列車輪對幾何參數(shù)與缺陷動態(tài)測量

馮其波，楊婧，鄭發(fā)家，趙曉華

(1.北京交通大學(xué) 理學(xué)院光電檢測技術(shù)研究所,北京 100044；2.東莞市諾麗電子科技有限公司，廣東 東莞 523050)

0　引言

高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展給國民經(jīng)濟注入了強大的活力，給人們的出行帶來了極大的方便，但同時給鐵路和城市軌道交通的運行安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。世界各國的高速鐵路和城市軌道交通均發(fā)生過不同程度的列車脫軌事故，造成不同程度的人員傷亡和財產(chǎn)損失，其中最為災(zāi)難性的當(dāng)數(shù)1998年德國高速列車由輪對故障引起的脫軌事故和我國723溫州動車事故。造成高速列車事故的主要原因包括：人為因素、控制系統(tǒng)失靈、鐵路重要零部件損傷、輪軌配合異常等。根據(jù)美國聯(lián)邦鐵路局安全分析辦公室官方網(wǎng)站的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，美國自1975年以來，機械與電氣故障引起25884起鐵路事故、造成經(jīng)濟損失21.13億美元，其中19%的事故以及27%的經(jīng)濟損失由輪對故障引起[1]。一項數(shù)據(jù)顯示，2013年北美鐵路貨車修理費用超過12億美元，其中車輪踏面損傷比例達到56%[2]。

由此可見，輪對質(zhì)量優(yōu)劣對鐵路和城市軌道交通運行安全有至關(guān)重要的影響。及時對已損壞輪對進行檢修，可以有效降低事故發(fā)生率、提高列車?yán)寐?；對輪對幾何參?shù)進行長期跟蹤監(jiān)測，可以為輪對設(shè)計與制造、運用與維修、輪軌磨耗預(yù)測以及鋼軌型面優(yōu)化提供科學(xué)決策的依據(jù)。因此，如何對輪對幾何參數(shù)與擦傷進行快速、準(zhǔn)確的測量，成為軌道交通領(lǐng)域迫切需要解決的問題，也是此領(lǐng)域科技人員長期研究的重大課題。到目前為止，輪對幾何參數(shù)與擦傷測量經(jīng)歷了人工測量、離線自動測量與在線測量三個階段。

人工測量：通過輪徑尺、第四檢查器等工具[3]手動測量輪對幾何參數(shù)。存在測量誤差大、效率低等不足，不能準(zhǔn)確、快速獲取所有列車輪對的幾何狀態(tài)，造成輪對“帶傷工作”，存在較大的安全隱患。

離線自動測量：即列車運行一定周期后強制送到工廠，將所有輪對從車體上卸下，送入自動檢測裝置自動測量輪對參數(shù)。離線自動測量主要采用激光器和CCD攝像頭構(gòu)建的激光機器視覺系統(tǒng)[4]，通過測量系統(tǒng)時得到輪對踏面輪廓，經(jīng)過處理得到輪對的各種尺寸。離線測量與定期檢測制度聯(lián)系在一起。定期檢修制度一方面不能及時發(fā)現(xiàn)列車輪對故障，造成輪對“帶傷工作”，構(gòu)成安全隱患；另一方面使輪對沒有故障也要強制檢修，造成財力物力的浪費。這種定期檢修制度無法滿足我國高速鐵路和城市軌道交通快速發(fā)展的需要，因此基于輪對幾何參數(shù)在線測量的狀態(tài)修成為世界發(fā)達國家的管理模式。

在線動態(tài)測量：即利用軌邊測量系統(tǒng)動態(tài)測量所有通過的列車輪對參數(shù)。該方法不僅可以實時快速準(zhǔn)確獲取列車輪對幾何參數(shù)，而且對超限輪對及時更換、實現(xiàn)狀態(tài)修，既保證了列車的安全運營，又提高了輪對的使用效率，成為目前國內(nèi)外輪對幾何參數(shù)測量的發(fā)展趨勢。在線動態(tài)測量主要采用激光傳感法、機器視覺法或激光傳感與機器視覺相結(jié)合的方法。

本論文就輪對狀態(tài)參數(shù)定義進行介紹，概述國內(nèi)外輪對幾何參數(shù)與擦傷測量方法，分析各種方法的優(yōu)缺點，介紹近20年來我們在輪對幾何參數(shù)與缺陷動態(tài)在線檢測方面的工作，并討論未來輪對檢測的發(fā)展趨勢。

1　輪對狀態(tài)參數(shù)定義

如圖1 (a)所示，將兩個相同的車輪和一根車軸壓裝在一起形成的整體即為輪對。輪對是機車和車輛最重要的運動部件，車輪與鋼軌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[5-6]，如圖1(6)所示。輪對狀態(tài)參數(shù)分為幾何尺寸(車輪直徑、輪緣厚、輪緣高度、QR值、輪輞寬、踏面磨耗、內(nèi)側(cè)距，見圖1)、位置和形狀(踏面滾動圓不圓度、內(nèi)側(cè)面平行度、輪廓)、缺陷(擦傷、剝離與損傷)三類。

圖1　輪對幾何參數(shù)的定義

列車運行一段時間后，輪對踏面會發(fā)生磨損，出現(xiàn)輪對參數(shù)異常、磨耗超限、擦傷、裂紋等情況。尺寸超限影響輪軌配合，可能造成脫軌；擦傷引起振動和沖擊，對線路固定設(shè)施(如軌道結(jié)構(gòu)、橋梁等)及車輛結(jié)構(gòu)造成了極大的損害，加大了維修成本；損傷和裂紋可造成輪對開裂和列車重大事故。要保證軌道交通的運行安全、降低系統(tǒng)的維護成本，需要通過檢測判斷輪對是否存在內(nèi)部缺陷、輪對與鋼軌的位置及配合是否存在異常。需要測量的輪對主要幾何參數(shù)有：

車輪直徑：踏面上距離車輪內(nèi)側(cè)面70 mm處為基點，通過基點且垂直于車軸形成的圓稱為滾動圓，滾動圓的直徑即車輪踏面直徑。

輪緣厚度：做一條垂直于車輪內(nèi)側(cè)面的直線，并使直線與基點的距離為12 mm，直線和輪緣相交，兩交點之間的距離稱為輪緣厚度。

輪輞寬：車輪的內(nèi)側(cè)面是在生產(chǎn)車間中加工車輪時的基準(zhǔn)面，內(nèi)、外側(cè)面之間的距離被定義為輪輞寬。

踏面磨耗：使用后的輪對踏面基點與標(biāo)準(zhǔn)踏面基點之間的垂直距離[5-6]。

2　輪對幾何尺寸測量方法

輪對幾何尺寸、位置和形狀都屬于幾何量，測量方法比較類似，目前主要采用激光傳感法[7-10]、機器視覺法[11-20]、激光傳感與機器視覺結(jié)合法[21]進行測量。由于直徑測量屬于大尺寸測量，且其測量精度受車輪姿態(tài)影響較大，成為輪對幾何參數(shù)測量的重點與難點。根據(jù)以上分類，對輪對幾何參數(shù)和直徑的測量方法進行介紹。

2.1　激光傳感器法

1990年，Danneskiold-samsoe U等人提出一種基于激光傳感器的列車車輪踏面磨耗測量方法[7]：列車車輪經(jīng)過時，外側(cè)1D激光位移傳感器測量一條踏面輪廓曲線，內(nèi)側(cè)1D激光傳感器測量內(nèi)側(cè)面位置，修正測量的輪廓曲線，可降低蛇行對測量結(jié)果的影響，對比修正后的踏面輪廓曲線與標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線，得出踏面磨耗。當(dāng)列車以30～100 km/h速度經(jīng)過時，磨耗測量精度為0.1 mm。該方法結(jié)構(gòu)簡單、測量速度快、精度高，但測量精度受車速影響。設(shè)置多套外側(cè)激光位移傳感器可以在一瞬間得到踏面輪廓曲線上的多個點，可不受車速影響，但成本大大提高。

1998年，Naumann H J研制出一套基于多個1D激光位移傳感器的列車車輪幾何參數(shù)測量系統(tǒng)[8]：列車經(jīng)過時，多個1D激光位移傳感器發(fā)射的激光分別投射到車輪輪廓不同位置，通過對各傳感器測得結(jié)果進行處理，獲得輪對幾何參數(shù)。該系統(tǒng)安裝于軌邊時，可以判斷速度高于72 km/h的列車是否有磨耗過大的車輪；該系統(tǒng)安裝于車間時，可以測量速度低于9.6 km/h的列車輪對的輪緣高、輪緣厚、輪輞寬、直徑以及磨耗等參數(shù)。

2008年起，我們提出多種基于激光傳感的車輪直徑測量方法[9-10]，精度從最初的1.5 mm提高到0.3 mm。

單1D激光位移傳感器測量方法如圖2(a)所示。1D激光位移傳感器在原點A以α角度出射的激光照射在車輪踏面上，在B點形成光斑，得到原點A與B點間距l(xiāng)1；設(shè)車輪圓周的最低點與x軸(即鋼軌)相切于C點，C點與A點相距L1。將B點坐標(biāo)(l1cosα，l1sinα)與C點坐標(biāo)(L1，0)代入車輪圓周方程(x-L1)2+(y-R)2=R2，有

(1)

已知1D激光位移傳感器安裝角α，當(dāng)車輪到達C點時測量l1即可根據(jù)式(1)得到車輪半徑R。在C點設(shè)置一個渦流傳感器時，通過判斷傳感器輸出曲線最低點定位車輪。由圖2(b)可以看出，越靠近最低點輸出曲線變化越緩慢，導(dǎo)致定位精度相對較低。若在圖2(a)中沿C點對稱的D1，D2兩點分別設(shè)置兩個渦流傳感器，當(dāng)車輪位于C點時兩個渦流傳感器的曲線斜率較大，通過兩個渦流傳感器差分后的過零點定位車輪，可提高沿x軸方向的定位精度[10]，從而提高測量直徑的精度。

圖2　單1D激光位移傳感器直徑測量

圖2(a)和式(1)成立的前提是準(zhǔn)確定位車輪最低點即C點。通過雙渦流差分定位可以提高沿x軸方向的定位精度，但無法減小由于車輪姿態(tài)與蛇形引入的橫向定位誤差。為此我們提出如圖3(a)所示的雙1D激光位移傳感器測量方法：在與C點相距L2的G點上增加一個1D激光位移傳感器，以β角度出射的激光照射在車輪踏面的E點上，得到G，E兩點間距l(xiāng)2。與式(1)類似，根據(jù)E點與C點計算車輪半徑R。

(2)

取式(1)、式(2)平均值作為被測車輪半徑R。

(3)

若α=β，L=L1=L2，可將式(3)進一步簡化為

(4)

當(dāng)R=450 mm，L=450 mm，α=β=45°時，由于渦流位移傳感器橫向定位不準(zhǔn)造成的半徑測量誤差的仿真計算結(jié)果如圖3(b)所示：當(dāng)渦流位移傳感器橫向定位誤差在±4 mm內(nèi)時，造成的半徑測量誤差小于0.2 mm。

圖3　雙1D激光位移傳感器直徑測量

當(dāng)給定半徑的車輪沿一個方向運動時，其中的一個1D激光位移傳感器的輸出在增加，而另一個1D激光位移傳感器的輸出在減少，結(jié)果使得兩個1D激光位移傳感器的輸出之和基本不變。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，通過輸出之和最低點也可以實現(xiàn)車輪定位，得到被測直徑的大小，渦流傳感器可以去掉。

考慮到實際安裝時，很難保證雙1D激光位移傳感器與渦流傳感器共面，為了進一步提高測量精度，故提出三點測圓法：通過機械加工保證三個激光位移傳感器位于同一平面，測量同一踏面滾動圓上三點的空間坐標(biāo)，根據(jù)三點坐標(biāo)擬合得到滾動圓方程，從而得到輪對直徑。通過該方法對同一輛地鐵車輛(含24組輪對)9次入庫時進行輪對直徑測量，其結(jié)果如圖4所示。左右兩側(cè)車輪實測精度分別為0.37 mm與0.31 mm，明顯高于國內(nèi)外產(chǎn)品標(biāo)稱0.5 mm精度，解決了踏面直徑高精度動態(tài)測量關(guān)鍵問題。

圖4　現(xiàn)場同一輛車(24組輪對)9次測量結(jié)果圖

2.2　機器視覺法

上世紀(jì)90年代，Ionescu Octavian用縫隙式照明裝置結(jié)合攝像機的方法實現(xiàn)了最大速度為10～12 km/h的車輪輪廓與磨耗的在線測量[11]。隨著機器視覺測量技術(shù)的發(fā)展，基于結(jié)構(gòu)光的測量成為常用的輪對幾何參數(shù)在線測量方法，測量系統(tǒng)如圖5所示，激光器與攝像機構(gòu)成結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，兩個結(jié)構(gòu)光視覺傳感器分別安裝于鋼軌內(nèi)外兩側(cè)，同時測量得到一條完整車輪輪廓曲線，與標(biāo)準(zhǔn)車輪輪廓對比，可得到直徑、輪緣厚、輪輞寬、踏面磨耗等參數(shù)。

2015年張廣軍等人利用該原理，實現(xiàn)了車速100 km/h時，踏面磨耗測量誤差為0.18 mm[14]。在此基礎(chǔ)上提出的結(jié)構(gòu)光車輪直徑測量系統(tǒng)，通過擬合車輪踏面圓上均勻分布的八個特征點得到車輪直徑[15]，結(jié)合全局標(biāo)定技術(shù)[22-23]，在車速小于80 km/h時，直徑測量極限誤差為0.54 mm。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光測量方法一次只能獲得一條車輪輪廓，當(dāng)采用車輪輪廓計算直徑時，需要設(shè)置多套結(jié)構(gòu)光視覺傳感器拍攝多幅圖像，增加系統(tǒng)成本。張渝等人提出將正弦條紋光投射到輪對踏面，利用小波變換輪廓術(shù)實現(xiàn)車輪表面三維重構(gòu)，拍攝幾幅圖像就可實現(xiàn)車輪幾何參數(shù)與擦傷檢測[16]。該方法重建精度受條紋方向影響，僅進行了實驗室實驗，并未用于實際測量。

圖5　基于結(jié)構(gòu)光的車輪參數(shù)檢測系統(tǒng)[14]

經(jīng)過對結(jié)構(gòu)光輪對幾何參數(shù)動態(tài)測量多年的研究，目前，提出圖6所示的一體化結(jié)構(gòu)光的輪對幾何參數(shù)測量方法：對結(jié)構(gòu)光視覺傳感器進行一體化封裝，當(dāng)列車經(jīng)過時，可減小由于震動引入的測量誤差。此外，采用“張正友標(biāo)定”法，通過拍攝三幅以上的棋盤格圖像，對現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器進行標(biāo)定，得到傳感器的內(nèi)參、外參和畸變系數(shù)，對傳感器進行校準(zhǔn)并獲得三維重建的基礎(chǔ)。

圖6　一體化結(jié)構(gòu)光車輪參數(shù)檢測裝置

基于結(jié)構(gòu)光的輪廓測量方法難點在于激光器投射的激光平面與被測輪對圓心不重合。造成結(jié)構(gòu)光不過圓心的主要原因(如圖7所示)：①被測車輪直徑不一致，例如針對直徑為2R的標(biāo)準(zhǔn)車輪設(shè)計的結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)輪通過定位點C點時，結(jié)構(gòu)光過圓心O，當(dāng)直徑為2R′的磨耗輪通過定位點C點時，結(jié)構(gòu)光不過圓心O′；②由于機械加工與安裝引入的誤差，結(jié)構(gòu)光實際出射角度α′與設(shè)計角度α不一致，也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)光不過圓心；③由于定位不準(zhǔn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)光不過圓心。當(dāng)結(jié)構(gòu)光不過車輪圓心時，測得的輪廓與被測車輪踏面輪廓存在一定的坐標(biāo)平移與旋轉(zhuǎn)，給測量結(jié)果帶來誤差。為了修正這一誤差，需要精確測量安裝參數(shù)α和車輪直徑，提高車輪定位精度。在我們研制的輪對幾何參數(shù)與缺陷動態(tài)測量系統(tǒng)中包含高精度的車輪直徑測量系統(tǒng)，可根據(jù)該系統(tǒng)測得的車輪直徑，結(jié)合安裝參數(shù)，對結(jié)構(gòu)光不過圓心進行動態(tài)修正。

圖7　結(jié)構(gòu)光不過車輪圓心示意圖

為此，我們提出一種基于多線結(jié)構(gòu)光的輪對幾何參數(shù)動態(tài)測量系統(tǒng)[17]，其基本結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括一個定位傳感器與兩個對稱分布的多線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器。多線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由一個多線激光器和一個攝像機組成。列車經(jīng)過時，定位傳感器觸發(fā)多線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器拍攝包含如圖9所示多線結(jié)構(gòu)光光條的車輪輪廓信息，通過算法可以成功提取大部分光條。若干組基本結(jié)構(gòu)分布在軌道的內(nèi)外側(cè)，形成一個檢測區(qū)域，輪對在檢測區(qū)域轉(zhuǎn)動一周后，若干多線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器完成對車輪踏面不同區(qū)域的拍攝，對所有圖像進行融合與三維重建后，可以得到整個輪對的完整輪廓，與標(biāo)準(zhǔn)輪廓相比，得到車輪幾何參數(shù)。目前，該方法實驗室測得直徑、輪緣高與輪緣厚的極限誤差分別為±0.38，±0.06，±0.21 mm。

圖8　基于多線結(jié)構(gòu)光的輪對狀態(tài)自動測量系統(tǒng)

圖9　多線結(jié)構(gòu)光光條提取

除了采用上述分離式結(jié)構(gòu)光傳感器[12-15]之外，還可采用一體式2D激光位移傳感器[18-20]進行輪對幾何尺寸在線測量。分離式結(jié)構(gòu)光傳感器可以通過多線結(jié)構(gòu)光等方法拍攝一幅圖像得到多條車輪輪廓，但測量結(jié)果受安裝誤差影響較大；一體式2D激光位移傳感器測量精度高，且受安裝誤差影響較小，一個傳感器只能得到一條輪廓曲線，要得到完整的車輪輪廓需要多個二維激光傳感器，成本較高。

2.3　激光傳感與機器視覺結(jié)合法

圖10　基于2D激光位移傳感器的輪對幾何參數(shù)測量系統(tǒng)[19]

2015年，我們提出如圖10所示的輪對幾何參數(shù)測量方法[19]：2D激光位移傳感器測量車輪外側(cè)踏面曲線，1D激光位移傳感器確定內(nèi)側(cè)面空間位置，由于車輪輪緣內(nèi)側(cè)基本不產(chǎn)生磨耗與擦傷，確定內(nèi)側(cè)面位置以及外側(cè)輪廓即可求出車輪直徑、輪緣厚、輪緣高、磨耗與內(nèi)側(cè)距等參數(shù)。該方法具有系統(tǒng)簡單、成本低、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點。

為了提高直徑測量精度，采用激光傳感法測量直徑與機器視覺測量輪廓相結(jié)合的方法對車輪的幾何尺寸進行在線測量，實現(xiàn)了20 km/h以下車速經(jīng)過時，車輪直徑極限誤差±0.3 mm，其他幾何參數(shù)極限誤差±0.2 mm。

3　擦傷測量方法

車輪踏面為車輪在鋼軌面上滾動接觸的部位。踏面的擦傷、磨損等缺陷會給車輛與鋼軌帶來振動和噪聲,尤其是踏面擦傷會給車輪軸承與鋼軌帶來巨大的額外沖擊載荷,其附加沖擊的大小隨擦傷的深度、長度及列車的速度、載重量的不同可達到車輪靜載荷的幾倍到幾十倍,是引起輪對軸承損傷、造成軸溫升高、輪軸斷裂、鋼軌和混凝土軌枕斷裂的主要原因之一[24]。因此踏面缺陷測量也是車輪狀態(tài)測量的重要部分，踏面缺陷測量主要是測量擦傷。20世紀(jì)80年代初，國外曾研制了軌道電路中斷時間法和渦流法測量擦傷的儀器[25]，但測量精度不高，已不再使用。目前常用的擦傷測量方法包括應(yīng)力應(yīng)變法[26-35]、超聲法[36-38]、平行四邊形法[39-40]等。

3.1　應(yīng)力應(yīng)變法

列車在行駛過程中，輪對與鋼軌相互作用，狀態(tài)良好的車輪對鋼軌產(chǎn)生的沖擊力是周期性的，而有擦傷的車輪在擦傷處撞擊鋼軌時會產(chǎn)生較大的非周期性沖擊力。通過在鋼軌沿線不同位置安裝一系列應(yīng)變計[26-27]、光纖傳感器[28-32]、加速度計[33-35]等傳感器對鋼軌狀態(tài)進行監(jiān)測，可以得到列車蛇形、鋼軌擦傷與磨耗等參數(shù)。使用該方法進行踏面缺陷判斷時，會受到列車載重與速度影響。為消除列車載重影響，通常采用多個輪對經(jīng)過時的平均應(yīng)力/應(yīng)變作為動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力/應(yīng)變，當(dāng)某個輪對應(yīng)力/應(yīng)變明顯超過動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力/應(yīng)變時，認(rèn)為該輪對存在擦傷。該方法適用范圍廣、裝置結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)難度較低，但只能定性判斷車輪是否存在擦傷，無法得到準(zhǔn)確擦傷值。

2006年，Belotti V等人對加速度計采集的數(shù)據(jù)進行小波變換，可以準(zhǔn)確測量列車速度，并對不同車速下輪對踏面擦傷進行檢測和量化。通過如圖11所示的帶有不同擦傷長度車輪的測試車，以50～100 km/h范圍內(nèi)不同速度通過檢測路段時，可以準(zhǔn)確識別所有的擦傷車輪，但車速超過80 km/h后會誤報[35]。

圖11　基于振動加速計法的輪對踏面擦傷測量系統(tǒng)[35]

3.2　超聲法

超聲法分為電磁超聲法[36]與超聲測距法[37-38]。

2008年，Salzburger H J等人提出如圖12所示的電磁超聲輪對表面缺陷在線測量方法[36]，車輪通過時，嵌入鋼軌表面的電磁超聲探頭與車輪踏面接觸，探頭將會激發(fā)超聲波在車輪內(nèi)部傳播，當(dāng)車輪存在擦傷或缺陷時產(chǎn)生回波，分析接收到的回波信號可獲得輪對踏面處信息。該方法適用于車速低于15 km/h時，無需耦合劑，測量方便，但安裝時會破壞鋼軌原有結(jié)構(gòu)。

圖12　基于電磁超聲探頭的輪對擦傷測量系統(tǒng)[36]

圖13　基于瑞利超聲回波的輪對踏面擦傷測量系統(tǒng)[38]

俄羅斯在二十世紀(jì)九十年代中期研制出的基于超聲測距法的“輪對參數(shù)自動化檢測裝置”[24]。當(dāng)列車以不超過5 km/h經(jīng)過該系統(tǒng)時，可得到踏面缺陷等參數(shù)。該套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)試安裝較困難，且不能準(zhǔn)確判定缺陷性質(zhì)和大小。2010年，Brizuela J等人提出了如圖13所示的使用瑞利波檢測踏面磨耗的方法[37-38]：在鋼軌一端安裝超聲發(fā)生與探測裝置，超聲波脈沖沿軌道表面向前傳播，遇到輪對接觸點時產(chǎn)生回波，通過超聲波脈沖往返于輪軌接觸點的時間不同來判斷車輪接觸面磨損度。該方法不受輪對磨耗程度與不圓度影響。當(dāng)列車車速控制在10.8 km/h經(jīng)過時，測得的擦傷長度誤差小于5%。

3.3　平行四邊形法

利用平行四邊測量機構(gòu)動態(tài)定量測量車輪踏面擦傷的方法[40]其測量原理示意圖與整個測量系統(tǒng)構(gòu)造分別如圖14、圖15所示。測量系統(tǒng)主要包括：平行四邊形機構(gòu)、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)以及計算機與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)四大部分。其測量原理是：當(dāng)列車通過此測量裝置時，車輪輪緣頂部壓下平行四邊形機構(gòu)的上平板，使得此平板產(chǎn)生平動，非接觸式位移傳感器可以直接測量平板相對于鋼軌的垂直位移。理想情況下，如果平行四邊形機構(gòu)及鋼軌不存在加工誤差，平行四邊形機構(gòu)與鋼軌之間處于理想的裝配條件，新車輪和磨損擦傷車輪通過傳感器得到的輸出波形如圖16所示，通過簡單的數(shù)據(jù)處理可以直接測量出踏面擦傷及磨損量。經(jīng)過現(xiàn)場試驗表明：當(dāng)列車速度低于15 km/h時，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度和準(zhǔn)確率很高。系統(tǒng)測量誤差為0.2 mm。

圖14　平行四邊形機構(gòu)測量車輪擦傷磨損原理圖

圖15　平行四邊形機構(gòu)測量車輪擦傷磨損系統(tǒng)構(gòu)成

圖16　車輪踏面存在磨耗及擦傷、剝離的波形

3.4　結(jié)構(gòu)光法

如圖17所示，在鋼軌內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置多套如圖8所示的結(jié)構(gòu)光幾何參數(shù)測量系統(tǒng)，當(dāng)列車經(jīng)過該區(qū)域時，可以拍攝整個車輪踏面完整一周的輪廓，從而進行擦傷測量[41]。如圖18(a)所示，根據(jù)算法將提取后的結(jié)構(gòu)光線條分解為輪輞、踏面、輪緣三部分，以便于對踏面部分?jǐn)?shù)據(jù)進行單獨分析；當(dāng)車輪踏面存在擦傷時，攝像機拍攝的光條發(fā)生如圖18(b)所示的明顯彎曲，根據(jù)彎曲曲線的長短和數(shù)量，可以計算出擦傷面積和深度，通過深度信息可以清楚的區(qū)分出踏面臟污與擦傷，從而避免檢測誤報。

圖17　基于多線結(jié)構(gòu)光的輪對擦傷自動測量系統(tǒng)

圖18　基于多線結(jié)構(gòu)光的輪對擦傷自動測量系統(tǒng)

4　輪對幾何參數(shù)與缺陷動態(tài)測量系統(tǒng)

盡管目前國內(nèi)外市場出現(xiàn)了一些輪對在線測量系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)普遍存在兩大不足：

1)整個檢測系統(tǒng)集成度低、整體性差，沒有對動態(tài)誤差進行補償，造成測量的可靠性和準(zhǔn)確性差。

目前國內(nèi)輪對檢測系統(tǒng)普遍采用CCD和激光線分離方法測量，整個測量系統(tǒng)由10多個不同大小的監(jiān)測箱體組成，由于各箱體無法安裝在同一個基準(zhǔn)上，各箱體之間的位置會隨環(huán)境變化、列車振動而發(fā)生變化，給測量帶來誤差。此外，由于測量裝置安裝在軌道旁，環(huán)境惡劣，環(huán)境溫度變化大，列車通過測量機構(gòu)時引起的振動，造成測量機構(gòu)、鋼軌、地基等變形，不同列車的車速、自重與載重、滿載與空載等情況變化，均會引入測量誤差，造成測量結(jié)果重復(fù)性差，目前均未對此類誤差進行有效補償。

2)國內(nèi)外均缺乏對輪對進行全壽命周期管理的方法與手段。

目前國內(nèi)外所有輪對檢測系統(tǒng)均為單個獨立的檢測系統(tǒng)，尚未建立輪對制造、運用、維修、報廢等過程的全壽命周期管理方法、手段與體系，不能對輪對的使用狀態(tài)進行跟蹤、預(yù)警。

根據(jù)國家和行業(yè)重大需求，針對輪對檢測存在的主要不足，在數(shù)十年研究的基礎(chǔ)上，我們開展列車輪對檢測研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作，研制出多套輪對幾何參數(shù)與缺陷測量系統(tǒng)。

圖19　輪對幾何參數(shù)與缺陷動態(tài)測量系統(tǒng)

2007年，以平行四邊形測量機構(gòu)為平臺實現(xiàn)踏面擦傷及磨耗的在線測量；以雙激光位移傳感器測量踏面直徑方法，克服已有方法車輪定位誤差給直徑測量帶來的影響，實現(xiàn)客車入庫時對輪對幾何參數(shù)進行在線測量，速度范圍5～15 km/h，輪緣厚、輪對內(nèi)側(cè)距、圓周磨耗等參數(shù)測量精度為0.5 mm，輪輞寬測量精度為0.8 mm，踏面直徑受自制激光器精度所限，測量精度僅為1 mm。

近兩年研制了如圖19所示的輪對幾何參數(shù)與缺陷動態(tài)測量系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由車號讀取模塊、基于平行四邊形的擦傷測量模塊、基于機器視覺的擦傷與剝離測量模塊、基于結(jié)構(gòu)光的幾何尺寸測量模塊以及基于激光傳感的直徑測量模塊組成，該系統(tǒng)安裝于車輪入庫的在線路上，對經(jīng)過的輪對幾何參數(shù)進行測量，對超限輪對進行報警實現(xiàn)狀態(tài)修；同時可對輪對進行長期跟蹤測量，實現(xiàn)超限預(yù)警和輪對從制造出廠到報廢的全壽命周期管理。2017年1月在南寧安裝了測量系統(tǒng)，對同一列車(24組輪對共48個車輪)進行了5次測量，結(jié)果如表 1所示。

表1　輪對幾何參數(shù)重復(fù)性測量結(jié)果　mm

5　發(fā)展趨勢

總體來看，目前國內(nèi)外輪對檢測與管理向如下兩個方面發(fā)展：

一是測量方法和手段向激光、機器視覺以及兩者結(jié)合的方面發(fā)展。美國、日本、意大利、羅馬尼亞、英國以及中國等已經(jīng)先后研制出不同類型的動態(tài)測量系統(tǒng)，這些測量系統(tǒng)主要采用激光測量、激光視覺測量技術(shù)。其中最為典型的為意大利TECNOGAMMA公司開發(fā)的輪對輪廓與直徑測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由8臺一體式的激光視覺傳感器構(gòu)成，每2臺傳感器為一組，分別位于同一條鋼軌的內(nèi)外兩側(cè)，同時拍攝獲取一條完整的踏面輪廓，4組傳感器分別獲取2個車輪前后兩側(cè)的踏面輪廓，與標(biāo)準(zhǔn)輪廓對比計算幾何參數(shù)，利用三點法計算車輪直徑，采用一體式的激光視覺傳感器，提高測量系統(tǒng)的可靠性，但測量成本高。

二是輪對由定期檢修向狀態(tài)修發(fā)展。定期修即車輛運行一定里程或時間后，送入工廠解體檢測維修，是目前我國采用的車輛檢修制度。這種檢修制度會造成有些輪對“帶傷工作”，給列車運行安全帶來隱患；而有些輪對則“無病提前進入病房”，造成不必要的浪費。因而，根據(jù)輪對的實際狀態(tài)進行維修是發(fā)展的必要趨勢。例如，日本東鐵正在發(fā)展智能維護理念，通過列車固定檢查，連續(xù)不斷監(jiān)測線路狀態(tài)，正在由基于時間維護向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。有效獲得和使用各種檢測手段得來的維修數(shù)據(jù)是“智能維修”理念的核心，檢測儀器是關(guān)鍵。

基于高速鐵路和城市軌道交通快速發(fā)展的需要，建立輪對全壽命周期跟蹤管理功能的輪對運營狀態(tài)智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從人工檢測、人工管理到自動在線監(jiān)測、智能分析管理，不僅為輪對設(shè)計和管理提供設(shè)計與科學(xué)決策的依據(jù)，還能滿足現(xiàn)代城市軌道交通和鐵路發(fā)展的實際需求。