軌道檢查儀慣性元件的設(shè)計

軌道檢查儀慣性元件的設(shè)計

0光纖螺釘軌道檢查儀軌道的不平衡量增加了車輪之間的振動和沖擊，振動和影響進(jìn)一步增加了軌道的不平衡性，并形成了惡性循環(huán)。因此,對鐵路軌道平順度各項參數(shù)的檢測,關(guān)系著乘客乘坐的舒適性和行車安全。對軌道平順度的檢測主要有人工弦線法、弦測法和慣性法(軌跡法)。光纖陀螺儀是一種能夠精確確定運動物體方位的儀器,在現(xiàn)代航空航天、交通和國防工業(yè)中,被廣泛用作慣性導(dǎo)航儀器。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、工作可靠等優(yōu)點,常在軌道檢查儀中被用作軌道平順度檢測的慣性元件,成為軌道檢查儀的關(guān)鍵部件。采用慣性法測量軌向、高低的平順度的實質(zhì)是,按位置測量軌道水平方向的擺角或垂直方向的俯仰角。1旋轉(zhuǎn)角度分布光纖陀螺儀的工作原理基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng),理想條件下,環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)如圖1所示。當(dāng)1束光經(jīng)分束器M進(jìn)入同一光學(xué)回路時,分成完全相同的2束光CCW和CCCW,分別沿順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)相向傳播。當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動時,將使2束光產(chǎn)生相位差,相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)角速度成比例。如圖1(a)所示,在無旋轉(zhuǎn)條件下,2束光的傳輸時間相等,即式(1)中,tCCW為逆時針方向光的傳輸時間,s;tCW為順時針方向光的傳輸時間,s;L為光纖環(huán)長度,m;c為光速,m/s;R為光纖環(huán)半徑,m。如圖1(b)所示,在旋轉(zhuǎn)條件下,tCCW和tCW分別為式(2)、式(3)中,Ω為旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s。由于c2遠(yuǎn)大于(Ω·R)2,因此,傳輸時間差Δt為傳輸光程差ΔL為傳輸相位差ΔΦs為式(6)中,λ0為波長,m。由于單匝光纖旋轉(zhuǎn)角速率產(chǎn)生的光程差太小,很難被檢測。實際應(yīng)用中,一般采用多匝光纖線圈來增強(qiáng)相對慣性空間旋轉(zhuǎn)引起的Sagnac效應(yīng)。對于N匝光纖環(huán),光波在閉合回路內(nèi)傳播N匝光纖環(huán)的長度L為傳輸相位差ΔΦs為通過以上分析可知,利用光的干涉原理,通過檢測干涉光強(qiáng)變化可檢測光路中的傳輸相位差,進(jìn)而檢測系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度。2軌道不平衡測量的基本原則2.1弓高弦長的數(shù)學(xué)模型弦測值計算模型如圖2所示。若以弦長為l的測量弦,測量曲線半徑為R的軌道不平順時,根據(jù)弓高弦長數(shù)學(xué)模型,可推導(dǎo)出弦測值h為當(dāng)以不同的弦長進(jìn)行測量時,若L=nl,則弦長L對應(yīng)的弦測值H為2.2日本鐵路“以小推大”公式式(10)基于軌道不平順線型為標(biāo)準(zhǔn)圓曲線這一假設(shè),當(dāng)存在其他影響因素時,測量結(jié)果誤差較大。國際上弦測法通行的“以小推大”的傳遞函數(shù),為日本鐵路對弦測法“以小推大”的推導(dǎo)公式(簡稱“日鐵公式”),見式(11):式(11)中,VL為弦長L的弦測值,Vi為第i點處的l弦長的弦測值。L=nl(n為2,4,6,8……)。3不平整的測量原理3.1系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)角度的測定依據(jù)光纖陀螺儀測量原理可知,光纖陀螺儀通過檢測光路中的傳輸相位差,進(jìn)而檢測系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度ω,通過積分即可得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)過的角度α(rad):3.2化調(diào)機(jī)構(gòu)中點pi測量角的測量利用光纖陀螺儀測量軌道不平順為無弦測量,如圖3所示。假定系統(tǒng)按間隔0.125m采集1次陀螺儀轉(zhuǎn)過的角度,想象存在1根弦長l為0.250m的測量弦,若陀螺儀所采集點Pi對應(yīng)的角度為αi,點Pi-1對應(yīng)的角度為αi-1,則陀螺儀對應(yīng)轉(zhuǎn)過的圓心角為(αi-αi-1),弦測值對應(yīng)的圓周角θi為(αi-αi-1)/2。所以,對應(yīng)測量弦l為0.250m的第i點弦測值Vi為在步長為0.125m的2個測量點間,陀螺儀的轉(zhuǎn)角極小,此時,所以,3.3m弦測量以軌道的軌向、高低為例,采用10m弦進(jìn)行測量,即L為10m,n為40(10/0.25)。將L、n代入式(11),得:4不均勻測量和不可測量的螺母軌道的不確定度分析4.1計算不確定度的公式為4.2計算開口的靈敏系數(shù)不確定度分量u(ψ)的靈敏系數(shù)為取V10m為100mm,則不確定度分量u(l)的靈敏系數(shù)為4.3不同組件的不確定度4.3.1軌道檢查儀測量輪全差誤差引入的不確定度分量u3u3不確定度分量u(ψ)主要包括陀螺儀的測角誤差引入的不確定度分量u1、陀螺儀零位標(biāo)定誤差引入的不確定度分量u2、陀螺儀標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性及信號隨機(jī)漂移引入的不確定度分量u3和軌道檢查儀測量輪全跳動導(dǎo)致陀螺儀的附加測角誤差引入的不確定度分量u4。取陀螺儀的測角誤差為±0.01°,則取陀螺儀零位標(biāo)定誤差為±0.005°,則取陀螺儀標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性及信號隨機(jī)漂移引起的附加測角誤差為±0.02°,則取全跳動為±0.02mm,則不確定分量u(ψ)為4.3.2不確定組件ul4.4s10線路壓力檢測合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(V10m)為取k為2,則擴(kuò)展不確定度U(V10m)為由于鐵路既有線正線高低、軌向的允許偏差為±4mm,而U(V10m)∧4/3mm,因此,采用光纖陀螺儀測量鐵路線路的高低、軌向等線路平順度參數(shù),滿足線路的檢測和驗收要求。5檢測誤差分析鐵路軌道檢查儀中采用2個單軸光纖陀螺儀作為檢測鐵路軌道平順度中高低、軌向和正矢等參數(shù)的慣性傳感器,從而實現(xiàn)對軌道平順度的高速、高精度的自動檢測。通過對檢測的實際原理和測量不確定度進(jìn)行分析研究,可有效