（光学专业论文）车辆轮对综合参数光电检测系统的研究.pdf

摘要 y 5 9 4 8 2 轮对作为铁路车辆重要的走行部件，直接关系到行车安全。我国铁路车辆部门对 各型轮对的磨耗限度均有明确的规定，在段修时对轮对综合参数进行检测是保障行车 安全的一项重要措施。目前，我国铁路车辆轮缘几何参数、轮对尺寸参数和踏面缺陷 参数测量大多还停留在手工阶段，特别是列车提速以后，现有检测方法已不能满足车 辆段修的要求，需要研制一种较高精度和可靠性的轮对综合参数自动化检测系统。 国外对轮对综合参数的检测进行了大量的研究和开发，世界各主要发达国家均研 制成功了不同类型的静态和动态检测设备。近年来，国内有多家单位进行了轮对综合 参数的自动检测研究和开发，比较典型的测量方法有接触式测量方法、非接触测量方 法、数码相机测量轮对踏面形状法。采用接触式扫描测量方法，在使用过程中，探头 会逐渐磨损，影响测量结果的稳定性，维护和定标的工作量较大。非接触测量方法是 采用激光位移传感器进行扫描测量，由于不同轮对踏面轮缘部分的磨耗不同且形状不 一，扫描转动机构难以保证激光位移传感器光轴与轮缘表面较垂直，这会带来较大的 测量误差，而且扫描转动机构结构较复杂。数码相机测量轮对踏面形状的方法，需要 用试块接触内侧面进行定位，另外数码相机的拍摄和传输速度一般均较慢，难以用于 转动中轮对踏面的测量。 根据各参数测量精度要求，本文提出了相应的检测原理和方法。轮缘几何参数的 测量是利用线结构光测量原理和光电图像检测方法检测，解决了轮缘厚度、踏面磨耗 这一关键技术难点。轮对尺寸参数是利用基于激光三角法测量原理的激光位移传感器 来检测，踏面缺陷参数的测量是利用激光位移传感器和图像处理相结合的方法来检 测，其测量精度达到车辆段修要求的技术指标。系统结构设计中，采用步进电机驱动 的导轨，带动滑台上的传感器支架装置和托轮定位装置实现被测轮对的定位，采用转 轮装置实现轮对正反转。系统安全性设计上采用挡轮装置防止前后轮对碰撞在检轮 对，系统可靠性设计上硬件采取光电开关和接近开关装置，防止运动超限或传感器发 生碰撞，软件上采用自检程序检测各传感器及板卡工作状态，具有自动诊断功能。检 测系统启动后系统自动运行，检测结果在屏幕上实时显示并自动传输到数据库中。具 有数据库存储、查询、备份、统计等管理功能，可按规定格式输出车统一5 1 c 轮轴卡片。 软件设计采用兼容性和可移植性好的模块结构设计，人机界面友好。通过实验分析了 各种因素对测量误差的影响，得出了误差修正的依据。该系统是综合激光与光电技术、 数字图像处理技术、精密测控技术于一体的自动化设备，能非接触自动测量轮对综合 参数，检测精度较高、重复性好、维护量小，工作稳定可靠，现场使用达到段修使用 要求的技术指标。 关键词车辆轮对综合参数光电检测自动检测测控系统 寡静俸糟、导雕哺蠹 螺，lt j 越 a b s t r a c t w h e e ls e ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr o l l i n gc o m p o n e n t si nt h ev e h i c l e i ta f f e c t st h e s a f e t yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nd i r e c t l y o u rc o u n t r y s t r a i nv e h i c l ed e p a r t m e n t sh a v e s p e c i f i cs t a n d a r d sa b o u t w e a ra n dt e a rl i m i to fa l lk i n d so fw h e e l s m e a s u r i n g p a r a m e t e r s o fw h e e ls e ti san e c e s s a r ys t e pf o rp r o t e c t i n gt r a n s p o r t a t i o ns a f e t y b u ti no u r c o u n t r y , t h e m e a s u r e m e n tw a sd o n eb yu s i n gh a n d sm o s t l y w i t ht h es p e e d u po ft r a i n ，t h ec u r r e n t d e t e c t i n g m e t h o d sc o u l dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fw h e e lm a i n t e n a n c e am o r ea c c u r a t e a n dr e l i a b l ea u t o m a t i c d e t e c t i n g m e t h o da n d s y s t e mo f w h e e ls e tp a r a m e t e r sw a s n e c e s s a r y i nm a n y d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，al o to f a d v a n c e dr e s e a r c h e sh a db e e nd o n e m a n ys t a t i ca n d d y n a m i cm e a s u r i n ge q u i p m e n t s w e r e d e v e l o p e d r e c e n t l y , l o t s o fr e s e a r c h e sa n d d e v e l o p m e n t si no u rc o n n t r yh a da l s ob e e nd o n e t h ec o n t a c t e d ，n o n - c o n t a c t e da n dt h e m e a s u r i n gb yd i g i t a lc a m e r aw e r et h et y p i c a lm e t h o d s t h ec o n t a c t e dm e t h o dl e a d e dt o w e a ro fs e n s o r sa n da f f e c t e dt h e s t a b i l i t yo fr e s u l t ，t h u sm a i n t e n a n c eb e c a m em o r e d i f f i c u l t t h en o n c o n t a c t e dm e t h o du s e dl a s e r d i s p l a c e m e n t s e n s o rt os c a nt h e o b j e c t i t w a s d i f f i c u l tt om e a s u r ed i f f e r e n tg e o m e t r i c a lp r o f i l e so ft h ew h e e ls e tf l a n g eb e c a u s et h eo p t i c a l a x i ss h o u l db ev e r t i c a lt ot h es u r f a c eo ff l a n g e i tw o u l dl e a dt om u c hm o r ee r r o r sa n d c o m p l e xs c a n n i n gs t r u c t u r es e t m e a s u r i n gw h e e ls e tf l a n g eb yd i g i t a lc a m e r an e e d e d c o n f i r m i n gr i mi n s i d ep l a n eb ys p e c i a lo b j e c t i tw a sd i f f i c u l tt om e a s u r er u n n i n gw h e e l s b e c a u s ed a t at r a n s m i s s i o ns p e e dw a ss l o w a c c o r d i n g t or e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so fw h e e ls e t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e d c o r r e s p o n d i n gd e t e c t i n gp r i n c i p l e sa n dm e t h o d s t h el i n es t r u c t u r el i g h ta n do p t o e l e c t r o n i c i m a g ed e t e c t i n gm e t h o dw e r eu s e dt om e a s u r et h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ef l a n g e t h e m o s td i f f i c u l td e t e c t i n gp a r a m e t e r sw e r em e a s u r e d a c c u r a t e l y o p t i c a lt r i a n g u l a t i o nm e t h o d w a su s e dt om e a s u r eg e o m e t r i c a ld i m e n s i o np a r a m e t e r s b y l a s e r d i s p l a c e m e n t s e n s o r s c a n n i n g b o t hl a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rs c a n n i n ga n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw e r e u s e dt om e a s u r ef a i l u r ep a r a m e t e r s t h ed e t e c t i n gr e s u l t so fp a r a m e t e r so fw h e e ls e tm e t t h er e q u i r e m e n t so fv e h i c l em a i n t a i n i n g i nt h es t r u c t u r ed e s i g no fs y s t e m ，t h ep o s i t i o no f s e n s o r sw a sc o n t r o l l e db ys t e pm o t o ra c c u r a t e l y a n dt h e r u n n i n gw h e e ls e td r o v et h e d e t e c t e dw h e e l s r u n n i n g i nc e r t a i ns p e e d f o rt h es a f e t y , p r o t e c t i n gs e t sw e r eu s e dt oa v o i d t h es y s t e mf r o m h i t t i n gw i t h o t h e rw h e e ls e t s o p t o e l e c t r o n i cs w i t c h e sw e r eu s e dt op r o t e c t t h em o v e m e n tu n i t sa n d s e n s o r s s e l f - d e t e c t i n gp r o g r a mc o u l dd e t e c tt h es t a t u so fs e n s o r s a n dw h e e ls e t d e t e c t i n gr e s u l t sw e r ed i s p l a y e dr e a l - t i m ea n dt r a n s m i t t e dt od a t a b a s ea u t o m a t i c a l l y t h ed a t a b a s e h a dt h ef u n c t i o no fs a v i n g ，i n q u i r i n g ，c o p y i n ga n ds t a t i s t i c s t h e d e t e c t i n gr e s u l t sc o u l db ep r i n t e d a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n tf o r m a t t h eo p e r a t i o ns y s t e mp l a t f o r mw a sw i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a le d i t i o n m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw a sp r o g r a m m e db yv i s u a lc + + 6 0l a n g u a g e t h ed a t a b a s ew e l e d e v e l o p e db ys o l a n dp o w e r b u i l d e r t h es o f t w a r eu s e dm o d u l es t r u c t u r ed e s i g n i n gm e t h o dt h es y s t e m d e s i g n e df r i e n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e e x p e r i m e n te q u i p m e n t - w a sd e s i g n e da n dr e s u l t sw e r e o b t a i n e d f a c t o r sa f f e c t i n gt h em e a s u r i n g a c c u r a c yw e r ea n a l y z e da n dt h ec r r o rc o r r e c t i o n m e t h o dw e r ea l s od i s c u s s e d l a s e ra n dp h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g y , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n d e x a c tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g yw e r eu s e di nt h es y s t e m w h e e l s e t p a r a m e t e r s c o u l db em e a s u r e db yn o n - c o n t a c t e da n da u t o m a t i cw a y t h ea c e u r a c y ， s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do f w h e e ls e t sm a i n t a i n i n g = k e yw o r d s w h e e ls e t ，c o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r s ，o p t o e l e c t r o n i cd e t e c t i n g ，a u t o m a t i c d e t e c t i n g ，m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m 竺塑塑翌查堂堡主堂堡堡茎 兰二兰堕堡 - - _ _ - _ - j _ _ _ 一 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 火车轮对是由两个相同的车轮和一根车轴组成的整体。车轮滚压在钢轨上的接触 部分称为踏面，车轮踏面内侧有一沿圆周突起的凸缘称为轮缘。 由于铁路车辆车轮是传递与钢轨间的驱动力及制动力的，车轮同轨道及制动闸片 会产生撞击、摩擦，由于摩擦造成的车轮踏面磨损，使得车轮直径减少；由于制动、 车轮与钢轨在转弯时的相对滑动及材料本身存在的缺陷等因素造成的踏面擦伤或剥 离，使得踏面滚动圆呈弦缺状( 扁平) ，除此以外还经常遭到雨、雪、油污甚至腐蚀 剂的侵蚀，所以在运行一定的时间后便会产生一系列的缺陷。具体来说，轮对的主要 缺陷有踏面及轮缘的磨耗、踏面的剥离和擦伤等。踏面及轮缘的磨耗，将使轮对的几 何形状发生变化“1 。 踏面的磨耗过大将产生严重的事故隐患：踏面的斜度必然遭受破坏，将引起蛇 行运动的加剧，使车辆运行平稳性，特别是横向平衡性下降；同时，使车轮通过曲线 钢轨时，车轮产生局部滑行。这样不但增加运行阻力和车轮与钢轨的磨耗，而且影响 行车安全。使轮缘相对高度增加，极有可能切断鱼尾板螺栓，从而造成车辆颠覆事 故。 轮缘的磨耗主要有3 种形式：轮缘厚度减小，轮缘顶部形成锋芒和轮缘垂直磨耗。 轮缘磨耗严重时，将会发生下列不良后果：轮缘厚度磨耗变薄后，强度下降，当轮 对通过曲线或作蛇行运动时，轮缘在来自钢轨水平力的作用下，会导致崩裂缺损，甚 至会造成行车事故。轮缘顶部形成锋芒后，在轮对通过道岔时，可能挤开尖轨而造 成脱轨事故。轮缘垂直磨耗超过限度时，其轮缘根部与钢轨内侧面形成平面接触， 当车轮通过道岔时，由于轮缘与钢轨接触处没有弧形，就会使车轮碰击尖轨或爬上撒 叉心，同样会造成脱轨事故。 车轮踏面擦伤剥离是铁道机车车辆轮对故障中最常见的损伤形态之一。踏面的擦 伤与剥离会使踏面局部凹陷，于是车轮在运行中就会出现周期性的跳动，运行速度越 高，振动和冲击就越大，其结果不但加速了对线路的破坏，而且使列车运行平稳性变 差，车辆零件也容易损坏，并容易发生热轴事故。 轮对作为铁路车辆重要的走行部件，直接关系到行车安全。在实际运用过程中， 由于存在着线路养护条件差、轮轨外形及材质匹配不合理、转向架技术状态不良、牵 引装载定数过大和离心力变化等诸多原因，导致轮对踏面和轮缘的磨耗加剧，影响了 机车车辆的正常运转，降低了机车车辆的利用率。因此，及时地掌握车轮的磨耗状况 是非常必要的，准确的检测列车车轮踏面磨耗，确保踏面受损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有重要意义。随着列 车速度和载重量的不断提高，车轮磨耗对轮轨冲击将越来越严重，因此研究动态检测 和预报轮对踏面磨耗的方法和系统将为列车的行车安全提供技术保障。 华南师范人学硕上学位论文 第一章绪论 我国铁路机车车辆部门对各型车辆轮对的磨耗限度均有明确的规定。在检修车轮 时，主要通过测量轮缘踏面外形的磨耗参数来判断车轮的磨耗程度。这些数据包括， 车轮直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等，其中以轮缘厚度、踏面磨耗最为关键。 在关系到机车车辆运行安全的车轮踏面外形磨耗参数检测方面，世界各主要发达 国家均研制成功了不同类型的检测设备。“3 。目前，我国铁路车辆轮对综合参数的测 量大多还停留在手工阶段，主要靠特制卡钳和直尺测量和记录数据，工人劳动条件差、 劳动量大、劳动效率低，而这种检查，不可避免地引入了测量者的人为因素，直接影 响了精度和可靠性，而且手工测量己不能适应我国铁路事业的发展。现有检测方法已 不能满足车辆段修的要求，因此需要研制一种较高精度和可靠性的轮对综合参数自动 化检测系统，才能准确而高效地检测轮对综合参数。 研制轮对综合参数的自动测量装置不仅是检修部门的需要，同时也为轮轨接触几 何关系的进一步研究提供了极大的方便。借助于计算机的数据处理和网络通讯功能， 可以对运用中的任意一个轮对从其出厂到最后报废的整个过程进行全面的跟踪，从而 对它的整个运行情况有较全面的了解，进而对轮轨接触几何关系作进一步的理论研 究，为提出更加合理的踏面、轨面形状奠定基础。 另外，轮对综合参数自动测量装置的研制也是我国数字化铁路的一个发展方向。 数字化铁路的实现对我国铁路事业的发展具有非常重要的意义，对于车辆检修部门来 讲，数字化的实现对从目前预防修到将来状态修的过渡有着积极的意义。由于目前缺 少较准确、快速和经济的轮缘踏面磨损量自动检测手段，难以得到较佳切削余量，轮 对旋修时切削余量普遍偏大，其结果不但造成了材料极大浪费，而且大大降低了车轮 使用寿命。如果每次检查都能得到测量数据，则根据数据的积累和趋势分析，则容易 对每条轮对进行磨耗预测，并在车轮计划旋削和车辆运营业务中反映出来。 近年来，我国工业控制技术领域的巨大进步和市场的开放，给计算机控制技术、 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，我国对轮对参数自 动检测的研究远远落后国民经济的发展，这一方面是由于铁路部门本身行业垄断的原 因，另一方面是我国在高精度定位及运动控制技术应用方面还缺乏广泛的推广。从国 际方面来看，日本、美国、英国、法国、德国、等在轮对自动检测方面进行了大量的 研究，并研制出各种类型的检测装置，在铁路交通部门得到了广泛的应用，产生了可 观的经济和社会效应。与此同时，他们纷纷把目光瞄向中国这个尚未开发的大市场， 接二连三的在我国设立了办事机构，以推销他们的轮对检测装置产品。但是国外进口 设备不仅价格昂贵，而且采用传统视觉、位移测量或激光扫描测距方法，局限于轮对 外形尺寸的测量，检测精度也有待进一步提高。另外，国外的铁路系统与我国铁路系 统有差别，轮对所用材料、规范及轮对外形尺寸也有所不同，因此目前利用进口设备 来检测我国轮对时机还未成熟。但是随着我国加入世贸组织后，对我国民族工业的发 展提出了更高更严格的要求。当前，迫切需要开发和研究提高我国铁路车辆轮对的检 测技术水平，以便在国际市场的激烈竞争中有自己的立足之地。 2 我国作为一个发展中国家，铁路运输在交通系统中占有举足轻重的地位，本课题 研制的高性能轮对自动检测装置，每减少l m m 外径修理尺寸，可延长1 0 万公里行程 寿命，其研制成功将创造显著的经济和社会效应，可在全国铁路系统大量推广应用， 产品市场潜力较好，对于早日实现列车的进一步安全提速和加速我国铁路系统的发展 具有比较重要的现实意义。 1 2 国内外研究概况 轮对综合参数的测量方法基本分为静态检测法和动态检测法。静态检测是指机车 车辆在检修时进行的测量，动态检测则是指机车车辆在运行时进行的测量。 国外各主要发达国家为此进行了长期研究和探索，也取得了显著成果。概括起来， 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。机械量具测量主要有专用 卡尺法、a a r 手指型测量仪测量法、仿形法、百分表扫描法、电子轮廓测量仪测量法、 滚轮扫描法。1 。 专用卡尺法有第四种检查器、内侧距检查尺、轮径卡尺。第四种检查器，将轮缘 厚度测量基准选择在踏面滚动圆上1 2 r a m 处，并且采用了游标原理，将踏面和轮缘测 量分度值提高到0 1 m m o 2 m m 。优点是操作较方便，但是游标读数受测量者人为因素 的影响，且轮缘受损时测量精度会受到影响。 a a r 手指型测量仪的测量原理及方法与专用卡尺法相似，但基准选择不同。可以 从游标卡尺上直接读出踏面厚度和轮缘厚度，具有结构简单、使用方便的优点，但测 量精度较低。 仿形法的特点是结构简单，测量头在踏面上移动的同时，与测量头装在一起的笔 可以快速地描绘出踏面外形曲线，与标准样板比较，很快判断出各部分的磨耗尺寸， 适用于现场快速事故分析。缺点是测量精度较低。 百分表扫描法：百分表扫描法是用百分表代替了仿形法中的测量头。当测量头在 踏面上移动时可在导杆上读出x 坐标值，在百分表上读出y 坐标值，从而得到踏面形 状。但是，这种测量装置使用不方便，费时较多，特别在轮缘过渡处测量精度很低。 电子轮廓测量仪测量法：电子轮廓测量仪测量原理与a a r 手指型测量仪相同，测 量数据由数字显示，避免了用机械式测量时容易出现的读数误差，并且能把测得的轮 缘磨损数据保存在电子记录器内，这是最初的数字化测量。 滚轮扫描法：w r s 2 0 0 0 型铁道车辆车轮踏面轨头外形快速测录仪能测录踏丽整个 外形，显示轮缘高度、轮缘厚度、磨耗分布等参数，是当前踏面接触式测量中自动化 程度最高的一种。 以上的踏面测量方法都属于接触式测量范畴，其共同特点只适用于静态测量。随 着微电子技术和可编程技术的发展，机械量具已逐渐被电子量具所取代。 下面简要介绍几种国外典型的电子式测量产品。美国国际电子机械有限公司于8 0 年代末期研制成功便携式车轮断面测量仪。这种仪器可以在2 秒的时间内测出轮缘厚 兰查塑垄查兰堡圭兰垡笙茎兰二里! ! 堡 度和踏面磨耗等数据，并能打印记录测量结果，使用非常方便。该公司还于同期研制 成功便携式的轮径电子测量仪和车轮轮廓测量仪。芬兰铁路已于9 0 年代初期研制成 功车轮外形测量仪。这种仪器可以测绘磨耗车轮的外形并将测得的数据与存储的参考 数据比较，进而计算出车轮外形参数并对近限或超限车轮发出旋修指令。日本铁路与 8 0 年代未期研制成功轮对自动检测装置，该装置可测量轮缘厚度、踏面磨耗和车轮内 距等数据，当所测尺寸超过限度值时，便有红色数字显示，测量误差小于o 2 m m ， 测量周期约为2 0 分钟对。这套装置不仅实现了检修作业自动化，提高了检测精度和 可靠性，而且极大地改善了作业环境。 动态检测技术是与静态检测技术同步发展起来的，由于具有测量自动化程度高、 不占用机车车辆周转时问和便于存储车轮信息资料等特点，因此动态检测技术同益受 到世界各国的重视。对车轮外形参数施以动态检测，可采用随车测量型式或地面测量 型式。随车测量型就是在机车车辆上安装车轮外形参数的测量系统，虽然能够做到实 时检测，但需为所有车轮都加装传感器件，不经济也不必要。据资料检索，目前仅有 日本铁路对新干线电动车组开发试用了随车式车轮磨耗形状检测装置。地面测量型就 是在线路上固定安装车轮外形参数的测量系统，对于大量正在运用的机车车辆而言， 这种地面式动态测量设备最为理想。 下面简要介绍几种国外典型的地面式检测装置。俄罗斯联邦铁路于9 0 年代中期 研制成功轮对参数自动化检测装置。它采用超生遥测的非接触测量方法，当机车车辆 以不大于5 k m s 的速度运行时，遥测传感器组可测出距车轮各个特征表面的距离，经 分析处理后，可得出车轮直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等参数。罗马尼亚铁 路于9 0 年代初期研制成功车轮外形磨耗自动检测装置。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所有车轮的外形轮廓，在计算程序的辅助下，便 可得出车轮的外形参数并做出判断和进行处理。德国铁路于8 0 年代末期研制成功轮 对自动诊断装置，其主要功能就是当列车以小于5 k m h 的速度运行时，自动测量车轮 断面的几何参数，整套装置安装在汉堡机务段的综合检查车间内，可实现非接触动态 检测。美国l o r a n 公司于9 0 年代中期研制成功2 种型式的车轮自动检测系统，低速 检测型和高速检测型。这套系统可以自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记数等功能，可以测量轮缘厚度、踏面磨耗和车轮直径等参数， 同时在精确度以及方便性和安全性等方面，均能满足使用要求。 我国在轮对综合参数静态检测方厩的研究也较多，比较成功的有： 4 兰壹塑苎查兰型主兰竺丝兰 一2 已! ! 堕 凰1 - 3 轮径卡尺 目前普遍采用的第四种检查器( 图1 1 ) 用来测量轮辋宽度和厚度、踏面磨 耗、轮缘厚度以及踏面擦伤；采用内侧距检查尺( 图1 - - 2 ) 检测轮对内侧距；采用轮 径卡尺( 图1 3 ) 测量车轮直径；用直径卡尺测量左右轮座部位、轴中央三处车轴直 径。 便携式测量仪( 图1 - - 4 )用来测量车轮踏面形状，主要有以下几个特点：采 用旋转坐标，小巧便于携带，测量速度快，适合现场使用，精度较高：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 转换的零飘、温飘问题，抗干扰性好，数据稳定，误差最 大位0 0 5 r a m 。 专利c n1 2 5 6 3 9 7 a 公告提供了一种扫描式的地铁车轮测量仪器( 图1 5 ) ， 属接触式测量设备。装置由测量头、位移传感器、转动装置、测量头自动升降装置、 定位装置以及电脑控制系统组成。能动态显示踏面形状、轮缘厚度、凸 圈1 4 便携式测量仪鞠卜5 地铁车轮路面形状检测 面高度，形状曲线上任意一点x 、y 坐标及该点与标准形状或磨损后形状之间的偏差 等。但在测量过程中，当测头轴线不与轮缘磨耗面垂直或被测表面特别粗糙时，测头 容易损坏，此外该测量仪不能测量轮辋厚度，在车轮有辗宽情况下也无法测量轮辋宽 度，装置结构较大，测量时需要人工定位，操作麻烦。 近年来，我国铁路工作者在轮对综合参数检测方面也做了大量的工作和相关的研 5 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 究，国内有多家单位进行了轮对综合参数的自动检测研究和开发，比较典型的测量方 法有接触式测量方法、非接触测量方法、数码相机测量轮对踏面形状法。 2 。 采用接触式扫描测量方法，在使用过程中，探头会逐渐磨损，影响测量结果的稳 定性，维护和定标的工作量较大。国外机车车辆走行部件无损检测的发展充分说明了 多种检测方法的组合和新技术的应用，特别是自动化无损检测技术已成为大势所趋。 非接触式扫描测量方法是采用激光位移传感器或电涡流传感器进行扫描测量。轮 对外形的特殊性主要在于踏面平坦处与陡峭之间的最大倾斜度可达8 0 多度，由于不 同轮对踏面轮缘部分的磨耗不同且形状不一，而不同位置处的测量精度却要求基本相 同。采取扫描测量方式测量，扫描转动机构难以保证传感器与轮缘表面较垂直，这会 带来较大的测量误差，而且扫描转动机构结构较复杂，不可避免的带来其它问题。 数码相机测量轮对踏面形状的方法，该方法需要用试块接触内侧面进行定位，另 外数码相机的拍摄和传输速度一般均较慢，难以用于转动中轮对踏面的测量。光电图 像检测方法是近年来在测量领域中形成的新的测量方法，特别是光电图像传感器 ( c c d ) 技术的发展，使得使图像测量技术更易应用于实际测量中。c c d 以它无可比拟 的优点，日渐成为现代光电技术和现代测试技术领域中最有发展前途的技术手段之 一，特别是在工业产品的加工过程中对工件的尺寸、位置、表面缺陷等物理量实现非 接触在线检测，是其重要应用之一。 目前图像测量的方法可分为： 光学图样法，利用物理光学成像原理，通过将光学系统形成的光学条纹，如干 涉条纹、散斑条纹、莫尔条纹等，转化为相应的电信号，经过采集和量化，由计算机 进行运算和分析后，再数字化显示输出。 基于固体成像传感器的光电法。两者主要差别在于，后者的光学系统应用中主 要以光学的几何形状和几何光学基本定律为基础，直接从物体的“本来面目”中提取 有用信息，相比之下，光电测量法具有结构简单、环境适应性好、信息直接、数据易 于处理和管理、适用范围广等特点。近年来，由于固体传感器件和图像处理技术的发 展，这一领域也取得了巨大发展。光电图像测量从信号响应时间上可分为静态和动态 测量，从信号空间维数又可分为一维信号处理、二维信号处理和多维信号处理。论文 研究的对象主要是静态二维灰度图像的信息表达。 光电图像检测方法的优点： 第一，非接触检测。由于采用光电检测技术和摄像技术，因此，可以对运动中的 工件进行动态检测。检测过程中与被测工件不接触，使被测件材质的适应范围宽，无 划伤被测表面、变形及磨损误差等问题，满足国际规定的形位误差条件。 第二，多功能检测。通过摄像或扫描的方法获得的测量图像中包含被测工件的几 个几何量信息，因此，对复杂的工件进行一次性检测就可获得全部的测量数据。 第三，高效的数据处理。微电子技术、半导体超大集成器件的发展，特别是计算 机技术的成熟，数据的采集和处理实现了自动化。同时，随着图像处理技术的不断完 华南师范大学硕上学位论文 第一章绪论 善，计算机辅助测试的功能更加强大，图像测量技术得到更加广泛的应用。 轮对经过一段时间磨损后，每个轮对外形特征均会发生变化，如车轮直径、轮缘 厚度、踏面剥离及擦伤等，并且难以找到其规律，其测量问题一直是铁路行业的难题。 目前，轮对的测量在国内基本上还是靠手工完成，虽然也有一些轮对自动测量装置， 但基本上都是接触式测量或带有复杂机械运动机构的非接触式测量，存在的主要问题 是：测量机构复杂，价格昂贵，对一些重要的轮对参数还无法实现自动测量，可靠性 和测量精度也有待进一步提高。 以上设备的研制对提高轮对检修的现代化程度起到了推动作用，也收到了一定的 使用效果，但皆因存在不同问题没有推广使用，我国关于轮对几何参数检测的产品在 技术指标等方面尚与国外的产品有较大的差距。 从上面可以得出国内在轮对自动检测方面有以下特点：我国轮对参数自动检测技 术起步晚，方法少。且大都是针对某一具体细节。大多数在研制的自动检测装置，处 于理论和实验研制阶段，由于具体研制的方法不同，均存在这不同的问题，研制的装 置在铁路方面也没有得到很好的应用，无法达到预期的社会效益和经济效益。加上我 国在高精度定位及运动控制技术方面还缺乏广泛的推广，总体来说，国内在轮对参数 自动检测方面的研究有待进一步加强。 为适应机车车辆检修体制从定期修制向状态修制的转变，我们应该密切关注世界 铁路科技发展动态，加紧研制现场急需的各种静态和动态车轮检测设备，同时加大科 技产品的推广开发力度，为机务车辆部门提供实用可靠的车轮状况诊断手段。 i 3 本论文的主要内容 火车轮对综合参数的检测对我国铁路车辆事业的发展有重大意义，在了解国内外 研究概况的基础上，分析了几种检测方法的优缺点。根据轮对参数的定义及其分类， 分别提出了轮缘几何参数、轮对尺寸参数、踏面缺陷参数的测量原理和检测方法。在 综合考虑系统设计要求的基础上，进行了硬件、软件结构设计，并对轮缘参数设计了 实验和分析了误差，现场测量结果说明测量精度达到段修使用要求的技术指标。 7 笫二章系统测量原理 2 1 轮对综合参数定义及分类 铁路车辆轮对是由两个相同的车轮和一根车轴组成的整体。车轮滚压在钢轨上的 接触部分称为踏面，车轮踏面内侧有一沿圆周突起的凸缘称为轮缘。 圈2 1 轮对综合参教宦义图2 2i 静轮辋放大图 轮对综合参数有轮缘厚度、踏面磨耗、垂直磨耗、车轮直径、偏心、轮辋厚度、 轮辋宽度、轮对内侧距、车轴直径、轮座直径、踏面擦伤、踏面剥离等1 6 个参数， 其中同一轮对最大轮径差、轮对内侧距三处最大差、同车轮相互垂直直径差等参数分 别是根据基本参数推导出。 以磨耗型踏面为例，如图2 1 是轮对综合参数的定义，图2 2 所示：图中曲线l 表示轮辋原形轮廓线，2 表示轮辋磨耗后轮廓线的一种形式”。 轮缘厚度d ：指从踏面距轮辋内侧7 0 r a 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 顺反映不敏感；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。 踏面磨耗b ：指使用后轮对踏面上距轮辋内侧面7 0 r a m 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 r a 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情况下滚动，对 轨道的方向不平顺反映不敏感；实际使用中的左右轮径差将使轮缘接触经常接近l 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：指同车轮的三等分处的轮径最大差。 轮辋厚度a ：指从踏面上距轮辋内侧面7 0 r a m 处到轮辋内侧倒角处的垂直距离。 轮辋宽度e ：指轮辋内、外侧间的水平距离。 轮对内侧距：指同一轮对两个内侧面间的水平距离，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 利通过道命，是安全性方面必须规定的尺寸。 车轴直径、轮座直径：车轴按其安装的轴承可分为滑动轴承车轴和滚动轴承车 下轮誊径 兰堕堑翌查兰堡主堂垡笙奎j 塾三兰墨堡型量坚 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，轴中央直径的尺寸也因检修过程的清洗、 打磨等原因受到影响；因此，我国铁路部门在轮对的检修规程中对这两项内容的检查 作了明确的规定。另外，对于采用滑动轴承的货车车轴来讲，车辆段检修规程中还对 轴径、轴领部分的有关尺寸作了明确的规定。 踏面擦伤：由于车轮在轨面上滑行，而把圆锥形踏面磨成一块或数块平面的现 象叫踏面擦伤，如图2 3 所示。造成踏面擦伤的原因有车轮材质过软、制动力过大、 制动缓解不良、调车溜放时单方向使用铁鞋制动、同一轮对两直径相差过大等a 图2 3 踏面擦伤 踏面剥离：车轮踏面表面金属成片状剥落而形成小凹坑或片状翘起的现象叫踏 面剥离，如图2 4 所示。 图2 4 踏面剥离 另外，车轮外侧碾宽是指由于车轮与钢轨之间的碾压，造成轮辋圆周外侧边缘部 分的表面金属，向外侧凸出的轮辋的宽度。踏面擦伤、剥离长度的计算是指沿踏面圆 周方向或垂直方向曲面上擦伤、剥离部分外侧边界的长度，由于实际轮对踏面擦伤、 剥离的情况千差万别，形状极不规则，所以判别的难度较大，一般情况下以人眼辅助 识别为参考，再加以定量测量为准。 以上各参数在我国铁路部门检修规程中均有明确的规定，主要技术指标如下表 1 ( 以货车轮对为例，单位为毫米) ： 序号被测参数测量范围段修限度测量精度 l 踏面磨耗 一5 _ 9 5 o 2 2 轮缘厚度 1 2 3 72 6o 2 3 车轮直径 7 2 5 8 5 5 0 2 4 偏心 2o 2 5 同一轮对 2 0 2 最大轮径差 9 华南师范大学硕士学位论文 第- - 章系统测量原理 6轮对内侧距 1 3 4 5 1 3 6 51 3 5 4 1 3 5 9 ( 轮辋宽 o 1 1 2 7 1 3 5 ) ，1 3 5 0 1 3 5 6 ( 轮 辋宽 1 3 5及以 上) 1 3 5 7 1 3 5 9 ( 轮 辋宽1 2 6 1 2 7 ) 7 轮对内侧距三处 30 2 最大差 8 轮辋厚度 2 0 一8 02 8o 2 9 轮辋宽度 1 2 5 1 5 01 2 7o 1 1 0 车轴直径 1 7 0 一1 8 0 0 1 l l 轮座直径 1 8 0 一2 0 0 0 1 1 2 车轮踏面一处2 0l 剥离长度二处均l o 1 3 车轮踏面擦伤及 一3 9o 50 1 局部凹下深度 1 4 轮缘垂直磨耗1 50 2 1 5 车轮外侧碾宽5o 2 1 6 同车轮相互垂直 0 5 o 2 直径差 根据轮对综合参数定义及其检测技术指标要求，可将其分为三类：轮缘几何参数、 轮对尺寸参数、踏面缺陷参数。 轮缘几何参数包括轮缘厚度、踏面磨耗、轮缘垂直磨耗三个参数，在检修车轮时， 主要通过测量车轮轮缘的这三个参数来判断车轮的磨耗程度。轮对外形的特殊性主要 在于踏面平坦处与陡峭之间的最大斜度可达8 0 多度，由于不同轮对踏面轮缘部分的 磨耗不同且形状不一，而不同位置处的测量精度却要求基本相同，因此轮缘几何参数 部分的测量是车轮磨耗测量的关键技术难点。本文利用线结构光测量原理和光电图像 检测方法可实现轮缘几何参数的测量。 轮对尺寸参数包括车轮直径、偏心、轮辋厚度、轮辋宽度、轮对内侧距、车轴直 径、轮座直径、轮对最大轮径差、轮对内侧距三处最大差、同车轮相互垂直直径差、 车轮外侧碾宽。这部分参数体现了车轮直径、内侧距、轮辋、轮轴、轮座部分的尺寸 信息，本文利用基于激光三角法测量原理的激光位移传感器，采用系统的定位装置和 精密二维运动导轨所控制的传感器支架装置进行扫描，直接或间接求出这部分参数。 踏面缺陷参数包括踏面擦伤、踏面剥离的参数，对于踏面缺陷参数的测量，出于 1 0 华南师范大学硕士学位论文 第二章系统测量原理 车轮踏面为曲面，擦伤、剥离本身情况复杂，差别较大，形状不一，毫无规律，轮对 踏面曲面一周所测量量较大，图像测量法不易精确控制物距，精度难以保证，而且难 以区分曲面上擦伤、剥离情况的有无，所以必须整个曲面扫描图像，图像数据量大， 不利于处理。因此本文利用激光位移传感器对车轮踏面进行快速扫描，与图像处理相 结合的方法来可实现踏面缺陷参数的测量。 轮对参数检测原理框图见图2 5 所示。轮缘几何参数的测量，是在轮对慢 圈 l三 激光线光源 口 i 旺日 ccd旺司 委委 口 匿 口 激光位移传感器匕 釜薹 鬻 口 眨漆溱瓣燃燃浚篓蠹囊麓麓l 鬻瀚瀵 i ， 攀 区固 口 匿 匝匝圆 图2 - - 5 轮对参数检测原理框图 圈 c 速旋转的条件下，通过c c d 实时获取轮对踏面和轮缘的轮廓曲线，得到轮缘高度、 轮缘厚度、踏面磨耗、垂直磨耗等参数。轮对尺寸参数的测量，是通过轮对车轴、轮 座、踏面上方，以及轮辋两侧的精密激光位移传感器扫描，可以得出轮对直径、轮对 内测距、轮辋宽度、轮辋