車輛輪對狀態在線檢測系統研究

陳 剛 任光勝

（重慶大學機械工程學院，400030，重慶∥第一作者，碩士研究生）

輪對裝置作為列車的重要組成部件，承受來自機車車輛的全部靜、動載荷，輪對踏面表面和近表面的磨損、擦傷、剝離、裂紋等缺陷是危及行車安全的重大因素。必須及時有效地對列車輪對狀態進行檢測，及時發現并更換超限輪對，以避免列車事故的發生［1］。傳統的定期檢修方式已不能滿足要求，迫切需要研制輪對踏面損傷及輪對幾何參數的動態檢測方法、技術和裝備，實現在列車運行時對輪對狀態的實時檢測。

1 輪對狀態在線檢測系統

車輪剖面如圖1所示。需要測量的輪對幾何參數主要有：輪緣厚度B、輪緣高度H、踏面圓周磨耗及擦傷、輪對內側距T、車輪直徑D、輪輞寬度W 等。

圖1 車輪幾何參數

本系統由車號識別裝置、觸發系統、測速計數裝置、輪對磨耗尺寸檢測裝置、輪對踏面損傷探測裝置，以及中央控制系統和數據處理中心等組成（如圖2所示）。其中，RF為車號識別天線；K1、K2、K3為系統觸發開關，負責整個測量系統的啟動和關閉；S1～S10為激光傳感器，用于測速、車輪計數和輪對幾何參數的測量；C1、C2是CCD（電荷耦合器件）攝像機，用于捕捉車輪外形曲線；P1～P4為面激光發生器；W1～W4為位渦流傳感器；E1～E4為EMAT（電磁超聲換能器）探頭。

2 輪對磨耗尺寸檢測裝置

本系統采用CCD圖像測量技術和激光位移傳感器相結合的方式來對輪對磨耗狀態進行檢測。CCD圖像測量技術用于對輪對輪緣厚度、輪緣高度的測量和踏面線輪廓的非接觸動態檢測［2］。激光位移傳感器用于對輪對直徑、輪輞厚度和輪對內側距的測量。

2.1 輪緣厚度、輪緣高度的測量

CCD圖像測量技術基本檢測原理如圖3所示。當W1、W2渦流傳感器檢測到車輪通過時，啟動現場檢測器件，軌道外側的激光光源沿輪心方向照射到車輪踏面和內側面部分，形成從輪緣到車輪踏面的輪廓曲線，該曲線包含車輪踏面的外形尺寸信息；然后用與入射光方向成一定角度的CCD攝像機捕捉被照射的輪廓圖像，對捕捉到的圖像進行處理可得到如圖4所示的車輪外形輪廓曲線；通過與存于系統中的標準輪廓曲線比對，并經圖像尺寸測量，可測出實際的輪緣厚度、輪緣高度，以及車輪踏面和輪緣的磨耗量［2］，如圖5所示。

圖2 系統結構圖

圖3 CCD圖像測量原理

圖4 車輪外形曲線

車輪磨耗計算公式為：

圖5 磨耗測量方法

式中：

HM——踏面磨耗；

LH——輪緣高度；

H——標準輪緣高度；

BM——輪緣磨耗；

B——標準輪緣厚度；

LB——輪緣厚度。

由于采用激光光源，在數字攝像機鏡頭前安裝帶通濾波片可有效避免陽光干擾，使檢測設備能在白天和夜晚都正常工作。

2.2 輪對直徑的測量

測量原理如圖6所示。當列車通過測量裝置時，S3～S6激光位移傳感器可連續測量出探頭距車輪踏面的距離，當 W3、W4檢測到車輪與其距離最小時，即檢測到A點，此時激光位移傳感器距車輪踏面的距離為L。圖中，O為車輪圓心，A為車輪與軌道的接觸點，E為激光測量線與AO延長線的交點，PB為激光位移傳感器的測量值L，S為激光位移傳感器和渦流傳感器的水平安裝距離，M為激光位移傳感器和鋼軌的垂直安裝距離。通過下式可算出車輪的半徑R：

因是采用雙激光位移傳感器測量方法，實際車輪半徑為R＝（R1＋R2）／2。

圖6 輪徑測量原理圖

2.3 輪輞寬度、輪對內側距測量

當電渦流傳感器W3、W4檢測到車輪通過時，激光傳感器S7、S8可測量出傳感器與車輪外側的距離，S9、S10可測出傳感器與車輪內側的距離，據此可計算出車輪的輪輞寬度、輪對內側距［3］：

式中：

N1、N2——分別為輪對左右輪的輪輞寬度；

T——輪對內側距；

L7～L10——分別為激光位移傳感器S7～S10的讀數值；

L7.9，L8.10，L9.10——分 別 為 S7 與 S9、S8 與S10、S9與S10之間的安裝距離。

3 踏面損傷檢測裝置

該裝置采用電磁超聲探傷技術，利用超聲表面波的脈沖反射原理實現對車輪踏面及近表面缺陷的動態檢測，檢測原理如圖7所示。在軌道一側將一對EMAT傳感器安裝到特制的軌道中，2個EMAT之間的距離不等于車輪踏面圓周長度一半的整數倍。當列車運行到EMAT探頭位置，車輪與探頭接觸的瞬間，EMAT在車輪踏面表面及近表面激發出電磁超聲表面波脈沖，所激發出的聲波束將沿踏面表面及近表面一定深度范圍內傳播，從而形成對踏面表面及近表面的全覆蓋檢測。

圖7 EMAT探測原理

電磁超聲表面波沿車輪踏面及近表面雙向傳播。當超聲波傳播1周回到探頭位置時，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8（a）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到為止［4］。

當車輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷時，超聲波在缺陷端面處的一部分能量被反射，沿原傳播路徑返回并被探頭檢測到，形成缺陷回波（圖8（b）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8（b）中RT波）。通過正常的周期回波（RT）與缺陷回波（E）的對比分析，就能探測出輪對踏面表面及近表面一定深度范圍內的缺陷［5］。

圖8 波形檢測結果

4 系統檢測精度

本系統的設計精度為：車輪直徑＜±0.3mm；圓周磨耗＜±0.2mm；輪緣厚度＜±0.2mm；輪輞寬度＜±1mm；內側距＜±1mm；能探測出車輪踏面及近表面寬10mm、深3mm內的擦傷和裂紋。系統檢測精度滿足車輪檢修要求。

5 結語

本文提出了列車運行時對輪對狀態的在線動態檢測方法，實現了列車入庫時對車輪直徑、輪緣厚度、輪緣高度、輪對內側距等幾何參數的在線動態測量，同時可對車輪踏面表面及近表面缺陷進行檢測，精確定位缺陷的位置，滿足對輪對的測量需求。檢測結果可為車輛維修基地是否對輪對進行鏇切提供數據支撐。

［1］ 彭建平，王黎，高曉蓉，等.基于EMAT技術的輪對踏面探傷儀［J］.儀表技術與傳感器，2009（1）：18.

［2］ 張建華，吳開華.基于CCD測量車輛輪對輪緣的幾何參數［J］.測試技術學報，2004（18）：117.

［3］ 左建勇，周文祥，曾京，等.應用激光傳感器測量輪輞尺寸的實驗研究［J］.鐵道車輛，2002（2）：11.

［4］ 戴立新，王澤勇，王黎，等.電磁超聲在車輪踏面探傷中的應用研究［J］.鐵道技術監督，2008（12）：24.

［5］ 王浩，王黎，高曉蓉.車輪電磁超聲探傷技術及探傷信號的處理［J］.機車車輛工藝，2004（6）：34.

［6］ Jian X，Dixon S，Grattan K T V，et al.A model for pulsed Rayleigh wave and optimal EMAT design［J］.Sensors and Actuators.A，Physical，2006，128（2）：296.

［7］ Dixon S，Palmer S B.Wideband low frequency generation and detection of Lamb and Rayleigh waves using electromagnetic acoustic transducers（EMATs）［J］.Ultrasonics，2004，42（10）：1129.