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摘 要：文章详细分析了GJ-5型轨检车的水平加速度计的构造、参数及工作原理,尝试将JSD-I/C国产加速度计改造后替代美国FLEX-26加速度计,使GJ-5型轨检车的水平加速度检测项目数据准确,精确度高,具有很好的可靠性和重复性.
关 键 词：轨道检查车；加速度计；5型轨检车；铁路设备
自1999年以来,全路先后有18辆美国进口的GJ-5型轨检车投入到我国既有干线检测试验过程中,为我国列车的安全运输提供了有力的保障.近年来,因为长时间运行设备老化等问题,相当一部分5型轨检车出现了配件损坏的情况,而此时美国ImageMap公司因轨检车业务停产,停止向中国出售相关配件.国内又无可以直接替代的同类配件产品,各路局轨检部门都处于无配件可用的尴尬阶段.2011年11月,我局WX998949轨检车平加速度计损坏,水平加速度这个重要项目无法检测.在这种情况下,我们想从水平加速度计入手,尝试将国产JSD-I/C石英挠性加速度计改造后用以替代美国FLEX-26应变式加速度计,使水平加速度项目恢复检测,为国内5型轨检车配件国产化提供新思路.
因为GJ-5型轨检车是引进设备,核心技术资料掌握在外国公司手中,要想更换水平加速度计首先必须根据车体振动特点、测量的精度及范围来选定合适的水平加速度计型号；其次,水平加速度计输出的原始信号必须经过前置预处理电路进行处理；然后需要对系统进行标定及试验；最后更换加速度计后的系统的可靠性和重复性也必须得到验证.
1加速度计的选型
车体振动加速度测量要求加速度传感器安装位置在车体底板上,距车体纵向中心线1m,车辆尾部靠近第4轴处.车辆振动对行车安全具有直接影响,车体垂直振动所产生的附加力时上时下,附加力向下加重轨道负荷,易加剧轨道状态恶化和部件损坏.附加力向上引起车轮减载,易产生脱轨事故.车辆振动对旅客乘座舒适也具有较大影响,车体横向振动会加剧轮轨横向作用力,同时会造成车体蛇行运动,易造成旅客乘车疲劳、眩晕等生理不适症状.
列车车体的振动频率低,加速度值小,所以在选择加速度计方面要考虑其频率响应及灵敏度,图1和图2分别是轨检车测的车体水平和垂直方向振动加速度的功率谱图,从图可以看出车体振动加速度的能量多分布在1Hz左右,随着列车速度的不同及转向架类型的不同,振动加速度的频谱也会有所差异.
根据车体的振动特点,目前我们暂选用伺服式加速度计作为前级传感器.伺服加速度计低频响应好,可以低至零频率,灵敏度高,稳定性好,比较适合用于对车体的低频加速度值的振动加速度测量.其类型是石英挠性加速度计,当加速度计在其输入加速度时,其内部的检测质量摆将产生惯性力矩,并使质量摆绕挠性轴产生角位移,角位移使差动电容传感器产生电容差值?荪C,?荪C经伺服变换成电流信号,使力矩器产生一电磁反馈力矩,当该反馈力矩与质量摆的惯性力矩相平衡时,力矩动圈所需电流I与输入加速度成正比,因此测量I值即可得加速度值.根据轨检车对车体振动的测量,车体振动加速度值范围在±0.5g以内,所以我们选择输入选择输入范围±0.5g的加速度计.
2前置预处理电路及滤波特性的分析
水平加速度计输出的原始传感器信号需要经过前置预处理电路进行处理,前置预处理电路如图3所示.
则当单个二阶滤波器的值取时,可以使两个二阶低通滤波器级联后,,这时截止频率f0等于,目前暂取f0等于10Hz,经过运算可得电路参数,根据只要改变电路参数,f0还可以改变.四阶低通滤波器的幅频特性和相频特性如果过渡带衰减约-62dB十倍频程,可见过渡带有较高的衰减率.图3框图最后增加了一个二阶高通滤波器,以滤除车体水平加速度中未被平衡的离心加速度.
车体振动加速度经过模拟预处理电路后,输出至计算机进行A/D采样,根据管理标准进行超限断,打印报表,同时再通过D/A转换,输出模拟图形.
3系统的标定
轨检车更换完水平加速度计后需要对系统进行标定,为了对电路板进行单独调试,在电路中设计了标定信号及输入短路信号,如果不与系统联调,电路板上有自己的±5V稳压电路,具体标定如下：
（1）将输入短路,调节调零电位计,使输出为0±0.005V.
（2）将加速度计的输出与电路输入相连,将加速度计放置在较为水平的平面上,调节调零电位计,使电路输出为0±0.005V.将加速度计放置在与水平面成30度的斜坡上如图4,使加速度计输出为-0.5g,调节增益电位计,使计算机对加速度的采样值等于-0.5g.
图4加速度计摆放角度
a等于gsin30°等于0.5g
（3）重复步骤1,将标定信号+1V接入电路输入端,检测电路输出电压值,可得电路的增益,这时计算机的采样值为0.06g,传感器安装以后可直接用标定信号进行标定,而不用经常拆卸传感器.
（4）将传感器固定安装好,轨检车停在平直的线路上时,调节电路上的调零电位计,使电路输出等于0±0.005V.
4系统可靠性及重复性的验证
系统可靠性及重复性是衡量系统稳定、数据准确的重要指标.2012年11月至今,车体水平加速度计更换后,期间共检查线路29082公里,工作时间总计392小时,其中最长单次不间断工作时间为16小时,系统工作状态稳定,没有出现任何故障,说明系统是可靠的.
作为线路检测设备,系统的重复性也是必须得到验证.也就是说,如果线路没有进行大的施工,线路条件没有发生变化,那么轨检车检查同一条线路的数据、图形应该一致.在这里我们采用WinDBC数据图形软件进行11月6日和11月20日二次数据的比对,如图5、图6：
由此可见先后二次检查图形能够完全重合,波形走势高度一致,证明系统重复性良好.
5结束语
新加速度计已应用于我局所有轨道检查车上,取得良好的效果.并得到基础检测中心的认可,出具水平加速度检测项目合格证明,同时我们也将进一步计划对轨道检查车其他进口配件进行深入研究,并同国内配件进行比较,逐步用国产配件替代进口配件,进一步提高轨道检查车配件的国产化率,降低生产成本.