車輛輪對(duì)狀態(tài)在線檢測(cè)系統(tǒng)研究

陳 剛 任光勝

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，400030，重慶∥第一作者，碩士研究生）

輪對(duì)裝置作為列車的重要組成部件，承受來自機(jī)車車輛的全部靜、動(dòng)載荷，輪對(duì)踏面表面和近表面的磨損、擦傷、剝離、裂紋等缺陷是危及行車安全的重大因素。必須及時(shí)有效地對(duì)列車輪對(duì)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換超限輪對(duì)，以避免列車事故的發(fā)生［1］。傳統(tǒng)的定期檢修方式已不能滿足要求，迫切需要研制輪對(duì)踏面損傷及輪對(duì)幾何參數(shù)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法、技術(shù)和裝備，實(shí)現(xiàn)在列車運(yùn)行時(shí)對(duì)輪對(duì)狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1 輪對(duì)狀態(tài)在線檢測(cè)系統(tǒng)

車輪剖面如圖1所示。需要測(cè)量的輪對(duì)幾何參數(shù)主要有：輪緣厚度B、輪緣高度H、踏面圓周磨耗及擦傷、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距T、車輪直徑D、輪輞寬度W 等。

圖1 車輪幾何參數(shù)

本系統(tǒng)由車號(hào)識(shí)別裝置、觸發(fā)系統(tǒng)、測(cè)速計(jì)數(shù)裝置、輪對(duì)磨耗尺寸檢測(cè)裝置、輪對(duì)踏面損傷探測(cè)裝置，以及中央控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理中心等組成（如圖2所示）。其中，RF為車號(hào)識(shí)別天線；K1、K2、K3為系統(tǒng)觸發(fā)開關(guān)，負(fù)責(zé)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉；S1～S10為激光傳感器，用于測(cè)速、車輪計(jì)數(shù)和輪對(duì)幾何參數(shù)的測(cè)量；C1、C2是CCD（電荷耦合器件）攝像機(jī)，用于捕捉車輪外形曲線；P1～P4為面激光發(fā)生器；W1～W4為位渦流傳感器；E1～E4為EMAT（電磁超聲換能器）探頭。

2 輪對(duì)磨耗尺寸檢測(cè)裝置

本系統(tǒng)采用CCD圖像測(cè)量技術(shù)和激光位移傳感器相結(jié)合的方式來對(duì)輪對(duì)磨耗狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。CCD圖像測(cè)量技術(shù)用于對(duì)輪對(duì)輪緣厚度、輪緣高度的測(cè)量和踏面線輪廓的非接觸動(dòng)態(tài)檢測(cè)［2］。激光位移傳感器用于對(duì)輪對(duì)直徑、輪輞厚度和輪對(duì)內(nèi)側(cè)距的測(cè)量。

2.1 輪緣厚度、輪緣高度的測(cè)量

CCD圖像測(cè)量技術(shù)基本檢測(cè)原理如圖3所示。當(dāng)W1、W2渦流傳感器檢測(cè)到車輪通過時(shí)，啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器件，軌道外側(cè)的激光光源沿輪心方向照射到車輪踏面和內(nèi)側(cè)面部分，形成從輪緣到車輪踏面的輪廓曲線，該曲線包含車輪踏面的外形尺寸信息；然后用與入射光方向成一定角度的CCD攝像機(jī)捕捉被照射的輪廓圖像，對(duì)捕捉到的圖像進(jìn)行處理可得到如圖4所示的車輪外形輪廓曲線；通過與存于系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線比對(duì)，并經(jīng)圖像尺寸測(cè)量，可測(cè)出實(shí)際的輪緣厚度、輪緣高度，以及車輪踏面和輪緣的磨耗量［2］，如圖5所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 CCD圖像測(cè)量原理

圖4 車輪外形曲線

車輪磨耗計(jì)算公式為：

圖5 磨耗測(cè)量方法

式中：

HM——踏面磨耗；

LH——輪緣高度；

H——標(biāo)準(zhǔn)輪緣高度；

BM——輪緣磨耗；

B——標(biāo)準(zhǔn)輪緣厚度；

LB——輪緣厚度。

由于采用激光光源，在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)鏡頭前安裝帶通濾波片可有效避免陽(yáng)光干擾，使檢測(cè)設(shè)備能在白天和夜晚都正常工作。

2.2 輪對(duì)直徑的測(cè)量

測(cè)量原理如圖6所示。當(dāng)列車通過測(cè)量裝置時(shí)，S3～S6激光位移傳感器可連續(xù)測(cè)量出探頭距車輪踏面的距離，當(dāng) W3、W4檢測(cè)到車輪與其距離最小時(shí)，即檢測(cè)到A點(diǎn)，此時(shí)激光位移傳感器距車輪踏面的距離為L(zhǎng)。圖中，O為車輪圓心，A為車輪與軌道的接觸點(diǎn)，E為激光測(cè)量線與AO延長(zhǎng)線的交點(diǎn)，PB為激光位移傳感器的測(cè)量值L，S為激光位移傳感器和渦流傳感器的水平安裝距離，M為激光位移傳感器和鋼軌的垂直安裝距離。通過下式可算出車輪的半徑R：

因是采用雙激光位移傳感器測(cè)量方法，實(shí)際車輪半徑為R＝（R1＋R2）／2。

圖6 輪徑測(cè)量原理圖

2.3 輪輞寬度、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量

當(dāng)電渦流傳感器W3、W4檢測(cè)到車輪通過時(shí)，激光傳感器S7、S8可測(cè)量出傳感器與車輪外側(cè)的距離，S9、S10可測(cè)出傳感器與車輪內(nèi)側(cè)的距離，據(jù)此可計(jì)算出車輪的輪輞寬度、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距［3］：

式中：

N1、N2——分別為輪對(duì)左右輪的輪輞寬度；

T——輪對(duì)內(nèi)側(cè)距；

L7～L10——分別為激光位移傳感器S7～S10的讀數(shù)值；

L7.9，L8.10，L9.10——分 別 為 S7 與 S9、S8 與S10、S9與S10之間的安裝距離。

3 踏面損傷檢測(cè)裝置

該裝置采用電磁超聲探傷技術(shù)，利用超聲表面波的脈沖反射原理實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪踏面及近表面缺陷的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)原理如圖7所示。在軌道一側(cè)將一對(duì)EMAT傳感器安裝到特制的軌道中，2個(gè)EMAT之間的距離不等于車輪踏面圓周長(zhǎng)度一半的整數(shù)倍。當(dāng)列車運(yùn)行到EMAT探頭位置，車輪與探頭接觸的瞬間，EMAT在車輪踏面表面及近表面激發(fā)出電磁超聲表面波脈沖，所激發(fā)出的聲波束將沿踏面表面及近表面一定深度范圍內(nèi)傳播，從而形成對(duì)踏面表面及近表面的全覆蓋檢測(cè)。

圖7 EMAT探測(cè)原理

電磁超聲表面波沿車輪踏面及近表面雙向傳播。當(dāng)超聲波傳播1周回到探頭位置時(shí)，EMAT探頭檢測(cè)到返回的超聲表面波后形成第1次周期回波（圖8（a）中RT波）；未衰減的超聲波繼續(xù)沿踏面?zhèn)鞑?，依次形成?次、第3次周期回波，直到能量衰減到設(shè)備無法檢測(cè)到為止［4］。

當(dāng)車輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷時(shí)，超聲波在缺陷端面處的一部分能量被反射，沿原傳播路徑返回并被探頭檢測(cè)到，形成缺陷回波（圖8（b）中E波）；另一部分能量繞過缺陷端面繼續(xù)傳播，形成周期性回波（圖8（b）中RT波）。通過正常的周期回波（RT）與缺陷回波（E）的對(duì)比分析，就能探測(cè)出輪對(duì)踏面表面及近表面一定深度范圍內(nèi)的缺陷［5］。

圖8 波形檢測(cè)結(jié)果

4 系統(tǒng)檢測(cè)精度

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度為：車輪直徑＜±0.3mm；圓周磨耗＜±0.2mm；輪緣厚度＜±0.2mm；輪輞寬度＜±1mm；內(nèi)側(cè)距＜±1mm；能探測(cè)出車輪踏面及近表面寬10mm、深3mm內(nèi)的擦傷和裂紋。系統(tǒng)檢測(cè)精度滿足車輪檢修要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了列車運(yùn)行時(shí)對(duì)輪對(duì)狀態(tài)的在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了列車入庫(kù)時(shí)對(duì)車輪直徑、輪緣厚度、輪緣高度、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距等幾何參數(shù)的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量，同時(shí)可對(duì)車輪踏面表面及近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，精確定位缺陷的位置，滿足對(duì)輪對(duì)的測(cè)量需求。檢測(cè)結(jié)果可為車輛維修基地是否對(duì)輪對(duì)進(jìn)行鏇切提供數(shù)據(jù)支撐。

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