基于二維激光位移傳感器的通過式輪對測量系統(tǒng)設(shè)計

伍川輝，尹紀磊，郭 輝，閆 磊

(1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111)

0 引言

輪對作為支撐列車行駛的重要部件，直接與鋼軌接觸，為列車提供走行時的動力與制動力。當(dāng)列車輪對踏面幾何參數(shù)發(fā)生變化或產(chǎn)生擦傷時，列車行駛安全、軌道健康狀況與乘客的舒適性都會受到嚴重的影響。隨著高速鐵路與城市軌道交通的快速發(fā)展，及時掌握輪對幾何尺寸變化，避免輪對“帶傷”工作，對保障列車安全運行、提高輪對使用壽命有著極為重要的意義。

目前，輪對檢測的方法可分為2種[1-3]：靜態(tài)檢測和動態(tài)在線檢測。靜態(tài)檢測傳統(tǒng)上多采用機械量具，采用接觸式測量，測量過程依靠人工進行，易受人為因素干擾且效率較低。動態(tài)在線檢測不占車輛周轉(zhuǎn)時間，具有高效率等特點，多采用地面定置的非接觸式測量，但成本造價較高，維護相對復(fù)雜。文獻[4]設(shè)計了基于激光位移傳感器的便攜式輪對測量儀，提高了靜態(tài)檢測的智能化與自動化水平。目前，國內(nèi)鐵路、地鐵的檢修部門仍廣泛使用第四代檢查器和輪徑尺作為靜態(tài)測量工具，按照一定周期對輪對幾何參數(shù)進行檢測。文獻[5]提出了基于圖像算法與FPGA的輪對圖像傳輸系統(tǒng)，但該系統(tǒng)測量精度受到圖像處理算法與圖像采集精度的限制。文獻[6]提出基于三激光位移傳感器的車輪直徑在線測量方法。

本文基于二維激光位移傳感器設(shè)計了一種通過式輪對尺寸測量系統(tǒng)，通過鋼軌內(nèi)外兩側(cè)的多臺二維激光位移傳感器實現(xiàn)車輪踏面廓形的獲取，通過廓形數(shù)據(jù)的空間坐標變換與踏面幾何關(guān)系實現(xiàn)了踏面參數(shù)與輪徑的計算。通過對系統(tǒng)的標定與實驗驗證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)完整的輪對幾何參數(shù)在線測量，具有無人值守、非接觸式測量、精度高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 輪對主要幾何參數(shù)

列車輪對由2個同型的車輪與1根輪軸組成，列車車輪徑向斷面示意圖如圖1所示。車輪徑向斷面上由輪緣和踏面形成完整的廓形，其中突起的圓弧部分稱為輪緣，而與鋼軌直接接觸的斜面為踏面。踏面上距離輪輞內(nèi)側(cè)橫向距離70 mm處的一點定義為踏面基點，通過基點繞車輪一周組成的圓被稱為輪對的滾動圓，該滾動圓直徑被定義為車輪直徑[7]。基點和輪緣頂點的縱向距離為輪緣高度。輪緣內(nèi)側(cè)面和輪緣上距基點的縱向距離為10 mm的一點的橫向距離為輪緣厚度，用以計算輪緣厚度的縱向距離根據(jù)型號不同而不同，一般采用10 mm進行計算[8]。

圖1 車輪斷面示意圖

城市軌道交通列車常采用840標準輪對，鐵路列車常采用1050標準輪對。目前檢修部門主要檢測參數(shù)為車輪直徑、輪緣高度、輪緣厚度等，用以反映輪對磨損情況，判斷輪對是否需要進行鏇修或更換。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過式輪對測量系統(tǒng)主要由2D激光位移傳感器、磁鋼、接近開關(guān)、車號識別模塊、工控機等設(shè)備組成，其布局示意圖如圖2所示。

圖2 通過式輪對測量系統(tǒng)布局示意圖

磁鋼安裝在遠離本系統(tǒng)的某處鋼軌內(nèi)側(cè)，用以喚醒本系統(tǒng)；接近開關(guān)1安裝在激光位移傳感器1前，用以觸發(fā)2D激光位移傳感器工作；接近開關(guān)2用以檢測列車輪對離去，使系統(tǒng)重新進入休眠狀態(tài)；單側(cè)車輪由一側(cè)軌道內(nèi)外的4臺2D激光傳感器作為一個測量單元實現(xiàn)完整的參數(shù)測量，1～3號傳感器用以實現(xiàn)車輪直徑測量，3號、4號傳感器實現(xiàn)踏面廓形的測量，另一測量單元成鏡像對稱放置在另一側(cè)軌道處，本文僅以1～4號傳感器側(cè)測量為例進行說明。3號、4號激光傳感器的測量平面處于同一平面，其有效測量范圍仿真如圖3所示，其中Y軸負方向為列車前進方向，X軸方向為車輪輪軸方向，兩傳感器與鉛垂線之間的夾角±45°。

圖3 激光傳感器有效測量范圍仿真

本系統(tǒng)安裝在列車出入庫段的鋼軌線路上，當(dāng)列車通過磁鋼后，系統(tǒng)進入喚醒狀態(tài)；通過車號識別模塊后，系統(tǒng)根據(jù)車號查詢對應(yīng)輪對相關(guān)標準信息；通過接近開關(guān)1后，激光測量單元開始采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理主機，主機根據(jù)軟件算法與標準信息，完成踏面幾何尺寸與輪徑的計算；當(dāng)列車完全通過接近開關(guān)2后，系統(tǒng)將相關(guān)信息傳輸至遠程DCC并進入休眠狀態(tài)。

2 軟件算法研究

2.1 基于輪對輪廓特征的踏面尺寸測量原理

通過式輪對測量系統(tǒng)實現(xiàn)踏面幾何參數(shù)測量的方法是通過軌道內(nèi)外兩側(cè)的3號、4號激光傳感器得到的廓形數(shù)據(jù)進行坐標變換與數(shù)據(jù)融合，并根據(jù)各參數(shù)定義中的幾何關(guān)系進行計算得到。由于車輪輪緣的外形限制，單個激光傳感器無法得到完整的車輪廓形，軌道內(nèi)側(cè)的3號傳感器能夠得到輪輞內(nèi)側(cè)邊、內(nèi)側(cè)輪緣及部分踏面外側(cè)的廓形數(shù)據(jù)，軌道外側(cè)的4號傳感器能夠得到外側(cè)與踏面的廓型數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)通過輪輞內(nèi)側(cè)、外側(cè)平行的輪廓特征與輪緣頂點不磨損的特性實現(xiàn)傳感器得到廓形點云數(shù)據(jù)的坐標變換，該方法能夠避免安裝工裝加工精度造成的誤差與長期列車通過造成的軌道沉降帶來的誤差。為了方便顯示，將軌道內(nèi)側(cè)、外側(cè)測量得到的點云數(shù)據(jù)同時轉(zhuǎn)換到地面坐標系下。車輪廓形的二維點云數(shù)據(jù)按照式(1)進行坐標變換與平移：

(1)

式中：(xB,yB)、(xA,yA)為坐標變換前后的點云數(shù)據(jù)坐標；θ為將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至地面坐標下所需旋轉(zhuǎn)角度；tx、ty為根據(jù)輪緣頂點計算得出的橫向與縱向的平移參數(shù)。

由坐標變換后的點云數(shù)據(jù)即可得到完整的車輪踏面廓形。但通過實驗驗證，測量得到的廓形數(shù)據(jù)中存在環(huán)境因素造成的干擾，使得廓形失真，如圖4所示。因此，系統(tǒng)的軟件算法流程如圖5所示。

圖4 受到干擾的激光傳感器得到的點云數(shù)據(jù)

圖5 通過式輪對測量系統(tǒng)算法流程

2.2 輪廓曲線去噪

由于2D激光傳感器內(nèi)部，光條中心線提取的過程會引入數(shù)字化誤差。受到環(huán)境因素干擾的廓型數(shù)據(jù)會形成噪點。誤差與噪點的存在都會影響輪緣頂點的計算，對參數(shù)的計算精度產(chǎn)生影響。因此，在對實測輪廓數(shù)據(jù)計算前，須對輪對輪廓數(shù)據(jù)進行去噪。本系統(tǒng)通過采用基于中值誤差與連續(xù)度的平滑濾波方法與基于聚類思想的去噪方法，有效解決干擾導(dǎo)致的廓形失真。

(2)

式中ω為權(quán)值因子，ω(k+i)≥0，-N

(3)

(4)

則權(quán)值因子：

(5)

權(quán)值因子ω(k+i)中系數(shù)σ1、σ2的選取根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度和噪聲干擾而不同，有效選擇σ1、σ2可達到不同的平滑效果。圖6為對實測輪廓平滑前后對比圖。

圖6 實測輪廓數(shù)據(jù)平滑效果

由圖6可以看出，經(jīng)過平滑濾波后，環(huán)境造成的噪點趨向于集中在某幾個固定點處，此時采用聚類算法，對空間尺度較小的幾個類進行剔除，即完成廓形數(shù)據(jù)的去噪。

3 試驗測試

為驗證通過式輪對尺寸測量系統(tǒng)的實際性能，對實際使用的輪對進行仿真測量實驗驗證。 實驗中激光位移傳感器采用基恩士LJ-V7302傳感器，采樣頻率設(shè)置為100 Hz，軌道內(nèi)外兩側(cè)的激光位移傳感器采用并聯(lián)模式，避免同波段激光對彼此造成的測量干擾。試驗過程中，輪對以10 km/h的速度通過本系統(tǒng)，并由系統(tǒng)重復(fù)10次測量4個不同輪對。將3號、4號激光傳感器的點云數(shù)據(jù)進行坐標變換后得到的踏面廓形如圖7所示。10次重復(fù)測量得出參數(shù)計算結(jié)果的平均值如表1所示，將計算得出的參數(shù)與人工測量結(jié)果進行對比，得出誤差如表2所示。

圖7 實測踏面的廓形數(shù)據(jù)

表1 車輪測量結(jié)果 mm

表2 測量誤差 mm

10次重復(fù)測量對4個輪對得出的輪徑參數(shù)的標準差分別為0.317、0.309、0.244、0.376 mm。試驗結(jié)果表明，設(shè)計完成的通過式輪對測量系統(tǒng)具有較高精度，與人工測量相比，輪緣高度、輪緣厚度誤差小于0.2 mm，輪徑誤差小于2 mm；具有較高的重復(fù)度，重復(fù)多次測量得出結(jié)果標準差小于0.4 mm；測量速度快，可檢測通過速度30 km/h及以下的列車輪對。通過式輪對測量系統(tǒng)能夠滿足地鐵、輕軌、動車等檢修部門對輪對日常測量與檢測的需求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于二維激光位移傳感器的通過式輪對測量系統(tǒng)，由二維激光位移傳感器、車號識別模塊、磁鋼及接近開關(guān)等設(shè)備組成。本文首先簡要介紹了通過式輪對測量系統(tǒng)的檢測參數(shù)與工作原理，并介紹了通過式輪對測量系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成；然后介紹了踏面幾何參數(shù)計算過程中采用的基于輪對輪廓特征的踏面尺寸測量算法，主要介紹了基于中值誤差與連續(xù)度的平滑算法和基于聚類思想的去噪算法；最后對設(shè)計制作完成的通過式輪對測量系統(tǒng)進行現(xiàn)場仿真試驗，驗證其性能。試驗證明，設(shè)計的系統(tǒng)能夠滿足地鐵、輕軌、動車等檢修部門對輪對日常測量與檢測的需求。