[发明专利]尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量方法

权利要求书

1.一种尖轨纵向爬行及密贴间隙一体化实时测量方法，其特征在于，将测量装置中的位移转换传动机构安装在尖轨(1)上，测量装置中的位移传感器、角度传感器和数据采集处理单元置于密封箱(3)中，密封箱(3)置于地面上；通过测量装置中的位移转换传动机构将纵向爬行位移和横向密贴间隙转换成直线位移和角度位移，缩小位移测量范围；再通过位移传感器测得直线位移，通过角度传感器测得角度位移；数据采集处理单元将位移传感器和角度传感器采集到的信号进行处理计算，得出纵向爬行位移和横向密贴间隙的连续变化数值；最后通过数据采集处理单元中的ZigBee无线通信模块将处理后的数据进行无线传输至远程PC监控端；

所述的测量装置包括位移转换传动机构、位移传感器、角度传感器和数据采集处理单元；

所述的位移转换传动机构，包括浮动接头(6)、铰接头(8)、螺栓(9)、连接杆(10)、直线轴承(11)和导向轴(13)；所述的连接杆(10)水平设置，其一端与铰接头(8)固定连接，另一端与导向轴(13)固定连接；所述的螺栓(9)，其顶端和底端均设有螺纹，中部为光轴；螺栓(9)竖直穿过铰接头(8)的光孔，二者为间隙配合，实现旋转，铰接头(8)的光孔的上下位置各设有一个轴套(7)，使螺栓(9)位于轴套(7)内，螺栓(9)的顶端通过螺纹与螺母配合实现紧固，螺栓(9)的底端通过螺纹与浮动接头(6)的上端连接，浮动接头(6)的下端与尖轨连接板(5)螺纹连接，尖轨连接板(5)通过紧固螺钉(4)固定在尖轨(1)上，使位移转换传动机构与尖轨(1)连接为一体，以抵消尖轨(1)垂直方向的跳动；尖轨(1)的移动带动螺栓(9)旋转，从而带动铰接头(8)和连接杆(10)旋转；所述的直线轴承(11)套装在导向轴(13)上，导向轴(13)在直线轴承(11)内左右移动；所述的直线轴承(11)，其顶端固定安装有直线轴承连接板(12)，用于安装悬浮滑块(16)，直线轴承(11)的底端固定安装有过渡板(24)，用于安装阶梯轴(23)；所述的导向轴(13)端部套有环状的导向轴支座(15)，二者通过螺钉拧紧，用于安装磁致伸缩位移传感器测杆(14)，导向轴支座(15)位于直线轴承(11)的外侧；测量时，将尖轨(1)工作时与基本轨(25)的横向密贴间隙以及纵向爬行位移进行位移转换，扳动尖轨(1)带动连接杆(10)和导向轴(13)产生位移，将位移转换成直线位移和角度位移；导向轴(13)在直线轴承(11)中作往复直线移动，通过位移传感器实现直线位移的测量；导向轴(13)发生旋转运动时带动直线轴承(11)旋转相同的角度，直线轴承(11)带动角度传感器旋转，从而实现角度位移的测量；

所述的位移传感器，包括磁致伸缩位移传感器测杆(14)和悬浮滑块(16)；所述的磁致伸缩位移传感器测杆(14)通过卡扣(17)安装在导向轴支座(15)上，磁致伸缩位移传感器测杆(14)位于导向轴(13)外侧；所述的悬浮滑块(16)固定安装在直线轴承连接板(12)上，使悬浮滑块(16)位于磁致伸缩位移传感器测杆(14)的外侧；导向轴(13)、磁致伸缩位移传感器测杆(14)和悬浮滑块(16)位于同一水平面上，且相互平行；位移传感器用于测量导向轴(13)在直线轴承(11)中的直线位移，悬浮滑块(16)与直线轴承(11)位置固定，磁致伸缩位移传感器测杆(14)固定在导向轴(13)上，磁致伸缩位移传感器测杆(14)通过RS485接口输出信号；

所述的角度传感器，包括旋转编码器(18)、联轴器(20)、L型支架(21)、轴承座(22)和阶梯轴(23)；所述的旋转编码器(18)，其底部固定在L型支架(21)的水平段上，L型支架(21)的水平段的底部固定在地面上或者密封箱(3)的底部作为基座；所述的轴承座(22)水平安装在L型支架(21)的竖直段上，轴承座(22)位于旋转编码器(18)的上方；所述的阶梯轴(23)穿过轴承座(22)的中心通孔，其顶端与过渡板(24)的下表面固定连接，其底端通过联轴器(20)与旋转编码器(18)的旋转轴相连接；旋转编码器(18)通过RS422接口输出信号；

所述的数据采集处理单元是数据采集系统的控制核心，协调和管理传感器信号的转换和采集，包括采集装置和处理器(19)以及ZigBee无线模块；采集装置通过RS422接口与旋转编码器(18)的信号输出接口相连，通过RS485接口与磁致伸缩位移传感器测杆(14)的信号输出接口相连，分别采集角度位移数据和直线位移数据；处理器采用基于ARM Cortex-M3内核架构的STM32单片机，与采集装置相连接，对采集装置采集到的数据进行处理，通过位移转换模型将角度位移和直线位移数据转化为纵向爬行位移量和横向密贴间隙值，然后通过ZigBee无线模块与远程控制终端连接，将处理器处理得到的纵向爬行位移和横向密贴间隙数据传送至远程PC监控端；

具体测量步骤如下：

(一)将测量装置中的位移转换传动机构安装在尖轨(1)上，密封箱(3)置于地面上；连接杆(10)穿过密封箱(3)侧面的开孔，与密封箱(3)侧面相接触的连接杆(10)上套有波纹管(2)，以实现密封；

(二)将L形的垂直支架(28)的纵向段安装在尖轨(1)上，水平面内横向段与尖轨(1)保持垂直，将第一靶镜(29)和第二靶镜(30)分别安装在垂直支架(28)的横向段和纵向段上，将第一激光位移传感器(31)和第二激光位移传感器(32)水平安装，使第一激光位移传感器(31)和第二激光位移传感器(32)发出的激光分别正对第一靶镜(29)和第二靶镜(30)；将尖轨(1)移动一定距离，通过两个靶镜和激光位移传感器共同配合，测量此时第一靶镜(29)和第二靶镜(30)的距离变化量，即此时的纵向爬行位移t₀和横向密贴间隙s₀，数据在激光位移传感器上读取；同时由测量装置中的位移传感器测出此时的直线位移Δl₀，由角度传感器测出此时的角度位移Δθ₀；通过数据采集处理单元将测量数据传输至远程PC监控端；

在远程PC监控端上，通过公式(Ⅰ)和(Ⅱ)求出测量装置在尖轨(1)的初始安装位置，即初始安装位置时铰接头(8)旋转中心到旋转编码器(18)旋转中心的距离l和连接杆(10)垂直于尖轨(1)安装时的偏差角度β：

(三)通过测量装置中的位移传感器和角度传感器测量每次尖轨(1)移动时的直线位移Δl和角度位移Δθ，并结合步骤(二)中求得的初始安装位置数据l和β，进而通过数据采集处理单元中的位移转换模型，计算得到尖轨(1)的纵向爬行t和横向密贴间隙s；位移转换模型如下：

d²＝l²+(l+Δl)²-2l(l+Δl)cosΔθ (Ⅲ)

∠AA'B＝∠AA'C-β-Δθ (Ⅵ)t＝d·sin∠AA'B (Ⅶ)s＝d·cos∠AA'B (Ⅷ)

其中：d是在尖轨(1)与基本轨(25)密贴状态下，尖轨(1)的测量区域相对于初始位移产生的合成位移；

(四)通过ZigBee无线传输模块将步骤(三)得到的纵向爬行位移t以及横向密贴间隙s数据发送到远程PC监控端。