趙永興,堯輝明
(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620)
地鐵車輪不圓是指發(fā)生在車輪踏面上的一種磨耗現(xiàn)象,發(fā)生在車輪踏面磨耗的形式有多種,帶有孤立的踏面擦傷與帶有不規(guī)則波長(zhǎng)的多邊形磨耗都屬于車輪不圓度磨耗[1-2]。當(dāng)這種不圓度磨耗產(chǎn)生且得不到及時(shí)控制,會(huì)對(duì)地鐵的運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,不僅會(huì)加速車輪磨耗的惡化,而且會(huì)嚴(yán)重影響乘客乘車舒適度。
針對(duì)車輪踏面圓周出現(xiàn)的不圓度磨耗問(wèn)題,需要及時(shí)通過(guò)檢測(cè)設(shè)備采集踏面的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行磨耗評(píng)估。測(cè)量方法可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)煞N方式。靜態(tài)測(cè)量有德國(guó)BBM振動(dòng)與聲學(xué)系統(tǒng)有限公司的m|wheel輪對(duì)粗糙度測(cè)試設(shè)備,該設(shè)備采用接觸式位移傳感器去采集磨耗信息[3]。文獻(xiàn)[4]提到了一種接觸式滾輪機(jī)械設(shè)備測(cè)量車輪踏面數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款便攜式軌道車輪不圓度及直徑測(cè)量設(shè)備,并給出了測(cè)量原理及算法誤差。但是上述檢測(cè)設(shè)備都采用接觸式傳感器,長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生磨損,進(jìn)而影響以后的測(cè)量精度。日本鐵路利用2臺(tái)CCD攝像機(jī)來(lái)拍攝車輪外形輪廓,通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理來(lái)獲取車輪外形信息,但是誤差只能控制在0.5 mm[6]。動(dòng)態(tài)測(cè)量是通過(guò)加速度傳感器或者壓電傳感器間接獲取車輪不圓度數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[7]利用軸箱垂向加速度進(jìn)行車輪高階多邊形的診斷。文獻(xiàn) [8]提出一種將 PVDF (Polyvinylidene fluoride)壓電傳感技術(shù)運(yùn)用到鐵路輪軌檢測(cè)的方法。但是動(dòng)態(tài)檢測(cè)的精度卻無(wú)法達(dá)到靜態(tài)檢測(cè)的高度。
結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備存在的優(yōu)缺點(diǎn),本文選擇靜態(tài)無(wú)接觸測(cè)量方式,利用非接觸式激光傳感器來(lái)獲取車輪不圓度數(shù)據(jù),三個(gè)激光傳感器可以同時(shí)獲取車輪踏面信息,編碼器同步獲取采集步長(zhǎng),通過(guò)上位機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示分析。檢測(cè)系統(tǒng)避免接觸式傳感器長(zhǎng)時(shí)間使用的磨損誤差,三個(gè)激光傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)提高系統(tǒng)檢測(cè)效率,同時(shí)可以更全面地評(píng)估車輪故障。檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便攜帶、精確度高。在信號(hào)去噪方面,采用小波濾波濾除原始信號(hào)中的高頻噪聲,通過(guò)濾波前后均值和方差的對(duì)比,表明小波濾波處理車輪不圓度信號(hào)具有很好的降噪效果。
檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括檢測(cè)設(shè)備和計(jì)算機(jī)上位機(jī)兩個(gè)部分,通過(guò)檢測(cè)設(shè)備獲得激光位移傳感器數(shù)據(jù),通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理得到車輪的直徑并還原車輪滾動(dòng)圓輪廓??傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
圖1 車輪不圓度檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
列車車輪踏面示意圖如圖2所示,踏面的基點(diǎn)位于距輪緣內(nèi)側(cè)面70 mm處,以基點(diǎn)為起點(diǎn)繞車輪一周組成的滾動(dòng)圓,該滾動(dòng)圓直徑即車輪直徑[9];輪緣高度為基點(diǎn)和輪緣最高點(diǎn)的垂直距離;輪緣厚度為輪緣內(nèi)側(cè)面和輪緣上距基點(diǎn)垂直距離為10 mm處的水平距離。車輪在列車的行駛過(guò)程中會(huì)與鋼軌發(fā)生撞擊和摩擦,運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生磨損與擦傷,所以需要定期對(duì)車輪進(jìn)行檢測(cè)并修補(bǔ)以確保列車的安全行駛。
圖2 輪對(duì)幾何參數(shù)圖
車輪直徑是車輪幾何參數(shù)中最難精確測(cè)量的參數(shù)之一,如果車輪直徑超限,或者與鄰近車輪直徑的差值超限,會(huì)引起一系列懸掛改變,從而會(huì)影響列車的安全性與平穩(wěn)性,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致列車脫軌。車輪踏面發(fā)生踏面擦傷或踏面剝離都有可能造成列車車輪直徑差值超限以及車輪不圓等危害[10-11]。為了更全面地評(píng)估車輪的損傷程度,需要對(duì)踏面基點(diǎn)以及基點(diǎn)兩側(cè)的車輪滾動(dòng)圓進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)重復(fù)性試驗(yàn)要求,必須對(duì)車輪同一條線進(jìn)行3次測(cè)量[12],為了加快檢測(cè)效率,所以設(shè)備采用三個(gè)激光傳感器同時(shí)采集車輪基點(diǎn)及鄰近基點(diǎn)的滾動(dòng)圓數(shù)據(jù),如圖3所示。激光傳感器1、2、3采用并排安裝的方式,可以同時(shí)獲取基點(diǎn)以及基點(diǎn)兩側(cè)20 mm位置的車輪滾動(dòng)圓數(shù)據(jù)。
圖3 激光傳感器測(cè)量
激光具有高亮度、高單色性和高方向性等特點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)激光位移傳感器的非接觸測(cè)量,并且很大程度上提高位移測(cè)量的精度,保證測(cè)量的可靠性[13]。本設(shè)備采用的激光傳感器型號(hào)為HG-C1030,該傳感器的重復(fù)準(zhǔn)確度達(dá)到了10 μm,測(cè)量的中心距離為30 mm,測(cè)量范圍為 ± 5 mm。激光位移傳感器輸出的信號(hào)為模擬量,信號(hào)與實(shí)測(cè)距離的比例呈線性關(guān)系,如圖4所示,通過(guò)標(biāo)定操作可以將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際距離。
圖4 模擬電壓與實(shí)測(cè)距離線性關(guān)系
為更精確的測(cè)量車輪不圓度信息,需要合理控制采集步長(zhǎng)。系統(tǒng)通過(guò)增量式編碼器控制采集步長(zhǎng),對(duì)應(yīng)的編碼器型號(hào)為歐姆龍E6B2-CWZ6C,脈沖數(shù)為360/r,輸出方式為集電極開(kāi)路輸出(NPN輸出)。同步輪周長(zhǎng)為200 mm,編碼器由同步輪帶動(dòng),當(dāng)同步輪隨車輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),采集數(shù)據(jù)的步長(zhǎng)為0.556 mm。在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中,避免讓車輪和同步輪產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),所以同步輪選用磨砂橡膠材料。
車輪直徑采用弓高弦長(zhǎng)測(cè)量方法來(lái)確定,弓高弦長(zhǎng)測(cè)量方法也稱為弦高法,其測(cè)量原理如圖5所示。
圖5 車輪直徑測(cè)量方法
如圖所示,兩個(gè)同步輪半徑為r,兩個(gè)同步輪之間弦長(zhǎng)距離為2Y,激光傳感器激光發(fā)射點(diǎn)與弦長(zhǎng)的距離為X,x為激光傳感器實(shí)測(cè)距車輪踏面的距離,車輪半徑為R。其中Y、X、r的數(shù)值由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定,根據(jù)勾股定理有:
為更直觀的分析車輪實(shí)際情況并和標(biāo)準(zhǔn)車輪進(jìn)行對(duì)比,需要將采集的數(shù)據(jù)擬合成圓周。為確定車輪幾何圓心,本文結(jié)合最小二乘法擬合圓的方法擬合車輪圓周外形并確定車輪幾何圓心[14]。具體步驟如下:
設(shè)備采用的激光傳感器準(zhǔn)確度為10 μm,通過(guò)對(duì)激光傳感器輸出模擬量的換算可以得到實(shí)際距離值,利用增量式編碼器控制空間等距離數(shù)據(jù)采集。圖6為檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,磁力吸座1將檢測(cè)設(shè)備固定在鋼軌上,防止檢測(cè)設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生移動(dòng),滑臺(tái)3可以橫移微調(diào)激光傳感器8的檢測(cè)位置。通過(guò)結(jié)構(gòu)7可以調(diào)整激光傳感器8的角度,使激光傳感器8對(duì)準(zhǔn)車輪6圓心,同步輪10緊貼車輪6,當(dāng)車輪6轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就會(huì)帶動(dòng)同步輪10轉(zhuǎn)動(dòng),編碼器9會(huì)和同步輪10同步轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生脈沖。霍爾傳感器4通過(guò)對(duì)磁鐵5的感應(yīng)控制檢測(cè)工作的開(kāi)始和結(jié)束,采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信發(fā)送至上位機(jī)11進(jìn)行處理。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)而實(shí)用,使得檢測(cè)設(shè)備具有很好的便攜性與易操作性。
圖6 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理分析,設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集測(cè)量與采集控制單元、機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集板、數(shù)據(jù)顯示與上位機(jī)分析單元,其各自功能如下:
1)數(shù)據(jù)采集測(cè)量與采集控制單元:將激光位移傳感器、編碼器和霍爾傳感器搭建在機(jī)械結(jié)構(gòu)上,利用機(jī)械結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)車輪圓心,通過(guò)激光傳感器測(cè)量車輪不圓度信息;編碼器協(xié)同激光傳感器實(shí)現(xiàn)等距離采樣;霍爾傳感器控制采集工作的開(kāi)始和結(jié)束。
2)機(jī)械結(jié)構(gòu):利用磁力吸座將檢測(cè)設(shè)備固定在鋼軌上方,使檢測(cè)設(shè)備的同步輪和車輪充分貼合保證可以同步轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使激光傳感器對(duì)準(zhǔn)車輪圓心,通過(guò)滑臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)激光傳感器檢測(cè)位置橫向移調(diào)整,保證可以檢測(cè)到踏面的不同位置。
3)數(shù)據(jù)采集板:作為檢測(cè)系統(tǒng)控制的核心,完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)的采集、計(jì)算,并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至PC端。
4)數(shù)據(jù)顯示與上位機(jī)分析單元:通過(guò)上位機(jī)操作控制檢測(cè)設(shè)備工作并實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的不圓度數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示,利用通信接口實(shí)現(xiàn)和下位機(jī)數(shù)據(jù)采集板的通信。
檢測(cè)設(shè)備機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)固定、調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)等功能。校準(zhǔn)功能需實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方向必須對(duì)準(zhǔn)車輪的圓心,通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用弓高弦長(zhǎng)的方法使激光位移傳感器的檢測(cè)方向?qū)?zhǔn)車輪圓心。調(diào)節(jié)功能需實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng),方便激光傳感器檢測(cè)位置對(duì)準(zhǔn)車輪圓心,同時(shí)該功能需實(shí)現(xiàn)車輪踏面檢測(cè)位置的細(xì)節(jié)調(diào)整。固定功能需保證檢測(cè)設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生移動(dòng),以免造成數(shù)據(jù)誤差。檢測(cè)設(shè)備的3個(gè)激光傳感器并排固定在支撐架上,結(jié)合實(shí)際檢測(cè)環(huán)境,以及對(duì)設(shè)備便攜性和易安裝的考慮,設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 檢測(cè)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)
檢測(cè)設(shè)備下位機(jī)采用STM32C8T6作為主控芯片,通過(guò)RS-232串口通信與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。硬件設(shè)計(jì)包括最小系統(tǒng)電路和外圍電路的設(shè)計(jì),通過(guò)單片機(jī)與外設(shè)之間的信息交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。
外圍電路包括電源模塊電路、光耦隔離電路、運(yùn)放電路、232串口通信電路。電源管理電路將12 V鋰電池電壓轉(zhuǎn)化為 24 V、5 V、3.3 V 供芯片和外設(shè)使用?;魻杺鞲衅饔脕?lái)控制采集工作的開(kāi)始和結(jié)束,保證采集到車輪踏面滾動(dòng)圓周的完整數(shù)據(jù)。編碼器和主控芯片之間設(shè)計(jì)光耦隔離電路,使輸入端與輸出端完全電氣隔離,抗干擾能力強(qiáng),同時(shí)起到電平轉(zhuǎn)換作用。增量式編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈都會(huì)產(chǎn)生360個(gè)脈沖信號(hào),單片機(jī)定時(shí)器T3對(duì)編碼器輸出脈沖進(jìn)行捕獲來(lái)觸發(fā)中斷事件,保證設(shè)備可以等距采樣。激光傳感器和主控芯片之間設(shè)計(jì)運(yùn)放電路,通過(guò)運(yùn)算可以讓單片機(jī)讀取激光傳感器模擬電壓值,同時(shí)起到濾除雜波作用。232串口通信電路實(shí)現(xiàn)硬件和上位機(jī)信息交互的功能。圖8為硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖8 硬件系統(tǒng)框圖
軟件系統(tǒng)采用Visual Studio為開(kāi)發(fā)環(huán)境,利用C#語(yǔ)言編寫上位機(jī)操作界面。軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不圓度數(shù)據(jù)采集、不圓度數(shù)據(jù)處理及不圓度曲線圖和極坐標(biāo)圖顯示等功能,采集到的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)到PC電腦指定位置。軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖9所示。
圖9 軟件設(shè)計(jì)流程圖
將檢測(cè)設(shè)備固定到鐵軌上面,使同步輪緊貼在車輪踏面表面,將霍爾傳感器感應(yīng)的小磁鐵吸附在車輪側(cè)面,然后霍爾傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)磁鐵塊,打開(kāi)檢測(cè)設(shè)備電源,上位機(jī)可以檢測(cè)到串口存在,輸入檢測(cè)人員信息后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作或者對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢:如果選擇測(cè)量,需要?jiǎng)蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)車輪,此時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)232串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī),并生成圖像,霍爾傳感器重新對(duì)準(zhǔn)磁鐵塊,采集工作結(jié)束,最后可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行其他方式的分析操作和保存;如果選擇查詢,可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和編輯,這樣可以方便用戶結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)車輪的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。
針對(duì)激光傳感器采集信號(hào)中的高頻噪聲問(wèn)題,采用數(shù)字濾波的方法對(duì)初始信號(hào)進(jìn)行去噪處理。移動(dòng)平均濾波是一種快速有效的濾波方法。其原理是:定義一個(gè)數(shù)組,數(shù)組隨著數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的增加依次移動(dòng),用數(shù)組中元素的均值代替原數(shù)據(jù)值。濾波前后信號(hào)圖如圖10所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),這種方法對(duì)噪聲有一定的抑制作用,但是濾波后的信號(hào)還不夠平滑,仍存在部分噪聲。由于車輪不圓度信號(hào)為低頻、隨機(jī)非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)。所以需要一種靈敏度更高的濾波方法。
圖10 移動(dòng)平均濾波前后對(duì)比圖
小波濾波在針對(duì)此類信號(hào)有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。首先,小波濾波在處理隨機(jī)非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)時(shí)有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),這主要是因?yàn)樾〔ê瘮?shù)具有快速衰減性的特性;其次,小波變換可以將信號(hào)以不同尺度進(jìn)行分解,通過(guò)重構(gòu)可以將信號(hào)中的高頻部分濾除;最后,由于小波變換的正交性,小波變換算法的計(jì)算速度相比傳統(tǒng)傅立葉變換更快[15]。
小波濾波是建立在小波分析理論基礎(chǔ)上的去噪理論,其本質(zhì)是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行小波分解,然后通過(guò)帶通或者帶阻濾波器將其中高頻信號(hào)的系數(shù)濾除,之后再將其低頻部分進(jìn)行重構(gòu),從而達(dá)到濾除噪聲的目的。這里通過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)模型表達(dá)初始信號(hào):
式中:s(k)——初始信號(hào);
f(k)——有效信號(hào);
ε——噪聲系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差;
e(k)——噪聲。
通常來(lái)說(shuō),信號(hào)分解后的低頻部分都是有效信號(hào),而高頻部分包含較多的噪聲信號(hào)。通過(guò)對(duì)初始信號(hào)s(k)進(jìn)行小波分解,將信號(hào)中的高頻部分舍棄,低頻部分保留,就達(dá)到了小波去噪的目的。
小波去噪的步驟如圖11所示,第一步是對(duì)初始信號(hào)進(jìn)行小波分解;第二步選取合適的閾值及閾值函數(shù)將信號(hào)中的高頻部分舍棄,低頻部分保留;第三步是將保留的低頻分量進(jìn)行重構(gòu),重構(gòu)后的信號(hào)就是有效信號(hào)。
圖11 小波去噪流程
經(jīng)過(guò)對(duì)比分析采用coif5小波函數(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分解,分解尺度系數(shù)選為5,采用啟發(fā)式閾值(heursure),閾值函數(shù)為軟閾值函數(shù),對(duì)分解后的信號(hào)進(jìn)行篩選。濾波前后信號(hào)圖如圖12所示。
圖12 小波濾波前后對(duì)比圖
從上圖可以看出,信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后曲線相對(duì)平滑,毛刺基本消除。濾波前后均值未發(fā)生改變,為0.018,方差從 0.0622 降到了 0.0203,說(shuō)明小波濾波對(duì)原始信號(hào)的降噪效果十分明顯。
徑跳值是評(píng)價(jià)車輪不圓度的重要指標(biāo),將檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到的車輪滾動(dòng)圓圓周展開(kāi)長(zhǎng)度作為橫坐標(biāo),激光傳感器測(cè)量差值作為縱坐標(biāo),繪制曲線圖如圖13(a)所示,如圖所示,綠線對(duì)應(yīng)1號(hào)激光傳感器獲取數(shù)據(jù),紅線對(duì)應(yīng)2號(hào)傳感器數(shù)據(jù),藍(lán)線為3號(hào)傳感器數(shù)據(jù),右上角為徑跳值數(shù)據(jù)。為更直觀地觀測(cè)車輪不圓度情況,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到極坐標(biāo)中顯示,圖13(b)為車輪不圓度差值在極坐標(biāo)中的分布情況,圖13(c)為車輪外形曲線實(shí)際分布情況。由圖可知,車輪踏面圓周方向出現(xiàn)明顯的不圓度磨耗,徑跳值在0.8~0.9 mm之間,通過(guò)圖形可以直觀判斷車輪磨耗的具體情況,為鏇修車輪提供依據(jù)。
圖13 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果圖示
本文設(shè)計(jì)的車輪不圓度多點(diǎn)激光檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪不圓度方便快捷地檢測(cè),采用激光傳感器可以有效避免接觸式測(cè)量所固有的缺陷,減少維護(hù)費(fèi)用,加裝三個(gè)激光傳感器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量,提高檢測(cè)效率,上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析給車輪鏇修提供可靠依據(jù)。采用小波濾波去除信號(hào)中的高頻噪聲,將初始信號(hào)中的有效信號(hào)篩選出來(lái),達(dá)到非常好的去噪效果。檢測(cè)設(shè)備體積小,重量輕,方便攜帶和操作,適用于各種復(fù)雜檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。