軌道交通車輛輪-軸同心度自動(dòng)檢測(cè)機(jī)研制*

盧桂云 王素姣

軌道交通車輛輪-軸同心度自動(dòng)檢測(cè)機(jī)研制*

盧桂云1王素姣2

（1．鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，450052，鄭州；2．北京鐵路電氣化學(xué)校，102202，北京∥第一作者，副教授）

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量工具無(wú)法快速準(zhǔn)確測(cè)量軌道交通車輛的車輪與車軸同心度問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種輪-軸同心度專用檢測(cè)機(jī)。詳細(xì)描述了同心度的檢測(cè)原理以及關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，能快速準(zhǔn)確地測(cè)出車輛輪-軸同心度，大大提高了檢測(cè)精度和檢測(cè)效率，解決了檢測(cè)技術(shù)難題，為輪對(duì)的進(jìn)一步加修提供測(cè)量依據(jù)，確保車輛運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性，提高了旅客乘坐舒適度。

軌道交通車輛；輪對(duì)；輪-軸同心度；自動(dòng)檢測(cè)機(jī)

隨著我國(guó)軌道交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，為滿足新技術(shù)、新材料、新裝置和高速鐵路的發(fā)展需求，進(jìn)一步統(tǒng)一鐵路客車輪對(duì)組裝、信息化管理和檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)鐵路總公司于2014年元月統(tǒng)一制定了《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)則》），并開始執(zhí)行。《規(guī)則》中第3.7條的（5）中規(guī)定，同一車輪踏面與軸頸面在同一直線上測(cè)量的兩點(diǎn)距離差超限，應(yīng)對(duì)車輪進(jìn)行加修。《規(guī)則》中附件14《輪對(duì)、軸承和軸箱裝置檢修限度表》中14.3.10.5條也明確了同一車輪踏面與軸頸面的距離差的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：運(yùn)行速度不超過(guò)120 km/h的車輛，不大于0.6 mm；運(yùn)行速度不超過(guò)140 km/h的車輛，不大于0.5 mm；運(yùn)行速度不超過(guò)160 km/h的車輛，不大于0.4 mm。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于同一輪對(duì)輪-軸同心度檢測(cè)，即踏面與軸頸面的距離差的檢測(cè)，主要是通過(guò)車輪圓周跳動(dòng)測(cè)量表進(jìn)行人工檢測(cè)。該檢測(cè)方法檢測(cè)點(diǎn)數(shù)少、檢測(cè)效率低、數(shù)據(jù)讀取誤差大、檢測(cè)精度低。輪-軸同心度自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的研制，可實(shí)現(xiàn)由人工檢測(cè)到自動(dòng)檢測(cè)、由直接接觸式檢測(cè)到非接觸式檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)處理，超限自動(dòng)報(bào)警，且能夠進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存、打印和輸出等功能，可有效提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，為輪對(duì)加修提供技術(shù)依據(jù)。

1 主要研究?jī)?nèi)容及要求

研究?jī)?nèi)容包括：①檢測(cè)原理；②測(cè)量探頭的選擇；③數(shù)據(jù)的采集及處理；④探頭檢測(cè)位置的自動(dòng)定位；⑤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究；⑥氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵技術(shù)要求包括：①測(cè)距探頭檢測(cè)位置的自動(dòng)定位（機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和電氣控制）；②數(shù)據(jù)采集時(shí)機(jī)的確定和數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算處理，控制傳感器的工作狀態(tài)；③配合輪軸旋轉(zhuǎn)部分確定檢測(cè)頻率、周期；④將處理數(shù)據(jù)發(fā)送上位機(jī)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存、打印和調(diào)取；⑤超限數(shù)據(jù)語(yǔ)音報(bào)警提示和標(biāo)識(shí)。

2 輪-軸同心度自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的研制

2.1 同心度檢測(cè)原理

輪-軸同心度檢測(cè)原理如圖1所示。圖1中，h1為激光探頭1到輪對(duì)踏面滾動(dòng)圓的距離，h2為激光探頭2到車軸軸頸面的距離，x1為機(jī)械構(gòu)架基準(zhǔn)面到激光探頭1的距離，x2為機(jī)械構(gòu)架基準(zhǔn)面到激光探頭2的距離，k為同軸度檢測(cè)儀的機(jī)架基準(zhǔn)面到軸頸面與車輪踏面的距離差。如車輛輪對(duì)沿圓周方向軸頸面與車輪踏面上各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離之差，即k1，k2，…，kn的值大小相等，即可判定車輛輪對(duì)具有良好的同軸度；如任意兩點(diǎn)之差P=|kj-ki|≠0（式中j和i為軸頸面與車輪踏面圓周方向任意兩點(diǎn)），說(shuō)明此輪對(duì)的同軸度存在偏差，如P值的大小超過(guò)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用限度，則必須對(duì)輪對(duì)進(jìn)行加修。

通過(guò)模型計(jì)算可知，k+h1+x1=h2+x2，即k=h2+x2-（h1+x1）。

圖1 輪-軸同心度自動(dòng)檢測(cè)原理

2.2 測(cè)量探頭的選擇

根據(jù)檢測(cè)精度的技術(shù)要求，本方案選擇了基恩士IL-S系列智能化加強(qiáng)版激光位移傳感器ILS065。其基本參數(shù)如下：①測(cè)量范圍，55～75 mm（基準(zhǔn)距離65 mm）；② 光源輸出功率，560 μW；③輸出類型，紅色半導(dǎo)體激光，波長(zhǎng)655 nm（可見光）；④激光類別，2類激光產(chǎn)品；⑤光點(diǎn)范圍，約550 μm ×1 750 μm（基準(zhǔn)距離時(shí)）；⑥ 線性度，在55～65 mm時(shí)±0.05%F.S.，在 55～75 mm 時(shí)±0.075%F.S.（F.S.為滿量程誤差，也稱線性度或非線性誤差）；⑦ 重復(fù)精度，2 μm；⑧ 采樣周期，0.33 ms、1 ms、2 ms、5 ms（4 級(jí)可調(diào)）；⑨ 工作狀態(tài)指示，綠色LED發(fā)射警告指示燈，橙色LED模擬范圍指示燈，紅色/綠色LED參考距離指示燈；⑩外殼防護(hù)級(jí)，IP67；11○ 周圍溫度，-10℃ ～ +50℃（無(wú)凝結(jié)、無(wú)凍結(jié)）；12○ 周圍濕度，35% ～85%（無(wú)凝結(jié)）；13○ 抗振，10 ～ 55 Hz雙倍振幅 1.5 mm，x、y、z各方向 2 h；14○質(zhì)量，約 75 g。

本激光傳感器應(yīng)用了三角測(cè)量的測(cè)定原理，圖2為基恩士激光傳感器測(cè)距原理圖。當(dāng)目標(biāo)物的位置發(fā)生變動(dòng)時(shí)，IL-S065激光位移傳感器上的入光位置即會(huì)移動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)入光位置，來(lái)測(cè)定目標(biāo)物的變位量。

圖2 IL-S065型激光傳感器測(cè)距原理圖

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

采用8位單片機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯運(yùn)算處理，控制傳感器的工作狀態(tài)，配合輪軸旋轉(zhuǎn)速度確定檢測(cè)頻率、周期，通過(guò)相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和干擾數(shù)據(jù)的自動(dòng)篩選，將處理數(shù)據(jù)發(fā)送上位機(jī)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存、打印和調(diào)取。將超出正常使用標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果（超標(biāo)位置和測(cè)量數(shù)據(jù)）進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示和顏色標(biāo)識(shí)。

2.4 探頭檢測(cè)位置的自動(dòng)定位

通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)車輪自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，采用高精度的激光探頭，完成圓周方向的數(shù)據(jù)采集，并在測(cè)量時(shí)能實(shí)現(xiàn)探頭的自動(dòng)定位。

自動(dòng)定位分水平和豎直兩個(gè)方向。由于現(xiàn)階段我國(guó)軌距均采用的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，輪對(duì)內(nèi)測(cè)距相對(duì)固定，所以水平方向的定位主要是以車輪踏面滾動(dòng)圓（距離輪對(duì)內(nèi)側(cè)面70 mm）為基準(zhǔn)進(jìn)行定位。由于車輛輪對(duì)型號(hào)不同，車輪有新輪（輪徑915 mm）、半磨耗輪（輪徑860 mm）與磨耗輪（輪徑770 mm）之分，車軸有RC型軸（軸徑120 mm）和RD型軸（軸徑130 mm）之分，因此車輪輪徑和軸徑大小差別很大。而激光測(cè)距探頭又有最佳的檢測(cè)距離（55～75 mm之間）的要求，所以輪-軸同心度檢測(cè)機(jī)在輪對(duì)檢測(cè)時(shí)通過(guò)在檢測(cè)探頭安裝支架的端部設(shè)置接近傳感器，實(shí)現(xiàn)了豎直方向的自動(dòng)定位，使得每次對(duì)不同輪對(duì)檢測(cè)時(shí)車輪踏面探頭和軸頸面探頭都能處于最佳的檢測(cè)位置。

2.5 同心度自動(dòng)檢測(cè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為輪-軸同心度自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。輪對(duì)軸向夾緊機(jī)構(gòu)主要用于輪對(duì)的軸向定位；輪對(duì)推出機(jī)構(gòu)主要用于檢測(cè)結(jié)束后的輪對(duì)推出；輪對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要用于在輪對(duì)檢測(cè)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)以一定的速度旋轉(zhuǎn)；車輪踏面探頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及軸頸面探頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是依靠步進(jìn)電機(jī)和絲杠傳動(dòng)，并通過(guò)接近傳感器、行程開關(guān)等控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光測(cè)距傳感器的精確控制。采用高精度激光測(cè)距傳感器用于完成探頭到車輪踏面及軸頸面的尺寸測(cè)量。機(jī)體側(cè)面設(shè)置有設(shè)備控制柜及外部設(shè)備，包括電氣控制箱、液壓控制箱、工控主機(jī)、打印機(jī)等，實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距傳感器的自動(dòng)定位、自動(dòng)測(cè)距、測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)處理、干擾數(shù)據(jù)的自動(dòng)過(guò)濾、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等處理，以完成輪-軸同心度的自動(dòng)測(cè)量。

圖3 輪-軸同心度自動(dòng)檢測(cè)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.5.1 輪對(duì)軸向夾緊定位機(jī)構(gòu)

輪對(duì)軸向夾緊機(jī)構(gòu)主要是在輪對(duì)到達(dá)待測(cè)位后，為了確保測(cè)量位置的準(zhǔn)確度而設(shè)置的輪對(duì)軸向定位裝置。設(shè)備兩側(cè)分別設(shè)置兩套夾緊裝置。輪對(duì)軸向夾緊機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)控制夾緊油缸活塞桿的伸縮來(lái)控制夾緊定位塊的軸向移動(dòng)，使兩側(cè)的夾緊定位塊作用于兩側(cè)車輪踏面的外側(cè)，完成輪對(duì)的軸向定位。

圖4為輪對(duì)軸向夾緊機(jī)構(gòu)示意圖。其中：夾緊油缸尾部通過(guò)后座耳固定在機(jī)架上；夾緊氣缸尾部與后座耳之間通過(guò)連接軸及偏心套樞接；夾緊油缸與夾緊定位塊之間通過(guò)連接軸及襯套樞接，面板設(shè)在夾緊定位塊上，夾緊定位塊與底部所設(shè)的下導(dǎo)向塊滑動(dòng)匹配連接。

圖4 輪對(duì)軸向夾緊定位機(jī)構(gòu)示意圖

2.5.2 輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

輪對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用來(lái)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)在檢測(cè)臺(tái)位的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。由于輪-軸同心度檢測(cè)需采集車輪踏面及軸頸面一周的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以在檢測(cè)時(shí)需驅(qū)動(dòng)輪對(duì)以一定的速度緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5為輪對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，驅(qū)動(dòng)軸與減速機(jī)動(dòng)力輸出端通過(guò)聯(lián)軸器連接。

圖5 輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2.5.3 探頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及檢測(cè)位置的自動(dòng)定位

車輪踏面及軸頸面探頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用來(lái)控制探頭上、下位置的。由于車輛輪對(duì)在檢修時(shí)輪徑尺寸和軸徑尺寸是有差別的，為了使探頭在每次檢測(cè)時(shí)都能處于最佳的測(cè)量高度，以確保探頭保持最佳的測(cè)量精度，所以需對(duì)探頭的上、下高度進(jìn)行精確控制。圖6為探頭驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中：底板通過(guò)機(jī)體聯(lián)接座安裝在機(jī)架上；步進(jìn)伺服電機(jī)座安裝在底板上；絲杠一端通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)伺服電機(jī)連接，絲杠通過(guò)前、后支撐安裝在底板上，絲母底板安裝在直線導(dǎo)軌上；直線導(dǎo)軌端部安裝有探頭組件。由步進(jìn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠、絲母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)絲母、絲母座帶動(dòng)直線導(dǎo)軌移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)探頭的移動(dòng)。

圖6 探頭驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

檢測(cè)位置的自動(dòng)定位是通過(guò)接近傳感器實(shí)現(xiàn)的。圖7為探頭及接近傳感器安裝示意圖。其中：探頭外殼與激光探頭支架安裝在探頭防護(hù)底板上，探頭防護(hù)底板與導(dǎo)向架固定連接；導(dǎo)向架與車輪踏面探頭組件豎向位移機(jī)構(gòu)和軸頸部位探頭組件豎向位移機(jī)構(gòu)的直線導(dǎo)軌滑動(dòng)匹配連接；行程開關(guān)、接近傳感器安裝在導(dǎo)向架上；彈簧套裝在接近傳感器上，且彈簧的上端固定在導(dǎo)向架上，彈簧的下端安裝有移動(dòng)板，移動(dòng)板上的伸出端與行程開關(guān)正對(duì)設(shè)置。在尺寸檢測(cè)時(shí)當(dāng)接近傳感器距離車輪踏面或軸頸面5～8 mm，控制激光傳感器探頭的自動(dòng)定位，使之至檢測(cè)面處于55～75 mm的最佳檢測(cè)距離之內(nèi)，確保檢測(cè)精度。設(shè)置行程開關(guān)的目的是防止接近傳感器故障時(shí)及時(shí)控制激光測(cè)距傳感器位置。

圖7 探頭及接近傳感器安裝示意圖

2.5.4 輪對(duì)推出機(jī)構(gòu)

輪對(duì)推出機(jī)構(gòu)主要是為了將測(cè)量后的輪對(duì)快速推出檢測(cè)工位，提高輪對(duì)檢測(cè)作業(yè)效率，減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度而設(shè)置。

圖8為輪對(duì)推出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，推出油缸通過(guò)墊板安裝在機(jī)架上，推出臂設(shè)于推出桿上，推出桿前端與推出油缸活塞桿末端所設(shè)Y形接頭相鉸接，推出桿的后端通過(guò)轉(zhuǎn)軸活動(dòng)鉸接在輪對(duì)后支撐塊的后側(cè)。

圖8 輪對(duì)推出機(jī)構(gòu)示意圖

2.6 液壓控制系統(tǒng)

該自動(dòng)檢測(cè)機(jī)還包括液壓控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)如圖9所示。其主要是通過(guò)三通連接的主管路、2條支管路與夾緊油缸和推出油缸分別連接；在主管路上設(shè)有油過(guò)濾器、過(guò)濾減壓油霧三聯(lián)件；在支管路上分別設(shè)有五通小型電磁換向閥和減壓閥。通過(guò)控制夾緊油缸和推出油缸，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)的夾緊和推出控制。

圖9 液壓控制系統(tǒng)

3 使用效果

使用效果表明：①檢測(cè)過(guò)程中液壓控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輪對(duì)軸向夾緊的定位控制；②檢測(cè)完成后液壓控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輪對(duì)的自動(dòng)推出控制；③在檢測(cè)過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)輪徑和軸徑尺寸的不同對(duì)探頭的檢測(cè)位置自動(dòng)定位，確保激光測(cè)距探頭處于最佳的測(cè)量位置，從而保證設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)較高的檢測(cè)精度；④能夠根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)采集周期和頻率，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集；⑤采用單片機(jī)通過(guò)相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和干擾數(shù)據(jù)的自動(dòng)篩選，并能夠?qū)⑻幚頂?shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存、打印和調(diào)取；⑥在輪對(duì)檢測(cè)過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)將超出正常使用標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果（超標(biāo)位置和測(cè)量數(shù)據(jù)）進(jìn)行報(bào)警和標(biāo)識(shí)。

該項(xiàng)目的成功研制滿足了各型軌道交通車輛輪對(duì)輪-軸同心度的自動(dòng)檢測(cè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)輪-軸同心度自動(dòng)檢測(cè)的空白，有效提高了檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，為輪對(duì)加修提供了技術(shù)依據(jù)，對(duì)于有效提高旅客列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性具有極其重要的作用。

［1］ 高向東，吳乃優(yōu)，敖銀輝.鐵路車輛輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2003（2）：36.

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Development of the Automatic Detector for Wheel and Shaft Concentricity in Rail Transit Vehicle

LU Guiyun，WANG Sujiao

Aiming at the problems of traditional detecting machines that can not measure rapidly and accurately the wheel and axle shaft concentricity in rail transit vehicles，a special testing machine for wheel and shaft concentricity is designed.In this paper,the principle of concentricity detection and the structural design of key components are described in detail.The structure of the new detector is simple and practical，it can rapidly and accurately detect the vehicle wheel shaft concentricity，greatly improve the detection accuracy and efficiency，thus solving the difficult technical problems and providing the basis for wheel set measurement and repair.This detector could also ensure the safety of vehicle running and steadiness，improve the comfort of passengers.

rail transit vehicle；wheel set；wheel and shaft concentricity；automatic detector

U270.33

10.16037/j.1007-869x.2017.11.002

First-author′s address Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，450052，Zhengzhou，China

*河南省科學(xué)技術(shù)廳2015年高新技術(shù)研究項(xiàng)目（152102210232）

2017-04-10）