数显式站台限界测量尺的改进探讨

1 引言

铁路轨道会伴随着车辆通过时的冲击而缓慢沉降，此外，站台也会因长期暴露在户外而发生一定的损耗变形和沉降[1]。定期测量站台限界并及时修复超出安全范围的部位，对避免因站台限界超限而发生车体擦刮、旅客人身伤害甚至撞车等安全事故发挥着极为重要的作用。随着“八纵八横”高铁网建设全面展开，需要定期检测的站台数量陡然上升，检测工作迎来了更加严峻的考验[2]。

目前测量站台限界的仪器主要有站台尺、站台检测小车等仪器设备，利用机械测量、红外线和超声波等测量方式[3]。其中，数显式站台限界测量尺因操作简单、携带轻便、测量精度高等优点获得了良好的市场。但其也存在无法存储测量数据、测量范围也无法覆盖全量程等不足。

为此，需要在原有的基础上对数显式站台限界测量尺改进优化，实现测量数据的存储和导出，扩展测量量程，并在其他细节上也做出一定改进。

2 技术改进

2.1 数据的存储和导出

新增测量数据存储与导出功能。测量作业时通过按键操作，可以将测量数据保存在尺内；当需要导出数据是，可通过USB接口导入到计算机中。

站台尺数据存储与导出流程如图1所示。磁栅传感器和倾角传感器将采集的模拟数据传送给高精度ADC并转换成数字信号。MCU将数字信号计算之后，获得站台限界的横距和竖高等数据结果，然后将其进行存储。

图1 电子电路原理框图

数据的存储选用24c02串行储存器。串行总线扩展接线灵活，不仅占用I/O线少、体积小、功耗低，还具有工作电压宽、抗干扰能力强、数据不易丢失等特点，方便用户根据需求将其作为系统模块使用。

数据的传输采用I2C总线协议。I2C总线协议只要求两条总线线路，分别是一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL。串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100 kbit/s，快速模式下可达400 kbit/s，高速模式下可达3.4 Mbit/s，数据传输速度高。此外，片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波，保证数据完整。

为了对数据存储功能进行操作，也对操作面板以及按键电路进行了修改，增加“功能”按键。数据可以在站台尺端手动删除，也可以通过USB接口导入电脑中,进行汇总、统计、分析。

2.2 竖高全量程测量的实现

标准站台可以分为高站台和低站台两类，其中高站台的竖高范围是（1 000.0～1 400.0）mm，而低站台的竖高范围是（200.0～500.0）mm。但是在一些特殊的场合会有介于高站台和低站台之间的非标站台。原数字式站台限界测量尺不能测量这类非标站台，为了实现竖高（200.0～1 400.0）mm范围内全量程的测量，增加了中间测量档位。

中间档位需要满足两个条件。第一，中间档位测量在测量中所需的极限行程S应低于站台尺本身的设计行程（630 mm）；第二，站台尺测量中间档位在测量中的极限倾角差θ应低于倾角传感器的测量范围（30°）。在确定中间档位安装位置之前，应通过计算验证以上条件是否同时满足，否则需要重新调整站台尺的设计。

（1）极限行程计算

当站台的横距和竖高均处于最大值时，站台尺的伸长量s1为最大值；当站台的横距和竖高均处于最小值时，站台尺的伸长量s2为最小值。计算出s1和s2之后，可以利用以下公式计算出s：

从图 2 中不难看出，a1=Lmax-753-d，a2=Lmin-753-d，b1=Hmax-H0+d，b2=Hmin-H0+d。其中，H0是站台尺铰链中心点到水平基准面的距离，d是测量L形铰链尺中连接轴到两侧测量面的垂直距离。

图2 站台尺行程极限位置示意图

（2）极限倾角计算

当站台的横距为最大值，竖高为最小值时，站台尺的极限位置倾角α为最小值；当站台的横距为最小值，竖高为最大值时，站台尺的极限位置倾角β为最大值。计算出α和β之后，可以利用以下公式计算出站台极限倾角差θ：

其他几何关系如图3所示。a1=Lmax-753-d，a2=Lmin-753-d，b1=Hmin-H0+d，b2=Hmaz-H0+d。

图3 站台尺倾角极限位置示意图

（3）档位与倾角传感器的安装

经过计算，行程 s为619 mm，小于 630 mm；θ为26.45°，小于30°。满足设计条件，可以在站台尺现有的基础上直接增加中间档位。高低站台两个档位之间的距离为500 mm，小于行程630 mm。因此，中间档位的位置可以设定在高低站台档位之间的任何位置。与之对应需要增加一个倾角传感器，以覆盖站台的测量范围。倾角传感器只能测量出水平面为基准±15°的范围，经计算，需要把倾角传感器安装在与站台尺尺身方向成58.5°到62°的范围之间（改进前后站台尺外观对比情况见图4）。

图4 改进前后站台尺外观对比图

2.3 多种规格仿形条的设计

铁路钢轨有多种不同的规格，常见的有60轨和50轨，45轨较少用。不同规格的钢轨的轨头外形尺寸略有差异，若使用规格不匹配的仿形条测量站台限界，就会造成站台尺定位基准与理论基准的偏差，影响测量结果。原数字式站台限界测量尺只适配60轨，为了提高站台尺的应用性，设计了50轨道和45轨道的仿形条。三种规格如图5所示。

图5 多种规格的仿形条

3 结束语

改进后的站台限界测量尺在路内广泛使用，现场反应情况良好。可以适应各种站台、多种钢轨，通用性强；改变了过去边测量边人工记录的办法，极大地提高了工作效率，减少记录出错。