輪對故障動態檢測系統的使用與完善探討

董國強 上海鐵路局上海動車客車段

隨著我國高速鐵路的發展，對車輛輪對的運行狀態提出了更高的要求。輪對承擔車輛全部重量，且在軌道上高速運行，承受著從車體、鋼軌兩方面傳遞來的各種靜、動作用力，受力復雜。同時輪對作為轉向架中重要的部件，又是影響車輛運行安全性的關鍵部件之一。輪緣是保持車輛沿鋼軌運行，防止脫軌的重要部分。輪緣內側距離和踏面是保證車輛順利通過曲線、安全脫軌撤叉、直線運行中自動調中、提高抗蛇形運動穩定性、降低輪軌之間磨耗的重要部分。車輪擦傷、踏面裂紋和剝離是導致列車脫軌的重要原因。同樣，車輪直徑和滾動圓的大小對車輛重心、運行阻力、踏面磨耗和通過軌道凹陷和接縫處時對車輛的振動等有重要的影響。因此，準確掌握輪對各項關鍵參數是保證車輛正常運行的重要前提。

輪對故障動態檢測系統是鐵道部2002年科技發展計劃項目。2006年，在我國鐵路第六次大提速建設過程中，輪對故障動態檢測系統被列入動車組運用所首批建設的關鍵設備。

1 輪對故障動態檢測系統介紹

輪對故障動態檢測系統安裝在動車組、機車、車輛及地鐵車輛入庫線上，采用“光截圖像測量技術”和“電磁超聲探傷技術“（EMAT），在線動態自動檢測輪對外形尺寸和踏面缺陷狀況。適用于CRH各型動車組、各型機車車輛和各型地鐵車輛。

1.1 系統組成

系統由基本檢測單元、現場控制中心和遠程控制中心三部分組成，如圖1所示。

圖1 輪對故障動態檢測系統組成及數據流向

基本檢測單元位于檢測現場，獲取輪對外形和踏面缺陷的原始檢測數據。由車號識別、探傷、尺寸、擦傷及不圓度、車輛接近和離去等檢測子系統及安防系統等輔助基本單元組成。

現場控制中心設置于現場設備間，將基本檢測單元檢測的數據進行采集、處理后，傳輸至遠程控制中心。由現場控制、數據采集、數據處理和監控系統主控機等部分組成。

遠程控制中心通過遠程控制和監控，對現場控制中心傳輸的數據進行綜合分析，指導生產作業，并實現數據的存儲、打印、上傳等，同時通過監控系統進行遠程監控。由操作控制臺、安防監控系統、數據庫、數據綜合分析及管理軟件組成。其中安防監控系統用來監視現場設備，防盜及聲光報警，確保現場檢測設備的安全，由監視攝像機（帶云臺）、壁掛顯示器、微波紅外報警器、壁掛音像、話筒、安防監控軟件等單元組成。

1.2 系統功能

(1)輪對外形幾何尺寸檢測。

(2)車輪直徑檢測。

(3)踏面裂紋檢測。

(4)車輪擦傷檢測。

(5)車號和端位自動識別。

(6)檢測結果分級顯示和超限報警顯示。

(7)檢測結果存儲、報表顯示、查詢、統計、打印、導出以及數據聯網管理。

(8)對檢測出的數據進行綜合分析、判斷和整理。

(9)提供豐富的數據接口：機車車輛基本信息輸入接口、走行公里數輸入接口、人工反饋信息輸入接口、段相關部門和鐵路局的網絡訪問接口等。

(10)系統故障自診斷。

(11)配置紅外微波防盜報警系統及監控錄像系統，確保設備安全。

2 系統使用情況

目前我段已配置使用8套該系統，系統對被檢測車輛實行自動在線檢測，無需停車、停電和人員值守，檢測效率很高，保障了我段動車組運用檢修工作。但是該系統在實際使用過程中仍然受到許多因素的制約，影響著系統的檢測精度和穩定性。結合使用中存在的一些問題提出完善建議。

3 系統存在的問題和完善建議

3.1 誤報警現象

圖2 輪對外形關鍵尺寸的計算

因系統輪對外形關鍵尺寸的計算是以輪輞內側基線和輪緣頂點為基準，如圖2所示。在車輛實際通過道岔時，輪緣與道岔接觸摩擦易產生缺口、凸頂或粘著異物，引起實際測量外形曲線的輪緣頂點的變化，系統對實際測量外形曲線和標準外形曲線對比時產生誤差，引起外形尺寸的誤報警。

建議系統提取完整的輪緣和踏面曲線，選取更為穩定的測量基準。

3.2 受雨雪天氣影響較大

車輛在雨雪天通過系統時，LD、CCD等開關罩打開，車體上的水容易滴入檢測相機鏡頭和激光光源上，滴在相機鏡頭上會使拍下的照片模糊，造成輪緣及踏面曲線提取不準確，影響檢測精度；滴在激光光源上會使激光光源發射的光線散射，造成投射在輪緣及踏面上的光線不夠清晰，影響檢測精度。

建議考慮一般情況下水膜的厚度對檢測精度的影響，對系統計算外形尺寸時增加自動調整、修正和校核功能，以進一步提高檢測精度。

3.3 探傷局限性

系統僅適用于探測車輪踏面近表面5~10 mm深度的裂紋缺陷，探傷有局限性。根據對輪對后期的實際檢修情況，踏面以下0~30 mm深度范圍內應力相對集中，出現裂紋等缺陷較多。

建議在改進原有系統硬件和軟件的基礎上，擴展探傷范圍，發揮系統的最大優勢，使系統能在車輛運行前期及時發現踏面以下應力相對集中區域的缺陷。

3.4 受車速影響較大

系統對車輛的通過速度有嚴格限制，被檢動車組應在5~12 km/h（最佳檢測速度10 km/h）范圍內勻速一次性通過檢測區。非檢測車輛通過檢測區段速度限制在30 km/h范圍內。當被檢測車速超過15 km/h時，對系統的檢測單元產生較大沖擊，加快設備磨損，容易引起檢測精度下降，嚴重時還會損壞設備，此時系統為了保護檢測單元，將自動關閉擦傷檢測子系統。

因車速的控制有較大的人為因素，同時大部分系統限速牌安裝在系統檢測棚與系統開始檢測觸發單元之間，司機在已通過系統開始檢測觸發單元后，才能看到系統限速牌，不能及時有效地將車速控制在最佳通過速度。

建議合理安裝系統限速牌的位置；司機嚴格控制車輛的最佳通過速度；進一步完善系統的抗振動和抗沖擊的穩定性。

3.5 維護復雜

(1)校驗和標定復雜。對系統進行校驗和標定時要通過筆記本電腦聯網控制，通過人工模擬進車狀態對各傳感器、光電開關、LD/CCD、探頭和激光光源等部件逐一檢測，才能完成對系統外形尺寸、車輪擦傷、踏面裂紋探傷等關鍵模塊的校驗和標定。按照相關文件規定，系統正常狀態下校驗每月一次；標定每三個月1次，每次需2人4~5 h才能完成；每次校驗和標定工作重復3次左右；同時針對不同的車型，需要對校驗和標定的參數等進行調整。

(2)系統屬于軌邊設備，日常的臨修、小修、整修和中修需要聯系相關單位和部門做好天窗點協調工作和安全防護工作。

(3)系統各模塊的控制相互獨立，且模塊較多，控制較復雜，給故障維修工作帶來了困難。

建議進一步改善系統的集成化，減少校驗和標定流程，提高使用維護效率。同時系統維修時有些傳感器不能通過軟件判斷其是否損壞，必須由人工手動判斷，增加了維修工作量，建議改進設備，使之能夠通過軟件判斷傳感器是否損壞。

3.6 安裝位置有待進一步優化

(1)部分系統受安裝環境的制約，無法安裝防護棚，系統的現場檢測單元裸露在室外，受雨雪、高溫、風沙等天氣的影響大，導致系統的測量數據誤差大。

(2)部分系統的選址在車站或離動車組運用所太遠，不便于對系統現場檢測單元和現場控制單元的日常維護管理。

建議在后續工程建設中，設計部門綜合調研系統的安裝環境，使系統的安裝在滿足技術條件下，盡可能降低外界因素的影響，同時方便用戶的維護管理。

4 結束語

輪對故障動態檢測系統采用先進的光截圖像測量技術和電磁超聲探傷技術，實現了在線動態檢測輪緣高度和厚度、踏面磨耗和裂紋或剝離、QR值、車輪直徑和擦傷深度、輪對內距等關鍵技術參數，同時直觀地對超限數據報警，并指導生產安排復核工作，保障了車輛的運行安全。