城軌車輛輪對(duì)尺寸在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

李兆新 陳希雋 邢宗義 王曉浩

城軌車輛輪對(duì)尺寸在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

李兆新 陳希雋 邢宗義 王曉浩

摘 要：提出了一種采用2D激光位移傳感器的輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)。首先介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要由磁鋼、車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、2D激光位移傳感器和工控機(jī)等組成，然后詳細(xì)描述了斜入射激光三角法的工作原理，以及輪緣高、輪緣厚及輪徑等輪對(duì)尺寸參數(shù)的測(cè)量原理，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)一致性優(yōu)于人工測(cè)量，具有快速、準(zhǔn)確且可靠等優(yōu)點(diǎn)，滿足輪對(duì)測(cè)量與維修的需求。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；輪對(duì)尺寸；激光位移傳感器；在線檢測(cè)

李兆新：廣州市地下鐵道總公司，工程師，廣東廣州 510335

0　引言

城軌列車車輪作為列車與軌道的結(jié)合部位，承載著來(lái)自整個(gè)列車的全部靜、動(dòng)載荷，是走行系中極為重要的部件。在列車實(shí)際運(yùn)行中，由于存在著線路養(yǎng)護(hù)條件差、輪軌外形及材質(zhì)匹配不合理等原因，車輪踏面及輪緣會(huì)出現(xiàn)磨損，使車輪的幾何尺寸發(fā)生變化[1]。對(duì)車輪踏面外形變化的跟蹤監(jiān)測(cè)有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除由于車輪尺寸引起的列車運(yùn)行安全隱患[2]。因此，針對(duì)車輪輪緣和輪徑等輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)成為保障列車安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

國(guó)外眾多研究機(jī)構(gòu)較早進(jìn)行了輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)的研究[3]，如：美國(guó)Loram公司于20世紀(jì)90年代中期研制出高、低速下的車輪自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；日本20世紀(jì)90年代末研制出車輪踏面形狀自動(dòng)檢測(cè)裝置，可以同時(shí)檢測(cè)輪對(duì)輪廓的參數(shù)，測(cè)量誤差小于±0.3 mm。國(guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)也在近年開(kāi)發(fā)了輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)：成都主導(dǎo)科技公司研制的LY系列輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)[4～5]，廣州復(fù)旦奧特公司研制的AUT-3500輪對(duì)尺寸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2, 6]均實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)幾何參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。上述系統(tǒng)主要采用光截圖像法[7]，當(dāng)輪對(duì)通過(guò)測(cè)量裝置時(shí)，激光照射到待測(cè)輪對(duì)，用光電傳感器捕捉通過(guò)的輪對(duì)輪緣，同時(shí)用高速CCD（電荷耦合元件）攝影，對(duì)所攝影的圖像，經(jīng)濾波和細(xì)化處理，抽出激光圖像的中心線，算出輪對(duì)尺寸，該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受環(huán)境干擾，重復(fù)測(cè)量精度低。

本文提出了一種采用2D激光位移傳感器的城軌車輛輪對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輪緣高、輪緣厚及輪徑尺寸的自動(dòng)測(cè)量，具有準(zhǔn)確、快速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易安裝等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足城軌車輛輪對(duì)測(cè)量及維修的需要。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及安裝

本文提出的輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)包括磁鋼、車號(hào)識(shí)別天線、2D激光位移傳感器和工控機(jī)等，其安裝布置如圖1所示。沿軌道外側(cè)安裝的磁鋼用于檢測(cè)車輛到達(dá)傳感器正上方的時(shí)刻，以觸發(fā)后續(xù)車號(hào)識(shí)別天線等硬件設(shè)備上電啟動(dòng)并采集數(shù)據(jù)；車號(hào)識(shí)別天線用于檢測(cè)車輛的車號(hào)信息；每根軌道內(nèi)、外側(cè)分別布置4個(gè)2D激光位移傳感器（R1～R4、L1～L4），對(duì)車輪踏面尺寸和輪對(duì)內(nèi)側(cè)距進(jìn)行測(cè)量。

2D激光位移傳感器與輪軌的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示，2根軌道旁的激光位移傳感器成鏡面對(duì)稱布置。右側(cè)的傳感器R4安裝于軌道外側(cè)，傳感器R1、R2和R3安裝于軌道的內(nèi)側(cè)。當(dāng)有列車通過(guò)時(shí)，傳感器R3和傳感器R4分別對(duì)車輪內(nèi)、外踏面進(jìn)行掃描，獲取完整的踏面尺寸信息；內(nèi)側(cè)的3個(gè)傳感器R1、R2和R3測(cè)量記錄輪對(duì)直徑的尺寸信息。左側(cè)4個(gè)激光位移傳感器的工作原理與右側(cè)相似。對(duì)傳感器R2和傳感器L2的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合可獲得輪對(duì)內(nèi)側(cè)距。

圖1　設(shè)備安裝布置圖

圖2　激光位移傳感器與輪軌位置關(guān)系示意圖

1.2系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)安裝在車輛段運(yùn)用庫(kù)內(nèi)，車輛限速3 km/h。當(dāng)列車低速通過(guò)該檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地檢測(cè)出車輪的輪緣高、輪緣厚、輪徑等輪對(duì)尺寸，其中輪緣高、輪緣厚的檢測(cè)精度達(dá)±0.2 mm，輪徑的檢測(cè)精度達(dá)±0.5 mm。該系統(tǒng)還具備以下功能。

（1）利用磁鋼及車號(hào)識(shí)別，對(duì)采集結(jié)果實(shí)現(xiàn)列車及輪對(duì)定位。

（2）對(duì)檢測(cè)出的輪對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行踏面輪廓重繪，并準(zhǔn)確分析比較同軸、同一轉(zhuǎn)向架的輪徑，能計(jì)算同軸、同一轉(zhuǎn)向架的輪徑差及每個(gè)車輪的輪緣尺寸，對(duì)超過(guò)限制的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行報(bào)警。

（3）具有對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)查詢功能，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供報(bào)表，繪制歷史曲線趨勢(shì)圖，并能進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、打印。

2　測(cè)量原理

2.1激光三角測(cè)量原理

輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)采用激光三角法進(jìn)行尺寸測(cè)量，由于激光位移傳感器安裝在軌旁，激光發(fā)射到車輪踏面會(huì)與踏面的法線形成一定的角度，因此，屬于斜入射激光三角法[8]，其原理如圖3所示，激光器1發(fā)出的光經(jīng)會(huì)聚透鏡2聚焦后入射到被測(cè)物體表面3上，且和被測(cè)面3的法線方向成一定角度，物體移動(dòng)或表面變化，導(dǎo)致入射光點(diǎn)沿入射光軸移動(dòng)。接收透鏡4接收來(lái)自入射光點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光點(diǎn)位置探測(cè)器5（CCD）的敏感面上[9]。為了提高精度，θ1和θ2必須滿足的Scheimpflug條件[10]為：

若光點(diǎn)的像在探測(cè)器敏感面上移x'，利用相似三角形的比例關(guān)系，則物體表面沿法線方向的移動(dòng)距離：

圖3　斜射式三角測(cè)量原理圖

式（1）、式（2）中θ1為激光束光軸和被測(cè)面法線之間的夾角，θ2為接收透鏡光軸和被測(cè)面法線之間的夾角，θ3為探測(cè)器受光面和接收透鏡光軸之間的夾角，β為激光位移傳感器成像光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率，a為激光束光軸和接收透鏡光軸的交點(diǎn)到接收透鏡前主平面的距離，b為接收透鏡后主平面到成像面中心點(diǎn)的距離。

2.2輪緣尺寸測(cè)量原理

在輪對(duì)尺寸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，踏面輪廓線的繪制由2個(gè)激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)，2個(gè)激光位移傳感器以一定角度和距離成鏡面對(duì)稱布置于軌道兩側(cè)（L4、R4），如圖4所示。車輪經(jīng)過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，激光位移傳感器以一定的采樣頻率對(duì)踏面輪廓進(jìn)行掃描采集數(shù)據(jù)。由于激光位移傳感器相對(duì)于軌道的安裝位置及角度都是固定的，因此，可通過(guò)坐標(biāo)變換及數(shù)據(jù)融合進(jìn)行輪廓線的繪制。

圖5描述了坐標(biāo)變換及數(shù)據(jù)融合過(guò)程，其中x(1)o(1)y(1)、x(2)o(2)y(2)為2個(gè)傳感器自身坐標(biāo)，u(1)o(1)v(1)、u(2)o(2)v(2)為坐標(biāo)變換之后的坐標(biāo)系，將變換后兩坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)點(diǎn)融合到同一坐標(biāo)系中即可重構(gòu)出車輪踏面的輪廓線，然后根據(jù)輪緣高及輪緣厚的定義即可容易計(jì)算獲得輪緣尺寸數(shù)據(jù)。

2.3輪對(duì)直徑測(cè)量原理

在輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)中，輪徑的測(cè)量由位于軌道內(nèi)側(cè)的3個(gè)激光位移傳感器（L1～L3、R1～R3）完成。傳感器安裝在半徑為R的圓周上，同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，如圖6所示。

在輪對(duì)直徑計(jì)算過(guò)程中，首先將3個(gè)傳感器探測(cè)得到的輪緣頂點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)坐標(biāo)變換等操作重構(gòu)到同一坐標(biāo)系中，然后利用3點(diǎn)擬合圓法求得輪對(duì)的輪緣直徑，最后減去2倍的輪緣高即獲得輪對(duì)的滾動(dòng)圓直徑。

圖4　輪緣尺寸測(cè)量示意圖

圖5　坐標(biāo)變換示意圖

圖6　直徑測(cè)量原理示意圖

圖7　2014年7月24日某輪對(duì)10次靜態(tài)測(cè)量值

3　試驗(yàn)

2014年5月25日至7月24日，在廣州市地下鐵道總公司赤沙車輛段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中7月24日進(jìn)行了靜態(tài)輪對(duì)試驗(yàn)，針對(duì)同一輪對(duì)、同一位置進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)，輪緣高、輪緣厚和輪徑誤差均在±0.1 mm，如圖7所示。

2014年6月30日至7月9日，對(duì)5556車偶端A、B車的8個(gè)鏇修過(guò)的車輪進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)測(cè)量，并同時(shí)進(jìn)行人工測(cè)量，針對(duì)每個(gè)車輪均獲得了10組輪對(duì)尺寸數(shù)據(jù)。將10次人工測(cè)量值求平均作為標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)將10次系統(tǒng)測(cè)量值也求平均作為系統(tǒng)測(cè)量值。經(jīng)比較得出如下結(jié)論：針對(duì)輪緣高及輪緣厚尺寸，系統(tǒng)測(cè)量值與人工測(cè)量值之間的差值均值±0.2 mm范圍之內(nèi)；針對(duì)輪徑參數(shù)，系統(tǒng)測(cè)量值與人工測(cè)量值之間的差值均值在±0.5 mm范圍之內(nèi)，從而驗(yàn)證了輪對(duì)尺寸在線測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

為比較人工測(cè)量與系統(tǒng)測(cè)量的一致性，以輪緣厚為例，圖8給出了針對(duì)8個(gè)車輪人工測(cè)量最大值、最小值與系統(tǒng)測(cè)量最大值、最小值的比較，可見(jiàn)人工測(cè)量的最大值、最小值范圍大于系統(tǒng)測(cè)量的范圍，本文提出的輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的一致性優(yōu)于人工測(cè)量。

圖8　輪緣厚的系統(tǒng)測(cè)量與人工測(cè)量的一致性比較

4　結(jié)論

本文提出了一種基于2D激光位移傳感器的城軌車輛輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輪緣高、輪緣厚及輪徑等輪對(duì)參數(shù)的自動(dòng)在線測(cè)量，并能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析等功能?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)測(cè)量精度完全滿足測(cè)量的誤差要求，且系統(tǒng)測(cè)量一致性優(yōu)于人工測(cè)量。因此，本文提出的輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠取代現(xiàn)有的人工檢測(cè)，減輕測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度，降低維護(hù)成本，提高車輛運(yùn)行安全性，具有巨大的市場(chǎng)推廣前景。

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責(zé)任編輯 冒一平

On-Line Dynamic Measuring System for Wheel Pairs of Rail Vehicles

Li Zhaoxin, Chen Xijun, Xing Zongyi, et al.

Abstract:This paper introduces the structure of the system mainly consists of position detection sensor, train identification system, 2D laser displacement sensors and industrial personal computer etc. The working principle of oblique incidence laser trigonometry, and the measuring principle for flange high, flange thickness, wheel diameter and parameters of wheel pairs are described. The system is tested on site and the test results has shown that the system is more consistent than the manual measurement, and has the advantages of fast, accurate and reliable, meeting the needs of wheelset measurement and maintenance.

Keywords:rail vehicle, parameters of wheel pairs, laser displacement sensor, on-line measuring

收稿日期2014-11-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家863 計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA110506）；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)（2015035）資助

中圖分類號(hào)：U270.7