LY-80型輪對故障動態檢測系統的設計與實現

徐 艷 上海鐵路局上海動車客車段

LY-80型輪對故障動態檢測系統包括基本檢測單元和安防監控子系統。基本檢測單元包括車號識別模塊、輪對外形輪廓及內側距檢測模塊、車輪直徑檢測模塊、車輪擦傷及不圓度檢測模塊、踏面裂紋探測模塊五個基本檢測模塊。為輔助基本檢測單元的工作，在基本檢測單元的前后方分別設置了車輛接近檢測單元和車輛離去檢測單元。LY-80型輪對故障動態檢測系統實現了對輪對外形尺寸和踏面缺陷狀況在線動態自動檢測。適用于CRH各型動車組、各型客車車輛、機車和地鐵車輛等。

1 LY-80型輪對故障動態檢測系統組成及功能

1.1 組成

1.1.1 軟件系統組成

LY-80型輪對故障動態檢測系統由數據采集處理子系統和現場控制程序、數據分析管理子系統和安防監控軟件、基本檢測單元和監控系統組成。基本檢測單元由外形尺寸檢測子系統、踏面缺陷探傷子系統、擦傷檢測子系統組成。LY-80型輪對故障動態檢測系統組成示意圖如圖 1所示。

圖1 LY-80型輪對故障動態檢測系統組成

1.1.2軟件系統布局

LY-80型輪對故障動態檢測軟件系統由5臺計算機組成，實現了設備控制、數據采集、數據分析、數據存儲和數據查詢等功能。控制室內設計算機：遠程主機、數據庫服務器。設備間內設計算機：探傷主機、尺寸檢測主機、擦傷檢測主機。

1.2 功能

LY-80型輪對故障動態檢測系統主要功能是完成對整個系統的檢測過程控制、數據分析、存儲、顯示、管理及與其它信息平臺的接口。檢測功能分為輪對外形尺寸檢測、踏面缺陷探傷和踏面擦傷檢測等幾個部分。尺寸檢測部分的檢測項目有踏面磨耗、輪緣厚度、車輪直徑、QR值（輪緣斜度）、輪對內距、輪輞/輪箍寬度等參數；踏面缺陷探傷主要檢測車輪表面/近表面10 mm范圍內的踏面裂紋和剝離；踏面擦傷檢測部分用于測量踏面擦傷和車輪不圓度。基本檢測單元的主要功能是獲取輪對外形和踏面缺陷的原始檢測數據。設備間數據采集處理子系統主要功能是實時采集處理基本檢測單元的測量信號，形成檢測結果，并以一定的格式與控制室內的主機通信，接收控制室主機的控制命令，向控制室主機發送狀態信息和檢測結果。另外，設備間現場控制程序還負責控制現場監控設備的工作，處理監控信號。控制室數據分析管理子系統和安防監控軟件的功能是：控制“LY-80型輪對故障動態檢測系統”的啟停，監控設備的運行狀況，管理最終的檢測結果，提供用戶訪問界面、數據輸入/輸出接口、數據聯網管理。監控系統的傳感器部分位于現場擋光防護通道內，主要由帶云臺低照度攝像機、車體判別傳感器、紅外微波雙鑒探測器、聲光報警器、照明燈及壁掛式音響組成，共同完成對現場的監視、防盜及聲光報警，確保現場檢測設備的安全。

1.2.1 遠程主機上的程序

（1）遠程主控程序：主要負責協調所有現場檢測子系統的工作，如下發編組/車號信息、開始檢測命令、結束檢測命令，收集各子系統檢測結果數據和狀態信息等。

（2）數據報表程序：提供給用戶查看和管理檢測數據的界面程序，通過它可以顯示輪對外形尺寸檢測數據報表、探傷數據報表和擦傷檢測數據報表；能夠繪制車輪外形輪廓曲線、踏面探傷波形、踏面擦傷檢測波形、車輪圓度曲線；提供過車檢測報文和檢測結果分級顯示；另外還提供數據綜合分析報告，方便用戶掌握輪對磨耗規律，指導輪對的日常檢修工作。

（3）安防程序：為保障“LY-80型輪對故障動態檢測系統”安全，配合安防系統工作的專用軟件，獨立于檢測系統運行。通過它可以在遠程控制室內實時監控“LY-80型輪對故障動態檢測系統”現場設備的運行狀態和查看歷史監控視頻錄像。

1.2.2 探傷機上的程序

探傷檢測程序：實現輪對踏面缺陷探傷數據的采集和分析。

1.2.3 尺寸檢測機上的程序

（1）圖像采集客戶端程序：完成輪對外形尺寸檢測模塊的圖像采集功能。

（2）數據處理客戶端程序：完成對原始圖像數據的分析處理，得到輪對外形尺寸數據。

（3）尺寸檢測主控程序：負責協調圖像采集客戶端程序和數據處理客戶端程序有序工作，共同完成整個尺寸檢測子系統的檢測功能。

（4）現場控制程序：完成現場所有設備的控制功能。

（5）車號識別程序：用于識別待檢動車、機車、車輛車號和端位信息。

1.2.4 安裝在尺寸檢測機上的程序

擦傷檢測程序：完成踏面擦傷波形的采集分析和獲得踏面擦傷和車輪不圓度檢測結果。

2 電氣控制原理

2.1 傳感器介紹

2.1.1 接近傳感器

尺寸檢測系統中車輛接近檢測傳感器及開關罩保護機構的開關罩到位檢測采用了非接觸式電渦流接近傳感器。當金屬物體進入傳感器的檢測范圍時，傳感器輸出開關量信號。

2.1.2對射式光電傳感器

對射式光電傳感器由光電發射器和光電接收器兩部分構成。光電發射器通過光電轉換單元將電信號轉換成光信號，通過發射器的出射端發射一定波長的紅外光。光電接收器被安裝在光電發射器的光路方向上。當接收器與發射器的距離在光電傳感器檢測范圍內時，接收器接收到一定強度的光信號，通過接收器的光電轉換單元實現光信號到電信號的轉換。當有物體從發射器--接收器之間通過時，光信號被切斷，光電接收器接收不到光信號，輸出端電信號發生變化。通過檢測光電接收器輸出信號的變化可判斷是否有物體通過。

2.1.3 光纖傳感器

尺寸檢測系統的車輪檢測觸發傳感器、測速傳感器及探傷計軸傳感器都使用了光纖傳感器。光纖傳感器主要由放大器和信號光纖組成，放大器負責光信號的發射和接收處理，光纖則作為光信號的發射器和接收器，通過判斷接收端信號的有無，輸出檢測信號。光纖傳感器一般用于較小安裝空間的地方作信號的精確檢測。

2.1.4 紅外微波雙鑒探測器

根據黑體輻射理論，不同溫度的物體會發出不同波長的紅外光。紅外微波雙鑒探測器便是采用這一原理，通過提取人體發出的紅外光和人體運動切割明暗區時反射微波信號的變化作為報警條件，只有二者同時具備（即運動人體進入報警區域）才發出報警信息，而且探測器本身具有防拆報警輸出，因此這種探測器抗干擾性強，可靠性高，誤報率低。

2.2 電氣控制原理

LY-80型輪對故障動態檢測系統從電氣控制原理角度可分為六大部分，即系統電氣主控部分、尺寸檢測電氣控制部分、探傷電氣控制部分、擦傷電氣控制部分、車號識別控制部分和安防監控部分。

安防系統電氣控制原理圖如圖 2所示。

圖2 安防系統電氣控制原理圖

檢測系統電氣控制原理圖如圖 3所示。

圖3 檢測系統電氣控制原理圖

3 LY-80型輪對故障動態檢測系統各子系統檢測原理及流程

3.1 尺寸檢測子系統

3.1.1 工作原理

尺寸檢測子系統工作原理：采用“光截圖像測量技術”來實現對車輪外形輪廓和輪對關鍵外形尺寸的非接觸動態檢測。

3.1.2 檢測流程

尺寸檢測子系統檢測流程圖如圖 4所示。

3.2 電磁超聲探傷系統

3.2.1 工作原理

應用先進的電磁超聲換能器（EMAT）原理，具有非接觸快速檢測、無需耦合劑的特點，能夠實現輪對踏面缺陷的快速動態自動檢測。

3.2.2 檢測流程

檢測流程受“LY-80型輪對故障動態檢測系統”的統一控制。當有機車、車輛到達時，車號識別系統識別出車號信息，輪對探傷系統在“LY-80型輪對故障動態檢測系統”主控程序控制下進入待檢狀態；當輪對通過輪對探傷系統檢測區域時，輪對探傷系統完成車輪踏面的缺陷檢測，并分析、存儲檢測結果；當機車、車輛通過檢測區域后，主控程序下達檢測結束命令，輪對探傷系統結束當前檢測過程，并將檢測、分析結果傳遞到控制室服務器上的數據庫中保存，然后輪對探傷系統進入待機狀態。

3.3 擦傷（不圓度）子系統

3.3.1 工作原理

通過測量車輪一周的輪緣高度變化，實現對踏面擦傷及車輪不圓度的測量。

3.3.2 檢測流程

擦傷（不圓度）子系統檢測流程圖如圖 5所示。

圖5 擦傷（不圓度）子系統檢測流程圖

4 LY-80型輪對故障動態檢測系統主要技術參數

4.1 外形尺寸檢測精度

輪緣厚度 ±0.2mm

輪緣厚度 踏面磨耗 ±0.2mm

QR值 ±0.4mm

車輪直徑 ±0.6mm

輪對內距 ±0.2mm

4.2 車輪擦傷（不圓度）檢測精度

擦傷深度 ±0.2mm

4.3 踏面裂紋檢測指示

裂紋或剝離長度（沿輪對軸向）≥10mm

裂紋或剝離深（沿車輪徑向） ≥3mm

探測深度 ≤10mm

4.4 環境參數

環境溫度：

室外設備： -35℃～＋75℃

室內設備： -20℃～＋50℃

相對濕度：月平均≯90%，最高≯95%

海拔高度：≯1000m

車速范圍：

通過速度：≤45km/h

檢測時通過速度 ≤15km/h

最佳檢測速度 10km/h±20%

數據處理時間（100輪） ≤2min

兩列車通過間隔時間： ＞5min

5 結束語

LY-80型輪對故障動態檢測系統是集數據采集系統、數據分析管理系統、基本檢測單元和監控系統為一體的新型檢測設備，操作人員只需操縱鍵盤和鼠標，不需停車，不需解體輪對，即可完成輪對故障動態檢測。檢測速度快、極大地減輕了現場工人的勞動強度，提高了工作效率；非接觸檢測，不影響列車正常運行，安全可靠；提供檢測數據的綜合分析、判斷和整理，給出優化的綜合維護保養方案。檢測過程自動完成，大大提高了檢修作業的管理水平，是動車所檢測輪對必不可少的設備之一。