【正文】 的分離式元件，穩(wěn)定性差，加之安裝時(shí)間跨度大，即使同一種儀器使用的元器件也不盡相同，接口也不完全一樣，造成了備件選擇和備用上的極大困難，養(yǎng)護(hù)維修難度很大。 GJ4型軌檢車GJ－4型軌檢車在美國(guó)T10型軌檢車的基礎(chǔ)上，采用慣性基準(zhǔn)原理，應(yīng)用“傳感器—模擬信號(hào)處理—數(shù)字信號(hào)處理”組成的綜合補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)各種誤差信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償修正，檢測(cè)項(xiàng)目比較齊全，除評(píng)價(jià)線路質(zhì)量狀態(tài)的軌距、軌向、高低、水平、三角坑以及車體水平和垂直振動(dòng)加速度等指標(biāo)外，還可識(shí)別道岔、道口、橋梁等地面具有顯著特征的標(biāo)志物，方便工務(wù)人員查找軌道病害處所。圖31 GJ4 軌道檢測(cè)車GJ4在測(cè)量軌距、軌向的光電伺服機(jī)構(gòu)存在以下3個(gè)方面的問(wèn)題：①軌距吊梁對(duì)行車安全構(gòu)成威脅。隨著軌檢車運(yùn)行速度的提高，軌距吊梁所受的振動(dòng)和沖擊力大大增加，嚴(yán)重惡化了工作環(huán)境，加速了軌距吊梁的疲勞斷裂。目前繁忙干線行車間隔只有幾分鐘，一旦出現(xiàn)軌距吊梁斷裂、脫落，將對(duì)后續(xù)列車的行車安全構(gòu)成重大威脅。②裝在軌距吊梁上的檢測(cè)設(shè)備故障率較高。隨著列車運(yùn)行速度的提高，安裝在軌距吊梁上的光電伺服機(jī)構(gòu)的故障率呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。另外，北方寒冷地區(qū)一年有3～6個(gè)月光電伺服機(jī)構(gòu)由于結(jié)冰而無(wú)法正常工作，部分地區(qū)由于風(fēng)沙也經(jīng)常導(dǎo)致光電伺服機(jī)構(gòu)移動(dòng)失常。③軌距吊梁在特定檢測(cè)速度下產(chǎn)生共振，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)失真。運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)速度達(dá)115km/h 甚至140km/h時(shí)，由于軌距吊梁產(chǎn)生共振，導(dǎo)致軌距軌向波形出現(xiàn)典型的諧波波形，檢測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。 GJ4型軌檢車檢測(cè)系統(tǒng)，采用了先進(jìn)的模擬－數(shù)字混合處理系統(tǒng)。傳感器信號(hào)首先進(jìn)入信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視裝置后，送入信號(hào)模擬預(yù)處理裝置進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理后的信號(hào)再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視裝置后進(jìn)入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行信號(hào)解偏、修正、補(bǔ)償、濾波、合成計(jì)算出軌道幾何參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、摘取超限值、打印報(bào)表、存貯顯示。幾何參數(shù)經(jīng)DA變換，再經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視裝置后送到繪圖儀記錄波形。系統(tǒng)框圖如圖32所示。圖32 GJ4型軌檢車檢測(cè)系統(tǒng)框圖圖注：BVA——車體垂直振動(dòng)加速度傳感器；BLA——車體水平振動(dòng)加速度傳感器；LJBA——左軸箱振動(dòng)加速度傳感器；RJBA——右軸箱振動(dòng)加速度傳感器；CAS陀螺平臺(tái)：ROLL——滾動(dòng)速率陀螺；YAW——搖頭速率陀螺；INCL——傾角計(jì)；DT1——車輛一位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間位移計(jì)；DT2——車輛二位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體心盤間前位移計(jì)；DT3——車輛三位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體心盤間后位移計(jì)；LPDT——測(cè)量軸左側(cè)軸箱與車體間垂向位移的位移計(jì)；LACC——LPDT車體固定端上方安裝的垂向加速度計(jì)；RPDT——測(cè)量軸右側(cè)軸箱與車體間垂向位移的位移計(jì)；RACC——RPDT車體固定端上方安裝的加速度計(jì)；ALGN——軌距測(cè)量梁中央部位安裝的軌向測(cè)量加速度計(jì)；ALD——地面標(biāo)志測(cè)量傳感器；TACH/R——右光電編碼器；TACH/L——左光電編碼器；LKAM——左軌距光電傳感器；LGDT——左軌距位移計(jì)；RKAM——右軌距光電傳感器； RGDT——右軌距位移計(jì)；LMOTO——左軌距驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；RMOTO——右軌距驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；PATCH PANEL——信號(hào)轉(zhuǎn)接及監(jiān)視裝置；OSC/DEM——軌距調(diào)制解調(diào)裝置；SCU——模擬信號(hào)處理裝置；SP——軌距功放裝置；MFI——多功能接口板；POWER SUPPLY——電源裝置。（1） 軌距如圖33所示，軌距測(cè)量裝置由原理和結(jié)構(gòu)完全相同的左右兩個(gè)子裝置組成。它們各自測(cè)量左軌及右軌的軌距變化分量。兩個(gè)軌距分量之和可得到軌距值。左右軌距測(cè)量子裝置均包括五個(gè)部分：光電傳感器、調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)處理器、功放、伺服機(jī)械。光電傳感器和伺服機(jī)械安裝在車體下面的測(cè)量梁上。調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)處理器及功放安裝在車內(nèi)。光電傳感器位于軌頂面斜上方，與鋼軌內(nèi)側(cè)面軌距點(diǎn)之水平距離為 ()，與測(cè)量梁上伺服馬達(dá)水平距離為 ()。左右馬達(dá)間距為。光電傳感器發(fā)出的光束以α角投射到左(右)軌面下16mm處，漫反射光被光電接收器接收。當(dāng)鋼軌產(chǎn)生位移使軌距變化時(shí)，光電傳感器感受其變化并輸出相關(guān)電信號(hào)，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器處理后，成為與軌距變化成線性比例的電壓信號(hào)。再經(jīng)信號(hào)處理器、功放、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、使光電傳感器在伺服機(jī)械的推動(dòng)下，跟蹤鋼軌位移。軌距計(jì)算如下：式中：為左軌距分量；為右軌距分量。圖33 軌距測(cè)量裝置（2） 曲率曲率定義為一定弦長(zhǎng)的曲線軌道(如30m)對(duì)應(yīng)之圓心角θ(度/30m)。度數(shù)大，曲率大，半徑小。反之，度數(shù)小，曲率小，半徑大。軌檢車通過(guò)曲線時(shí)(直線亦如此)，測(cè)量車輛每通過(guò)30m后車體方向角的變化值，同時(shí)測(cè)量車體相對(duì)兩轉(zhuǎn)向架中心連線轉(zhuǎn)角的變化值，即可計(jì)算出軌檢車通過(guò)30m曲線后的相應(yīng)圓心角θ的變化值。測(cè)量曲率的傳感器分布如圖34。搖頭速率陀螺YAW，測(cè)量車體搖頭角速率；位移計(jì)DT1測(cè)量車體一位端的心盤處與一位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架間的相對(duì)位移；位移計(jì)DTDT3測(cè)量車體二位端心盤前后兩側(cè)與二位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的相對(duì)位移；光電編碼器TACH提供速度距離信息。圖34 測(cè)量曲率的傳感器分布由于一階模擬濾波器在處理模擬時(shí)間域信號(hào)時(shí)，其頻率特性是固定不變的，但在處理YAW所表示的空間域頻率信號(hào)時(shí)，其頻率特性就是變化的了。因此，一階模擬濾波器輸出信號(hào)經(jīng)采樣，進(jìn)入計(jì)算機(jī)還需進(jìn)行數(shù)字濾波處理。數(shù)字濾波的作用，是對(duì)一階模擬濾波器引起的頻率特性變化進(jìn)行校正，使得模擬濾波和數(shù)字濾波混合處理后，在設(shè)計(jì)的通帶范圍內(nèi)，空間域幅值特性不受列車運(yùn)行速度的影響。曲率測(cè)量的信號(hào)流程如圖35。搖頭速率陀螺輸出信號(hào)經(jīng)B(s)一階模擬濾波處理后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)，再進(jìn)行數(shù)字處理。C(z)為一階數(shù)字濾波器。C(z)的輸出，是單位采樣距離對(duì)應(yīng)的車體方向角。用安裝于一位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間的位移計(jì)DT1測(cè)量一位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間的位移。用安裝于二位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體間的位移計(jì)DT2和DT3，測(cè)量二位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體間的位移。由和計(jì)算出單位采樣距離相應(yīng)的車體與兩轉(zhuǎn)向架中心連線間相對(duì)夾角。通過(guò)和的結(jié)合計(jì)算出兩轉(zhuǎn)向架中心連線對(duì)應(yīng)于單位采樣距離的方向角，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾除不必要的波長(zhǎng)成分，最終獲得軌道曲率。圖35 曲率測(cè)量的信號(hào)流程（3） 水平(超高)水平定義為同一軌道斷面兩軌頂之高差。曲線上的水平稱為超高。測(cè)量水平的傳感器分布如圖36。圖中傾角計(jì)INCL和滾動(dòng)陀螺ROLL用于測(cè)量車體的滾動(dòng)角。ROLL測(cè)量中的高頻成分。INCL測(cè)量中的低頻成分(包括車體靜止時(shí)的傾角) 。與之和為。由于車體搖頭會(huì)對(duì)INCL輸出產(chǎn)生附加影響，YAW為INCL提供補(bǔ)償信號(hào)。圖36 測(cè)量水平的傳感器分布位移計(jì)LPDT和RPDT用于測(cè)量車體與輪軸間的相對(duì)夾角。車體滾動(dòng)角和車體與輪軸夾角相結(jié)合，計(jì)算出軌道傾角，由和兩軌中心線間距離(1500mm)計(jì)算出水平值。 首先INCL輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率響應(yīng)為F(s)的二階模擬抗混迭濾波器處理，然后采樣進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。由于二階模擬濾波器處理模擬時(shí)間域信號(hào)時(shí)，其頻率特性固定不變，但在處理INCL所表示的空間域頻率信號(hào)時(shí)，其頻率特性有變化，因此二階數(shù)字濾波器的作用在于校正模擬濾波器引起的空間域特性變化，從而使信號(hào)在設(shè)計(jì)的通帶內(nèi)具有不變的空間域幅值特性。水平測(cè)量信號(hào)流程如圖37。圖37 軌道水平測(cè)量信號(hào)流程（4） 高低高低指鋼軌頂面縱向起伏變化。高低采用慣性基準(zhǔn)原理測(cè)量，得到高低變化的空間曲線，同時(shí)可換算成弦測(cè)值。測(cè)量高低用的傳感器分布如圖27。除了曲率和水平測(cè)量用到的傳感器外，又增加了兩個(gè)安裝于車體底板上的垂直伺服加速度計(jì)LACC和RACC，LACC和RACC分別安裝于位移計(jì)LPDT和RPDT頂部的車體底板上。LACC和RACC用于測(cè)量安裝位的車體慣性位移。LPDT和RPDT分別檢測(cè)LACC和RACC安裝位車體與左右軸箱的相對(duì)位移。根據(jù)它們的測(cè)值進(jìn)行必要處理，得到高低值。慣性基準(zhǔn)原理如圖39。M為車體質(zhì)量，K、C分別表示其彈簧和阻尼。位移計(jì)LPDT(RPDT)測(cè)量車體與輪軸的相對(duì)位移W，加速度計(jì)A輸出值a的二次積分為車體相對(duì)慣性基準(zhǔn)的位移Z。圖中加速度計(jì)A即為前述LACC(RACC)。軌道高低不平順值Y的計(jì)算式為：因輪子半徑R為常量，上式為：圖38 測(cè)量高低所用的傳感器分布圖39 慣性基準(zhǔn)原理高低的測(cè)量結(jié)果輸出為空間曲線，由空間曲線向20m弦測(cè)值的變換，是通過(guò)兩個(gè)低通濾波器U(z)與V(z)相減來(lái)實(shí)現(xiàn)的，等價(jià)于一個(gè)合成濾波器的處理。合成濾波器W(z)的系統(tǒng)函數(shù)為：（5） 方向(軌向)方向指鋼軌內(nèi)側(cè)面軌距點(diǎn)沿軌道縱向水平位置的變化。方向的測(cè)量采用慣性方法。方向測(cè)量包括兩個(gè)部分：一部分是安裝于軌距測(cè)量梁中央位置的伺服加速度計(jì)(ALGN)，用于測(cè)量軌距測(cè)量梁中央位置的橫向慣性位移；另一部分是左右軌距測(cè)量裝置所測(cè)得的左右軌距分量SL和SR。由慣性位移和左右軌距分量計(jì)算得到左右軌的軌向。方向測(cè)量傳感器安裝與原理如圖33和圖310。方向測(cè)量的算式如下：左方向：右方向：圖310 方向的測(cè)量原理伺服加速度計(jì)輸出信號(hào)先經(jīng)過(guò)頻率響應(yīng)為F(s)二階模擬濾波器進(jìn)行預(yù)處理，處理后的信號(hào)被采樣進(jìn)入計(jì)算機(jī)解偏后，再由與水平測(cè)量子系統(tǒng)中相類同的數(shù)字濾波器G(z)來(lái)處理，得到加速度信號(hào)的短弦中支距(SMCO)。由于加速度輸出信號(hào)，包含著重力加速度、離心加速度以及振動(dòng)等影響，因此還必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償或?yàn)V除。方向測(cè)量信號(hào)流程如圖311。圖311 方向測(cè)量信號(hào)流程（6） 扭曲(三角坑)扭曲反映了軌頂?shù)钠矫嫘?。如圖312，若軌頂abcd 4點(diǎn)不在一個(gè)平面上，c點(diǎn)到abd 3點(diǎn)組成平面的垂直距離h為扭曲。扭曲會(huì)使車輛產(chǎn)生3點(diǎn)支持1點(diǎn)懸空，極易造成脫軌掉道，特別是當(dāng)列車從圓曲線向緩和曲線運(yùn)行時(shí)。扭曲h計(jì)算公式為：為軌道斷面II的水平值，為軌道斷面IIII的水平值。h即為基長(zhǎng)L(斷面II與斷面IIII之間距)時(shí)兩軌道斷面的水平差。由前述可知，水平已由水平測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出，所以只要按規(guī)定基長(zhǎng)取兩斷面的水平差即可得扭曲值。GJ4軌檢系統(tǒng)基長(zhǎng)可變。圖312 扭曲的測(cè)量原理（7） 車體振動(dòng)加速度和軸箱振動(dòng)加速度車體垂直和水平振動(dòng)加速度及軸箱振動(dòng)加速度測(cè)量是發(fā)現(xiàn)軌道病害，評(píng)價(jià)軌道平順性，監(jiān)測(cè)輪軌作用的重要手段。對(duì)200km/h線路而言，車體垂直及水平振動(dòng)加速度是評(píng)價(jià)長(zhǎng)波長(zhǎng)軌道不平順和旅客舒適度的重要指標(biāo)軸箱振動(dòng)加速度是評(píng)價(jià)輪軌作用和噪聲的重要指標(biāo)。通過(guò)振動(dòng)測(cè)量，改進(jìn)軌道不平順管理，提高乘車舒適性，減輕輪軌作用力，增大了列車運(yùn)行安全性。車體振動(dòng)加速度測(cè)量用石英撓性伺服加速度計(jì)，而軸箱振動(dòng)加速度測(cè)量采用變電容式加速度計(jì)。（8） 地面標(biāo)志自動(dòng)測(cè)量ALD軌道上的道口、道岔、橋梁、軌