一种基于改进弦测法的轨检仪轨向不平顺度测量方法

摘要

本发明公开了一种基于改进弦测法的轨检仪轨向不平顺度测量方法，包括以下步骤：首先，输入里程对应的n个轨道基本弦轨向测量值，其对应的弦记为(Ai‑2,Ai)；以弦(A0,A2)所在直线为X轴，A0为原点，垂直X轴向下为Y轴建立直角坐标系；然后，计算线段(Ai‑2,Ai)与X轴的夹角θ(i)；再计算A0,A1,…,An的坐标值，并计算线段(A0,An)所在直线的方程；最后求出点An/2到上述直线的距离，即为轨道M米弦轨向不平顺度。本发明不易因测量得到的小误差而积累更大的误差，且在非圆曲线的轨道上计算轨向值也可以获得较为理想的结果。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路工务线路检测领域，尤其涉及一种基于改进弦测法的轨道轨向不平顺值测量方法。

背景技术

在机车车辆不稳定荷载作用下，轨道会产生垂向、横向的动态弹性形变和残余积累变形，称为轨道不平顺。轨道不平顺一般可以分为轨距、水平(三角坑)、高低、轨向、复合不平顺及连续不平顺等长波不平顺，以及钢轨波磨、接头病害、钢轨擦伤及剥离等短波不平顺。其中轨向不平顺是指直线不直，曲线不圆，通常是由于钢轨硬弯、扣件松动、缓和曲线顺坡不良等原因造成的，严重的轨向不平顺将引起很大的横向力，可能使轨枕、扣件不良地段的钢轨倾翻或轨排横移，在无缝线路上，还会引起胀轨跑道，危及行车安全。

测量不平顺度的主要方法有弦测法和惯性法，大型轨检车主要使用的是惯性法，但由于陀螺仪结构复杂、价格贵、易坏，不适合移植到目前铁路工务部门日常维护铁路所使用的手推小车上，因此轨检仪普遍采用弦测法测量轨向不平顺度，在铁路工务部门中，一般选择直线段10米弦轨向和曲线段20米弦轨向(正矢)来衡量铁轨的状态。传统方法，如江西日月明公司对轨向不平顺度的测量算法，不足之处在于该算法的误差会有一个传递和累加的过程，一个很小的误差对最终的结果也会产生很大的影响。

因此有必要设计一种改进的弦测方法，提高轨检仪测量的轨道轨向不平顺度的准确性，保障所得数据的准确性。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对目前现有技术的不足，提出一种基于改进弦测法的轨检仪轨向不平顺度的测量方法，使用该方法对轨检仪采集的原始数据(如水平、高低和基本弦轨向等数据)，可以较为精确地推算出轨道直线段10米弦轨向和曲线段20米弦轨向(正矢)值。

本发明的技术方案为：

一种基于改进弦测法的轨检仪轨向不平顺度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：根据轨检仪每次测量的步长T，计算测量轨道M米弦轨向不平顺度所需的采样点数n＝M/T；此处n＝M/T为偶数；

输入里程对应的n个轨道基本弦轨向测量值序列{h(1),h(2),…,h(i),…,h(n)}；其对应的弦分别为线段(A₀,A₂),(A₁,A₃),…,(A_i-1,A_i+1),…,(A_n-1,A_n+1)；A₀和A_n+1分别为测量的起始点和结束点；线段(A_i,A_i+2)的长度等于轨检仪的双轮粱弦长T'＝2T；

以线段(A₀,A₂)所在直线为X轴，A₀为原点，垂直X轴向下为Y轴建立直角坐标系；记点A_i的坐标为(X[i],Y[i])；

作线段(A₀,A_n)，过点A_n/2作线段(A₀,A_n)的垂线，垂线长度G_n/2即为轨向不平顺度；

步骤2：利用数学模型的几何关系，结合轨道基本弦轨向测量值，计算线段(A_i-2,A_i)与X轴的夹角θ(i)，具体通过以下递推公式计算：

步骤3：计算A₀,A₁,…,A_n的坐标值；

首先根据步骤1中直角坐标系的建立方法获得起始点A₀、A₁和A₂的坐标分别为(X[0]＝0,Y[0]＝0)、(X[1]＝T,Y[1]＝-h(1))和(X[2]＝2T,Y[2]＝0)；

再利用所述步骤2得到的θ(i)计算出A_i的坐标(X[i],Y[i]),i＝3,4,…,n，计算公式如下所示：

步骤4：根据A₀和A_n的坐标值，计算线段(A₀,A_n)与X轴的夹角θ'，从而得到线段(A₀,A_n)所在直线的方程；

θ'根据以下公式进行计算：

θ'＝arctan[(Y[n]-Y[0])/(X[n]-X[0])]

由此，得出线段(A₀,A_n)所在直线的方程为y＝x>

步骤5：根据点到直线的距离公式，求出点A_N/2到直线y＝x>N/2，即为轨道M米弦轨向不平顺度：

所述步骤1中：

对于轨道直线段，取M＝10，即测量轨道直线段10米弦轨向不平顺度；

对于轨道曲线段，取M＝20，即测量轨道曲线段20米弦轨向不平顺度。

所述步骤1中：T＝0.625m。测量轨道直线段10米弦轨向时，轨检仪每次测量的步长T＝0.625m且轨检仪的双轮粱弦长为T'＝2T＝1.25m，因此计算轨道直线段M＝10m长度的轨向不平顺度时，测量的点数为n＝M/T＝16。弦(A₀,A₁₆)所在直线的方程为y＝x>0,A₁₆)所在直线与X轴的夹角；过A₈点作线段(A₀,A₁₆)所在直线的垂线，垂线长度为G₈，求出垂向长度G₈的值，即为轨道直线段10米弦轨向G₈的值。根据点到直线的坐标公式：

测量轨道曲线段20米弦轨向(正矢)时，轨检仪每次测量的步长T＝0.625m且轨检仪的双轮粱弦长为T'＝2T＝1.25m，因此计算轨道曲线段M'＝20m长度的轨向不平顺度时，测量的点数为N＝M'/T＝32。弦(A₀,A₃₂)所在直线的方程为y＝x>0,A₃₂)所在直线与X轴的夹角；过A₁₆点作线段(A₀,A₃₂)所在直线的垂线，垂线长度为G₁₆，求出垂向长度G₁₆的值，即为轨道曲线段20米弦轨向(正矢)G₁₆的值。根据点到直线的坐标公式：

所述步骤1中：n个轨道基本弦轨向测量值序列{h(1),h(2),…,h(i),…,h(n)}从保存有轨检仪采集数据的“.csv”.文件中读取。所述步骤5中：计算得到轨道直线段10米弦轨向不平顺度和曲线段20米弦轨向(正矢)不平顺度，保存在以“.csv”结尾的文件中，以提供给铁路工务部门了解轨道状态或进行评估。

有益效果：

本发明提出了一种基于改进弦测法的轨检仪轨向不平顺度测量方法，使用该方法对轨检仪采集的基本弦轨向原始数据进行处理得到轨向不平顺度，该方法相较于现有技术中对轨向不平顺度的测量方法，便于计算机处理，计算步骤少，不易产生因误差的积累而造成数据偏离实际值很大的情况，且在非圆曲线的轨道上计算轨向值也可以获得较为理想的结果。所得的轨向不平顺度的测量值可以用以铁路工务部门对轨道状态的了解和评估，现场指导维修、复核和验收作业。

附图说明

图1是本发明基于改进弦测法的轨检仪轨向不平顺度测量方法的总体流程图；

图2是本发明轨检仪行走示意图；

图3是本发明的改进弦测法的数学模型示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

图1示出了本发明基于改进弦测法的轨检仪轨向不平顺度测量方法的总体流程图，主要步骤如下：

S1：输入一组原始轨道基本弦轨向数据，轨道原始数据由轨检仪在实际线路段测量所得，数据保存在以“.csv”结尾的文件中；

S2：将数据经过改进弦测法计算，得到轨道直线段10米弦轨向和曲线段20米弦轨向(正矢)的轨向不平顺值；

S3：将得到的轨向不平顺值存放在“.csv”结尾的文件中，计算结束，该文件的数据可以用来帮助铁路工务部门指导线路维修等工作。

图2示出的是本发明轨检仪在铁轨上的行走示意图，轨检仪设备弦长为T'＝2T＝1.25m，AB＝1.25m，O为AB的中点，h(i)为轨向传感器测得的值，方向垂直于AB，其中i为采样点的数量。轨检仪小车从轨道上匀速行走，每隔0.625米轨向传感器采样一次基本弦轨向值h(i)，这样可以得到一个与里程对应的单位为米的轨道基本弦轨向值测量序列{h(1),h(2),…,h(i),…,h(n)}。

图3示出了本发明改进弦测法的数学模型示意图，结合图2，对改进弦测法的详细步骤进行说明，具体步骤如下：

步骤1：轨检仪每次测量的步长T＝0.625m且轨检仪的双轮粱弦长为T'＝2T＝1.25m，因此计算轨道M＝10m长度的轨向不平顺度时，测量的点数为N＝M/T＝16。起始点为A₀，结束点为A₁₆，以A₀A₂(长度即为双轮粱弦长T')为X轴，A₀为原点，垂直X轴向下为Y轴，作直线(A₀,A₁₆)，过A₈点作直线(A₀,A₁₆)的垂线，垂线长度G₈即为轨向不平顺数值。输入里程对应的轨道基本弦轨向原始数据，即为图中(A₀,A₂),(A₁,A₃),…,(A₁₅,A₁₇)弦所对应的基本弦轨向原始数据序列{h(1),h(2),h(3),…,h(n)}；

步骤2，利用数学模型的几何关系，结合基本弦轨向原始数据，可以得出下列递推公式：

其中A(i)的坐标为(X[i],Y[i])，θ(i)为弦{A(i-2),A(i)}与X轴的夹角；

步骤3：利用所述步骤2计算出(X[i],Y[i]),i＝0,1,…,16的值，计算公式如下所示：

其中起始点A₀、A₁和A₂的坐标分别为(X[0]＝0,Y[0]＝0)、(X[1]＝0.625,Y[1]＝-h(1))和(X[2]＝1.25,Y[2]＝0)，根据直角坐标系的建立方法可以获得。直线(A₀,A₁₆)的方程为y＝x>0,A₁₆)与X轴的夹角；

步骤4：求出垂向长度G₈的值，即为轨向不平顺度。根据点到直线的坐标公式：

得到的轨道直线段10米弦轨向G₈值，G₈＝abs((Y[8]-Y[0])*cosθ'-(X[8]-X[0])*sinθ'))。

根据所述上述步骤，同理可得到轨道曲线段20米弦轨向(正矢)值。轨检仪每次测量的步长T＝0.625m且轨检仪的双轮粱弦长为T'＝2T＝1.25m，因此计算轨道曲线段M'＝20m长度的轨向不平顺度时，测量的点数为N＝M'/T＝32。直线(A₀,A₃₂)的方程为y＝x>0,A₃₂)与X轴的夹角；过A₁₆点作直线(A₀,A₃₂)的垂线，垂线长度为G₁₆，求出垂向长度G₁₆的值，即为轨道曲线段20米弦轨向G₁₆的值。根据点到直线的坐标公式：

得到的轨道曲线段20米弦轨向(正矢)G₁₆值，G₁₆＝abs((Y[16]-Y[0])*cosθ”-(X[16]-X[0])*sinθ”))。

为验证本发明中测量方法的精度，采用GJY-S-CSU-2型轨检仪在沪昆高铁选取高安段半径为10000米的弯道和浏阳段半径为11000米的弯道进行实验验证，分别利用江西日月明公司算法和本发明的方法获取直线段10米弦轨向和曲线段20米弦轨向(正矢)值，在高安段和浏阳段都随机选取三组比较结果如下表1所示：

表1实验验证比较结果

可以看出本发明提出的改进弦测法测量轨道直线段10米弦轨向和曲线段20米弦轨向(正矢)的精度较日月明公司所得出的数据精度要大，不易因测量得到的小误差而积累更大的误差，且在非圆曲线的轨道上计算轨向值也可以获得较为理想的结果。

以上实施例仅仅是本发明的一部分实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，得到的与本发明实质相同的替换方案，均属于本发明的保护范围。