铁路桥梁静载试验自动控制装置的研制.docx

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铁路桥梁静载试验自动控制装置的研制

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铁路桥梁静载试验自动控制装置的研制铁路桥梁静载试验自动控制装置的研制孙金更（中国铁道科学研究院标准计量研究所，国家铁路产品质量监督检验中心，北京100081）摘要：

静载试验是铁路预制梁在产品认证、批量生产中的重要检验手段，试验需多台千斤顶同时加载运行，需要的工作人员多、千斤顶同步加载精度控制困难。

介绍一种集加载、检测、记录等功能为一体的自动控制系统，并具备远程实时监控、试验数据及现场图像实时上传等功能；大量节省试验人员数量的同时，提高试验的精度，具有一键启动完成计算、加载试验、出具试验报告等功能，实现铁路桥梁静载试验的全过程自动化、数据化和信息化，满足桥梁质量控制和铁路建设信息化管理需求。

关键词：

铁路桥梁；预应力混凝土梁；静载试验；自控装置1概述截至2015年底，中国铁路营业里程达12.1万km，高铁运营里程达1.9万km。

高速铁路桥梁所占线路全长比例在55%以上，随着“十三五”高速铁路建设规模扩大，桥梁用量将大幅增加。

以京沪高铁为例，桥梁占线路全长的80%以上，正线桥梁244座，总长1061km。

其中最常用的跨度32m双线整孔简支梁共计27973孔，全线简支梁桥总长达956km，占桥梁总里程的90%以上[1-3]。

高铁采用“以桥代路”是为了保证线路的高平顺性、高稳定性、高精度、小残变及少维修等特性，不仅避免了路基沉降周期、大大缩短建设工期，而且减少耕地的占用，节约了土地资源。

高架立交保证了高速通行，以满足高速铁路运营密度大、运行速度高、舒适度要求高的需要。

目前我国正加紧“八纵八横”高速铁路网建设，高速铁路桥梁设计使用年限为100年，桥梁质量直接关系到铁路运营安全。

因此，桥梁技术是铁路建设的核心，桥梁质量是线路质量安全的基本保障，其安全性及不易更换性至关重要，故我国铁路桥梁生产实行国家生产许可证制度管理，而静载试验是评定桥梁使用性能的唯一技术手段[4-6]。

目前国内传统静载试验还停留在加载、读数、检测、判定均为人工操控的落后状态，存在因装备技术落后导致的人为因素大、加载及判定偏差大、占用人数多等问题[7-8]。

因此，研制铁路桥梁静载试验自动控制装置，实现试验全过程自动化、数据化和信息化，推进试验的标准化和规范化，对高铁桥梁质量监控意义重大[9-11]。

故纳入中国铁路总公司2015年重点科研课题。

2总体方案设计静载试验自动控制装置采用模块化设计，分为主控、加载、校核、挠度测量、荷载测量、裂缝检测、铁路工程管理平台数据传输、安全应急及报警8个模块。

组成结构示意见图1。

图1总体组成结构示意2.1主控模块主控模块是依据《预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲试验方法及评定标准》（TB/T2092—2003）（以下简称：

《静载试验标准》）进行设计。

主控模块是自控装置的核心，通过通讯接口与各模块进行数据交互，按照自动生成的计算单及预设程序自动实现试验流程控制、数据检测及计算处理、结果合格判定、试验数据实时上传及下载、安全应急报警等功能。

主控模块自动远程下载或读取系统预存的试验梁参数，并根据试验梁参数自动计算生成《静载试验计算单》；一键“开始”后，自动完成静载试验全过程。

加载过程中，荷载、挠度、裂缝检测及校核模块将采集的检测数据实时传送到主控模块；主控模块按照预定算法进行计算、分析、判断和输出显示，将数据存储至本地数据库、上传到远程铁路工程管理平台，试验完毕时自动打印完整的试验报告。

主控模块结构示意见图2。

图2主控模块结构示意2.2加载模块加载模块是为整个静载试验提供加载力的机电一体化装置，按照主控模块发送的加载指令进行自动加载，为测量各加载等级下的挠度、裂缝、校核数据提供条件。

确保加载的同步、平衡和准确、稳定，是静载试验检验的先决条件。

本装置以电动机械千斤顶代替了传统的液压千斤顶。

由电动机、减速器、机械千斤顶、底垫板、万向压帽组合为一体构成加载机械部分；变频器、加载程序构成加载控制部分；加载控制部分安装在主控机柜。

机械部分、控制部分与荷载测量设备构成一个完整的自动加载闭环结构。

课题组最新研制的电动机械千斤顶不但避免了液压系统的高压泄漏，而且解决了各试验等级静停结束时，在静止状态下的高荷载启动；课题组最新研制的荷载传感器采用轮辐式压力传感器，具有荷载检测与校核/监控双功能；电动机械千斤与双功能荷载传感器组合为一体机，减小了其安装高度，增大了抗倾覆性，并满足既有试验台反力架的设计安装高度。

加载开始由加载程序发送控制指令给变频器，变频器输出一定频率的工作电压给电动机械千斤顶，电动机械千斤顶开始加载；加载程序同时读取所有测力传感器的荷载值，并计算各传感器荷载值与理论加载值之间的差值；根据差值发送不同参数的控制指令给变频器，变频器根据指令的不同调整输出电压频率，进而调整电动机械千斤顶的加载速度，保证加载过程的同步、平衡。

加载模块工作原理见图3。

图3加载模块结构原理示意2.3荷载检测模块荷载检测模块由数字式测力传感器、数字仪表、RS485串口集线器组成。

压力传感器位于加载模块机械部分底部。

因轮辐式剪力传感器的外加荷载作用在轮毂的顶部和轮缘的底部，在轮缘和轮毂的轮辐上受到纯剪切力，故具有线性好、对力作用点不敏感、抗侧向和过载能力强等优点。

压力传感器的精度应不低于C级，显示仪表最小分度值不大于加载最大量值的1%，示值误差应为±0.5%F.S。

电动机械千斤顶与轮辐式双功能传感器组合体如图4所示。

图4电动机械千斤顶及轮辐式传感器在加载过程中，荷载检测模块负责采集、处理、显示压力传感器的实时荷载检测值并发送给加载模块和主控模块。

加载模块以接收到的实时荷载值作为调整加载速度、加载量的计算参考数据；判断加载模块提供的实际加载值与《静载试验计算单》所计算的理论加载值之间的误差是否在规定的范围内，保证各加载点对跨中产生的总弯矩值与理论计算弯矩值之差小于等于1%；主控模块将实时加载值及对应误差值输出到显示屏显示。

图6荷载校核结构原理示意2.4挠度测量模块位移测量设备由光栅位移计+数字显示表组成。

其测量分辨率可达到0.005mm，具有实时性、直观性，实现了自动化、数据化，不但节省了人工，且减少了视读误差及计算量。

挠度测量是采用光栅位移计对试验梁的跨中的竖向位移值和两端支座的沉降值进行测量。

按《预应力混凝土铁路桥简支梁静载弯曲试验方法及评定标准》（TB/T2092—2003）要求，共计6个光栅位移计，分别安装在跨中（量程50mm的2个）及两支座处（量程10mm的4个）。

并将实时测得的竖向位移值和支座沉降值传输到数值显示表及工控机的主界面上显示。

在每一级加载结束时自动计算出各加载级的挠度值及挠跨比，并自动作出静活载下的挠跨比合格判定。

并自动绘制弯矩-挠度曲线图，实时显示在显示屏上。

如图5所示。

图5挠度测量模块选用光栅位移计2.5校核模块本校核模块分荷载校核和挠度校核两部分。

2.5.1荷载校核为防止最大试验荷载超载，确保加载的安全性，以及加载数据的稳定可靠，配置一套与荷载检测模块相独立的、可靠的荷载校核模块，对试验荷载进行偏离校核和监测。

校核模块检测值与相应加载等级理论荷载值进行比较，判断荷载检测模块工作状态是否正常、实际加载值是否在1%的误差范围内。

如若超差，系统自动报警。

本装置所研发的双功能轮辐式传感器是在同一弹性体的多个轮辐上，安装2组交错分布的、具有独立输出的应变片，形成一个传感器有2套完全独立的压力检测系统，一组作为荷载检测模块，另一组作为荷载校核模块（图6）。

双功能轮辐式传感器的应用，实现检测、校核一体化集成，结构简单、安全可靠。

2.5.2挠度校核为了防止光栅位移计失准或偏离，需配置一套可靠的、独立的位移检测仪表，以对光栅位移计的挠度测量数据进行偏离校核。

位移检测仪表采用机械百分表。

其型号规格、数量、安装位置见图7，并应符合《静载试验标准》。

图7光栅位移计及百分表安装示意2.6裂缝检测模块桥梁静载试验的主要目的是检验桥梁的使用性能，即抗裂性。

裂缝自动检测仪由以下三大系统组成：

行走系统、图像采集系统、裂缝分析系统。

程控自动巡航式行走系统背负着高清相机组成的图像采集系统，对所采集的“裂纹”图像由裂缝分析系统进行分析比较、去伪存真、甄别判断，并作出开裂判定[12-15]。

裂缝检测分为图像法与振弦法两种。

受篇幅所限，本文仅介绍图像裂缝检测法。

2.6.1行走系统走行机构主要用于承载图像数据采集设备对梁体底板和下翼缘底角的重要区域进行图像采集。

检测范围：

梁体跨中左右各2m底面和下翼缘底角处向上15cm的弧面。

走行机构通过4个负压吸盘吸附在梁体底板平面上，如图8红框处所示。

走行架由纵、横向2组轨道组成，2根纵向轨道与负压吸盘联结，2根横向轨道相互平行联成一体，共同安装在纵向轨道之上，同步行进。

详见图9。

图8负压吸附装置将走行机构吸附到底板上应在规定的时间内完成指定的检测范围。

故当导轨上的步进小车行走速度较快时，其抖动幅度也相对较大，将导致相机采集到的图像模糊。

因此，试验摸索行走速度与图像清晰度的最佳契合点，保持走行装置在快速行走时的稳定性，对图像清晰度至关重要。

走行机构单元共搭载2套图像数据采集装置，安装位置如图9所示。

软件控制单元将控制走行小车以“弓形”走遍梁底检测区域，通过对步进脉冲计数，及时向图像数据采集系统发送触发信号，进行图像数据采集。

图9图像数据采集单元的安装位置（单位：

m）2.6.2图像采集系统图像数据采集系统为高清低畸变面阵相机组成的集成设备。

每一设备由2个千兆网工业相机、2套机器视觉LED光源、2个工业镜头、光源亮度调节装置及自动调焦装置组成。

如图10所示。

图10图像采集系统图像采集系统的调试主要包括：

（1）调整光源亮度，使所测物体表面光强度适中；

（2）调整工业镜头的光圈、软件控制单元控制焦距自动调整，以使图像呈最佳清晰度；（3）相机的曝光时间调整适度，防止图像采集过程中的图像拖影造成的图像模糊。

图像采集系统在特制的机械走行机构上往复运动，对规定的检测范围及部位进行扫描，单次采集用时小于每级持荷时间5min。

1.20级持荷20min内扫描4次。

实现图像采集面积全覆盖，严格控制漏检率。

在试验开始前，首先由图像数据采集系统对检测区域扫描、检测一次，并自动记录梁底板的初始裂缝的坐标。

试验过程中，图像数据采集系统对梁体检测区域再次进行扫描，并将所扫描的图像实时传输至图像处理系统进行处理，检测并提取裂缝坐标。

每5min持荷时间内可完成1次图像数据的采集、处理、甄别和判定。

2.6.3裂缝分析系统裂缝分析系统主要完成图像裂缝分析、甄别和判定。

其中裂缝甄别包括：

（1）排除已检测到并未变化的初始裂纹；

（2）裂缝走向超过截面45°角；（3）成片的麻面等缺陷；（4）短而粗的裂缝。

据此，对图像采集到的裂缝进行去伪存真，剔除非受力裂缝，严格控制裂缝自动检测仪自身的误判率。

在每个识别周期内总共需要处理2000张左右的高清图片，因而图像分析处理系统的特点在于其处理性能高、支持多机并联处理，方便扩展。

裂缝检测算法是图像处理单元的核心，采用基于方向二值化的裂缝检测算法对采集图像进行判别。

首先对图像中的高频成分进行提取，利用各点方向上像素动态选取二值化阈值进行图像分割，最终通过启发式算法进行裂缝筛选。

图像分析系统将检测到且经分析甄别的裂缝通过软件控制单元进行自动定位，经技术主管人员对该处裂缝进行现场确认（含卸载闭合）无误后作出最终开裂判定，然后上传该裂缝所在位置及裂缝图像信息，并出具裂缝检测报告。

2.7铁路工程管理平台数据传输模块按中国铁路总公司要求，铁路工程管理平台数据传输模块具备信息上传、浏览和下载功能，通过与铁路工程管理平台（下简称平台）网络连接，实现桥梁静载试验的网络化管理及大数据统计，确保试验参数的标准统一、试验数据的真实可靠和试验过程的远程实时监控。

2.7.1传输通道传