机车轮对在线检测装置

1、机车检测与故障诊断课程作业课程名称： 机车检测与故障诊断 设计题目： 机车轮对在线检测装置 院 系： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 大学20 年 月 日机车轮对在线检测装置摘 要 由于轮对状态的好坏直接影响列车的行车安全和整个机车车辆系统的技术状态的稳定性，因此需要对机车轮对进行检测和故障诊断。本文首先简述轮对常见故障及其质量状况动态检测的重要性和必要性，并概括了国内外轮对动态检测技术现状。然后从功能、检测原理、系统组成等几方面对“机车轮对在线检测装置”做简要介绍。关键词 轮对；故障；动态检测引言：车轮是机车走行部的重要部件，在运行的机车车辆中，轮对直接受轨道的冲击作用，是工作条件

2、最恶劣的部件，也是机车走行部最容易出故障的部件。轮对部分的故障常常是车辆系统和运行线路系统技术状态发生恶化的原因。如果出现了轮对故障，不及时的进行处理，将会引发车辆运行的安全事故，严重的还将会导致车辆颠覆、脱轨等现象，给铁路运输带来巨大的损失，给人们的财产和人生安全造成巨大的威胁。因此，对机车轮对的状态监测及故障诊断至关重要。一、轮对常见故障列车轮对的故障主要是轮缘及踏面磨耗，其次是踏面剥离和擦伤，而整体钢轮发生裂纹的情况比较少见。1. 轮缘磨耗主要由于轮缘与钢轨正常摩擦或转向架车轴间不平行，使转向架出现梯形，承重中心将向车轴间距离较小的一侧偏离，使其轮缘与钢轨贴近，加剧磨耗。轮缘外侧磨耗使角

3、点与轮缘顶点重合，在轮缘顶点处形成的尖端叫做锋芒。当通过道岔时，轮缘锋芒可能豁开道岔的尖轨而造成脱轨。当车轮材质过软时，在轮缘磨耗过程中，轮缘受钢轨挤压作用，在轮缘外侧靠近轮缘顶部形成的突起叫做辗堆。轮缘产生辗堆后，在通过道岔时易脱轨，发现辗堆后即须更换轮对旋修处理。轮缘垂直磨耗：指在轮缘外侧垂直方向磨耗，使踏面不保持圆弧形状；其产生原因与轮缘厚度磨耗的原因基本相同，但其横向力更大；其限度是由根部向轮缘顶点方向垂直磨耗15 mm。当超过磨耗限度后，车轮通过道岔时，轮缘可能爬上尖轨，造成挤岔或脱轨，且根部易产生裂纹。轮缘内测缺损：主要是由于意外冲击或事故脱线造成。其缺损沿圆周方向长度不得超过30

4、mm，宽度不得超过10 mm。轮缘内测缺损超限会降低该处轮缘强度，造成该处轮缘破裂。为减少车轮旋削量，对此故障应先进行堆焊，然后再维修。2. 踏面擦伤和剥离踏面是列车与轨道的接触面，也是列车走行部故障的多发部位，因此掌握列车踏面的实际运行状态并及时处理，对确保行车安全非常重要。1) 踏面圆周损耗：主要由于长期运行与钢轨摩擦造成，踏面圆周磨耗过大，车轮将变为圆柱形，从而失去踏面的作用。当车辆通过道岔时，车轮由基本轨向尖轨过渡时，车轮产生上下跳动，易砸坏尖轨并对基本轨产生瞬间横向力，使规矩变大。还会使轮缘相对高度增加，易与线路上鱼尾板螺母相碰或切断螺栓。2) 踏面擦伤及局部下凹：擦伤主要是由于制动

5、力过强、车轮抱闸滑行或缓解不良造成；局部下凹主要由于材质不良，有局部缩孔、软点、硬度不足，经滚动磨耗后造成。客车车轮踏面擦伤及局部下凹其深度不超过1mm。若故障超限会使车轮加剧振动及冲击，造成车辆配件、货物及钢轨损坏并导致燃轴。3) 踏面剥离：主要由于材质不良、有夹渣，在运行中经反复碾压，材质疲劳而出现鳞片状剥落，称为疲劳型剥落；另外由于制动抱闸产生高温，在冬天又急剧冷却，经常反复热胀冷缩而在表面出现细小裂纹，经碾压，使金属剥落称为热剥离。踏面剥离超限与踏面擦伤的危害相同。4) 踏面缺损：主要由于材质不良、外侧辗堆、意外打击及机械化调车作业碰撞等原因造成。踏面缺损超限会减少安全搭载量。3. 车

6、轮裂纹车轮踏面主要由于制动抱闸后，激热激冷和部分轮辋厚度过薄；轮缘根部裂纹主要由于轮缘过薄及转向架横向力过大。轮辋与辅板交界处及辐板孔附近裂纹主要由于材质不良和应力集中。车轮裂纹会导致车轮破裂，造成重大事故，可借助锤敲声响及外观象征进行认真细致检查。声响清脆为良好、闷哑可能为裂纹，表面有透油黑线、透锈道纹、铁粉附着等都为裂纹外观象征。轮对的质量状况影响着机车车辆的安全运行，而车轮踏面是直接与轨道接触的部分，踏面缺陷状况及车轮外形尺寸是直接危及行车安全的重要因素。因此，如何实时准确地测量踏面缺陷及外形参数是迫切需要解决的问题。二、国内外机车轮对动态检测概况在车轮踏面缺陷的动态检测方面，早在20世

7、纪70年代初，国际上就开始了自动检测在线车轮缺陷的超声方法的研究。这一阶段的主要研究尚处于实验室内，采用的方法是压电超声法。20世纪80年代中期，德国利用电磁超声技术研制成功车轮踏面裂纹EMAT探伤装置。该全自动探伤装置实现了运行机车车轮的动态探伤。80年代末期，美国也研制出类似的电磁超声探伤装置。另外，80年代初，国际上还出现了振动加速度法动态测量踏面擦伤的装置，但检测结果受测量条件影响。在我国，近年来，逐渐开始研究车轮在线自动探伤装置，形成了利用涡流传感器阵列和传感器跟踪方式测量车轮表面缺陷的构思，但并没有投入实际运用。另外也有利用振动加速度法动态测量踏面擦伤的装置，但效果并不理想。目前，

8、在轮对故障动态检测方面，尚未有一种检测项目全面、广泛适用的在线动态检测产品。在车轮外形尺寸动态检测方面，国外从80年代初开始研究，采用过的方法主要有位移传感测量法、涡流测量法、超声遥测法、光截图像测量法。其中基于CCD的光截图像测量法检测项目全面，不仅能测车轮外形关键尺寸，还能获得车轮完整的断面曲线，而且检测精度高，自动化程度高，是一种先进的非接触式外形尺寸测量技术，日益受到国内外的广泛关注，引领着车轮外形尺寸动态检测的方向。国内开展车轮外形尺寸检测研究工作起步较晚，90年代左右开始。经过十多年的努力，提出了一些新的思路和检测方法，研制出不同类型的检测装置，但没有形成广泛适用的自动化检测产品，

9、轮对检测仍需人工进行定期检测。轮对作为车辆运行的最关键的环节，对于车辆的荷载能力以及运行速度都有着非常重要的影响，因此也是铁路客车在运行过程中的检查重点项目之一。为了对轮对故障进行有效的控制，以便能够有效提高列车的运行质量，必须对列车轮对故障检测技术进行总结。车辆轮对参数的测量方法主要包括两大类，即静态检测法和动态检测法。静态检测法主要是针对车辆在检修过程中对轮对参数进行全面的检测和测量工作。而动态检测法主要针对车辆在运行过程中对轮对状态进行实时监测和故障诊断，通常也称为车辆轮对的在线测量工作。静态和动态检测技术主要包括以下几个方面：1) 便携式测量：该测量方式主要对轮对的几个或者单一的几何尺

10、寸展开测量工作，主要工具为各种传感器；此测量方法优势明显，操作简单且方便使用，但同时存在着测量参数不够全面和测量自动化的程度较低等各种问题，在实际应用中，应结合具体情况进行综合性考虑，及时地规避其缺点，充分利用该测量技术的优点；2) 接触式自动测量：该测量方式能够支起轮对并且推动其旋转，对几何尺寸的测量工作主要可以采用多种接触式传感器。此类测量方法存在着进行接触式的测量容易引发接触式传感器的毁坏；3) 非接触式自动测量：这类测量方式主要采用CCD技术和激光传感技术，不但能够实现车辆轮对的在线检测工作，同时还具备非接触和检测速度快的优点，因而可以被实际运用到各种车辆轮对的在线检测工作中。三、机车

11、轮对在线检测装置1. 装置的功能 本装置具有三方面的功能：基本检测功能，辅助检测功能及数据管理功能。基本检测功能包括车轮探伤和车轮外形尺寸检测；辅助检测功能是指车号识别、端位识别、机车车辆计数、车轮计数等；数据管理功能包括绘制车轮外形检测曲线及检测结果查询、统计、超限报警及网络共享管理等功能。2. 检测原理该装置采用“电磁超声探伤技术”和“光截图像测量技术”两项达到国际先进水平的关键技术，分别实现了车轮的动态探伤和外形尺寸动态检测。1）车轮动态探伤原理电磁超声波的产生机理：根据电磁感应原理，放置在工件（导体或铁磁体）表面的高频（超声波频段）载流线圈将会在工件表面一定深度范围内产生交变电涡流，如

12、果在工件表面外加磁场，则线圈在工件表面产生的交变电涡流在外磁场的作用下将受到洛仑兹力的作用，其受力方向和外加磁场及电涡流的方向有关。所以表面趋肤层内质点在洛仑兹力的作用下将产生往复运动，即产生一定模式传播的超声波。通过改变外磁场的方向，可以方便地产生各种模式的超声波。另外，从电磁超声波的产生机理来看，利用电磁超声波进行探伤时，不需耦合剂，而且探头不必与工件接触，可以实现非接触测量，适合于运动物体和高温物体的探伤，这是压电换能器无法比拟的。2）车轮缺陷动态探伤原理：利用电磁超声探伤技术来实现车轮踏面缺陷的动态检测。在设计电磁超声换能器（EMAT）时，调整加载到工件表面的外磁场方向，使EMAT产生

13、能沿工件表面传播的电磁超声表面波。利用电磁超声表面波动态检测车轮表面缺陷的原理如图1所示：将EMAT嵌人到一段特制的测量轨道中，当前进的车轮通过EMAT时，EMAT直接在车轮的踏面表面上激发出相向传播的两束超声表面波，所激发出的声波束将沿着车轮踏面表面及近表面一定深度范围内沿圆周自行传播，从而形成对踏面表面及近表面的全覆盖检测。超声表面波在不同位置遇到缺陷时形成不同特性的缺陷回波，通过对缺陷回波的分析就能探测出车轮踏面表面/近表面一定深度范围内的缺陷。由于表面波的传播速度远远大于车轮速度，车轮通过EMAT的瞬间，超声表面波已沿车轮表面传播数周，因此EMAT不需在踏面上扫查即可探测到整个踏面及近

14、踏面区域各种缺陷。由于电磁超声检测方法不需声耦合介质，且很容易激发出很强的超声表面波，因此可以高灵敏度、快速地检出车轮表面/近表面的宏观缺陷。3）车轮外形尺寸动态检测原理光截图像测量原理：光截图像测量技术是一种基于CCD（Charge Coupled Device：电荷耦合器件）的视频测量技术，即通过分析被测对象的光信息在CCD光敏单元上形成的光学图像获得物体空间分布状态数据。光截图像测量系统组成结构如图2所示，将具有一定空间光强分布的结构光投射到测量目标表面，在测量目标表面形成含测量目标表面信息的调制结构光，用CCD摄像系统拍摄含测量目标表面信息的调制光，再通过图像采集分析系统分离出被测目标

15、的表面信息，从而实现复杂物体的三维外形测量。如果结构光照明系统采用狭缝光照明，则通过光截图像测量系统可实现物体的二维外形测量。车轮外形尺寸的检测就是利用这一原理实现的。车轮外形尺寸检测：图2所示的光截图像测量系统中，采用激光线光源作为投射光源，运行中的车轮作为测量目标，即构成了实现车轮外形检测的“车轮外形检测单元”。车轮外形测量原理见图3，激光线光源沿车轮踏面法线方向照射在车轮表面，形成从轮缘到踏面的光截曲线反映车轮外形尺寸的截面；轨道外侧与光刀面（光入射面）成一定夹角的CCD摄像机拍摄光源在车轮上形成的光截曲线，经过图像实时采集、处理，得到单像素的畸变（由CCD的斜向拍摄引起）车轮外形曲线；

16、再经图像校正还原出非畸变的外形曲线，最后经系统定标得到真实的车轮外形曲线。通过将检测的车轮外形曲线与标准外形曲线比较得到车轮外形关键测量点的尺寸。3. 系统组成 “机车轮对在线检测装置”由基本检测单元、辅助检测单元、现场控制中心、远程传输通道和远程控制中心等几个主要部分组成，参见图4。检测单元：位于检测现场，用于完成基本的检测功能，由车轮探伤和外形检测两个子系统构成。基本检测单元在现场控制中心的协调控制下完成车轮的动态探伤和车轮外形尺寸检测。另外，机车车辆计数、车轮计数等功能也是由基本检测单元完成的。辅助检测单元：位于检测现场，用于识别待检机车车辆的车号、端位信息。控制中心：位于检测现场的电气

17、控制箱内，受远程控制中心控制。其作用是实时采集并处理基本检测单元的测量信号，并以一定的格式与远程控制中心的主机通信。传输通道：是连接远程控制中心与现场控制中心的桥梁，它保证了多路测量信号和控制信号在两级控制中心之间的可靠传输。远程控制中心：是“机车轮对在线检测装置”的总体控制中心和数据处理中心。一方面，远程控制中心负责“机车轮对在线检测装置”的启/停控制，检测与否控制及检测进程控制等，起到系统总体控制中心的作用；另一方面，远程控制中心还通过网络获取机车车号信息；控制机车端位自动识别系统和车轮探伤系统的动作，获得机车端位信息；负责对现场获取的检测数据进行处理、分析、存储、显示等操作，担当着数据处

18、理中心的角色。远程控制中心位于距现场一定距离的控制室内，由数据处理主机及其外围设备构成。4运用与结论该装置于2002年7月研制成功，同年12月在兰州西机务段投入使用，2003年9月通过了铁道部的科技成果鉴定。从现场的运行情况来看，该装置能够连续、稳定、可靠地工作，检测速度快、效率高、自动化程度高。另外，在数据的准确性方面，项目组在兰州西机务段技术室、安全室和控制室的协助下，对系统的进行了重复性验证和现场检测数据复核，测试结果表明系统重复性好、检测精度高。本装置以实现轮对质量状况动态管理、提高检测精度和自动化程度为目的，通过操作室内的计算机终端，自动完成车轮踏面缺陷和外形尺寸的动态自动检测。装置适用于各型机车、车辆及动车组，具有不占用机车运行时间，检测速度快、效率高、精度高、自动化程度高等优点。四、结语本文主要从理论方面对机车轮对在线检测装置的基本原理简介，该装置应用到铁路车辆轮