淺析地鐵車(chē)輪檢測(cè)技術(shù)

張春城　劉亮

摘 要：地鐵車(chē)輛在運(yùn)行中存在著車(chē)輪與鋼軌之間力的傳遞（牽引力、制動(dòng)力、離心力），造成車(chē)輪踏面的摩擦產(chǎn)生損耗，對(duì)車(chē)輛的安全性、乘坐的舒適性和運(yùn)行平穩(wěn)性影響很大，為確保地鐵交通的平穩(wěn)有序，關(guān)于軌道和車(chē)輪等基礎(chǔ)設(shè)施的研究就顯得尤為重要。階梯式標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)是大型車(chē)輪鏇床的標(biāo)準(zhǔn)件，車(chē)輪鏇床用來(lái)對(duì)工作輪對(duì)進(jìn)行鏇修工作，階梯式標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)參數(shù)的準(zhǔn)確與否關(guān)系到車(chē)輪鏇修結(jié)果，車(chē)輪直徑是其中最重要的參數(shù)。本文介紹了一種高精度地鐵車(chē)輪直徑檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪直徑直接測(cè)量，避免人為因素，兼容測(cè)量量程和測(cè)量精度，符合車(chē)輪參數(shù)的分析和車(chē)輪鏇修的需求。

關(guān)鍵詞：車(chē)輪；階梯式標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)；鏇修；直徑

中圖分類(lèi)號(hào)：U279 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

軌道交通作為一種方便快捷的出行方式，在日益繁忙的城市交通網(wǎng)絡(luò)中正占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。目前，針對(duì)車(chē)輪的參數(shù)檢測(cè)主要包括：輪對(duì)尺寸、車(chē)輪踏面外形、踏面缺陷和內(nèi)部探傷。國(guó)內(nèi)在地鐵車(chē)輛維修中對(duì)大部分輪對(duì)參數(shù)的檢測(cè)還停留在手工階段，在實(shí)際測(cè)量中工作量大、效率低，同時(shí)不可避免存在人為因素干擾，直接影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性，這些都會(huì)對(duì)車(chē)輪鏇修和車(chē)輪參數(shù)的分析產(chǎn)生很大的影響。

本文介紹一種高精度地鐵車(chē)輪直徑檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪直徑直接測(cè)量，避免人為因素，兼容測(cè)量量程和測(cè)量精度，符合車(chē)輪參數(shù)的分析和車(chē)輪鏇修的需求。

1 輪徑檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)及原理

對(duì)于輪直徑測(cè)量，要求直徑的測(cè)量范圍為500mm～900 mm，測(cè)量準(zhǔn)確度要求為0.005mm。若根據(jù)間接測(cè)量的方法，測(cè)量的準(zhǔn)確度不滿足要求。為了保證準(zhǔn)確度采用直接測(cè)量方法。根據(jù)測(cè)量要求，設(shè)計(jì)高精度輪徑測(cè)量裝置，該輪徑測(cè)量裝置包括滑動(dòng)測(cè)頭、光柵尺、基座、直線導(dǎo)軌、方管、V型鐵、基架和固定測(cè)頭等。

由于測(cè)量的量程比較大，采用直接測(cè)量必須對(duì)其分段測(cè)量，否則不滿足精度要求。利用大數(shù)小數(shù)分開(kāi)的測(cè)量原則，將直徑的測(cè)量分為500mm～600mm、600mm～700mm、700mm～800mm、800mm～900mm四段，選用量程為100mm、分辨率為0.0005mm的光柵尺。設(shè)定測(cè)量的基準(zhǔn)，將四段測(cè)量的初值分別設(shè)定在500mm、600mm、700mm、800mm并分別用量棒對(duì)其校準(zhǔn)。基架由鋁合金型材組成，可擰動(dòng)鋁合金型材之間的連接角碼，可方便拆裝相對(duì)移動(dòng)，方管相對(duì)基架保持固定。測(cè)量時(shí)將基架調(diào)整至合適的位置進(jìn)行標(biāo)定。V型鐵在測(cè)量時(shí)可架設(shè)于車(chē)輪之上，被用于縱向定位。電磁鐵可吸附于車(chē)輪側(cè)面，被用于側(cè)向定位。

基座包括光柵尺、墊板、直線導(dǎo)軌、直線軸承、套筒、固定座和測(cè)頭等。直線導(dǎo)軌與基座底板固定，套筒通過(guò)固定座固定于直線軸承上，直線軸承通過(guò)螺栓固定于套筒之中，測(cè)頭上套有彈簧，測(cè)頭可在直線導(dǎo)軌內(nèi)滑動(dòng)，測(cè)頭尾部帶動(dòng)光柵尺副尺移動(dòng)。在標(biāo)定時(shí)，測(cè)頭相對(duì)于直線導(dǎo)軌固定，固定座可沿直線導(dǎo)軌滑動(dòng)，將標(biāo)準(zhǔn)量棒放置于固定測(cè)頭和滑動(dòng)測(cè)頭之間，固定座會(huì)沿直線導(dǎo)軌一定位置定標(biāo)。在測(cè)量時(shí)，測(cè)量是在定標(biāo)完成之后，固定座相對(duì)于直線導(dǎo)軌固定，滑動(dòng)測(cè)頭在受到車(chē)輪踏面擠壓時(shí)，測(cè)頭上彈簧會(huì)變形，滑動(dòng)測(cè)頭在直線導(dǎo)軌中滑動(dòng)到一定位置，測(cè)頭會(huì)同時(shí)帶動(dòng)光柵尺副尺同時(shí)移動(dòng)。這就是大數(shù)小數(shù)測(cè)量原則，此時(shí)光柵尺的示數(shù)即為測(cè)量的小數(shù)部分，量棒的規(guī)格即為測(cè)量的大數(shù)部分。輔助測(cè)頭、測(cè)頭與車(chē)輪可以三點(diǎn)接觸，保證測(cè)量的可靠性。

對(duì)于車(chē)輪直徑采用直接測(cè)量的必須是車(chē)輪最長(zhǎng)的弦，否則將會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。所以在設(shè)計(jì)輪直徑測(cè)量裝置時(shí)可將兩端的測(cè)頭一端固定，另一端滑動(dòng)測(cè)頭可沿輪緣踏面擺動(dòng)，將測(cè)頭沿車(chē)輪踏面擺動(dòng)。方管包括滑座、滾珠絲桿、聯(lián)軸器和電機(jī)固定板。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，滾珠絲桿的螺母與滑座連接，滑座可在鋁合金方管內(nèi)滑動(dòng)，滑座與基座底板固定，測(cè)量時(shí)可帶動(dòng)基座上下移動(dòng)。

在標(biāo)定時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，將基座升起，將滑動(dòng)測(cè)頭移至與固定在同一中心線，量棒兩端與測(cè)頭中心相接觸，可方便量棒標(biāo)定。測(cè)量時(shí)，基座同測(cè)頭、光柵尺、直線導(dǎo)軌由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿方管上下移動(dòng)，在上下移動(dòng)過(guò)程中，滑動(dòng)測(cè)頭在彈簧作用下，測(cè)頭始終與車(chē)輪踏面緊密接觸。由于車(chē)輪踏面的外輪廓會(huì)對(duì)滑動(dòng)測(cè)頭產(chǎn)生壓力，隨著滑動(dòng)測(cè)頭的上下掃描，由于車(chē)輪踏面輪廓的變化，滑動(dòng)測(cè)頭也會(huì)在直線軸承內(nèi)帶動(dòng)光柵尺移動(dòng)。在滑動(dòng)測(cè)頭動(dòng)態(tài)擺動(dòng)掃描的過(guò)程中，測(cè)量光柵尺實(shí)時(shí)輸出測(cè)頭掃過(guò)輪緣各點(diǎn)的弦長(zhǎng)，其中最大值即為車(chē)輪輪徑。

在測(cè)頭沿曲線擺動(dòng)掃描的過(guò)程中，測(cè)量光柵尺會(huì)測(cè)出測(cè)頭掃過(guò)的每點(diǎn)長(zhǎng)度，將測(cè)量光柵尺采集的所有弦長(zhǎng)值發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)保存并顯示所有測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)比前后數(shù)據(jù)，找到其拐點(diǎn)即為車(chē)輪輪徑。

為保證測(cè)量的可靠性，利用三點(diǎn)接觸，固定測(cè)頭和滑動(dòng)測(cè)頭與車(chē)輪點(diǎn)接觸，輔助測(cè)頭緊靠車(chē)輪踏面。避免人為因素的影響，測(cè)量過(guò)程中，調(diào)節(jié)“V”型鐵高度架設(shè)于車(chē)輪之上，電磁鐵吸附在車(chē)輪內(nèi)側(cè)面，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)頭上下擺動(dòng)完成測(cè)量。

2 輪徑檢測(cè)裝置標(biāo)定測(cè)量過(guò)程

（1）根據(jù)車(chē)輪大小，將基架移動(dòng)到合適位置并固定，選用500mm、600mm、700mm、800mm中合適的標(biāo)準(zhǔn)量棒，步進(jìn)電機(jī)基座使滑動(dòng)測(cè)頭與固定測(cè)頭在同一直線，移動(dòng)直線導(dǎo)軌，標(biāo)準(zhǔn)量棒固定于固定測(cè)頭和滑動(dòng)測(cè)頭之間，標(biāo)定長(zhǎng)度即為標(biāo)準(zhǔn)量棒的長(zhǎng)度。

（2）調(diào)節(jié)“V”型鐵高度架設(shè)于車(chē)輪之上，電磁鐵吸附在車(chē)輪內(nèi)側(cè)面，固定測(cè)頭緊靠一側(cè)的車(chē)輪踏面，滑動(dòng)測(cè)頭和輔助測(cè)頭緊靠另一側(cè)車(chē)輪踏面，滑動(dòng)測(cè)頭壓縮彈簧帶動(dòng)光柵尺副尺向后移動(dòng)。

（3）方管中步進(jìn)電機(jī)勻速驅(qū)動(dòng)基座沿車(chē)輪踏面上下移動(dòng)，滑動(dòng)測(cè)頭在車(chē)輪踏面上擺動(dòng)掃描，在彈簧力和車(chē)輪踏面的壓力作用下，滑動(dòng)測(cè)頭會(huì)前后移動(dòng)，測(cè)量光柵尺輸出一系列數(shù)據(jù)到PC機(jī)，其中最大值拐點(diǎn)即為車(chē)輪直徑。

3 實(shí)驗(yàn)

已知直徑為753.905mm標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪輪對(duì)為被檢測(cè)車(chē)輪，利用700mm的標(biāo)準(zhǔn)量棒對(duì)檢測(cè)裝置標(biāo)定，標(biāo)定后將輪徑檢測(cè)裝置架設(shè)于被檢測(cè)車(chē)輪上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)基座沿滑動(dòng)測(cè)頭和固定測(cè)頭的中心線上下移動(dòng)20mm，當(dāng)測(cè)頭掃描車(chē)輪踏面采樣出各點(diǎn)的弦長(zhǎng)，其中最大的弦長(zhǎng)53.904mm即為直徑，被檢車(chē)輪直徑為753.904mm。該輪徑測(cè)量裝置兼容測(cè)量量程和測(cè)量精度，符合車(chē)輪參數(shù)的分析和車(chē)輪鏇修的需求。在地鐵輪對(duì)直徑測(cè)試中，從機(jī)械系統(tǒng)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)都影響測(cè)量的結(jié)果，其中誤差主要包括以下幾個(gè)方面的來(lái)源。

（1）制造誤差：機(jī)械零部件加工會(huì)對(duì)測(cè)量裝置精度有很大影響，機(jī)械零部件加工精度會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)誤差

（2）機(jī)械裝配誤差：在輪徑測(cè)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)中，機(jī)械零部件裝配精度也會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)誤差。機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配精度如測(cè)頭與軸套的裝配精度、輪徑測(cè)量裝置鋁合金型材的支撐支架安裝精度都會(huì)引入誤差

（3）實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中也會(huì)引入誤差，比如在標(biāo)定過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差，采樣頻率也會(huì)引入系統(tǒng)系統(tǒng)誤差，在保證采樣性能的情況下，可適當(dāng)提高采樣頻率。

結(jié)語(yǔ)

本課題給出了階梯式標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)的直徑測(cè)量方案，通過(guò)設(shè)計(jì)的高精度輪直徑測(cè)量裝置，進(jìn)一步提高車(chē)輪輪對(duì)輪直徑的測(cè)量效率和精度，減小人為檢測(cè)的誤差，為車(chē)輪的鏇修提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王彥春.鐵路計(jì)量[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2001.

[2]高向東.輪對(duì)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置的研制[J].鐵道車(chē)輛，2002，40（10）：29-31.

[3]劉暢.列車(chē)輪對(duì)踏面幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)研究[D].吉林：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2014.

[4]劉李瑩.便攜式鐵道車(chē)輪外形測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確度研究[D].四川：西南交通大學(xué)，2008.

[5]肖玲.基于LabVIEW的機(jī)車(chē)輪對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析[D].湖北：武漢理工大學(xué)，2011.