基于激光位移傳感器的輪緣尺寸測(cè)量方法研究*

蘇釗頤，張海強(qiáng)，邢宗義，王曉浩

(1.廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510335;2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094)

0 引言

車輪是保證軌道列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件，不僅承載著列車的全部重量而且承受運(yùn)行中產(chǎn)生的動(dòng)作用力，因此必須保持良好的技術(shù)狀態(tài)［1］。輪緣是車輪的重要組成部分，保證列車安全可靠地通過彎道和道岔，對(duì)列車行駛的安全性及平穩(wěn)性具有重要作用。在列車運(yùn)行過程中，車輪隨著營(yíng)運(yùn)里程的增加而產(chǎn)生磨耗，從而造成輪軌關(guān)系的變化，降低車輛動(dòng)力性能和乘車舒適度［2］，因此應(yīng)定期對(duì)車輪參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，獲取輪緣高和輪緣厚等數(shù)值，判斷是否超過檢修限度，對(duì)超標(biāo)車輪依據(jù)維修決策進(jìn)行鏇修或更換，從而保障列車行車的安全性與舒適性［3］。

在列車運(yùn)行過程中，不同車輪的輪緣磨耗不盡相同，且同一列車中車輪的服役時(shí)間也存在差異，因此車輪的輪緣形狀變化較大，使得輪緣測(cè)量成為車輪尺寸測(cè)量中的難題。在現(xiàn)有檢測(cè)方法中，主要分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方式。接觸式測(cè)量在國(guó)內(nèi)主要是第四種檢查器［4］或多連桿磁爬式工具［5］，其測(cè)量原理簡(jiǎn)單但勞動(dòng)輕度大、人為誤差難以消除。國(guó)外廠家采用激光位移傳感器研制的便攜式輪緣參數(shù)測(cè)量?jī)x，通過橫向平移的機(jī)械傳動(dòng)裝置使激光傳感器依次掃描整個(gè)踏面，獲取完整的踏面輪廓線，從而實(shí)現(xiàn)輪緣參數(shù)的計(jì)算［6］。非接觸式測(cè)量主要是采用PSD 或CCD 激光法［7-10］，采用圖像識(shí)別的方式獲取踏面輪廓線，但該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受環(huán)境影響大，可靠性較差。

本研究提出一種基于2D 激光位移傳感器的非接觸式在線測(cè)量方法。激光位移傳感器安裝在軌道內(nèi)外兩側(cè)，其輸出經(jīng)過坐標(biāo)變換與數(shù)據(jù)融合等算法處理后，得到車輪踏面輪廓線，并經(jīng)輪廓線幾何關(guān)系得到輪緣尺寸。

1 車輪輪廓線與檢測(cè)方案

1.1 車輪輪廓線與輪緣尺寸

列車車輪輪廓線為車輪圓心垂向的表面曲線，由踏面和輪緣兩部分組成，車輪輪廓線示意圖如圖1所示。

圖1 車輪輪廓線示意圖

車輪滾壓在鋼軌上的接觸部分稱為踏面，車輪踏面內(nèi)側(cè)有一沿圓周突起的凸緣稱為輪緣。距離輪緣內(nèi)側(cè)基準(zhǔn)線70 mm 處踏面上的點(diǎn)被稱為基點(diǎn)。基點(diǎn)和輪緣之間的高度稱為輪緣高，距離基點(diǎn)12 mm 高處輪緣的厚度稱為輪緣厚［11］。

在檢修車輪時(shí)，主要通過測(cè)量車輪外形參數(shù)來判斷車輪的磨耗程度，這些參數(shù)包括車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等，其中以輪緣厚度、踏面磨耗最為關(guān)鍵。為了及時(shí)掌握輪緣厚、輪緣高等尺寸的變化情況，對(duì)輪緣尺寸進(jìn)行精確檢測(cè)就顯得尤為必要。

1.2 檢測(cè)方案

安裝于軌道內(nèi)外側(cè)的兩組2D 激光位移傳感器以一定的幾何關(guān)系鏡面對(duì)稱安裝于軌道兩側(cè)，每個(gè)2D 激光位移傳感器與軌道的相對(duì)距離L1、L2均為100 mm ～450 mm，兩組傳感器的激光探測(cè)面處于同一平面并使得整體裝置低于軌面，每個(gè)傳感器與垂線的夾角β1、β2為45°。

其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器安裝示意圖

2 輪緣尺寸檢測(cè)算法

輪緣尺寸測(cè)量及數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖

系統(tǒng)開始工作時(shí)，傳感器采集并保存數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行踏面數(shù)據(jù)分段、數(shù)據(jù)預(yù)處理、坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)融合、關(guān)鍵數(shù)據(jù)組選擇等步驟的算法處理。

2.1 數(shù)據(jù)分段

列車通過檢測(cè)區(qū)域時(shí)，激光傳感器處于連續(xù)采樣工作狀態(tài)，因此無法直接區(qū)分每個(gè)車輪所對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。本研究所選用的激光傳感器，其有效測(cè)量范圍為特定的距離區(qū)間，距離過近或過遠(yuǎn)時(shí)傳感器均不輸出數(shù)據(jù)，因此筆者依據(jù)該特性對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分段:車輪進(jìn)入激光傳感器有效測(cè)量范圍時(shí)傳感器輸出數(shù)據(jù)，離開其有效測(cè)量范圍時(shí)傳感器停止輸出數(shù)據(jù)，則該段數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)車輪的有效數(shù)據(jù)段。針對(duì)車輪潤(rùn)滑裝置或其他異物觸發(fā)的傳感器數(shù)據(jù)，由于與車輪數(shù)據(jù)明顯不一致，可在數(shù)據(jù)分段時(shí)直接濾除，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2 坐標(biāo)變換

激光位移傳感器的安裝位置與水平面及軌向均存在一定的角度，因此直接測(cè)得的部分輪廓線曲線會(huì)存在畸變，應(yīng)對(duì)傳感器輸出的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換以矯正變形的曲線。為便于理解，本研究將傳感器本身的坐標(biāo)系稱為物理坐標(biāo)系，坐標(biāo)變換之后的坐標(biāo)系稱為中間坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)融合之后的坐標(biāo)系稱為融合坐標(biāo)系。

外側(cè)激光傳感器1 和內(nèi)側(cè)激光傳感器2 的物理坐標(biāo)系分別表示為x(1)o(1)y(1)和x(2)o(2)y(2)，其相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 傳感器物理坐標(biāo)系關(guān)系圖

外側(cè)激光傳感器1 和內(nèi)側(cè)激光傳感器2 的中間坐標(biāo)系分別表示為u(1)o(1)v(1)和u(2)o(2)v(2)，則外側(cè)激光傳感器1 的坐標(biāo)變換如圖5所示。

圖5 外側(cè)激光傳感器數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換圖

其坐標(biāo)變換公式為:

內(nèi)側(cè)激光傳感器2 的坐標(biāo)變換如圖6所示。

圖6 內(nèi)側(cè)激光傳感器數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換圖

其坐標(biāo)變換公式為:

式中:(x(2)n，yn(2))—物理坐標(biāo)系x(2)o(2)y(2)內(nèi)任意一點(diǎn);θ'—該點(diǎn)與y(2)軸的夾角;(u(2)n，v(2)n)—該點(diǎn)中間坐標(biāo)系在u(2)o(2)v(2)內(nèi)的坐標(biāo)值。

2.3 數(shù)據(jù)融合

單個(gè)激光傳感器只能獲取車輪輪廓線的部分，因此需要將兩個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而在融合坐標(biāo)系中得到完整的輪廓線數(shù)據(jù)。外側(cè)激光傳感器1 和內(nèi)側(cè)激光傳感器2 的中間坐標(biāo)系u(1)o(1)v(1)、u(2)o(2)v(2)與融合坐標(biāo)系的關(guān)系如圖7所示。

圖7 兩個(gè)激光傳感器數(shù)據(jù)融合示意圖

其數(shù)據(jù)融合公式為:

式中:a，b—o(1)在融合坐標(biāo)系u(0)o(0)v(0)下的橫縱坐標(biāo);c，d—o(2)在融合坐標(biāo)系u(0)o(0)v(0)下的橫縱坐標(biāo)。

2.4 關(guān)鍵數(shù)據(jù)組選擇

車輪在通過傳感器有效檢測(cè)區(qū)域時(shí)，隨著列車運(yùn)行速度及傳感器采樣頻率的不同，激光傳感器會(huì)輸出數(shù)量不等的多組數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)融合后即可得到完成踏面輪廓線，可根據(jù)踏面幾何關(guān)系得出每組數(shù)據(jù)的輪緣尺寸。對(duì)多組數(shù)據(jù)的處理應(yīng)以傳感器發(fā)射的激光線穿過車輪圓心時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的一組數(shù)據(jù)為關(guān)鍵數(shù)據(jù)組，根據(jù)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行輪對(duì)尺寸計(jì)算。

設(shè)激光探測(cè)面過輪心時(shí)刻所測(cè)的輪緣高為h，其他時(shí)刻所測(cè)的輪緣高為h'，激光線過輪心示意圖如圖8所示。

圖8 激光線過輪心示意圖

由圖8 可見，h'均產(chǎn)生了拉伸變形，h' ＞h，因此在不同時(shí)刻中所測(cè)輪緣高最小值對(duì)應(yīng)著關(guān)鍵數(shù)據(jù)組，以該時(shí)刻的輪緣尺寸計(jì)算值作為車輪的最終輪緣尺寸值。

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本研究提出的輪緣尺寸檢測(cè)方法的有效性和檢測(cè)精度，筆者在廣州市地下鐵道總公司赤沙車輛段運(yùn)轉(zhuǎn)庫(kù)19 道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，包括輪對(duì)試驗(yàn)和過車試驗(yàn)兩部分。

在輪對(duì)試驗(yàn)中，筆者將單獨(dú)一個(gè)輪對(duì)放置在軌道上，人工推動(dòng)輪對(duì)勻速通過檢測(cè)系統(tǒng)。該車輪的輪緣尺寸由首先由人工進(jìn)行測(cè)量，其中輪緣高為28.2 mm，輪緣厚為32.1 mm，然后人工推動(dòng)進(jìn)行6 次自動(dòng)系統(tǒng)測(cè)量，其結(jié)果如表1所示?？梢娤到y(tǒng)測(cè)量誤差為±0.1 mm。

表1 輪對(duì)試驗(yàn)結(jié)果(單位:mm)

第1 次測(cè)量時(shí)激光位移傳感器采集的原始數(shù)據(jù)如圖9所示。經(jīng)過算法處理后得到的融合坐標(biāo)系下的車輪輪廓線如圖10所示。

圖9 傳感器原始采集數(shù)據(jù)

圖10 融合坐標(biāo)系中的輪廓線

2014年6月30日至7月9日，本研究對(duì)6162 車的BC 車的8 個(gè)車輪進(jìn)行了10 次輪緣厚測(cè)量試驗(yàn)。每次試驗(yàn)均進(jìn)行人工測(cè)量與系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量，10 次測(cè)量結(jié)果求取平均值作為測(cè)量值如圖11、表2所示。輪緣厚的人工測(cè)量值和系統(tǒng)測(cè)量值的偏差均在0.2 mm 范圍之內(nèi)，證明了本研究提出的檢測(cè)系統(tǒng)具有很高的精度;10 次測(cè)量得到的輪緣厚最大值與最小值如圖12所示。可見針對(duì)8 個(gè)測(cè)試車輪，人工測(cè)量的最大最小值偏差均大于檢測(cè)系統(tǒng)的偏差，從而證明了本研究提出的檢測(cè)系統(tǒng)一致性優(yōu)于人工測(cè)量。

表2 輪緣厚人工測(cè)量與機(jī)測(cè)比較(單位:mm)

4 結(jié)束語

本研究提出了一種基于2D 激光位移傳感的輪對(duì)輪緣尺寸測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了輪緣尺寸的在線非接觸式測(cè)量。在軌道兩側(cè)安裝激光位移傳感器進(jìn)行車輛踏面數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)過分析處理獲取車輪輪廓線，從而計(jì)算得到輪緣尺寸值。

通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的輪對(duì)試驗(yàn)和過車試驗(yàn)兩組試驗(yàn)結(jié)果，得出該測(cè)量方法的偏差為±0.2 mm，系統(tǒng)測(cè)量的一致性優(yōu)于人工測(cè)量，即系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性都較好，能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量要求，為及時(shí)掌握輪緣尺寸的變化提供了保障。與傳統(tǒng)的人工測(cè)量或圖像識(shí)別法相比，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是軌道交通車輛輪緣測(cè)量應(yīng)用的有益嘗試。

圖11 輪緣厚機(jī)測(cè)與人工平均值比較

圖12 輪緣厚機(jī)測(cè)與人工最值比較

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