鐵路機(jī)車車輪踏面失圓的檢測(cè)方法綜述

劉紅，雷新紅

(南車株洲電力機(jī)車有限公司，技術(shù)中心,湖南株洲 412001)

鐵路機(jī)車車輪踏面失圓的檢測(cè)方法綜述

劉紅，雷新紅

(南車株洲電力機(jī)車有限公司，技術(shù)中心,湖南株洲 412001)

20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界各國(guó)針對(duì)鐵路機(jī)車車輪踏面失圓進(jìn)行了不懈的研究，提出了多種不同的檢測(cè)方法。文中對(duì)鐵路機(jī)車車輪踏面失圓原因、踏面失圓形式以及踏面失圓檢測(cè)方法進(jìn)行了綜述。

鐵路機(jī)車；車輪踏面；失圓；檢測(cè)

0 引言

輪對(duì)是鐵路機(jī)車行走部的關(guān)鍵部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)車輛的振動(dòng)、行車安全、乘客舒適度等有非常重要的影響。車輪及閘瓦的材質(zhì)不匹配、列車緊急制動(dòng)、司機(jī)駕駛水平有限等諸多原因，易造成車輛車輪踏面失圓。

車輪失圓(Out of Roundness,OOR)是指車輪踏面型面的變化，包括車輪表面相對(duì)水平或橫向理論形狀的偏差和相對(duì)圓周方向的不圓度偏差。車輪滾動(dòng)圓失圓形式可分為局部非圓化、全周失圓化兩種，前者是指車輪踏面局部出現(xiàn)沿車輪徑向的缺陷，扁疤、剝離等都是局部非圓化的表現(xiàn)形式；后者主要是車輪多邊形化，即車輪半徑沿整個(gè)圓周呈周期性變化。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)制的不同，車輪失圓可分為車輪擦傷、踏面剝離、局部不圓順、車輪多邊形等幾種，其表現(xiàn)形式及產(chǎn)生原因如表1所示。

表1 車輪踏面不圓度表現(xiàn)形式及產(chǎn)生原因

1 車輪踏面失圓檢測(cè)概述

車輪失圓檢測(cè)方法已有多年的研究歷史，主要可分為離線檢測(cè)及在線檢測(cè)兩大類。離線檢測(cè)適合于鐵路車輛入庫(kù)后進(jìn)行；在線檢測(cè)方法則無(wú)須車輛靜止后拆卸，可實(shí)現(xiàn)在自然環(huán)境下快速的檢測(cè)。二者的優(yōu)缺點(diǎn)詳見(jiàn)表2。

表2 踏面離/在線檢測(cè)優(yōu)缺點(diǎn)比較

早期對(duì)車輪踏面失圓的檢查有耳聽(tīng)、錘敲、眼看等傳統(tǒng)離線方法，這些方法受人為因素、故障所處的部位、現(xiàn)場(chǎng)工作條件等因素影響，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輪踏面故障，易造成漏檢、漏修，又增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)技檢時(shí)間；只能定性地對(duì)車輪踏面進(jìn)行分析，無(wú)法定量進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于速度較快的在運(yùn)列車，這些方法不適用。

近年來(lái)，車輪踏面失圓自動(dòng)檢測(cè)等在線檢測(cè)方法不斷研制成功并投入使用，可自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)列車動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)輪對(duì)踏面故障，可提高車輛檢修質(zhì)量、縮短技檢時(shí)間、加速車輛周轉(zhuǎn)、改善車輛運(yùn)行條件、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。如文獻(xiàn)[1]概述了日本鐵路貨運(yùn)公司將在線實(shí)時(shí)車輪踏面擦傷檢測(cè)裝置、貨物信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等多個(gè)信息渠道鏈接，建立貨車檢修管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)車輛車輪擦傷狀態(tài)判定、列車車次確定、貨車車號(hào)確定、嚴(yán)重踏面擦傷報(bào)警通知、扣車與扣修指令下達(dá)、檢修區(qū)車輪踏面旋修等，對(duì)日本約8000輛集裝箱貨車的車輪踏面擦傷實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化管理。

2 車輪踏面失圓檢測(cè)方法

隨著車輪踏面失圓檢測(cè)研究的深入，目前已有多種不同類型的檢測(cè)方法投入使用，如噪聲檢測(cè)法、圖像檢測(cè)法、電信號(hào)檢測(cè)法、振動(dòng)加速度檢測(cè)法、位移檢測(cè)法等。

2.1 噪聲檢測(cè)法

高瑞鵬等[2]從踏面擦傷車輪引起的噪聲出發(fā)，將兩組麥克風(fēng)陣列、兩個(gè)速度傳感器分別安裝在運(yùn)行車輛底部、車輪后方的減震箱內(nèi)，用于采集輪軌噪聲。提出了一種將遺傳算法與小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的算法，通過(guò)分析輪軌噪聲判定車輪踏面擦傷程度。該方法所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作，但因設(shè)備安裝在車輛上，只能檢測(cè)固定的某一輪對(duì)(或幾對(duì))的踏面擦傷情況。

2.2 圖像檢測(cè)法

田麗麗等[3]在鋼軌兩側(cè)分別放置3個(gè)千兆網(wǎng)數(shù)字面陣CCD攝像機(jī)、3個(gè)光源用于采集低速運(yùn)行下車輛車輪的踏面處圖像，經(jīng)圖像處理模塊的平滑去噪、踏面區(qū)域分割，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)及擦傷定位。

文獻(xiàn)[4]采用雙CCD相機(jī)攝像，拍攝車輪輪轂斷面曲線圖像，獲得車輪踏面圖像，并采用圖像處理的方法對(duì)其進(jìn)行分割、二值化處理，在不接觸踏面的條件下實(shí)現(xiàn)踏面擦傷檢測(cè)，同時(shí)與計(jì)算機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、分析及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

2.3 電信號(hào)檢測(cè)法

文獻(xiàn)[5]在軌道上設(shè)置如圖1所示的車輪傳感器和振動(dòng)傳感器，前者主要用于計(jì)算車速、軸距、軸數(shù)、車輛數(shù)等，后者接收振動(dòng)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。兩個(gè)檢測(cè)區(qū)長(zhǎng)度均為L(zhǎng)/2(L為車輪踏面的周長(zhǎng))，分別用于檢測(cè)車輪的前半周、后半軸的踏面擦傷，中間相隔距離L。在每個(gè)檢測(cè)區(qū)外邊設(shè)置2個(gè)振動(dòng)傳感器用于判別鄰輪干擾及距離補(bǔ)償。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的自動(dòng)采集，無(wú)需切斷鋼軌、無(wú)需在鋼軌上打孔。

2.4 振動(dòng)加速度檢測(cè)法

文獻(xiàn)[6]針對(duì)擦傷的車輪踏面在行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的特點(diǎn)，將10個(gè)加速度傳感器平均安裝在信號(hào)采集區(qū)間內(nèi)的軌道兩側(cè)，用于測(cè)量輪軌振動(dòng)信號(hào)(檢測(cè)裝置如圖2所示)，并采用小波分析方法分析所采集的振動(dòng)信號(hào)的不同頻率，得到不同頻率的能量，評(píng)定車輪踏面擦傷。

2.5 位移檢測(cè)法

李景泉等[7]采用踏板法直接檢測(cè)車輪踏面擦傷深度。其測(cè)量原理是在軌道的內(nèi)側(cè)車輪輪緣正下方加入踏板裝置，踏板下方安裝傳感器。當(dāng)有踏面擦傷的車輪經(jīng)過(guò)時(shí)，由于重力作用及輪緣半徑一定，踏板會(huì)隨輪緣垂直往下下降一高度，該高度即為該瞬間車輪踏面擦傷的深度。傳感器實(shí)時(shí)將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳輸給數(shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)，以記錄信息并計(jì)算深度值。

文獻(xiàn)[8]采用的測(cè)量裝置與李景泉等采用的裝置類似，均為接觸式位移法直接獲取車輪踏面擦傷深度值。不同的是，文獻(xiàn)[8]中裝置加入了阻尼器/減震器以吸收系統(tǒng)的振動(dòng)，減小了車輪振動(dòng)對(duì)擦傷信號(hào)判定的影響，減輕了后續(xù)車輪踏面擦傷分析時(shí)的工作量。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)引起鐵路機(jī)車車輪踏面失圓的原因、表現(xiàn)形式進(jìn)行了概述，并對(duì)目前已研究出的各種車輪踏面失圓檢測(cè)方法進(jìn)行了綜述。隨著鐵道車輛，特別是高鐵車輛車速越來(lái)越快，采用非接觸式、快速、自動(dòng)化的檢測(cè)研究方法將成為今后的研究重點(diǎn)。

【1】 井野智裕，李偉平.利用踏面擦傷檢測(cè)裝置管理貨車車輪踏面[J].國(guó)外鐵道車輛，2013(6):42-45.

【2】 高瑞鵬，尚春陽(yáng)，江航.遺傳算法結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的列車車輪扁疤故障檢測(cè)方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,47(9)：88-91.

【3】 田麗麗，方宗德，趙勇.鐵路貨車車輪踏面?zhèn)麚p檢測(cè)中剝離與擦傷定位方法[J].鐵道學(xué)報(bào)，2009(5):31-36.【4】 羅意平，李雪雷，王峰，等.基于線結(jié)構(gòu)光的輪對(duì)踏面測(cè)量方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,2(3)：75-77.

【5】 侯世江.對(duì)車輪踏面擦傷微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的初步研究[J].鐵道車輛，2001(12):36-38.

【6】 倪然，馬慶春，遲寶權(quán)，等.車輪踏面擦傷檢測(cè)技術(shù)及數(shù)據(jù)分析方法[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25(5)：59-61.

【7】 李景泉，劉繼.車輪踏面擦傷自動(dòng)檢測(cè)方法的研究和試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,31(4)：473-476.

【8】 黃艷紅，高曉蓉，王黎，等.基于平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輪踏面擦傷信號(hào)的檢測(cè)判定[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2008(1)：52-54.

Review of Detecting Methods for Out of Roundness of Locomotive Wheel Tread

LIU Hong,LEI Xinhong

(R&D Center,CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan 412001,China)

Since the 1970s,people from around the world have done a lot of research in the area of out of roundness(OOR),and have proposed a variety of different detection methods.The causes,forms,and detection methods for OOR of locomotive wheel tread were reviewed.

Locomotive；Wheel tread；Out of roundness；Detection

2014-12-03

劉紅(1986—)，男，助理工程師，主要從事鐵路機(jī)車方面的檢測(cè)與試驗(yàn)研究工作。E-mail:syliuhong@163.com。