城軌車輛輪對尺寸在線測量系統的研制

朱躍，俞秀蓮，邢宗義

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

城軌車輛輪對尺寸在線測量系統的研制

朱躍，俞秀蓮，邢宗義

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

針對城軌車輛輪對測量費時費力的問題，基于激光輪廓掃描傳感器技術，開發了一種城軌車輛輪對尺寸在線測量系統。系統采用將激光輪廓掃描儀和激光位移傳感器布置在鋼軌的內外兩側。將輪廓掃描儀發射的激光線投射到車輪踏面上，實時測量經過測量區域內的車輪踏面外輪廓，并對測量結果進行插值運算、數據平滑運算等算法處理，獲得車輛輪對的輪緣高度、輪緣厚度、車輪直徑等主要參數。通過對測量結果數據分析，該系統可以完成運行中地鐵車輛輪對參數的自動測量。

輪廓掃描；輪對尺寸測量；在線檢測；軌道車輛

0 引言

隨著我國城市軌道交通的快速發展，在線運行的城軌車輛數量迅速增加，車輛運行的安全問題日益突出。輪對的外形尺寸是車輛運行過程中最重要的技術參數之一，輪對的狀況直接關系到車輛的運行質量和運行安全，對車輛輪對尺寸參數的實時監測是保障地鐵車輛安全的一項重要措施。

國外輪對尺寸的在線檢測技術與應用已經較為成熟，目前已有部分線路安裝了相關設備，但設備規模大、安裝基礎要求高、價格昂貴，導致國外的系統不適合國內地鐵公司的實際情況[1]。目前，國內已經有部分學者開展了相關系統的研究。有國內學者提出基于CCD圖像測量技術的測量方法[2]，該方法在價格上相比國外有優勢，滿足車輛輪對的在線測量，但系統結構布置較為復雜，外界干擾多。此外，還有學者提出利用激光傳感器測量輪輞尺寸，該方法只能對經過檢測區的車輪進行單次測量，不能準確地反映車輪的平均磨耗狀態[3]。如何準確測量運行中車輛輪對參數已成為我國城市軌道交通行業發展迫切需要解決的技術難題之一。

相比點激光位移傳感器僅可以測量有限的幾個測量點，輪廓掃描儀可以快速的測量物體的整個輪廓的剖面，精確獲得被測量物體表面輪廓尺寸[4]。目前，具有高頻率及高精度的激光輪廓掃描儀作為精密測量儀器在測量測試行業的應用十分廣泛，尤其適合測量精度和速度要求都很高的在線測量系統。

現提出一種利用激光輪廓掃描儀的方法對運行中的城軌車輛輪對進行在線測量。該系統不僅提高了輪對在線檢測系統的測量精度，而且改善了輪對尺寸測量中外界因素對測量結果的影響，系統能夠準確獲得輪對的主要參數。

1 輪對尺寸測量原理

1.1 輪對與踏面磨損

列車輪對是指壓裝在同一根軸上的兩個車輪組成的整體[5]。輪對幾何參數包括車軸直徑尺寸和車輪有關尺寸，車輪踏面外形參數定義如圖1所示。車輪在鋼軌上運行中與鋼軌接觸的部分稱為踏面，踏面內測突起的凸緣稱為輪緣，距離輪緣內測基準線70mm處踏面上的點被稱為基點。基點和輪緣之間的高度稱為輪緣高度，距離基點12mm高處輪緣的厚度稱為輪緣厚度，實際測量出的輪緣外形尺寸與該型號車輪標準尺寸的差值為踏面磨耗量[6]。

圖1 車輪踏面截面的示意圖

車輛檢修部門對各型車輛輪對輪緣的磨耗限度有著明確的規定，主要是通過測量輪緣厚度、輪緣高度、車輪直徑、輪輞厚度和寬度以及輪對內側距等判斷輪對的服役狀態[7]。實際現場測量時，上述參數通過間隔120°的3個斷面求平均值確定。

1.2 激光輪廓掃描儀

激光輪廓掃描儀是針對物體的輪廓、二維尺寸和二維位移量進行測量的儀器。輪廓掃描儀測量物體外形尺寸主要基于三角測量法和光截法原理[8]。

圖2為利用三角測量法和光截法原理測量車輪踏面外形的示意圖。在列車行進的過程中，以特定的入射角度α將激光線照射在車輪表面，使其在車輪的表現形成一條光截線，車輪反射出去的激光線被掃描儀內置的CCD圖像傳感器接收。通過傳感器內置的FPGA處理核心對接收到得激光線進行A/D變換及信號處理，最終輸出車輪被測量處得輪廓曲線。

圖2 系統測量方式示意圖

1.3 測量方案

激光輪廓掃描儀固定安裝在軌道外側的探測箱內。車輪在運行的過程中，安裝在軌道外側的激光輪廓掃描儀，對踏面及輪緣內側進行動態掃描。如圖3(a)所示，當車輪進入掃描區域時，激光輪廓掃描儀開始對車輪輪緣和踏面內測進行測量，當車輪輪緣和踏面完全進入有效掃描區域時，輪緣和踏面的表面被激光輪廓掃描儀完全測量。系統采用高頻率激光輪廓掃描儀，在有效掃描區域內可以多次對車輪踏面和輪緣外形測量，通過后續的數據處理分析，通過求取多次采集的平均值來提高測量系統的精度和準確度。

車輪運行過程中，車輪踏面與軌道接觸部分被持續地被磨損，當車輛急剎車或發生打滑時踏面也會被磨損。為了保持車輪踏面形狀在規定范圍內，車輛部門需要對車輪進行旋修，車輪直徑也會隨著不斷縮小。

圖3 測量位置意圖

車輪直徑的變化導致激光輪廓掃描儀采集到的尺寸變成了實際車輪踏面形狀發生畸變的輪廓曲線，因此輪對尺寸測量系統需要利用圖形校正等手段進行處理以獲得沒有發生畸變的車輪輪廓曲線，并通過與標準車輪相對比，獲得車輪外形的尺寸參數及磨耗值等。

2 系統的結構及算法原理簡介

2.1 系統結構

輪對尺寸測量系統主要由激光輪廓掃描儀、激光位移傳感器、高速數字信號采集系統、工業控制計算機及顯示設備等構成，如圖4所示。其中，G1為車輪軸位傳感器，安裝在軌道的內側，用于檢測列車車輪是否到達檢測區域，當傳感器檢測到列車車輪到達檢測區域時啟動系統。A為車號識別天線，用于識別通過檢測區域列車的車號。L1，R1為激光輪廓掃描儀，安裝在軌道的外側。L2，R2為激光位移傳感器，安裝在軌道的內側。L1與R1，L2與R2分別構成一組檢測系統，對通過該檢測范圍內的車輪表面輪廓進行動態掃描。L1，L2，R1，R2均安裝在帶有自動開關門的保護裝置內，防止灰塵和水等造成測量錯誤。

圖4 測量系統原理圖

系統軟件采用基于C++編程語言，利用C++的接口能力，內置基于C的處理算法。該系統可以在-20℃～85℃的范圍內正常工作，適應城市軌道交通現場環境。

2.2 系統工作流程

如圖5所示系統工作流程：檢測系統通電復位，系統開始進入等待狀態，當車輪傳感器G1采集到來車信號，傳感器開始采集并保存數據，當所有輪對完全移除車輪傳感器時，系統定時器開始啟動，定時器結束說明車輛完全移除監測區域。在車輛離開檢測區域后檢測系統開始運行輪對尺寸監測算法，并將結果以圖表和數據等形式顯示在數據顯示前端。同時，按照預設定的報警等級對超出預定閥值的故障車輪報警。

圖5 系統流程圖

2.3 算法處理流程

在線輪對尺寸測量系統算法流程如圖6所示，算法主要包括取通道數據、提取通道數據中有效數據段、對有效數據段進行差值處理、數據平滑處理等運算分析。經過處理后的車輪踏面外形數據與標準車輪踏面及輪緣外形數據對比求差值。差值求解后的踏面曲線為被測量位置的踏面曲線，通過計算車輪多個位置的踏面曲線平均值，求取車輪的平均磨耗狀態，重構車輪踏面外形曲線。重構后的車輪踏面外形求取車輪尺寸參數，分析被測量車輪是否超過系統設定的閥值，對超過閥值的進行報警。同時，系統可以通過轉向架中4車輪的尺寸參數，分析該轉向架狀態參數，對超出系統設定閥值的轉向架進行報警。

圖6 算法處理流程圖

2.3.1 插值處理

車輪在高速移動過程中，采集到的數據呈現不連續的情況。需要對采集到的數據進行精細化差值處理，將信號變成沿x方向等間距離散信號[9]。為了實現快速數據處理和提高處理結果的精度，在系統中選擇采用三次樣條差值法。

2.3.2 點云數據平滑方法

使用激光法來獲取踏面尺寸數據，由于多方面的原因，如被踏面表面粗糙度、表面波紋以及其他一些表面缺陷等，以及有測量系統本身的系統誤差，如電噪聲、熱噪聲、CCD的非線性誤差、分辨率等，測量的過程中不可避免的會混雜有各種噪聲點，導致測量的曲線不光滑。因此，測量數據實際上是原始數據f(t)和誤差成分ε(t)兩者的疊加結果[10]。在檢測數據中存在著部分干擾信號會影響系統的測量精度和后續數據處理，需要對數據進行平滑處理[11]。在系統中選擇使用基于中值濾波的點云數據平滑方法。

2.3.3 尺寸差值求解

被測車輪經過激光輪廓掃描儀，將測量得到的數值經插值處理、數據平滑后復原成車輪踏面和輪緣外形相對尺寸曲線，確定基準點位置，分析兩條曲線隨x軸變換兩Δz，求出實際輪緣厚度、輪緣高度與標準輪緣高度之差得到踏面的磨耗值。

3 實驗與分析

表1為人工測量結果與系統測量結果在輪緣厚度、輪緣高度、車輪直徑三個數據上的對比，其最大差值不超過0.2mm。

圖7為系統測量結果圖對比圖，圖7(a)為掃描儀測量的踏面曲線，圖7(b)為系統處理后踏面曲線。使用人工列車車輪輪廓測量儀測量結果繪制車輪踏面曲線，并將人工測量曲線與系統測量曲線相對比，如圖7(c),圖7(d)所示。通過試驗與與分析結果說明本文提出的測量方法和系統是有效的。

表1 輪對參數測量結果對比

mm

左輪右輪人工系統人工系統輪緣高度13.1513.3213.4213.53輪緣厚度16.4316.3116.5516.46車輪半徑194.82194.76193.68193.67

(a)掃描儀測量的踏面曲線

(b)系統處理后踏面曲線

(c)人工測量踏面曲線

(d)人工與系統測量結果對比圖7 測量結果對比圖

4 結論

利用激光輪廓掃描儀測量車輪踏面輪廓是切實可行的方案，能夠滿足地鐵車輛輪對在線檢測系統的需求。系統采用的算法可以消除由于傳感器、測量方法等引起的誤差以及系統本身引入噪聲信號。同時，系統可以滿足對運行中輪對輪緣厚度、輪緣高、踏面磨損、等外觀形狀參數和長度量的測量與計算。

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[3] 左建勇,周文祥,曾京.應用激光傳感器測量輪輞尺寸的試驗研究[J]. 鐵道車輛, 2002,40(2):11-14.

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Design of On-line Measuring System for Wheel Pairs of Rail Vehicles

ZHU Yue, YU Xiu-lian, XING Zong-yi

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

When the traditional way is used to measure the parameters of wheel pairs of rail vehicles,it needs great effort and takes much time.To solve this problem, based on the laser contour scanning method, an on-line measuring system is developed. In this system, the laser contour scanner and the laser displacement sensor are placed on both inner and outer sides of the rails. The laser rays are projected on the surface of wheels so that a real-time measurement of the outer contour of wheel surface can be conducted. Algorithms such as interpolation and smoothing algorithm are used to calculate the measured results，so that the main parameters of the wheel pairs can be more precise. The result shows that this system can be used to automatically measure the parameters of the wheel pairs of the rail vehicles.

laser contour scanning; measurement of parameters of wheel pairs ; on-line measuring; rail vehicles

軌道交通控制與安全國家重點實驗室開放課題(RCS2011K010)； 國家863計劃(2011AA110501)；科技支撐計劃(2011BAG01B02)

朱躍(1989-)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要研究領域為城軌列車安全在線監測。

U279；TP29

B

1671-5276(2014)02-0036-04

2013-03-06