車輪不均勻磨損激光位移測量儀的設(shè)計與測試

楊姝

（電子科技大學成都學院，四川 成都 611731）

車輪不均勻磨損激光位移測量儀的設(shè)計與測試

楊姝

（電子科技大學成都學院，四川 成都 611731）

為現(xiàn)場測量車輪踏面圓周方向的不均勻磨損情況，基于激光位移測量方法設(shè)計一種新型車輪不均勻磨損測量儀。設(shè)計中利用轉(zhuǎn)輪與編碼器同步轉(zhuǎn)動實現(xiàn)不均勻磨損的等步長測量，通過串口通信實現(xiàn)測量儀與計算機之間的數(shù)據(jù)通信與采集控制?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明：激光車輪不均勻磨損測量儀能在現(xiàn)場方便快捷地測量車輪圓周表面不均勻磨損，結(jié)果具有良好的重復性和穩(wěn)定性，其測量準確度可達0.1μm。

不均勻磨損；激光位移傳感器；測量儀；現(xiàn)場測試

0 引言

車輪作為鐵路機車和車輛的重要行走部件，需要安全可靠地承擔載荷并在鋼軌上快速行駛。在鐵路車輪踏面圓周方向上出現(xiàn)的不均勻磨損[1-3]，將引起車輛軌道系統(tǒng)一系列動力響應(yīng)的變化，對行車穩(wěn)定性、安全性、舒適性以及車輛軌道系統(tǒng)各個部件使用壽命產(chǎn)生很大影響[4-5]。

為了研究車輪踏面圓周不均勻磨損的形成與發(fā)展機理，首先要對出現(xiàn)不均勻磨損的車輪進行測量以獲得磨損形狀。王捷等[6]提出了一種機械式車輪不圓度測量設(shè)備，但由于傳感器的接觸會帶來一定的磨損現(xiàn)象，長時間使用會影響測量結(jié)果的精度和重復性。李劍波[7]研究了一種利用平行四邊形機構(gòu)的在線式車輪不圓度檢測裝置。洪燎等[8]開發(fā)了一款便攜式軌道車輪不圓度及直徑測量裝置，給出了測量原理、算法及誤差。Johansson[9]分析了車輪不圓度接觸測量方法，研究了車輪不圓度對車輛動力學行為的影響。Ben H J[10]通過圖像監(jiān)測法研究了車輪實時跟蹤監(jiān)測裝置，可實現(xiàn)車輪不圓度的在線監(jiān)測。

現(xiàn)場要求對車輪進行不拆卸的直接測量[11]，因此測量設(shè)備必須是便攜式，能方便地移動、安裝和拆卸，且測量精度高。本文基于激光位移傳感測量設(shè)計了一種新型車輪不均勻磨損測量儀，實現(xiàn)了現(xiàn)場方便快捷地測試車輪圓周表面不均勻磨損。

1 測量儀設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

為實現(xiàn)現(xiàn)場方便快捷地測量車輪踏面不均勻磨損情況，所設(shè)計的測量儀必須能快速安裝定位。車輪不均勻磨損測量儀主要由激光位移傳感器、控制器、轉(zhuǎn)輪與編碼器、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測量儀結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理如下：激光位移傳感器感測頭10發(fā)出的激光束（圖1中紅線）直接照射到被測車輪1的磨損表面，經(jīng)車輪表面反射的激光通過激光位移傳感器接收器鏡頭接收，可計算出傳感器與被測物體之間的相對距離。測量過程中手動轉(zhuǎn)動車輪1，由于摩擦作用轉(zhuǎn)輪3與車輪實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動，并使得與轉(zhuǎn)輪3連接的編碼器4旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生測量脈沖信號，脈沖信號輸送到控制器11可控制激光位移傳感器進行一次相對距離測量和記錄，通過控制器11的串口通信把測量結(jié)果送入計算機12進行處理。

為方便快捷進行現(xiàn)場測量與拆卸，測量儀的固定采用可控磁力座7，8實現(xiàn)，把激光位移傳感器和轉(zhuǎn)輪均通過磁力座快速固定在鋼軌上面。

1.2 測量轉(zhuǎn)輪設(shè)計

激光傳感器的測量受編碼器產(chǎn)生的脈沖信號決定，編碼器產(chǎn)生的脈沖是由轉(zhuǎn)輪帶動編碼器轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生，而轉(zhuǎn)輪是由車輪踏面摩擦產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動，這就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪與車輪轉(zhuǎn)動的一致性。因此，傳感器測量點均勻分布在車輪圓周方向上，和車輪轉(zhuǎn)動是否勻速及速度大小沒有關(guān)系。

為充分反映車輪踏面圓周方向的不均勻磨損情況，需要合理控制測量的步長。編碼器是將信號或者數(shù)據(jù)進行編制，并轉(zhuǎn)換成可用于傳輸和存儲信號的一種設(shè)備。設(shè)計中選用600脈沖信號的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。選定轉(zhuǎn)輪的半徑為R=50mm，當轉(zhuǎn)輪與車輪之間不存在相對滑動時，則測量步長為

為確保車輪與轉(zhuǎn)輪之間不產(chǎn)生相對滑動，必須增加兩者之間的摩擦力，故把轉(zhuǎn)輪圓周設(shè)計成O型橡膠圈材料。同時在轉(zhuǎn)輪固定桿上設(shè)計拉伸彈簧6以增加轉(zhuǎn)輪與車輪踏面之間的接觸壓力，更好地實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動。

1.3 激光位移傳感器

激光位移傳感器利用激光的高方向性、單色性以及高亮度等特點實現(xiàn)無接觸測量。為提高測量準確度，所設(shè)計的測量儀使用LK-G35激光位移傳感器、LK-G3001V控制器。LK-G35激光位移傳感器的工作參照距離為30 mm，測量范圍±5 mm，重復準確度0.05μm。LK-G3001V控制器可擴展連接兩個激光位移傳感器，故所設(shè)計的測量儀能同時實現(xiàn)一個輪對的不均勻磨損測量，大大提高了測量的速度。同時LK-G3001V控制器具有串口通信功能，這為實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與計算機的通信傳輸提供了技術(shù)支持。

從圖2中可知，固定桿一端連接激光位移傳感器感測頭，一端連接磁力座，磁力座固定在鐵軌上，從而對感測頭進行定位。固定桿下端要做成螺紋，從而和磁力座上部的螺紋孔進行連接。上端安裝激光位移傳感器的設(shè)計滿足了在車輪軸向上的移動要求，從而可測量車輪踏面任意橫向位置處的不均勻磨損情況。

2 數(shù)據(jù)通信與采集實現(xiàn)

利用激光位移傳感器控制器中的RS-232C串口通信功能連接計算機通信串口，實現(xiàn)了測量儀測量數(shù)據(jù)的傳輸與記錄。為進一步實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的自動記錄與分析處理，基于Java設(shè)計了車輪不均勻磨損測量儀的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，如圖3所示。

圖2 激光位移傳感器定位設(shè)計

圖3 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)界面

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)由系統(tǒng)界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析等模塊組成。測量顯示包括動態(tài)測量值、最大值、最小值、峰谷值、直徑、不圓度等。數(shù)據(jù)分析主要通過程序函數(shù)實現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的頻譜分析，計算出不均勻磨損的階次。同時軟件可實現(xiàn)實時顯示最大值、最小值、不圓度等，還可根據(jù)具體要求進行較為復雜的傅里葉變換等數(shù)據(jù)分析。

3 現(xiàn)場測量試驗

用本文設(shè)計的新型車輪不均勻磨損測量儀對車輪踏面出現(xiàn)的不均勻磨損情況進行了現(xiàn)場測量，如圖4所示。

現(xiàn)場測量結(jié)果與分析如圖5所示。通過對車輪踏面圓周方向進行不均勻磨損測量發(fā)現(xiàn)，車輪踏面圓周方向出現(xiàn)了明顯的波浪形磨損現(xiàn)象（見圖5（a））。利用數(shù)據(jù)采集分析軟件對測量數(shù)據(jù)進行頻譜分析，可獲得車輪圓周波浪形磨損的階次。通過圖5（b）分析可知，所測車輪踏面不均勻磨損階次主要為8階次，這說明車輪沿圓周呈8次不均勻規(guī)律分布（見圖5（b））。

圖4 現(xiàn)場測試照片

圖5 現(xiàn)場測量結(jié)果與分析

圖6 測量結(jié)果對比

對比圖6結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所研制的激光測量儀測量結(jié)果與高精度ODS輪軌表面粗糙度測量儀（丹麥生產(chǎn)，主要用于輪軌表面粗糙度測量，精度0.1 μm、量程1 mm，傳感器為接觸式位移傳感器）結(jié)果具有很好的一致性。多次測量結(jié)果表明激光測量儀具有很好的測量準確度和結(jié)果重復性，其測量準確度可達0.1 μm。

4 結(jié)束語

設(shè)計的激光位移測量儀能現(xiàn)場方便快捷地測量車輪圓周表面不均勻磨損情況，實現(xiàn)了等步長數(shù)據(jù)測量與記錄，測量速度快；通過擴展連接兩個激光位移傳感器可實現(xiàn)同時測量一個輪對的不均勻磨損，極大提高了測試效率。設(shè)計的激光測量儀測量量程達±5mm，測量準確度0.1μm，能自動采集并分析數(shù)據(jù)，完全滿足車輪圓周表面不均勻磨損現(xiàn)場測試要求。

[1]Johansson A.Out-of-round railway wheels-a study of wheel polygo-nalization through simulation of three dimensional wheel-rail interaction and wear[J].Vehicle System Dynamics，2005，43（8）：539-559.

[2]Johansson A.Out-of-round railway wheels-assessment of wheel tread irregularities in train traffic[J].Journal of Sound and Vibration，2006，293（3）：795-806.

[3]Peter T，Martin S.Rail corrugation growth on small radius curves-measurements and validation of a numerical prediction model[J].Wear，2013（303）：381-396.

[4]Johansson A，Nielsen J.Rail corrugation growth-influence of powered wheelsets with wheel tread irregularities[J]. Wear，2007（262）：1296-1307.

[5]金學松，張繼業(yè)，溫澤峰，等.輪軌滾動接觸疲勞現(xiàn)象分析[J].機械強度，2002，24（2）：250-257.

[6]王捷，鐘曉波，沈鋼.車輪不圓度測量方法研究[J].鐵道車輛，2012，50（12）：12-13.

[7]李劍波.車輪不圓度檢測及DSP的應(yīng)用研究 [D].成都：西南交通大學，2006.

[8]洪燎，沈鋼.便攜式軌道車輛車輪不圓度及直徑測量裝置[J].城市軌道交通研究，2009（2）：53-55.

[9]Johansson A.Out-of round railway wheels-causes and consequences， an investigation including filed tests, out-of-roundness measurements and numerical simulations.Doctoral Dissertation[D].Goteborg Sweden：Chalmers University of Technology，2005.

[10]Ben H J.Wheelscan:real-time in-track inspection of wheels[J].Rail Engineering International Edition，1988（4）：10-11.

[11]謝利明，高曉蓉，羅林，等.車輪踏面不圓度在線監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與分析[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012，40（6）：12-14.

Design and test of wheel uneven-wear measuring instruments based on laser displacement sensors

YANG Shu
（Chengdu College，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

To carry out field measurement on uneven wear in the circumferential direction of wheel tread，a novel wheel uneven-wear measuring instrument was designed based on laser displacement measurement.During the design，equal-step detection for uneven-wear was realized through synchronous rotation between a rotary wheel and an encoder，and serial communication was adopted for data communication and acquisition control between the measuring instrument and a computer.The field test indicates that this instrument can be applied to measure uneven wear on wheel circumference surface in convenient and rapid manners due to high repeatability and stability and 0.1μm-measurement accuracy.

uneven wear；laser displacement sensor；measuring instrument；field testing

A

：1674-5124（2015）05-0079-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.020

2014-10-22；

：2014-12-28

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2011JY0129）

楊 姝（1982-），女，四川德陽市人，實驗師，碩士，主要從事計算機測量與設(shè)計研究。