淺談鐵路貨車輪對自動檢測系統的現狀與研制

摘要：輪對是鐵路貨車行走過程中重要的構件，輪對故障導致的安全事故會給鐵路運輸造成嚴重的損失。文章從目前國內外主流采用的貨車輪對自動檢測技術的原理入手，首先總結了貨車輪對自動檢測技術的現狀，其次針對具體實踐要求設計了一種可自動檢測鐵路貨車輪對參數的系統，并對其工作原理進行了初步分析，最后對自動檢測技術的應用進行了展望。

關鍵詞：鐵路貨車；輪對參數；鐵路運輸；安全系數；自動檢測系統

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）33-0025-02

輪對是鐵路貨車行走過程中重要的構件，安全高效的輪對是保證鐵路能夠快速、安全運輸的關鍵因素，輪對故障導致的安全事故屢見不鮮，給鐵路運輸造成了嚴重的損失。另外，輪對故障也會給車輛本身以及鐵路固定設施帶來一定程度的損害。目前，我國仍然依靠傳統的人工手動測量來對其進行故障的檢測診斷，不但效率低下，檢測精度以及可檢測項目也不盡如人意，為鐵路正常運行帶來了隱患。因此，發展一種新型的自動貨車輪對檢測技術對于提高我國檢測水平、提高鐵路運輸安全系數有著重要的意義。

1 輪對自動檢測技術的原理及現狀

目前來說，國內外主要應用的輪對自動檢測技術按照原理分類，可分為以下三類：光截圖像原理技術、視覺自動測量技術以及激光位移測距技術，主要應用于貨車的入庫檢查以及地鐵在線監查上。下面分別簡述一下這三類原理：

1.1 光截圖像原理技術

這種技術主要原理為利用三角激光測量技術來實現測量物體二維尺寸的目的。采用的投射光源為點狀高強度激光，高速的CCD相機作為圖像采集設備。當測試完畢后會得到一系列的曲線，將其和標準的校正曲線進行比對矯點，從而實現目標參數的自動檢測。這種技術在低速以及靜態測量中的精度比較高，但是對于高速測量的精度尚不能令人滿意，這是由于CCD相機的采集速度有限而造成的。但是這種原理制備的設備價格低廉、操作簡單，得到了廣泛的應用，如丹麥的EDOC公司、美國的BEENA公司以及國內的哈爾濱威克公司等都有相應的產品。

1.2 視覺自動測量技術

視覺自動測量技術是一種基于視覺測量系統，建立在計算機視覺研究基礎上的新興技術，其優點為抗干擾能力強、高效易行，非常適合一些在現場生產中的在線非接觸性監控及監測。在實際生產過程中，該技術基于視頻成像原理及先進的圖像識別功能工作，通過高速攝像機現場拍攝車輛輪對運行狀況，采用逐幀截屏得到清晰圖片，再對圖片進行識別辨認的方法來實現對車輛輪對的監控監測。

1.3 激光位移測距技術

激光位移技術是一種高精度、高精密的非接觸行測量技術，主要用于測量對象物體的位置以及位移的變化，可以準確監測出物體的位移、體積尺寸、振動頻率等物理幾何量的測量。按照原理，激光位移技術可分為激光回波法和激光三角測量法兩種，而在鐵輪貨車輪對檢測中主要用的是激光三角測量法，這種檢測方法精度高，但監測的距離較短。在實際應用中，左右兩路光電流從激光位移傳感器發出，通過干涉成像，就可以反推算出物體激光點和成像透鏡前面的距離，從而達到監測的目的。目前這種技術已經被應用于我國部分鐵路

路段。

2 輪對自動檢測系統的研制及簡單介紹

2.1 系統結構整體設計

根據輪對檢測工藝要求以及車間的實際工作狀況，我們設計了一種以龍門通過式機械結構為基礎的輪對自動檢測系統，其簡單組成主要包括進給總成、升降總成、帶轉總成、測量裝置以及傳感器等。待貨車輪對沿著特定軌道進入測量裝置后，通過各個部件的協同作用以及協調工作，自動完成對輪對各參數的測量。本裝置可以檢測的輪對參數主要包括輪緣厚度、輪座直徑、車輪直徑、車軸中央直徑等。

待測的輪對在自動計算機控制系統的作用下，通過導向裝置機構使得輪對到達指定的測量位置，具體如下：當輪對滾動到待測位置時，擋輪裝置將其擋住，位于裝置下方的輪對提升結構將輪對升起后由轉動裝置驅使輪對轉動。

與此同時，測量裝置在直線電機的驅動下，通過絲杠的帶動使其沿直線運動單元迅速下降到測量位置停止。當測量傳感器做橫向運動時，可以測量輪對的中央直徑，左右輪緣寬度等參數；和其相連的旋轉電機可以控制測量傳感器做順時針以及逆時針的旋轉，可以測量左右輪座直徑以及輪輞厚等參數。在自動控制系統的作用下，激光傳感器按照一定的路徑做直線往復運動，可以自動采集被測輪對中各測量點的數據，通過安裝的攝像裝置可以將裝置板上的圖像反映到計算機的顯示屏上，經過計算機運算處理后得到測量結果保存到相應數據庫中并自動打印。當采集數據完成后，左右的測量裝置以及激光傳感器自動上升到初始位置，測試的輪對停止轉動并自動下降，最后由輪推裝置推出測量位置，完成整個的工作循環。

2.2 測控系統設計

本自動檢測系統的測控系統主要有工業控制高精密計算機、運動控制部分、數據自動采集處理部分以及測控軟件等部分組成。

2.2.1 工業控制高精密計算機。該部分作為整體系統的關鍵組成之一，擔負著處理數據，采集打印圖像以及對運動的部件進行高精度高準確度控制的作用。設計中我們采用的是方正的主機，CPU為AMD 速龍II X4 740，內存為4GB的DDR內存，配備Dell打印機，利用Windows自帶的Microsoft Visual C++ 7.0編程系統進行編程。我們采用的計算機配置較高，編程系統較為先進，為整個檢測系統的優良性能奠定了良好的基礎。

2.2.2 運動控制部分。運動控制部分主要由步進電機、氣動控制裝置以及異步電機三部分組成。實際運行條件下，要求本系統的定位精度高，整體系統動作平穩，沖擊力小。因為旋轉特性不同，結合實際現場運行的需要，選擇合適的電機是非常重要的。在輪對旋轉中，由于對電機的要求較低，因此采用的是步進電機，最佳細分圈數為6400步/圈。在滑臺極限位置兩側安裝有光電開發，實現對運動極限位置的控制，保護與之相連的傳感器。設計中旋轉運動機構和橫向運動機構對電機要求較高，因此我們使用了帶有64位高性能RISC中央處理器的交流伺服電機，提高了機器的響應性。

2.2.3 數據自動采集處理部分。數據采集部分主要由激光傳感器，電渦流傳感器以及A/D采集卡三部分組成，這部分也是系統設計最重要的部分，其采集數據的準確度決定著系統的檢測精度，是設計中的重點。其基本工作原理是激光傳感器輸出的電信號經由電渦流傳感器的放大、濾波、抑躁處理后送入A/D采集卡進行模數轉換。

設計中利用電渦流傳感器對輪對的踏面進行高速的數據采集，計算機處理后可得踏面特征；對于車輪直徑以及車軸中央直徑等則采用激光傳感器。為排除實際操作條件下的干擾，我們自行設計了一種A/D采集卡，帶有32bit分辨率的A/D轉換器以及模擬輸入通道，保證最佳轉換精度，最大限度地保證了數據的可靠性。

2.2.4 測控軟件。本系統采用先進的VC++7.0進行軟件的設計，采用先進的多線程編程技術，利用模塊化設計方法，軟件程序結構清晰，使用界面具有自動填入、人工修改編輯的功能，上手快，使用方便。數據庫方面，我們采用的是ODBC法來訪問Access數據庫。

3 貨車輪對自動檢測技術展望

國內外的研究結果表明，現有的輪對自動檢測技術基本上已經具備實際應用的條件，但是目前我國的檢測系統大部分安裝于列車通過速度較低的路段，并且受氣候條件影響較小；而鐵路重載貨車具有速度高、環境惡劣等特點，還需對現有自動檢測系統技術作進一步的深入研究，從而實現其廣泛應用，消除安全隱患，杜絕由輪對故障導致的嚴重安全事故。

參考文獻

[1] 黃曙光，黃海，吳乃優，敖銀輝，高向東.鐵路貨車輪對自動檢測系統的研制[J].機電工程技術，2002，（2）.

[2] 白福生.輪對自動檢測機的研制及應用[J].機車車輛工藝，1997，（2）.

作者簡介：袁玉（1987-），女，沈陽鐵道石油化工集團有限公司助理工程師，研究方向：鐵路車輛工程。