便携式钢轨测量仪的改进及检验

摘要

铁路车轮和钢轨传递牵引力和制动力的滚动接触导致的磨耗是影响列车安全、经济运行的重要因素。如何准确地得到钢轨轨头外形曲线及其磨耗参数是困难而重要的工作。本文针对扩大轨头测量仪器范围、改进其精度以及量值溯源方法展开了研究:
　　首先，研究钢轨形态与测量技术，得出钢轨轨头磨耗测量的难点在于基准确定。为提高测量基准的可靠性，提出工作边轨颚参与，通过加权确定测量基准，通过软件建立自适应坐标系的方法。提出了改进优化机构，利用MATLAB仿真测量范围与杆件姿态，并进行参数优化。仿真结果表明，改进机构测量范围更大，精度更高。
　　其次，设计仪器的测量机构、检测部分和软件相关算法。采样仿真得到的角度数据通过正解算法、曲线拼接、高斯滤波和两点法半径补偿，得到测量曲线。计算测量曲线上用以确定基准的关键点，依据设计的算法选取权重系数，计算曲线对齐需要的旋转角度和平移量，最终实现测量曲线和标准曲线的对齐。以几种曲线代入该算法，得到的两曲线上对应基准点距离(mm)的平方和数量级为10-5，自适应坐标系建立方法得以实现。
　　然后，分析仪器的误差源，MATLAB仿真原理误差、单因素误差和编码器量化误差。其中:原理误差仅为计算机计算误差，可不考虑其影响;各因素单独作用引起的误差在±0.05mm之内，编码器角度误差传递系数最大;对编码器量化误差单独分析，其在轨头踏面处的误差已超出设计要求;不改变编码器分辨率的情况下，仿真测量过程综合误差，法向计算的误差在(-0.02～0.015) mm之间，表明:在不提高编码器分辨率的情况下，加入合理的滤波算法能有效改善编码器量化误差，仪器的总误差满足设计要求。
　　最后，对比量值传递与量值溯源、检定与校准，确定仪器通过校准实现量值溯源。依据JJG（铁道）133-1997和JJF1071-2010设计仪器的校准方法，依据JJF1130-2005评价校准中的不确定度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 钢轨测量研究意义

1．2 钢轨测量技术现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 测量坐标系与基准

1．2．4 测量仪检定技术现状

1．3 本文的主要工作与内容

1．3．1 完成的主要工作

1．3．2 论文主要内容

第2章 测量仪几何测量方案研究

2．1 基本测量方案

2．1．1 总体

2．1．2 被测钢轨的形态

2．1．3 磨耗测量坐标基准

2．2 仪器外形测量原理

2．2．1 测量连杆机构

2．2．2 测量模型

2．2．3 逆解模型

2．3 仿真与参数优化结果

2．4 本章小结

第3章 测量仪的工程化研究

3．1 测量仪系统设计

3．2 测量机构设计

3．3 检测部分设计

3．3．1 数据采集处理部分

3．3．2 DSP的选型试验研究

3．4 数据处理算法研究

3．4．1 采样仿真

3．4．2 数据拼接

3．4．3 滤波

3．4．4 半径补偿算法

3．4．5 基准确定

3．4．6 曲线对齐与参数计算

3．5 本章小结

第4章 仪器误差分析

4．1 误差源分析

4．1．1 测量误差

4．1．2 几何量测量误差源

4．2 仪器误差分析

4．2．1 原理误差

4．2．2 单因素误差

4．2．3 编码器量化误差

4．3 测量过程总误差

4．4 本章小结

第5章 量值溯源及校准方法设计

5．1 量值溯源

5．1．1 量值溯源与量值传递的比较

5．1．2 检定与校准的比较

5．1．3 校准规范内容

5．2 仪器校准方法设计

5．2．1 铁路长度类计量

5．2．2 仪器校准方法

5．2．3 仪器概述

5．2．4 计量特性

5．2．5 校准条件

5．2．6 校准项目和校准方法

5．2．7 校准中的不确定度

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的论文及科研成果