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桥梁振幅检测仪校正台研发设计

1概述 铁路桥梁振幅检测是桥梁专项检查工作。随着铁路运 量、列车速度的快速增长及重载列车的大量开行等因素,桥 梁振动的幅度和频率不断加剧,桥梁振幅的检测更迫切需 要,桥梁振幅检测仪的使用频率更高,这就要求桥梁振幅仪 具有较高的准确度和精度,但是,由于使用过程中,经常对 其进行搬运以及受周围环境温度、湿度等因素的影响,会使 桥梁振幅检测仪测量结果偏离真实值,造成测量误差增大。 因此,需要经常对该仪器进行标定,确保仪器的测量精度。 目前,桥梁振幅检测仪标定主要有两个途径:一是仪器 返回厂家,由厂家进行标定;二是将仪器送到铁路局桥检队 进行标定。无论是仪器返回厂家还是送铁路局桥检队进行 标定,都需要花费较长时间,不方便。况且有些路局桥检队 未配标定台或因其他原因标定台无法使用,只能将仪器返回 厂家标定。因此,研发一种操作简洁、标定快速、精度高、运 输方便、价位低廉的桥梁振幅检测仪标定台很有必要。 2技术方案 2010年初,确定了“桥梁振幅检测仪校正台”项目科研成 果研究小组,并得到上级专业技术部门和有关厂家的支持。 经多方查寻资料和设计方案,确定了技术方案。 2.1设计要求 根据桥梁检测要求,该标定台具备以下功能特点: 2.1.1标定台系统采用合理的机械结构和先进的加工 工艺,保证标定系统具有较高的运转精度。 2.1.2标定台控制部分采用PWM脉宽调制技术,实现 对直流电机的无级平滑调速。 2.1.3采用先进的计算机测控技术,开发友好的人机 交互平台,使标定台不仅具有较高的精度,而且具有良好的 可操作性。 2.2基本原理 2.2.1 系统组成。系统主要由振动台本体、直流调速电 机、直流电机调速控制器、数显式百分表以及百分表磁性支 座五部分组成。 2.2.2振动台工作原理。 (1)工作状态。工作时,通过调节电动机调速器的旋钮 按钮设定直流电机的转速。直流电动机通过皮带,带动固定 在支架上的主轴进行转动。主轴的两端各安装了偏心轮机 构,偏心轮机构与滑块机构相连。主轴的转动将带动偏心轮 机构进行转动,同时偏心轮的转动将带动滑块在滑槽内作往 复运动。当滑槽进行纵向安装时,振动台将横向进行振动, 形成横向振动标定台;反之,当滑槽横向安装时,振动台将竖 向进行振动,形成竖向振动标定台,如图1所示。 (2)标定状态。标定时,可根据实际需要,通过调节偏 心轮上的固定螺丝在偏心轮上的位置来调节振幅的大小。 振幅调整好后,将数显式百分表的顶针以适宜的力量顶在振 动台的振动台面上,将百分表指针调整在零点。然后,手动 转动标定台的主轴,振动体往复振动过程中,记下百分表上 正向位移和负向位移之最大值并取其平均值的一半,该值便 为振动台振幅的最大值。接着,将需标定的测振仪器的拾振 器固定于振动体上。连接正确后,启动测振仪并使其处于工 作状态,观察振动检测仪上的实测数据。将实测数据与振动 台标准值进行比较,便获得振动检测仪的修正系数。将该修 正系数输入振动测试仪,便完成了振动检测仪的标定工作。 2.2.3 电动机调速器工作原理。为了获得可调的直流 电压,利用电力电子器件的完全可控性,采用脉宽调制技 术,直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流 电压作为电动机的电枢端电压,实现系统的平滑调速,这 种调速系统就称为直流脉宽调速系统,I~PPWM调速系统, 如图2所示: 图2 电动机调速器组成 工作时,单片机对通过转速调节电位器设定的转速值进 行模数转换,并读取转换后的数值,由单片机形成驱动电动 机转动的相应的PWM信号,同时显示电机的转速和电动机的 控制电压。直流电动机驱动器,将以一定的占空比控制直流 电动机在一定的转速下运转,这样就达到了PWM技术对直流 电动机无级调速的目的。 2.2.4主要技术参数: (I)振动台标定范围:0.5 15mm。 (2)分辨率:0.01mm。 (3)振动频率:0.5 30Hz。 (4)输出电压:0~24V-f~调。 (5)振动方向:横向、竖向。 (6)电源:交流220V/50Hz。 (7)使用条件:温度范围:一10。C,相对湿度≤85%。 3研制和试验 3-1研制过程 按照预定的实施计划,科研小组于2010年明开始调研, 首先对全路工务段和桥检队桥梁振幅检测仪的使用情况及 存在的问题进行了详细的调查,经过论证和深入分析,确定 了“桥梁振幅检测仪标定台”的设计方案及要实现的功能:’ 3.1.1 桥梁振幅检测仪标定台由一套振动台本体、一台 直流电机、一台直流电机调速控制器、一个数显式百分表和 一个磁性支座组成。振动台本体起支撑作用并实现最大振 幅可调节;直流电动机带动偏心轮机构做圆周运动,然后由 偏心轮机构带动滑块机构做往复直线运动从而实现横向或 竖向运动;电机调速器对振动台的振动频率进行调节;数显 式百分表对振动台的最大振幅进行测量,并利用该测量值对 振动测试仪所测得的数据进行标定、校核。 3.1.2 调速控制器利用PWM调速方式能够实现振动 台在0.5 30Hz频率范围内平滑无级可调。控制器操作界面 友好,能够实现电动机转速及电压的数字显示,调速操作 方便。 3.1.3 振动台标定范围:0.5~15mm。 3.1.4 振动台分辨率:0.01mm。 3.1.5 3.1.6 复I生好。 暖动台调速控制器采用交流220V/5o} 电。 振动标定台系统工作稳定性好,可靠性高,可重 3.1.7 振动标定台操作简单,安装方便、快捷。 3.1.8 振动台通过拆装可实现竖向振幅的标定。 3.2制造阶段 根据设计方案及要实现的功能,我们结合市场调研情 况,汲取了目前先进的机械和电子技术,首先完成了机械 结构设计、调速控制器电路原理图设计和PCB板设计以及 直流电机的选型,而后进入北京、西安等地采购了适用的 机械、电子元件,通过多次性能试验,确定了最终所需的机 械、电子元件,制作桥梁振幅检测仪标定台样机一台并进行 了试验。 3.2.1试验方法。 首先,试验条件: (1)环境温度:20±5。C。 (2)电源电压:220VAC±10%。 其次,试验设备: (1)振动测试标定台一套。 (2)调速控制器一台。 (3)百分表一只,最小刻度0.01mm。 (4)磁性表座一只。 再次,试验线路连接,如图3所示: 图3 试验连接示意图 3.2.2 功能测试。 (1)幅值确认。将数字百分表的触头与振动台台面的侧 面接触,手动转动主轴上的飞轮,读取百分表正向幅值与负向 幅值的绝对值之和即是全振幅,全振幅的1/2为单振幅,该振 25 一器一 一 一 一劝一 一机一 一瓣一 一功一 一机T_叫电一 一电一 一谎一 一流一 一直一 一直一 一 一 罱 暮 ■ 动台的振幅值已整定为3.88ram(单振幅正向或负向幅值)。 (2)振动频率调整。调整驱动电机的转速来调整振动频 率,通过调整振动台控制器上的频率调节旋钮来实现,频率 值由分析软件确定。 3.2.3检测规则。 (1)外观检查:对标定台样机外观进行检验,应符合有 关技术要求。 (2)性能试验。 功能试验:打开被试验样机电源开关,用目测的方法观 察调速器显示是否正常,手动旋转振动检测标定台系统的主 轴,检验机械部分运转是否正常。 功能测试:按照上面所述的方法进行测试。 多次重复以上试验,并记录实验数据。 通过试验及在本段对桥梁振幅检测仪标定的试用,我 们发现标定台存在两个问题:第一,系统工作不稳定,即开 始运转时,运行比较平稳,但连续运行一段时间后比如一个 小时以后,运行就出现不平稳现象。表现在波形上就是正旋 波最大值在变化,这意味着标定台的幅值在变化,这是绝对 不允许的;第二,标定台精度达不到设计要求。 针对这两个问题,课题组多次召开专题会议进行分析研 究并反复试验,最终一致认为:运行不稳定是控制线路的 问题,精度不够是加工精度不够及装配精度不够造成的。 为此对线路控制方案进行改进,重新制作控制板;对关键 运行部件重新加工并严格装配工艺,又制作了一台样机,如 图4所示: 图4 桥梁振幅检测仪标定台成型图 2010年9月,我们再次用标定台样机对桥梁振幅检测仪 进行标定试用,达到了设计要求,满足了桥梁振幅检测仪现 场标定的需求。至此,研制过程结束。 4应用 桥梁振幅检测仪标定台样机于2010年9月至今在侯马北 工务段翼东桥隧车间进行了试用,认为: (1)该标定台是针对铁路桥梁振动检测频率的具体特 点和要求,采用先进的机械结构设计和加工工艺,运用先进 的计算机测控技术,使本系统达到了路内先进水平,具有极 高的推广价值和良好的市场前景。 (2)该标定台在我段经过半年的振幅检测仪标定证明, 性能稳定、操作简洁、标定快速、精度高,能够满足工务段桥 梁振幅检测仪标定工作的实际需要。归纳起来,有如下两个 特点: 第一,该标定台采用了PWM脉宽调制技术,实现了对标 定台的无级平滑调速,操作简单,使用方便,调高了标定的 效率和准确度。 第二,该标定台机械结构设计合理,体积小,便于运输, 维护简单,适合各工务段及桥梁检测车间使用。 5效果 桥梁振幅检测仪标定台样机于2010年9月至今在侯马北 工务段翼东桥隧车间进行了试用,取得了明显良好的安全效 果,表现为: (1)该标定台系统采用合理的机械结构和先进的加工 工艺,保证了标定系统具有较高的运转精度。 (2)标定台控制部分采用PWM脉宽调制技术,实现了 对直流电机的无级平滑调速。 (3)采用先进的计算机测控技术,开发了友好的人机交 互平台,使标定台不仅具有较高的精度,而且具有良好的可 操作性。 (4)该标定台的研制最大的技术难题是研制完成后的 仪器设备能对振幅检测的准确度的检测和校正得到保证。 (5)最主要的技术难点是能将振幅检测的准确度,通 过检测和校正问题得到控制,做到功能齐全。 6不足 建议加强现场操作使用,进一步提高校正的精度,优化 外观设计。

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