采用三維檢測技術的火車輪檢測與維修

程宏釗，王培俊，潘璇，聶良兵

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

鐵路是我國交通運輸的重要方式之一，是我國交通運輸發展的重要方向。在實際運用過程中，對機車車輛車輪的檢測、參數管理直接關系到鐵路運輸的安全性和經濟性。

機車車輛的車輪輪緣呈不規則的幾何形狀，其幾何狀態參數不僅影響列車運行的速度、平穩度與安全性，還是車輪維修的主要依據。車輪的經濟鏇修與精確檢測息息相關，實際應用中，車輪維修普遍存在過度鏇修的現象。車輪的精確測量比較復雜，傳統的檢測方法通常是基于車輪橫向廓形的二維測量，很難完全反應出車輪真實的磨損狀況，不僅導致車輪的維修復雜、耗時，還會造成車輪被大量的“過度”鏇修。如果一片車輪被“過度”鏇掉1 mm，則車輪價值直接被浪費105元。據不完全統計，2006年，武漢鐵路段因“過度”鏇修，浪費車輪價值3億［1］。

本文采用基于逆向工程的三維檢測技術，以參數化建模軟件Pro/E和逆向校核軟件Geomagic Qualify為平臺，對車輪的3D檢測與經濟鏇修進行了較為深入的研究，實現了車輪全參數尺寸磨損量的定量化、精確化、可視化測量，較好的解決了車輪檢測與經濟鏇修的難題。

1 車輪輪緣踏面表面信息獲取及處理［2］

首先，建立各目標類型車輪參數化模型庫。由于車輪種類繁多，本文以南車成都機車車輛廠待檢某類型火車車輪為例，對車輪進行3D檢測并確定鏇修方案。圖1為車輪3D檢測并確定鏇修方案的完整流程。

圖1 整體框架流程

本文采用韓國SOLUTIONIX RexcanⅢ1.4 M高端便攜式非接觸三維掃描儀獲取車輪表面信息。該掃描儀可對物體進行全方位精確掃描(掃描精度＜0.007 mm)，數據自動高精度拼接(拼接精度＜0.01 mm)。掃描過程中，由于車輪相對龐大，掃描儀器掃描拼接速度相對較慢。通過分析車輪幾何特征，確定只需掃描輪緣踏面以及輪輞內外側的一部分，可以完全滿足檢測要求。車輪原始掃描3D數據如圖2所示。

圖2 車輪原始掃描數據

為提高檢測效率與精度，需要對初始點云數據進行處理，包括去噪、補洞(因貼標記點留下)、去除輪輞內部點云、點云精簡等技術操作。處理后的點云數據如圖3。

圖3 車輪處理后數據

2 提取特征數據建立標準車輪模型

車輪檢測只與踏面和輪輞各參數相關。為簡化和提高檢測效率，三維檢測的標準車輪模型只需包括車輪輪輞和踏面。

由于運行過程中的磨損變形，車輪經常需要鏇修以保證其正常工作。因此，車輪的各參數尺寸是不斷變動的，不能直接建立其標準模型。在車輪實際維修中，車輪是按LM型(磨耗型)踏面測量并鏇修的。故在三維檢測中，標準車輪踏面必須是LM型。

2.1 特征參數提取

只需知道車輪直徑、輪輞內徑，便可建立其標準模型。

a)確定標準車輪模型輪輞內徑

車輪在運行中，輪輞內側不受磨損，可直接取其特征點云(圖4)的擬合值為標準車輪模型輪輞內徑值(本步驟在點云數據處理之前完成)。

圖4 輪輞內徑特征點云

b)確定標準車輪模型輪緣厚度

圖5表示LM踏面A值(輪緣頂點到輪緣內側距離)與輪緣厚度的關系［3］。而輪緣頂點在火車運行過程中不接觸鋼軌，因此，車輪在磨損前后，輪緣頂徑大小及A值基本保持不變。故理論上可通過輪緣頂徑最大值的位置到輪緣內側的距離來確定輪緣厚度。

圖5 LM系列輪緣踏面外形

同時，實際維修中車輪是按輪緣厚度32、30、28、26四個等級的模板來鏇修的。這樣，只要比較距離輪緣內側16、15、14三處截面特征點云擬合值大小即可。表1，可確定該車輪標準模型的輪緣厚度為30 mm。

表1 各截面特征點云半徑

表中：S—截面到輪緣內側距離;R—截面特征點云擬合半徑

然而，在車輪3D檢測過程中發現：以上述分析獲得的車輪模型為檢測基準時，檢測結果顯示輪緣外側出現正偏差(該處基準模型比待檢車輪點云模型小)。這表明基準模型輪緣厚度過小，上述分析結果存在誤差。

經過誤差分析及實驗研究確定，檢測基準車輪輪緣厚度統一采用該輪緣踏面類型下最大輪緣厚度值，輪緣頂徑取各截圓最大直徑值(相對于車輪直徑來說，該值的誤差影響很小)。

2.2 建立標準車輪模型

車輪踏面直接與鋼軌接觸，是車輪受磨損的主要部位。由于無法從車輪點云模型踏面上直接獲取標準車輪模型直徑，可通過前節確定的輪緣頂徑值，間接獲得標準車輪模型直徑值。

由圖5可發現，車輪直徑與輪緣頂徑存在關系，即(D1、D2見圖6)：

D1(車輪直徑)=D2(輪緣頂徑)－54

將獲取的車輪尺寸參數輸入車輪參數化模型庫，獲得標準車輪模型。

圖6 車輪踏面曲線形式

3 車輪三維檢測以及確定鏇修方案

將車輪磨損件模型與其標準件模型對齊，獲取3D偏差色譜圖及偏差值報告。結合車輪鏇修模板分析檢測結果，確定最優鏇修方案。在保證輪緣厚度的前提下，降低車輪踏面鏇削量，以延長車輪使用壽命。

3.1 車輪三維檢測

根據3D偏差色譜圖(圖7)檢測報告，車輪損傷情況一目了然。可以得到輪緣磨損在2mm以內，踏面磨耗在4 mm～5.5 mm 之間(最大 5.4mm)，輪輞寬度 135mm ～136mm變化;輪輞厚度在可修范圍，輪緣高度已超限等各尺寸參數檢測結果。

圖7 標準輪與磨損輪3D比較

3.2 確定車輪鏇修方案

車輪鏇修中最重要的是確定鏇修目標車輪的輪緣厚度、直徑以及輪輞寬度。車輪輪輞寬度在檢測中已確定。而車輪輪緣厚度與車輪直徑存在如下關系，輪緣厚度增加1 mm，輪輞厚度要減少 tanθ mm(θ為輪緣角，一般取70°)［4］。依據此關系式和檢測報告確定，車輪磨損件輪緣厚度在30 mm～31 mm，該磨損車輪應按輪緣厚度30 mm的模板鏇修，鏇修的目標車輪直徑(D1、D3見圖6)：

D3=D1(標準車輪直徑)－5.4(踏面最大磨耗)×2

3.3 檢驗鏇修方案

依照以上分析結果，建立鏇修的目標車輪模型，將其與磨損件模型對比分析。如圖8，可以看出，該輪按照此目標車輪鏇修，輪輞厚度損失最小的情況下，車輪輪緣及踏面損傷已全部清除，并且輪緣厚度方向還有一定余量。依據目前的鏇修模板，該鏇修方案最優。但如果鏇修模板等級更多，該輪完全可以按更大的輪緣厚度模板來鏇修。

圖8 鏇修目標輪與磨損輪3D比較

受掃描裝置限制，本文沒有考慮同一輪對、轉向架甚至同一車車輪輪徑差引起的車輪鏇削量，也沒有考慮輪輞裂紋深度引起的車輪鏇削量。這些因素均影響車輪安全、經濟鏇修，是進一步研究的目標。

4 結語

采用逆向工程三維檢測技術，對車輪進行3D全參數檢測，精確的反映車輪各尺寸參數的磨損程度，并根據檢測報告制定初步鏇修方案，最后在檢驗鏇修方案的同時對其進行優化，制定出最佳鏇修方案，將車輪的檢測與維護統一起來，為車輪的精確檢測與經濟鏇修提供了新的方法與思路。

［1］蔣芳政.對車輪鏇修時切削量選值得探討［J］.鐵道車輛，2006，44(12)：36-37.

［2］張衛國，姜軍.基于逆向工程的齒輪磨損件無損檢測技術［J］.中國工程機械學報，2012，10(2)：232-236.

［3］TBT 449－2003，機車車輛車輪輪緣踏面外形［S］.

［4］徐偉明.車輪輪輞和輪緣厚度關系的探討［J］.鐵道車輛，2004，42(7)：41-42.

［5］成思源，謝韶旺.Geomagic Qualify三維檢測技術及應用［M］.北京：清華大學出版社，2011.