置的安装精度要求较高。用于检测车辆限界的激光距离传感器安装于传感器安装柱上,由于加工精度及土建基础精度的限制,传感器安装柱安装完成后可能会出现沿轨道方向的偏角以及垂直于轨道方向的偏角,如图5、图6所示。图5 沿轨道方向偏角图6 垂直轨道方向偏角 针对偏角,在安装激光距离传感器时进行调整,调整方法为:在传感器安装柱前放置激光水平仪,使激光水平仪射出的垂直激光束照在一个激光距离传感器
18、的激光发射端,左右调整激光距离传感器,使传感器安装柱上所有激光传感器的激光发射端与激光水平仪射出的垂直激光束在同一直线上,完成对角度误差的调整,如图7所示。图7 偏角补偿调整示意图 针对偏角,采用对激光距离传感器检测距离进行补偿的方式消除其对检测精度的影响,补偿方法为:在传感器安装柱上方和下方安装距离标定工装,在传感器安装柱侧前方放置激光水平仪,使激光水平仪射出的垂直激光束1分别照在上距离标定工装和下距离标定工装上,并分别在上距离标定工装下沿的照射点处做标志A,在下距离标定工装上沿的照射点处做标志A,如图8所示。图8 偏角补偿调整示意图 沿上距离标定工装A点处平移距离L,做点B,调整激光水平仪
19、位置,使激光水平仪射出的垂直激光束2照在上距离标定工装的B点,垂直激光束2与下标定工装上沿的交点做标志B,分别用纸胶带连接A、A 点和B、B,并使激光距离传感器的激光能照到2条57第6 0卷第5期2 0 2 3年9月胶带上,并分别记录2次记录两次激光距离传感器的读数MA、MB,则激光距离传感器偏角可以用公式(1)进行标定。L实=L测L/(MA-MB)(1)式中,为L实实际距离,L测为激光距离传感器测得距离。对偏角的补偿方法进行验证,实际验证测试过程如图9所示。图9 偏角补偿方法验证 补偿之前,在AA 胶带处3个传感器读数分别为4 0 3.7 8 3、4 0 2.5 6 2、3 9 5.5 7
20、8,在距离AA 胶带9 0 mm距离处设置胶带B B,在B B 胶带处3个传感器读数分别为3 0 7.3 2 9、3 0 5.8 2 1、3 0 1.7 5 3,如图1 0所示。图1 0 补偿前传感器读数 通过分析上图数据得知,在补偿前3个传感器测得的数据相差较大,此时3个激光传感器测得AA 胶带和B B 胶 带 之 间 的 距 离 分 别 为9 6.4 5 4、9 6.7 4 1、9 3.8 2 5与实际距离9 0 mm相差较大。通过以上方法进行补偿之后,再次测量,测量结果如图1 1所示。补偿后,在AA 胶带处3个传感器读数分别为4 0 0.9 3 6、4 0 1.7 3 9、3 9 9.3
21、 6 4,在B B 胶带处3个传感器读数分别为3 1 0.2 7 6、3 1 1.2 1 3、3 0 9.4 6 2。图1 1 补偿后传感器读数 3个激光传感器测得AA 胶带和B B 胶带之间的距离分别为9 0.6 6 0、9 0.5 2 6、8 9.9 0 2与实际距离9 0 mm相差小于1 mm,检测精度明显提高。3 试验验证为验证该装置及方法的可实施性,使用铝型材与简易转向架搭建模拟样机,样机上安装挡板模拟车辆轮廓,挡板一侧安置激光距离传感器,用来检测模拟车辆轮廓,如图1 2所示。图1 2 模拟样机 软件测试运行后,能够检测到测试点并获取确切位置,生成了点位坐标图,如图1 3所示。由于样
22、机只模拟了单侧车厢,为了测试系统功能的完整性,添加了对侧点位信息。试验证明软件可以稳定运行,能够获取准确的距离信息。图1 3 模拟样机点位坐标图67非接触式车辆运行轮廓姿态在线检测装置及方法 王丰东,宋 阳,桑淑娟,王明海,高世卿,孟琳山,杨 斐 为了验证测量结果的重复性精度,对同一传感器测量了5 7 5 0个数据,滤波采集频率为2 5 H z,采集间隔为4 0 m s,其数据分布曲线图1 4所示。图1 4 重复性数据分布曲线 提取其中部分重复性精度原始数据分析,原始数据如表1所示。表1 部分重复性精度原始数据序号1234数据2 9 9.9 4 72 9 9.9 4 12 9 9.9 7 13
23、 0 0.5 5 0序号5678数据3 0 0.3 7 83 0 0.3 8 13 0 0.6 3 33 0 0.5 6 1序号91 01 11 2数据3 0 0.5 6 43 0 0.3 5 63 0 0.5 8 73 0 0.5 8 5序号1 31 41 51 6数据2 9 9.6 3 02 9 9.4 2 62 9 9.9 3 52 9 9.9 3 6 实验过程中,数据没有明显偏差,对原始5 7 5 0个数据进行分析,测量的最大正偏差为0.4 8 6 8 mm,最大负偏差为0.6 4 2 5 mm,重复性精度较高。4 结束语该装置通过将实时监测到的数值与理论数值进行比较,从而实现对车辆运
24、行轮廓限界的在线检测,检测精度高。同时该检测方法可通过提前录入不同车辆轮廓的理论最大限界,增加检测的车型种类,在多种车型同时检测时能够大大提高检测效率,且该方法为非接触检测,不会对车体造成损伤,可以在城市轨道交通检修管理中应用推广。参考文献:1 陈园.城市轨道交通限界设计要点分析J.科技交流,2 0 1 0(1):7 9-8 2.CHE N Y u a n.A n a l y s i s o f k e y p o i n t s i n t h e b o u n d a r y d e s i g n o f u r-b a n r a i l t r a n s i tJ.S c i e
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