動車組輪對故障動態檢測方案

都麗杰

（西安鐵路運輸職業技術學院 陜西 西安 710014）

隨著列車的速度越來越高，對安全性的要求也越來越高，而對安全保障的設備也提出了更高要求。輪對是直接與鋼軌接觸并通過輪軌黏著關系來推動列車運行的部分，其性能的好壞、有無缺陷直接影響到列車的運行安全，而在運行過程中，輪對的磨損卻又是實時在發生的，因此動態監測輪對的安全狀態是非常必要的，本文將對輪對的動態檢測要求及檢測方案[1]進行詳細闡述。

1 輪對動態檢測

輪對動態檢測要求能夠實時檢測輪對的外輪廓形狀、基本尺寸、結構完整性，同時要能夠將檢測到的數據傳輸給列車運行安全系統及后備專家系統進行數據分析[2]，因此對輪對故障動態監測設備提出以下具體檢測要求：1）輪對外形尺寸自動檢測，包括踏面磨耗、輪緣厚度、QR值、車輪直徑、輪對內側距；2）踏面缺陷（踏面剝離、裂紋）自動探傷；3）車輪擦傷及不圓度自動檢測；4）車號及端位自動識別；5）繪制輪對外形檢測曲線并與踏面標準外形進行比較顯示；6）檢測結果存儲、查詢、統計、對比、打印、超限報警顯示以及數據聯網管理；7）具有對檢測出的數據進行分析、判斷、整理的能力，那就是通過對歷史數據的綜合分析，總結輪對的磨耗規律，繪制磨耗趨勢圖，預測輪對運用到限時間；通過數據的綜合分析比較對輪對的技術狀態做出綜合評價，給出優化的綜合維護保養方案，以指導輪對的檢修；8）提供豐富的數據接口，向輪對維修設備提供傳輸數據接口（如不落輪鏇輪車床，數控車輪車床）、機車車輛基本信息輸入接口、走行公里數輸入接口、人工反饋信息輸入接口、段相關部門和鐵路局的網絡訪問接口等；9）系統故障自診斷。

除完成以上檢測要求外，還要求采用在線動態檢測方式，不需停車，不需解體輪對，檢測速度快、效率高；非接觸檢測[3]，不影響列車正常運行，安全可靠；檢測過程自動完成；提供檢測數據的綜合分析、判斷和整理，給出優化的綜合維護保養方案。

2 輪對動態檢測系統

輪對對態檢測系統組成框圖如圖1所示。該系統主要由基本檢測單元、監控系統、設備間、控制室組成。其中，基本檢測單元完成各項基本檢測功能；監控系統完成對現場設備的監控、防盜功能；設備間主要完成信息采集與處理工作，主要控制設備在設備間進行安裝；控制室是人機交互的場所，主要完成數據的輸入與輸出、進行數據管理及整個系統的管理。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Block diagram of system composition

2.1 基本檢測單元

基本檢測單元包括車號識別、輪對外形輪廓及內側距檢測、車輪直徑檢測、車輪擦傷及不圓度檢測、踏面裂紋探測第5個模塊。該基本檢測單元的主要作用是獲取輪對外形和踏面缺陷的原始檢測數據。為了輔助基本檢測單元的工作，在基本檢測單元的前后方分別設置了車輛接近檢測單元和車輛離去檢測單元。

2.2 設備間

設備間實時采集處理基本檢測單元的測量信號，形成檢測結果，并以一定的格式與控制室內的主機通信，接收控制室主機的控制命令，向控制室主機發送狀態信息和檢測結果。另外，設備間還負責控制現場監控設備的工作，處理監控信號。設備間內包括現場控制系統、數據采集系統、數據處理系統和監控系統主控機。

2.3 控制室

控制室用于控制監測系統的啟停，監控設備的運行狀況，管理最終的檢測結果，提供用戶訪問界面、數據輸入/輸出接口、數據聯網管理。包括操作控制臺、監控系統、數據庫、數據綜合分析及管理軟件。

2.4 監控系統

監控系統的傳感器部分位于現場擋光防護通道內，主要由帶云臺低照度攝像機、車體判別傳感器、紅外微波雙鑒探測器、聲光報警器、照明燈及壁掛式音響組成，共同完成對現場的監視、防盜及聲光報警，確?，F場檢測設備的安全。

3 檢測子系統

3.1 尺寸檢測子系統

輪對外形尺寸檢測子系統用于在線動態檢測動車組、車輛、機車及地鐵車輛輪對的外形尺寸和踏面外形輪廓曲線。采用光截圖像測量技術[4]實現對車輪外形輪廓和輪對關鍵外形尺寸的非接觸動態檢測。如圖2所示，線光源沿輪心方向投射車輪踏面部分形成從輪緣到踏面的光截曲線，該光截曲線包含了踏面外形尺寸信息，用與光入射方向成一定角度的CCD攝像機拍攝車輪外形光截曲線圖像，經過圖像實時采集、處理獲得車輪外形曲線，將檢測的外形曲線與標準曲線比較后得到車輪外形尺寸[5]。系統在實際實施中，采用內外兩側光源入射的方式形成車輪外形的完整輪廓曲線。

尺寸檢測系統主要功能：1）輪對外形尺寸自動檢測：踏面磨耗、輪緣厚度、QR值、輪輞/輪箍厚度、車輪直徑、輪對內距；2）車號及端位自動識別；3）自動繪制輪對外形檢測曲線，并可實現超限報警顯示；4）外形尺寸檢測結果的存儲、查詢、統計、對比、打印及聯網管理。

圖2 光截圖像測量原理圖Fig.2 Measurement principle diagram of light capture

尺寸檢測系統主要由外形尺寸現場檢測設備（輪對外形輪廓及內側距檢測模塊）和位于設備間內的控制處理設備組成。尺寸檢測系統的檢測網絡結構如圖3所示。

圖3 尺寸檢測系統檢測網絡圖Fig.3 Network diagram of dimension measurement system

由圖3可看出，尺寸檢測子系統的主要設備為現場設備，現場檢測設備安裝在整體道床上，主要由分布在軌道兩側的激光線光源（LD）、CCD攝像機、車輪檢測觸發傳感器、列車接近/離去傳感器、計輛判向傳感器、車號識別裝置及LD、CCD開關罩保護機構組成。8個CCD對應安裝在一輛車8個輪對的相應位置，當車輪檢測觸發傳感器被觸發時，接收由激光器射到輪緣外側所形成的光截曲線，并將檢測信息傳輸至設備間的數據處理設備中，主要完成輪對外形尺寸和外形曲線的檢測。

3.2 電磁超聲探傷系統

踏面缺陷動態探傷子系統是線動態檢測動車組、車輛、機車及地鐵輪對踏面缺陷的系統，該系統應用先進的電磁超聲換能器[6]（EMAT）原理，具有非接觸快速檢測、無需耦合劑的特點，能夠實現輪對踏面缺陷的快速動態自動檢測。

輪對探傷系統主要由現場檢測設備、現場控制設備和服務控制設備等3部分組成?，F場檢測設備安裝在一段定制的測量軌上，4只探頭分別交錯安裝（兩兩相隔一定距離）在左右兩條鋼軌上，以確保同一輪對進行兩次測量，補償了單探頭的探測盲區，提高了缺陷檢測精度。

電磁超聲探傷系統利用超聲表面波的脈沖反射原理[7]進行缺陷檢測。當輪對沿鋼軌運行到探頭位置，輪對踏面接觸探頭的瞬間，EMAT在車輪踏面表面及近表面激發出電磁超聲表面波脈沖，超聲表面波將沿踏面表面及近表面圓周以很小的損耗傳播，如圖4所示。超聲表面波在踏面雙向傳播（順時針和逆時針），沿車輪表面及近表面傳播一周后回到探頭位置，EMAT探頭檢測到返回的超聲表面波后形成第1次周期回波（圖5中RT波）；未衰減的超聲波繼續沿踏面傳播，依次形成第2次，第3次周期回波……，直到能量衰減到設備無法檢測為止。

圖4 超聲波檢測原理圖Fig.4 Principle diagram of ultrasonic testing

圖5 表面波傳播原理圖Fig.5 Principle diagram of surface wave propagation

當車輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷存在時，超聲波在缺陷端面處一部分能量被反射，沿原傳播路徑返回并被探頭檢測到，形成缺陷回波（圖5中E波）；另一部分能量繞過缺陷端面繼續傳播，形成周期性回波（圖5中RT波）。通過正常的周期回波（RT）與缺陷回波（E）的對比分析，可以定性分析當前輪對的踏面缺陷狀況。

電磁超聲探傷系統由以下3部分組成：

1）軌道現場檢測設備 軌道現場檢測設備主要由EMAT探頭和車輪檢測傳感器等檢測設備及配套的接線盒組成。探頭設置4個，分列于兩軌道上，并交錯安裝，保證同一輪對進行兩次測量；車輪檢測傳感器主要完成車輪到達檢測，當檢測有車到達時，探頭發出電磁超聲表面脈沖，完成踏面缺陷的檢測。

2）探傷主機系統 探傷主機安放在現場設備間，是探傷系統的核心部件，控制整套系統的數據采集、分析、處理以及與輪對故障動態檢測系統的數據通信、上傳檢測數據等。

3）控制室服務單元 控制室服務單元位于控制室內，隸屬于輪對故障動態檢測系統，提供所有檢測數據的服務管理以及與各級網絡用戶的數據訪問接口。

3.3 擦傷檢測子系統

擦傷檢測系統用于在線動態自動檢測車輪踏面擦傷及車輪不圓度[8-9]，普遍適用于各型動車組、客車車輛、地鐵車輛及機車。

通過測量車輪一周的輪緣高度變化，實現對踏面擦傷及車輪不圓度的測量，如圖6所示，踏面擦傷后，擦傷處圓周半徑將減小，這就使得擦傷處的輪緣頂點t相對于鋼軌的位置低于無擦傷處的輪緣頂點位置。一般輪緣頂點是不會被破壞的，因此輪緣頂點t的位置變化反映了車輪踏面受損的信息。所以測得t點的相對位移h沿圓周的分布情況，就可得到當前車輪的踏面擦傷值，而h在整個圓周上的最大偏差hmax即為圓度偏差[10]（不圓度）。

圖6 擦傷檢測原理圖Fig.6 Schematic diagram of abrasion test

探傷檢測系統的組成及布局如圖7所示，由8套平動機構、列車接近檢測傳感器、車體辨向計數傳感器、信號調理箱及擦傷電氣箱組成。

圖7 擦傷檢測系統的組成及布局圖Fig.7 Composition and abrasion detection system layout

擦傷檢測系統的檢測過程受輪對故障動態檢測系統的統一控制。當有機車、車輛到達時，車號識別系統識別出車號信息，擦傷檢測系統在輪對故障動態檢測系統主控程序控制下進入待檢狀態；當輪對通過擦傷檢測系統各平動機構時，各通道實時采集傳感器輸出的反映輪緣高度變化量的位移信號，通過分析、處理得到輪緣相對于踏面的高度變化數據，同時進行車體計數及判向；當機車、車輛通過檢測區域后，主控程序下達檢測結束命令，擦傷檢測系統結束當前檢測過程，分析、存儲檢測結果，以報表形式給出車輪踏面擦傷數據及不圓度數據，并將結果傳遞到控制室服務器上的數據庫中保存，然后擦傷檢測系統進入待機狀態。

4 其他配合子系統

為使整個檢測系統的自動化水平更高，同時保證整個系統的運行安全，還設置車號識別子系統和安防子系統。

4.1 車號識別子系統

為提高輪對故障動態檢測系統的自動化處理能力，特配置了車號識別系統。車號識別系統是在鐵路運輸中運用得比較成型的檢測系統，主要用于車號信息的識別，并獲得相關信息而設。車號識別系統安裝在入庫線路上檢測系統的前方，當動車組、車輛（安裝了電子標簽的車輛）、機車或地鐵車輛觸發列車接近傳感器時，開啟車號識別系統接收天線，車號識別系統接收車號及端位信息并上傳至尺寸檢測主機，尺寸檢測主機上的現場控制程序負責將車號端位信息上傳至遠程主機，遠程主機根據上傳的車號信息確定是否需要檢測，若需檢測，則啟動輪對故障檢測系統的各檢測子系統，當列車全部通過檢測區段后，結束檢測并關閉車號識別系統接收天線。

4.2 安防子系統

安防系統是為保證現場設備的安全而設置的，輪對故障動態檢測系統在現場配置了獨立于檢測系統工作的安防系統。安防系統主要由監控錄像單元和防盜報警單元兩大部分組成。監控錄像部分為24小時不間斷錄像，防盜報警部分會自動生成報警日志，通過報警日志可快速查找到對應的監控錄像，方便事后分析處理。同時，安防系統探測到報警信號時，現場報警器會工作，以聲光報警方式警示闖入現場檢測設備區域的人員離開，達到保護現場檢測設備的目的。

5 結束語

為實現動車輪對外形尺寸及性能的動態監測，本文采用了光截圖像測量技術來實現對車輪外形輪廓和輪對關鍵尺寸的非接觸動態檢測；利用超聲表面波的脈沖反射原理進行輪對缺陷檢測；通過測量車輪一周的輪緣高度變化，實現對踏面擦傷及車輪不圓度的測量，從而實現對輪對狀態的全方位檢測與信息存儲，一方面保證動車運行安全，另一方面為行車指揮系統提供基礎數據，為正確決策提供保障。

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