地鐵車輛輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)研究

陳 靜 禹建偉 譚志忠

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，710014，西安;2.西安地鐵運營分公司，710018，西安;3.東莞諾麗電子科技有限公司，523050，東莞∥第一作者，講師)

地鐵車輛輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)能對運行過程中的車輛輪對踏面狀態(tài)進行檢測，及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，做到故障定位和故障跟蹤;并及時向指定終端發(fā)出報警，在屏幕上顯示詳細的報警信息，從而有效預(yù)防安全風(fēng)險，提高檢修效率和科學(xué)管理水平。

1 必要性分析

列車車輪踏面故障形態(tài)主要有擦傷和剝離兩種，是由于車輛緊急制動時閘瓦抱死車輪或制動系統(tǒng)緩解不良，使車輪在軌面上產(chǎn)生滑行而造成的。平輪會引起踏面局部范圍曲率半徑的變化。此外，列車運行時車輪與鋼軌出現(xiàn)周期性沖擊，較大的沖擊荷載作用于車輛和軌道零部件上，會加速軸承等零部件的疲勞損傷，直接威脅行車安全。以西安地鐵2號線為例:2號線2011開通運營，一期工程配屬22組列車，采用B2型3動3拖6節(jié)編組;截止2014年2月25日累計運行5 106 490 km，列平均運行232 113 km。其中因VVVF(變壓－變頻)與BECU(電子制動控制單元)之間接口存在問題(VVVF與BECU之間無電制動防滑反饋線)，導(dǎo)致多起擦輪(見表1)，增加了車輛日常運營結(jié)束后的人工檢查工作量。而人工檢查效率低且誤差大，不利于故障的發(fā)現(xiàn)。因此，及時發(fā)現(xiàn)、處理輪對踏面故障，是行車安全的一項重要任務(wù)。輪對踏面故障在線自動檢測系統(tǒng)是地鐵運營管理現(xiàn)代化發(fā)展的需要。

表1 西安地鐵2號線2011—2014年度車輛輪對擦傷統(tǒng)計

2 檢測原理

本系統(tǒng)采用圖像與振動兩種技術(shù)同時檢測車輪踏面擦傷，能定量檢測輪對的擦傷缺陷。

2.1 圖像測量

(1)檢測系統(tǒng)針對每個轉(zhuǎn)向架一側(cè)的前后兩輪各設(shè)置了4臺攝像機，依次追蹤拍攝輪對踏面，形成一個完整的圓周。前輪和后輪攝像機角度不同:前輪攝像機正對前進方向，后輪攝像機與前進方向相同。全套系統(tǒng)左右各8臺攝像機，共需要16臺攝像機完成全部輪對的圖像采集。每臺攝像機配有相應(yīng)的輔助照明燈箱，照明燈采用高亮度 LED(發(fā)光二極管)光源。踏面擦傷探測裝置圖如圖1所示。

圖1 踏面擦傷探測裝置圖

(2)系統(tǒng)采用攝像機拍攝踏面圖像，通過圖像識別，計算踏面擦傷、剝離掉塊等情況，精確測定踏面擦傷深度。根據(jù)目前車輛轉(zhuǎn)向架情況，前輪適合在前部拍攝，后輪適合在后部跟蹤拍攝。正對列車前進方向一側(cè)的4臺攝像機用于拍攝1、2位轉(zhuǎn)向架前輪，每臺攝像機拍攝1張照片，拍攝輪對1/4踏面;另一側(cè)的4臺攝像機用于拍攝1、2位轉(zhuǎn)向架后輪，每臺拍攝輪對1/4踏面。

(3)攝像機安裝在機箱內(nèi)，機箱密閉。在攝像機鏡頭處安裝防塵防水玻璃;由電機驅(qū)動開、關(guān)門裝置，攝像機拍攝時打開，拍攝完成后自動關(guān)閉。

(4)檢測系統(tǒng)采用工控機內(nèi)置圖像采集卡的方式。1臺工控機可安裝4塊圖像采集卡，分別采集4臺攝像機圖像。

(5)結(jié)構(gòu)布置:鏡頭采用10 mm固定焦距，定光圈鏡頭;攝像機CCD(電荷耦合器件)尺寸為4.8 mm ×6.5 mm，采樣頻率 ＞60幀/s，快門速度 ＞1/10 000 s，數(shù)據(jù)線為1 394或cameralink線，采用外觸發(fā)方式采集圖像，圖像分辨率＞656×491。

檢測前輪擦傷的8臺攝像機(S1～S8)的平面布置如圖2 所示。由于S1、S2、S3、S4 和S5、S6、S7、S8是順序拍攝，系統(tǒng)將S1、S2、S3、S4用一臺工控機采集，S5、S6、S7、S8用另一臺工控機采集。同理，反向拍攝后輪時，也如此布置分配。

(6)圖像采集:檢測系統(tǒng)控制機通過串口向圖像采集工控機傳輸本次采集圖像的車次、輛位、輪位和順位信號，同時通過I/O卡發(fā)出外觸發(fā)命令;圖像采集工控機收到命令后，開始采集圖像。第一組圖像采集到內(nèi)存后，不做壓縮存貯，待8組圖像均采集到內(nèi)存后，先進行圖像識別運算，再進行圖像壓縮和存貯。如果運算后發(fā)現(xiàn)輪對故障，將對應(yīng)的故障圖片進行單獨標(biāo)記。轉(zhuǎn)向架后輪的圖像采集和前輪相同。采集的圖像經(jīng)過處理，可形成動態(tài)圖像，在遠程控制中心計算機上可直觀清晰地觀測到輪對踏面一周的擦傷、剝離等缺陷狀態(tài)。

圖2 前輪擦傷檢測攝像平面位置示意圖

2.2 振動測量

(1)故障車輪與鋼軌的相互作用是一種沖擊激勵的過程，其振動測試技術(shù)采用振動傳感器滿足檢測使用要求。振動沖擊測量是基于彈性波理論的信號測量手段，也是本檢測系統(tǒng)構(gòu)架的基本原理:①利用振動沖擊信號分析技術(shù)獲取車輪特征信息;②利用特征自相關(guān)分析技術(shù)進行故障識別及車輪定位;③ 運用自適應(yīng)動態(tài)數(shù)據(jù)修正技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，左1、左2、左 3、右 1、右 2、右 3為振動傳感器，W1、W2為車輪傳感器。傳感器布置如圖3所示。

(2)車輪踏面缺陷檢測系統(tǒng)依靠振動傳感器獲取平輪信息特征。采用的振動傳感器為壓電式加速度傳感器，運用內(nèi)藏電荷放大器和IPC(網(wǎng)絡(luò)攝像機)技術(shù)。為了便于信號的長線傳輸，信號以電流方式調(diào)制在供電電源上。

(3)擦傷輪位判別:在2個傳感器之間，系統(tǒng)設(shè)計檢測擦傷振動機械波在鋼軌中的傳播速度為1 885 m/s，當(dāng)擦傷輪對的擦傷處打擊鋼軌時，在不同的位置產(chǎn)生不同的時間差。在2個傳感器之間的時間差為零，在傳感器安裝處的時間差為9 ms?？梢愿鶕?jù)時間差確定打擊位置，再由振動傳感器的輪對通過時刻確定是哪個輪對位于該打擊位置，從而準(zhǔn)確判斷車輛擦傷輪位。

圖3 傳感器平面位置示意圖

2.3 擦傷深度計算

擦傷打擊機械能計算式為:

式中:

Ej——擦傷打擊機械能;

Ed——采集電能;

k——傳輸損失系數(shù)。

擦傷打擊機械能同打擊速度和輪重有關(guān)。采集電能與輸出電壓能量值的大小有關(guān)。打擊速度與擦傷深度和輪對速度有關(guān)。打擊速度與輪對速度的關(guān)系為:

式中:

r——輪對半徑;

vj——打擊速度，方向垂直向下;

vi——車輪運行速度，水平方向;

x——擦傷長度;

h——擦傷深度。

根據(jù)能量公式:

式中:

vd——輸出電壓能量值;

mj——輪重。

2.4 技術(shù)參數(shù)

(1)輪對外形尺寸檢測指標(biāo)(測量誤差):輪緣高度，±0.3 mm;輪緣厚度，±0.3 mm;輪對內(nèi)側(cè)距，±0.6 mm;車輪直徑，±0.6 mm;垂直磨耗，±0.6 mm。

(2)車輪擦傷檢測指標(biāo)(測量誤差):擦傷深度，±0.3 mm;擦傷面積，100 mm2。

(3)地面讀出設(shè)備檢測指標(biāo):工作溫度，－25～+70℃;工作濕度，95%(+40℃);供電方式，AC(220+22)V、50 Hz、＞100 VA;工作頻率，910.100 MHz、912.100 MHz、914.100 MHz;適應(yīng)車速，0 ～300 km/h(FM0編碼格式標(biāo)簽)。

3 結(jié)語

輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)采用圖像與振動兩種方式對輪對踏面同時測量，具有檢測踏面擦傷、輪緣厚度、車輪直徑、輪對內(nèi)距、垂直磨耗、軸溫的功能。同時輔助加速度傳感器的振動測量方式，可以確定踏面故障對軌道的沖擊荷載，評估故障對車輛運用的影響。圖像與振動兩種測量技術(shù)的同時使用，能準(zhǔn)確判斷出踏面故障的類型，觀測擦傷面積大小，減少檢修人員的勞動強度，使檢測的精度得到極大提高，避免了因人工測量誤差較大導(dǎo)致頻繁鏇輪等現(xiàn)象，給車輛預(yù)防性檢修提供科學(xué)依據(jù)，延長車輛輪對的生命周期，有效提高了地鐵車輛運營品質(zhì)，為車輛預(yù)防性檢修提供了科學(xué)的分析數(shù)據(jù)。

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