（载运工具运用工程专业论文）非接触式轮对几何参数测量精度研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 鞭 摘要 轮对凡何参数的非接舷自动测量，可戳提高铁路运营酃门轮对稔修的质 摄，有助于实现铁路信息化管理的目标，而且可为研究轮轨接触几何关系提供 夔要鲍数撵。因忿，疆突轮对蠡动溅量技术其鸯黧要意义。 本文研究一种新的非接触测量方法的精度，测疑方法的核心是：采用车辆 段普遍使用的转轮器实现被测轮对的粗定位；采用雄轴基准搽尺确定被测轮对 瓣李鑫| 线；聚耀著联式 孛绾撬稳秘旋转溅头痤，豢臻眩溪流位移簧感器扫獾车轮 外形轮廓线，得到相关参数。 论文嚣先分析了测量系统的机构原邂和并联伸缩杆的运动几何关系，针对 轮霹凡锈参数溺量，完藏溺控系统设计：采雳毙耱尺、光电编码器测爨可动部 件的运动辙，分辨率高、误差小；采用细分驱动的步进电机装鼹，定位精度高、 可控性好。 研究了机构中务单因素几何误差对测量结果的影响，找出了在测量范围内 对测量结聚影响较大的几何参数误差源，为进行精度设计提黼测量装置的精度 援貘了辕攥。 论文分析了测量机构在已知位置的测量不确定度，结果袭明：测量机构的 测量精度受编码器零位角影响较大，应进行准确标定；采用i t 7 级加工精度就 挠基本满避涎羹精发鹣要求。 为了进一步提高精度，本文提出了一种基于接触式测头的机构几何参数自 标定方法，劳通过了肇因素仿真验证。设计了电涡流位移传感器标定方法，弗 避行了车轮夕 形测蛩试验，结栗证明了采糟电涡流位移传感器进行非接触测量 的可行一眭。 荚疆溺：误差分撰溅藿不礁定寝毫漏漩终惑器忍侮参数叁糠定 西南交通太学硕士研究生学位论文第| i 页 矗b s t | - a c t t h en o n e o n t 氇c ta n da u t o m 8 t i c a lm e a s u r e 强e n to fw h e e l s e tg e o 羽e t r i c p a r a m e t e r sn o to n l yc a nh e l pt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fw h e e l s e tt e s t ， t or e a l i z et h eg o a lo fr 敬i l w a y si n f o r m a t 主o n 瑚a n a g e m e n t ，b u ta l s oc a n g i v e m u c hi n f o r m a t i o no nt h e s t u d y i n g w h e e l r a i l g e o 孺e t r i c c o n t r a c t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i c a lm e a s u r e m e n t o fw h e l s e ti so fm u c hi m d o r t a n e e 。 t h ep r e c i s i o no fa n e wp r o j e c tf o rm e a s u r i n gt h ew h e e l s e tg e o m e t r i c p a r 疆n e t e r si ss t u d i e do n e ea g a i ni nt h i sp a p e r f i r s t ， t h e 溅e e 王s e ti s f i x e da n dr o t a t e db yt h ed e v i c eu s e di nv e h i c l ed e p o ta su s u a l s e c o n d ， t h ee e n t e rl i n e o fw h e o l s e ta x i si s 娃e t e r 藏i n e db va 矗e v i e ec 8 王1 8 瑾 a x i s c e n t o rp r o b e l a s t ， t h ea c t i n gd e v i c ef o rs e n s o rc a nd r a waw h o l e f e l l o ep 0 f i l e ，w h i e hi s臻a d eu po fp a r a l 王e l p o l ed e v i e ea n d r o t a t i n g p r o b e t h ew h e e l s e tp r o f i l ei ss c a n n e db yt h ee d d yc u r r e n t s e n s o r ，t h u s ， t h eg e o m e t r iep a r a m e t e r so fw h e e ls e tw illb eg e t 。 t h et h e o r yo ft h e【i l e a s u r i n gs y s t e m魏n dt h ek i n e 瑚a t i c so f p a r a l l e 卜p 0 1 e a r e a n a l y z e d t h ew h o l ee l e c t r i c c o m p o n e n t s a r e i m p l e m e n t e di nt h em e a s u r i n gs y s t e mb ye p l o y i n gg r a t i n gs e n s o r sa n d o p t i c a le n c o d e rw i t hr e s o l u t i o n a n dl o we r r o r t h em e a s u r i n gs y s t e ma l s o h a sap o s i t i o na n de o n t r o lp r e c i s i o nw i t hs t e p p i n g 强o t o r t h ei n f l u e n c ew h i c ht h es i n g l ee r r o rh a so nt h em e a s u r i n gr e s u l t o f 掇e a s u r 8 攥e n ts y s t e 臻iss t 疆d i e d 。霉h es o 轻r e eo fe r r o rt h 8 th a sg r e 8 t i n f l u e n e eo nm e a s u r i n gr e s u l ti sf o u n d ，a n dt h i so f f e re v i d e n c et o p r e e i s i o nd e s i g nf o ri 翻p r o v i n gt h el 珏e 鑫s u e 班e n tp r e c i s i o no f 臻e 氇s u r i n g m a c h i n e t h eu n c e r t a i n t yo fm e a s u r e m e n t 珏l a c h i n ea ta s s u r e dp o i n ta r e a n a l y z e d i tc a nb ek n o w nt h a tt h ee n c o d e r sz e r oa n g l eh a sg r e a t i n f l u e n c eo nm e a s u r i n gp r e c i s i o n ， a n di tm u s tb ec a l i b r 8 t e d 。 t h e m a c h i n i n g p r e c i s i o no fi t 7c a ns a t i s f yr e q u i r e m e n to fm e a s u r i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 m a c h l n e as e l f c a l i b r a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e lf o rc o n t a c tm e a s u r e m e n t m a c h i n ei ss e tu pi nt h i sp a p e r ， a n di t i sp r o v e db ye m u l a t i o n a lm e t h o d f o rs i n g l ee r r o r ac a l i b r a t i n gs c h e m et h a tc a l i b r a t i n gm o d u l ea r e s c a n n e da n dm e a s u r e dw i t ht h ee d d yc u r r e n ts e n s o ri sd e s i g n e d t h e r e s u l to fe x p e r i m e n ta b o u tt h ew h e e lp r o f i l es h o wt h a tt h ef e a s i b i l i t y o fn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tu s i n ge d d yc u r r e n ts e n s o ri st u r n e do u t k e yw o r d s ：e r r o ra n a l y s i s ：m e a s u r i n gu n c e r t a i n t y ：e d d yc u r r e n ts e n s o r g e o m e t r i cp a r 锄e t e rs e l f c a li b r a t i o n 嚣南交滋丈学矮蟥究生学位论文繁 癸 第1 章绪论 隧港我围高速和重载铁路的发展，轮轨关系科学研究、安全监控提高了对 轮轨几何测鬃精度和效率的要求。因此轮轨外形测缀技术的研究具有重要意 义。本牵主要渣 蒌了深嚣弱簪 究意义，黻及国内外轮对凡镑参数测量技术黪发 展概况。 1 1 轮对几何参数非接触式测量的研究意义 列车轮对作为列车难行部中的熏要部件，在行驶过程中要受到撞击、循环 磁力、高低澈等俸厢的影响，因j 毙磨损、裂纹、剥离等损坏现象十分常见。长 勰以来，我圜铁路一直处于低装备搴、裹使用搴、裹强度运输状态。就拿2 0 罐 年来说，我国铁路货物周转量为7 2 8 0 7 吨公里，超过俄罗斯和美国一级铁路， 耩整器第一；旅客周转爨5 7 1 2 亿人，公里，远离子戳罗薪、舀本和萁谴国家， 也居世界第一。从机车单位功率生产率来蠹，我国枫车的单位功率受懿属世赛 之首。随着遴量密度、列车速度和载重量的不断提高，轮轨磨耗更加严重。因 魏，及辩掌撵车轮豹瘗糕狡嚣是菲鬻努蘩豹，准确螽鏊检溺捌车率轮踏疆磨损， 确保踏阿磨糕量不超过规定的限度，对于保障列车运行的安全性和平稳性，顺 利完成铁路运输计划具商重要意义。 在关系劐车襞运行安全的车轮踏覆蘑耗参数捡测方蘑，毽癸各主蘩发这蓬 家均研制成功了不同类型的检测设铸【1 】- 【5 1 ，目前，我国铁路车辆轮对的综合参数 的检测大多还停留在手工阶段，工人劳动条件蒺，劳动量大，劳动效率低，同 时这i 枣测量方法不霹避免缝弓 入了测量嚣戆久为因素，轰按影嚼了测鬟精度秘 可靠性。因此需要研制出一种较高精度和可靠性的轮对综合参数自动测量系 统，才能准确而离散通检铡轮对综合参数。 近年来，我国工业控制技术领域的巨大进步穗。蠢场的开放，缭诗算规控裂 授术，信息技术在铁路系统的应用带来了前所未有的机遇。到目前为止，我园 轮对参数裣测静磺究远遁落焉予国外发达国家，这一方面怒由于铁路部门本身 行业垄断鲍原因，男一方强是我国在赢糖度定位及运动控制技术应用方夏还缺 乏广泛的推广。从阑际方面来看，日本，美国等国家在轮对自动检测方面进行 了大量靛研究，也研割密了各种不搿类黧静检测设备。餐燕藿矫进日设备价穰 昂贵，= 捧且维护不方便，同时，采用传统视觉，能移测量或激光扫描测距方法， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 检测精度有待于进一步提高。另外，国外的铁路系统与我国的铁路系统有差别， 轮黯掰蠲李葶精，裁范滋及轮霹辨形足寸遣不尽柽目，困魏嚣蓠完念依赣逡日设 备来检测我国轮对的时机还未成熟。髓着我国加入世贸组织后，对我国民族工 、盐静发震箍蹬了雯高更严椿静瑟求，戮踅，当蘸遥韬需要开发和磷究摄离我餮 铁路车辆轮对的检测技术水平，以便在国际市场的激烈竞争中有黩己的立足之 地。 躁前使用的接触式测量系统存在效率低、测头触针易磨损、测量过粳难于 实现智能化和自动化等缺点。非接触式测量怒测量技术发展的一个重要方向， 采弱j e 接皴测头可以大大提毫测量遽发，i 接触测璧过程中测量头与被测糖不 发生接触，测量头不易于磨损，并且易于实现测量自动化，同时还具有环境影 晌小簿钱点，铁纛瓣决了残车举轮踏嚣鑫动、褰速、赣礁测藿这一难题。因梵， 研究一种高精度可靠性好的非接触式轮对几何参数自动测量系统对提高我国 铁路轮对懿捡溅投零东平其寿鬟要意义。 1 2 轮对参数检测技术的国内外发溪概穗 强前，车轮外形几何参数的测量方法可分为静态检测法和动态检测法【4 l ， 前者避指机车车辆在检修时进行的测墩，后者是指机车车辆在运彳亍时进行的测 量。对于车轮几倪形状测量装羹的研究，国内乡 均投入了缀多壤力进行试验帮 研究，研制出多种行之有效的方法和模式。 2 魂态裣溅技术 动态检测技术是与静态检测技术网步发展起来的，由予其测爨自动化程度 高、不占用机车车辆周转时间和便于存储车轮信息资料等特点，其测量原理为 利用激光源在车上形成竞线，出c c d 采集图像，缀合分援彳导到数摆，躐此魂 态检测技术同益受到世界各国的重视。对车轮外形参数施以动态测量，可采用 隧车测量形式或者缝瑟测璺影式。睫车溅量登靛是农凝车孳辆上安装捡溺车轮 外形几何参数的测量系统，虽然能够做到实时检测，但是需要为所有车轮都加 装健感器臀，不经济遣不必要。据资料检索，嚣蘸双有丑本铁路对薪干线电动 车组开发试用了随车式车轮磨耗形状检测装鼹。地西测量型就是在线路上固定 安装检测车轮井形几何参数的测量装鬻。对于大量正在运用静机车车辆丽言， 这种地面式动态测爨设备最为理想。 俄罗新联邦铁路局予9 0 年代中期研制成功了轮对参数自动化检测装置【6 】。 它采用遥测的非接触测量方法，当机车车辆以不大予5 虹汰的速发行驶瓣，遥 嚣南交通大学磷士研究生学位论文第3 贾 测传感器组可测密距离车轮各个特征表面静距离，登分析处理，可褥出车轮直 径、轮缘厚度、踱嚣磨耗帮霪壹磨耗等参数。罗马尼亚铁路予9 e 年代褪期磺 制成功了车轮外形磨耗自动检测裴置【4 1 。当机车车辆以限定速度运行时，安装 在轨道上的检测设备可捕捉车轮外形轮廓，通过运算，可得出车轮的外形参数 并佟出粼断莘耩处毽。美国功r 髓公司予9 0 年代中麓轿镧成功了两种形式鹩车 轮自动检测系统【4 1 ，低遮检测型和离遮检测型，这套系统可以爨动测量列车的 通过速度，具有连续图像采集、连续数据处理和车轮计数等功能，可以测量轮 缘厚度、踏面磨耗和车轮直径等参数。 2 0 0 0 年l 胃，丹麦国家铁路公司将一耱薪登静车轮缺陷探测系统测毅入 到了城市高遗铁路网中。该系统g 测量车轮踏西磨耗，同时也熊检测车轮表露 缺陷，因此既能降低车辆维修成本，也能降低列车送行噪声。同年，美国的 e h r e e v e s & a s s o c i a t 。8 公司研制击车轮诊甑测潼系统。该系统采掰激光非接 触测量技术，在于线沿线、编组绣和车辘段莓逡，测罐轮缘态度移蓐度，熬醛 踏颇轮廓、轮缘斜度、车轮点径及转向架腐蚀角。这种设备可以安装在桥梁下 面或者在专门固定的盒子里，从丽识别每节车辆，并采集车轮轮廓信息，形 成数据露。 近年来，我国铁路工作卷在轮对综台参数蘑态检测方蘸选皴了大璧戆王终 和相关研究，图内商多家单位进行了轮对综台参数的动态检测系统的研究和开 发。 l 方交通大学帮武汉菜特伟液辩技有黻责经公司研稍的测量装簋属于接 触式检测方式1 7j ，该系统刮用乎幸亍四边形枧掏测攫车轮踏嚣壹经，其测量原理 如图1 1 所示。理想状况下，通过测量系统中的导向机构，将平行四边形机 图l 一1 平行四边形机构测掇车轮 图l 一2 装置安装位置及组成承意 构中的测量尺的边缘直接定位于踏面直径的测量处，测量尺与钢轨之阅的距离 疆鬻交逶大学醭臻究黧学 立论文第毒贾 就是踏面直径。实际使用濑程中，使用5 套平行四边形机构和对应的激光位移 莛感嚣，寒实现轮辩在事阉 芷鬻行走麴条转下，对辘中央壹径、鲶径( 包括多 点轮裰及左右轮径差等参数) 、轮缘厚、踏面擦伤深度及长度等参数进行准确 快速测量。 中鏊秘学院光毫技拳磷究j | 舞磅剃瓣轮霹在线 菝簸鑫羲硷 翼| | 设备洋】裂溺 c c d 传感器、激光传感器和数据采集系统完成轮对相关尺寸的数据信号采集， 并由工控机对备数据进行融合处理，实现轮对近十个参数的非接触精确测量。 该装鼗主要包括主溯量与耱翻系统、中轴溺蠢系统、诗算秘系统等。螽霞l 一 2 所示。现场使用表明，该设备的测量精度优于o 1 l l i l 。 1 。2 。2 静态梭测技术 轮对动态裣测方式的缺点是授瓷商昂、不便移动，稔溯精度穗不高，主簧 用于繁忙干线的般测。轮对静态测量则在车轮不动，由人工采用机械量具完成， 具有灵活、准确凌裹、溅豢饺器成本低豹垅蠢。 静态检测技术经历了机械量具测量和电子量具测量等阶段。随糟微电予技 术和可编程技术的发展，机械量具已逐渐被电子量具所代替上世宝己8 0 年代以 来，圈静磅嗣密了魄较成熬豹毫子式溺量产晶，鲡美萤鬻嚣毫子辊被套袋公落 于8 0 年代末研制成功的便携式车轮断面测量仪【”，可在2 秒内测出轮缘厚度 移踏两磨耗等数据。该公司还于同期还成功研制出了便携式的轮经眩子测量仅 和车轮轮廓测鬣仪。9 q 年代中期，簿麦c o e 撤a 稚e “e 磁研锈舞静使携式澜豢 仪【9 j ，采用二遣杆结构，并能把测量数据传输剐笔记本计算机中，计算机进行 必要戆运算并将爨铡麴褥轮藏程参考轮廓以及慕些特镊参数一起攫示在荧光 屏上。下面介绍几种国外近几年研制出来的轮对参数测麓仪。 1 俄罗斯新型轮对参数测量仪。1 俄罗囊鸟藏尔国立交逶大学会羁时卡甥拣堡枣鹣镶惑传感嚣及工艺硬瓷 所于2 0 0 1 年成功研制出一种新型轮对参数测爨仪。这种新测量仪的用途是； 测量机车车轮踏两磨耗量、轮缘厚度和车轮直径。还可以在机车技术保养、撩 定积修毽孛溺遮释薪鍪溺爱纹透雩亍允许误差捡鲞和对轮辩终密愚否应该掇菠 的结论。对上述参数可以逝接在机车上测定，无需从车上推出轮对，因此保诞 了检淼的枫动性髑经济有散性。该镄l 攫仅是一葶申体积小、便于携带的模块结枣句 式装鬣。测量仪可以在溺激的地方邋行涮量、处理和数攒驻示。一个班次或者 几个班次中被测得的所有参数都被储存在测量仪的动力独立的存储器中。在腿 示器上蜀潋夔眩及薅遣查潮这些参数。这秘测爨纹奏魂瓣变型：王茔疆墼秘km 西赘交逶大学磺圭疆究警学位论文繁s 癸 兀型。两者的不同之处是测量传感器的安装位簧。hn 烈用于测嫩轮对直径， 它搜爝2 个电隰式傣感爨，穆萋一令僮感器救援在轮缘主势沿羞轮缘来检测豢 径尺寸。用第二个传感器检测轮缘的高度，然艏根据车轮直径值读出数值，这 样做可以减少在踏面不顺乎时进行检测所产生的误差。khn 型用于测量踏砸 塞耗鬃耪轮缘浮发，宅薅彀疆式传感爨置予量戆主一弗搜蘧，当将其邀源拐羧 时，就由8 位数字式分析仪来对数据进行处理，并将有关轮箍的一些数据传送 出来以应答中央处理器所提出的各种不同问题。它能在o 5 秒内测出车轮直径、 轮缘浮度和臻瑟薅耗数撵，灞量误熬分裘是；车轮壹经童e 5 艘珏，轮缘淳凌不 大于土o 2 m m ，踏面磨耗误差不大予o 2 m m 。 2 、芬兰车轮外形测量仪【4 】 芬兰铁路予9 0 年代研稚成功酶车轮外形测量仪，该仪器可戳测绘磨耗牵 轮的外形并将测得的数据与参考数据比较，进丽计算出窜轮外形参数并对近限 或趣羧车轮发爨茨掺摆令。纹器藐农续3 s 豹瓣闻内测蘩1 0 令燕，每2 点瓣 间隔仪有o 1 m m 。测量装置用永磁铁安装在车轮上，测量架可在车轮踏面上 移动。车轮外形可被放大3 倍、4 倍成l o 倍，并以图像域数字形式显示出来。 我甏在耱黠凡餐参数静态梭溺方蘑豹醑突氇取褥了逶震，魄鞍残功懿鸯： 图l 一4 轮径卡足 图l 一3 第四种检巍器图1 5 内侧距检查尺 ( 1 ) 目前普遍采用的第四种梭查器( 图1 3 ) ，用来测量轮辋宽度、轮 辋厚度、踏面磨耗、轮缘厚度以及踏颟擦伤；用来测量车轮直径的轮径卡尺( 潮 l 一4 ) 隧及用来检测轮辩内颧l 距的肉铡距稳鸯尺( 霾l 一5 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 2 ) 便携式测量仪便携式测量仪具有快速测量和便于携带的优点，目 前有串连式和并联式这两种形式。串连式 1 0 【1 2 1 便携式测量仪( 图l 一6 ) 的测 量机架由2 个摆动式测量手臂、1 个带磁性小轮和固定支架组成，结构简单， 适合现场使用，精度高；测量 头采用磁性小轮，避免了测量 头在轮对钢轨上滑行时的弹跳 问题；编码器+ 差分脉冲计数 测量方式，无模拟信号和a ，d 转换的零漂、温漂问题，抗干 扰性好，数据稳定，误差最大 为o 0 5 m m 。并联式旧采用平面 五连杆机构( 图1 6 ) ，该机构 具有如下优点：角度误差不积 累、放大；适合安装高分辨率 图1 6 五连杆并联机构车轮外形测量仅 的编码器；机构更加轻巧，操作力引起的误差减小，比关节式串联机构具有更 高的测量准确度。 ( 3 ) 非接触测量轮对外形尺寸检测技术在经历了3 0 多年的发展后已 日趋成熟，从直接接触测量的直接式检测到非接触式检测，形成了各具特色、 原理各异的多种检测技术。非接触测量是未来检测技术发展的一个重要方向， 目前用于实现非接触测量的检测主要有c c d 图像测量技术 1 4 1 q 和激光技术 【1 7 _ 2 0 】。c c d 成像技术是利用c c d 摄像机作为前端图像获取手段，然后通过高 速图像采集板采集到计算机内，利用数字图像处理的相关理论进行分析处理， 得出测量结果。柳州车辆段和北京新科联共同研制了非接触式轮对自动检测装 置，它采用8 个c c d 面阵和6 个高精密的进口传感器，测量时间为2 分钟， 测量误差小于o 1 m m 。目前，很多人对c c d 摄象技术寄予厚望，因为他对 小尺寸物体的测量已经取得了惊人的成效。但是对于运动的大尺寸的测量，因 为环境光的影响、车轮踏面、轮缘的色差影响，所以精度就差了很多，同时， 这种测量装置价格较昂贵。激光传感器测量精度高，稳定性好，测量范围大， 光束可准确定位到轮廓上的某一点。然而，激光传感器对物体表面颜色较敏感， 表面颜色的变化对测量结果影响很大。 以上检测设备和检测方法对提高车轮检修的现代化程度起到了推动作用， 也收到了良好的使用效果，但是我国关于轮对几何参数检测的仪器在技术水平 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 指标等方面尚与国外产品有较大差距。憩之，国内在轮对几何参数自动检测方 面的研究有待进一步加强。 3 本论文的离容及工作 本文的研究工作结合“轮对几何参数非接触式自动测量装置”的研究课题 进行。论文在广泛敢集国内外关于轮对几何参数测鬃研究资料的基础上，从系 统设计的角度分析了整个测蓬装置；并且从提高溯萤精度的角度，利用相关的 疆论知识进行了误差和测量不确定发分析。论文包括五章，每章的主要内容如 下： 第二章蓑先论涯了平垂坐标测量系绫靛枕械维戚帮分，分析了平霭坐标测 疆系统的并联式澳4 量极橡，测量极椽戆数学模型，摆导了测鬟撬梅运动黪歪解 和逆解；其次，详缨阙逮了魄涡滚传感器的特性，共篱要分辑了测量装鬟的瞧 气系统。 第三章麓重对并联测量机构的机构误差进行了分柝，运用全微分知识，根 据误差独立作用原则，分析了单因素机构几何误差在测量范围内对测量结果的 影响。 第四章从提高测量装置测量精度角度方面考虑，经过分析测照机构在范围 内已知位置的测鼯不确定度，得出影响测量装置精度的主耍因素是机构的两个 几何角度，采用间接涮量的方式和进行编码器零位角标定可大大提高测量装谶 的精度。 第五章在并联枫梅静组成和运动关系的基硝上，建立了测量梳梅自称定酌 数学模型，劳经：过了攀因素仿真；设计了奄涡滚位移传感器标定方案，提供了 不同曲率半缀螅传感器橼定实验结果，最压绘出了车轮形状测量试验靛结果帮 分毒斥。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章轮对参数测量装置的设计 本章分析了轮对参数的测量测量系统的测量需求，分析了并联式测量机构 和传感器，包括建立了测量机构的数学模型，推导 h 了测量机构运动的正解和 逆解；也简要介绍了测量装置的电气系统。 2 1 轮对几何参数的定义 轮对几何参数包括车轴直径尺寸和车轮有关尺寸，图2 1 为轮对几何参 数的定义，图2 2 为图2 1 中的i 处放大图： 图2 一l 轮对几何参数定义 图2 2i 处放大图 1 、车轴直径尺寸 车轴按其安装的轴承可分为滑动轴承车轴和滚动轴承车轴。目前，我国铁 路货车普遍采用滚动轴承车轴，车辆段检修的轮对中绝大多数是滚动轴承车 轴。车轴的轮座部分与车轮的轮毂采用过盈配合，由于轮对的长期使用和检修 使轮座部分的轴径尺寸发生变化，同时，轴中央育径的尺寸也因检修过程的清 洗、打磨等原因受到影响。 2 、车轮尺寸参数 以磨耗型踏面为例，如图2 2 所示：图中曲线l 表示轮辋原蟛轮廓线，2 表示轮辋磨耗后轮廓线的一种形式。 车轮有关尺寸参数包括： 轮辋厚度a ：指从踏面上距轮辋内侧面7 0 m m 处到轮辋内侧倒角处的垂 轮辋厚度a ：指从踏面上距轮辋内侧面7 0 n h n 处到轮辋内侧倒角处的垂 事轮童覆 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 直距离。 踏面磨耗b ：指运用后轮对踏面上距轮辋内侧面7 0 咖处与标准踏面之 间的垂直距离差。 车轮直径r ：指从踏面上距轮辋内侧面7 0 i n m 处的车轮直径。在轮对检 修中，左右轮径差至关重要，左右轮径无差别时，轮对在左右等分的轮缘游间 滚动，对轨道的方向不平顺反映不敏感；实际运用中的左右轮径差将使轮缘接 触经常接近临界值，轮对即产生冲角而滚动，这不仅使脱轨安全性能低下，而 且使曲线通过性能降低。 车轮偏心：指同一车轮的三等分点处的轮径最大差。 轮缘厚度d ：指从踏面距轮辋内侧7 0 i n m ，再向上1 2 m m 处到轮辋内侧 的水平距离。轮缘厚度与走行稳定性关系很大，厚度越大，轮缘游间越小，对 轨道的方向不平顺反映敏感：轮缘游间过大，容易使轮对产生过大的横向振动， 影响走行平稳性。 轮辋宽度e ：指轮辋内外侧间的水平距离。 轮对内侧距：指同一轮对两个轮辋内侧间的水平距离，测量过程中需对 轮对的三个等分处分别测量，并求出内侧距最大差。车轮内侧距参数直接关系 到轮对是否能顺利通过道岔，是安全性方面必须规定的尺寸。 2 2 测量装置设计思路 线路上被扣货车进入车辆段后，轮对被解体后进入检修流水线。在流水线 的开始和结束两个工位都是进行轮对检查，尽管设黉有对轮对进行水冲洗的除 锈工位，但只有支出工位的轮对可以受益。与普通的被测工件最大的不同是： 收入工位的轮对表面是比较脏的，除了车轮踏面以外的部位几乎均被尘土和锈 迹覆盖，而车轮踏面的情况也是比较差的。 显然，在检修环境下很多测量方式受到限制，环境光线、灰尘的影响，最 终导致金属体的几何边缘与图像的光学边缘严重分离，因此常规的基于视觉的 测量技术，检测准确度较低，提高准确度必须采用许多辅助设施，将付出较大 的代价。激光三角位移传感器的测量斑小，距离大，价格昂贵。而电涡流传感 器灵敏度高，抗干扰能力强，不受油污等介质影响，因此可能是最好的检测方 案。要用它实现测量，必须设置适当的测量机构。 轮对是一个回转体，可通过断面的特征线，评定轮对的质量。因此可将轮 对测量简化为平面曲线甚至直线的测量，所设计的检测系统如图2 3 所示。 西南交通天学碛童研究垒学位论文第1 0 页 分成上、中、下三部分，中间为被测量轮对，下部是现有的掌规转轮器；上部 为专门设诗的检测机构，包括两组平面三自由度并联式测量机构，两个电动基 准探尺鞠一个轴身测量尺，全部安装在一个龙门架上。， 为与流水线配合，该溅量系统有三个工位：隔离位、测量往和稚密位。在 隔离位安装有止轮器，以免使被测量轮对受其它轮对的干扰。 图2 3 测量使装置总体瞬 测鬃位装鬣觅图2 3 ，在隔离位，测试轮对被止轮器送出，然后通过检 测位的转轮器定位，轮对将静置在龙门槊横梁的正下方以备检测。系统的测量 平面为通过轮对轴线的锚垂面，x - y 坐标轴定位在龙门絮的横粱上。在测量装 餐中，两个并联式伸缩机构用来扫描测嫩车轮轮辋断面，从而确定被测舱对的 掰个内黼西和臻谣尺寸在溯量平面雨的嫩标：两个车赣中心线蘩准探尺掰来确 定轮对旋转中心线和轮鹰前肩顶面在测篮平面内位置；轴身直径测量尺确定被 测轮对车辘中央部分静矮蘑在溅嚣平露内懿往甏。这样，决定整个被溅轮鼹在 西南交通大学硕士研究生学位论文第”聪 涎豢平蚕海位置瓣关键赢己经确定。然磊校琚轮瑟尼健参数懿定义诗舞禚关德 的大小。另外，当轮对缓慢滚动时，通过测照车轮滚动圆、轴承夕 圈最高点与 基准线( 龙f j 絮的横梁) 之间的距离羞，可计算车轮的偏心和擦伤。 2 。3 电漏流位移传感器 宅涡滚传感嚣是以邀磁感建理论为基确戆，它碍将输入豹被溅量，翔厚痉、 位移、振动、温度等，转化为电量的变化；这个特点可以用来进行非接触式测 量，灵敏发商，撬于撬麓力强，不受油污等分质影响，因魏，它在工簸生产帮 科学研究领域得到广泛的应用。 2 3 1 传惑器的工作原理 戒块的金属蹙于变化着的磁场中或者农磁场中运动时，金属体内韶要产生 感生电流l ，这种电流在金属体内部跫闭合的，所以称为涡流。这种现象称为 提流效痘。电涡漉传感器主要元 孛是一只黧定予攘架上的熹平线圈，如图2 4 所示，传感器的线圈用高频信号激励，使产生个高频交变磁场由，。当被 测警镩靠l 莲砖感器薅，在磁场 乍曩熬导体表层，裁产生了与l 迦磁场蟠交链豹电 涡流，而此电涡流又将产生一个交变磁场m 。阻碍外磁场的变化，由于电涡流 懿鞠位落嚣予激磁邀滚，电涡流斡磁场疑平堙凳凄着，慈怒抵撬岁 磁场弱存在， 从能量角度来看，在被测导体内存在电涡流损耗，此外遥存在磁效应，因此既 产生焦耳热，又产生磁滞损耗，它们造成交变磁场能量静损失。能量静损失筏 得传感器的等效阻抗z 、等效电感和品质因素q 值变化。因i j 当被测体的电 导率仃、磁导率、线圈的激励频率厂良及传感器与被灞体间的距离d 变亿时， 将弓| 起传感器的等效阻抗z 、等效彀感和品质因素q 馕变化。 因此，当被测材料定时，则电导率盯和磁导率为常数，当传感器与被 测体闻款距离g 改变时，转感器戆等效疆挽z 、等效电感和熬厦毽素9 焦均 发生变化，于是位移量转换成电量。 2 3 2 毫涡流传惑器的等效电路分桥 把金藕导体影象煞善终一个短路线霞，它与传感器之闺寄磁藕会，予憝 可以缛到妻瑟固2 5 辑承载等效电路图。霆中，雾湾激融邀逐，墨和毛为传感 器线圈的电阻和电感，1 为通过传感线圈的交流电流；鹄和如为金属导体的 电阻和亳戆，厶为金属学体内的电涡流，该电流可以等效为短蹄线圈中的短路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 电流。传黪器与短路线鞠之闻靠互感膨藕合，互感系数随裙互间距离蠢静减 小两增大。根据基尔霍夫定律及所设电流正方向，写出方程： 图2 4 电涡流传感器原理 1 墨+ 纽毛一_ 屯= el 。 襄2 l l 寺l 国k l t 一 国融l l = 岛l 解方程组，得： 线圈系统金属导体 图2 5 电涡流传感器的等效电路 扛焉荔i 磊i 丘锏矗= 等学 于悬，线圈得等效阻抗为： z - 墨+ 篙斋纠蚪焉鸣， 扛毛一者鲁岛 拈即煮慕 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 西南交通大学硕士 i f 究生学 鼗论文第13 页 一垒：竺笙! ： p ：丝：堕刍篓5 磐窆 ( 2 6 ) 一艘置l + 堕g 竺一 冀霹+ ( 鸣y 由上面这些式子可见，传感器的输出电参数可以为等效阻抗z 、等教电感 、等效电阻r 和品质因素q ，他们均为膳的函数，也即为距离x 的函数。 凌式( 2 3 ) 秘式( 2 4 ) 分孝器可懿，毫频霾鼹潼撬z 与被溺麓耱辩赘瞧疆率 p 、导磁率、激励频率厂以及传感器与被测导体的距离d 有关，即： z = ，( p ，f ，d ) ( 2 7 ) 鲞被溅导钵材料与激磁频率一迤羁寸，阻抗值将是爨离的单氆瓣数，帮： z = ，( d ) ( 2 8 ) 霹蓥乏，瞧漏滚接感器甏班邋当豹溅蘩电路，镁霹疆把z 、或盆静交纯量 转换成电压的变化量，从而得到位移d 与电压u 之间的转换特性，如圈2 6 所示。 稍用这种电涡流效应，把舔离静交纯交换为电爨的交纯，从丽可做成用于 测量位移、振幅、厚度等的传感器。 强2 6 位骖一电压鼗线毯2 7 掰塘与k 豹关系 2 3 3 电涡流位移传感器的应用分析 毫漏浚臻移铬惑爨瓣工露爨理是辔韵遣磁感瘦将与被溅会藩熬难亵转换 成一定的线圈阻抗，通过放大嚣处理得到距离信号。这种传感器不受金涡表面 涂料、油、沙尘、水等介质影响，可实现非接触测墩，并且反皮快、输出稳定。 毽褥它羯予澎凝溺董，蓄秃涉及麓届部表露筏替一煮懿润题。传惑器线鬻一般 都做成扁平的圆线圈，线圈内径对传感器的参数影响小，外径对传感器的参数 。， 亘獭至塑塞兰堕圭楚塞兰鲎篁笙塞塑! ! 蔓 影响较大，在匝数定豹情提下，羚经减小对灵敏度可提懑，坦楚敏感范撼小。 下面是简要分析传感器线圈一金属导体系统有关参数对传感器藏敏度的影响 艨得出的结果： ( 1 j 传感器线圈外裰对测量灵敏度的影响 假设金满导体中电涡流短路 线圈的面积是处于传感线圈所产生的磁场中，面积咒上的磁感应强度视为均 匀的。校据毕寞一沙伐一粒营拉薪定律，载流露线骝在辘上酶磁蒜应强度嚣为： 肌警寿= 半舞 c z 吲 2 露 囊2 据2 ) 3 ，22酝2 + 搿2 1 3 ，2 、 善， 式中 矾真空磁导攀，熙= 4 万1 0 7 日撬； 流入传感线圈的激励电流强度： 痒煲感墓线麴趋势绞，d ：2 蕴： 算被测距离，即被测金属表面离传感线圈的距离； 健感线圈的匝数。 穿j 窭疋的磁通西：。为 0 2 l = 魑 ( 2 一l o ) 代入式( 2 一l o ) ，刚有： 圣2 l = 燕霸2 淞2 + 口2 ) 3 7 2 ( 2 一1 1 ) 斌中 蜗= 崦2 ，当激励电流不变时，墨为常数；因为互感系数 鹄，= 材= 垂：，五，敌 彳= - 材岛= 局灯2 ( 卫2 + 口2 ) “2 ( 2 i 2 ) 式中叠= 吨2 = ”尉。 令茁= x # ，剥式( 2 一1 2 ) 可每必： m = 后( 1 十彤2 ) “2 ( 2 一1 3 ) 式中素= 墨口= 盹吨，( 2 d ) 。 出式( 2 一i 3 ) 可见，村受潋下两个送素的影嫡： ( 1 ) 系数对m 的影响线圈宜径d = 2 d 越小，在保持尉为常数的条 譬下，则掰僵越大，表示磁勰合作爱强，邀涡瀛镥感器灵敏度糍，测爨范围 小。 西南交通太举硕士讲究生学位论文 第1 5 页 ( 2 ) 毙擅彭对材的影响当壹径廖= 2 9 固定不变对，村谯髓趸毖爝大 而减小，遨时后常数，”足与足的关系如嘲2 7 所示。可见，当x = o ，即岸= o 融，掰盘= l ，磁耦合最强；当搿= 1 ，即算= 时。m 是= o | 3 5 ，磁耦合作用 大大减弱；如果躐离x 继续增大到大于传感线圈半径n ，娜磁藕会作用几乎不 存在了，予是传感器的输出将不反映距离蔗的变化。为了保持有足够的灵敏度， 裔效范围只能是群 l ，郢x d 的小范围肉。 ( 3 ) 被测物体的径向宽度对传感器灵敏度的影响电磁场在线圈半径， 方淘不可髓波及无疆大豹范豳，瑟骞一定的径向澎戒范圈，亳满流密度靛分布 也有一定的径向形成范围。电涡流随半径r 的变化规律如下： ( 2 一1 4 ) 式中r = r 们n 为最大的电涡流密度( y = l 她) 。 当毒巍霉量珏寸，根摄式( 2 1 4 ) 得出 ，一r 关系曲线，如图2 8 所示。曲线与公 式计算表明：在r = 握处，产生最大豹电涡 流密度，工p = 口) = 五；r 口时， 隧着r 增大，毫涡流密度减小，警r = l 港球 时，电涡流密度衰减到最大值的5 。因此 被灏霉体径离宽度不应，l 、予线蘸岁 径豹瓣 票裟意黧器需曩阶s 蚴分布不是警鼗，跨薅皱渊嚣钵豹经淘宽度 孬炎 ” 化，从而引入测隧误差。 抟感器豹测攘区域为线銎粒1 8 绩，謦兹商l 歉诬砖撼器豹最小线圈豪经受 2 m m ，则涡流斑直径约为3 6 聊m 。线圈直径为3 m 小，涡流斑的直径则约为 6 班埘。因此对于曲率较小的物体有可能耀电涡淡传感器进行形状测量，当然 殿选直径小，量程大的传感器。 ( 4 ) 被测物体厚度对传感器灵敏度的影响 由于趋肤效应，金属导体中 电涡流密度随深度增大而按指数瓶律衰减。可用下式表永； ( 2 一1 5 ) 抒 一 r 球 一 o ， ) ， 晰 晰 分 ，y。 ，ltti，、l 1 1 山 磷南交通大学硕士磷究生学位论文第1 6 癸 式中 金属等佛中，离表面距离为y 鼹的毫涡流密发； 上鑫属导体液面上的，也是最大的电涡流密度； y 金属导体中某点与表面的距离； f 趋肤深度，又称贯穿深度。 当岁：f 时，该处电涡流密度下降至表强电涡滚密度z 的三，由下式计算 8 = j 旦 n “。酗r 筇f ( 2 一1 6 ) 式中 ，传感器线圈中激励电流的频率； p 被测导体的电阻率； 麒被瓣导体静稻对磁导率。 投撼式( 2 一1 5 ) 表示豹辘囱电涡滚衰壤规德毒知：在y = 鸯处， 五= o 0 1 8 工；y = 懿时， = o 0 2 5 工a 可以认为形成电涡流的深废是6 f ，称 = 6 f 为渗透深度。因此，当被测金属导体的厚度大于 = 6 f 时，传感器的灵 敏度沟一常数：当被测鑫属学体的厚度小于 = 6 f 时，灵敏度下降丽且随不同 鬻度而改变，这样，将辱l 入测量误差。另外，降低激磁频率厂，露增糯奄涡流 黪雯穿深发f ，对予薜大熬铁磁导体毙艨小瓣 # 锾磁导钵，电涡滚豹茭穿深 度要小。对于实际应用，如线圈的电流频率为l 勉，当测量厚度大于o 2 删” 以上的钢材等强导磁材料及测量厚度大于o 。1 脚m 以上的铜、铝等弱导磁材料 时，测量误差可忽略。 2 ，4 总体结构 渊量缎结擒据强2 3 爨示，摧掇位嗣样嶷装芎盘轮器，以便饺测量结泰 的轮对能顺剥送出。各郄 牛的使用恃况馋具体她介绍如下： 1 、止轮器在我国车辆段检修过程中使用j 常普遍，该测量系统的隔离饭 和推出位，e 安装有止轮器，从而使被测轮对免受其它轮对的干扰，顺利进入和 报出测量彼。 2 、龙门絮律为整个溺爨梳檎的安装臀架，是测量装置躯基体，采蔫3 校 2 0 号攒锶焊接嚣戏。 西南交通大学硕研究生学位论文第17 页 3 、栗用转轮器和两个电动掇尺掏成埝对的定髓和旋转装置，测量过程中， 通过转轮器使轮对放置在传感器的测量范围之内。由于测量装置通过2 个电动 糍准探尺来寻找轮对的转轴中心，因此，测量装鬻对转轮器的精度要求较低， 静静，车辆段检修车间普遍采用的电动转轮器就研满足要求。为了测量车轮盼 擦伤和扁疤以及实现轮对兰个断酾的测量，需要在整个的测量过程中，按要求 旋转轮霹，医垂匕。在转轮嚣的驱动电机上爱装有旋转编羁器，计算机控嗣歪统 通过编码器的读数来控制转轮器的旋转角度。从简实现轮对的定量旋转。 圈2 9并联女4 赞机构 4 、电动基准檬尺由蔑体、纲镶丝强、线性轴承、 牵缩秆、先猎尺、电涡 流位移传感器以及光电接近开关等组成。位移传感器和光电接近开关固定安装 在攘足敬律缩r 耔主， 孛续栉麓另一溃与绸镶丝缀相连，钢丝绳爰一端绕在卷鹰 上，卷筒与电机遇过减速器连接。测量时，电机带动铡丝绳使位穆传感器和光 电开关可浍壳体方向自疰| 伟缩，用来控寻每辘豹中心线积测量轮瘴处的车轴直 径。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 强2 一1 0 涮聚头鐾梭 5 、轴身测量尺与电动基准搽尺机构一样，翔来测量被测轮对轴身顶部在 测量平面内的坐标值。 6 、并联式测鬟枧掬麴x y 平台，转感器溅头豹旋转枫构翻电动基准搽尺 一起构成了测量机构的核心。其中并联式测量机 搀熬x y 乎台缝搦羟霾2 9 掰示，受疆令机梅挺 同的伸缩机构组成，两个伸缩机构一端分别铰接 予麓门粱，横囱 率缩橇祷静伟缀秆舅一漆与鳘 向伸缩机构的伸缩杆另端互相铰接，组成一个 三角形静并联式伸缩视褐。每个伟缩梳梅均由壳 叠 体、滚珠丝杠、铰接于龙门架的铰销、伸缩轩、 步避电机、光栅尺及手渤螺母等组成。步进电枫 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 定的位置。 另外，横向伸缩机构与竖向伸缩机构不同之处在于：在横向伸缩机构的 伸缩杆上固定有带滚子的推摆销，在测量过程中用以拨动电动基准探尺实现轮 座直径的测量和轮对转轴中心的确定之间的切换，即当横向伸缩杆移动到一定 位置时，推摆销与电动基准探尺的壳体贴靠，使其摆动到轮座顶点测量位置， 安装在电动基准探尺上的光电开关提供摆动到位信号。 7 、测头旋转机构如图2 一l o 所示， 它由测量头外壳、转轴、光电编码器、 轴连接件、步进电机以及位移传感器 组成。步进电机固定在测量头外壳上， 电机轴通过连接件与转轴相连，转轴 端部安装有位移传感器，测量头壳体 内装有空心轴光电编码器，编码器的 外壳与测量头壳体的内侧通过连接片 固定连接。测量