激光测距技术在列车动态横向振动偏移量测试中的应用
激光测距技术在列车动态横向振动偏移量测试中的应用
作者:谢锦妹;杨凤春;冯毅杰;于国丞
铁路在以人为本、快速和谐发展的指导思想下,我国铁路客运全面提速, 为提高旅客乘降舒适度, 较大客运车站站台正在逐步推广改为高站台。在这些大型车站上靠站台线路运行的都是停站客车, 通过列车两侧均不靠近站台。这就要求既要减小车辆与站台边缘的缝隙, 以满足旅客安全舒适的需求, 又要保证站台边缘和车辆之间有较为宽松的安全距离, 来满足行车安全的需求, 二者相互矛盾。此外, 还要考虑到客车、正常货物列车和二级超限的超限列车等侧向通过站台时车辆和站台本身的安全。因此, 要掌握车辆在不同速度运行时车体轮廓的动态外包络线的实际情况,从而制定出合理的站台限界标准以保证行车的安全。而其中关键的参数是车辆动态横向振动偏移量, 我国铁路以往都是引用理论计算值, 没有进行过实际测试。根据实际需要, 我们利用已掌握的激光测距传感器技术实现了列车动态横向振动偏移量的测试, 为制定相关技术标准提供了可靠依据。
1 激光测距的原理和方法
激光测距技术在国内外已广泛应用于建筑、航海、电力、铁路、农业等各个领域。激光测距的基本原理如图1 所示。测距机由激光发射系统和探测系统组成(如图中虚线框所示) 。工作时, 激光器发射激光, 光束穿过大气到达目标, 经目标反射后返回, 并由探测器接收。测出从激光发射到反射光被接收所经历的时间, 根据运动学中基本的关系即可求出目标的距离。在列车动态横向偏移量的测试中采用了二维激光扫描技术, 采用激光发射、漫反射接收原理来测距,发射接收设备在内部高速旋转以等角度测试, 从而得到不同角度上反射点的距离值。因此, 在一个测量周期内得到的是一定角度范围内一个断面的轮廓尺寸.
对于移动对象, 由于被测对象是运动的, 将不同时刻测试到的所有断面轮廓连接在一起, 可以形成被测对象的三维轮廓。图3 用测试数据生成的机车立体图和照片的比较, 可以说明测试得到的数据是非常准确的。
2 车辆动态横向振动偏移量测试概况
测试的主要设备是激光扫描传感器, 并由计算机处理系统完成测试。测试数据结果要考虑测试线路的轨道状况及天气情况的影响。在此类测试中, 要根据测试对象、测试环境及测试要求选择测试传感器、确定传感器的数量和布置方式。如图4 为某次测试传感器的安装布置图, 采用4个扫描角度为90°、分辨角度为015°、扫描频率为75 Hz 的传感器, 两个测试断面数据相互印证, 并可弥补采样间隔较大带来的漏检。在设备安装调试完成后, 须用先期制作的标定架对传感器的位置进行准确标定, 保证数据统计分析的准确性。测试数据的坐标系建立在以轨道中心为零点的平面上, 其中, X 轴为垂直于轨道中心线的左右钢轨顶面连线, Y 轴垂直于左右轨顶连线。两侧传感器断面的数据采集界面如图5 所示。进行测试时, 要对过往车辆进行人工观测和视频记录, 观察是否有影响测试结果的异物, 如稻草、飞绳、塑料袋等杂物, 对测试的数据可能会产生干扰。由于列车运行时人工观测距离较远, 不能观测到较小的物体, 列车停止时, 对列车两侧进行人工观察。从安全方面考虑, 如果含有干扰的数据都能够满足限界要求, 则排除干扰后的数据会安全。
3 测试数据处理
测试得到的数据是按时间顺序分帧来存放的。为了便于统计, 在数据分析中将原始数据进行了整理,对某一确定角度的数据进行提取, 这样可以较为准确的统计列车任一个统计高度的横向变化情况。试验数据基本符合正态分布, 可以得到任一个统计高度的标准差σ, 测试结果以实测平均值与3σ的和作为横向偏移量的最大可能值。某列车理论尺寸、限界、站台、实测平均值、最大可能值的对比图, 如果对不同的速度试验数据进行统计, 即可观测速度对横向偏移量的影响。
把测试车辆某高度的点画成二维图表, 即可观测列车在该高度的车体摆动情况。图7 (a) 列出了某次列车车体摆动图, 列车共有8 节(图中用竖线加以区分) , 可以看出列车此速度运行时稳定性较好; 图7
(b) 列出的车体摆动图第一节车厢偏移较为严重。分析测试所有数据可以得出高度关注的车体运行稳定性。
4 结语
本文论述了激光二维扫描的工作原理以及在列车动态横向振动偏移量测试中的应用, 并给出了测试及数据分析结果。通过数次现场测试应用, 表明采用激光二维扫描技术直接测量列车外部动态轮廓的方法易于实施, 数据准确可靠, 且具有很高的应用价值。
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